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Le proteine svolgono molti ruoli all'interno dell'organismo: attività enzimatica, emoglobina, anticorpi, trasmissione di impulsi, attività muscolare con proteine contrattili (actina e miosina)
Tuttti gli amminoacidi presentano una configurazione comune data da un gruppo carbossilico, un gruppo amminico un atomo di C in mezzo, un atomo di H. Ciò che varia è la catena laterale R che può presentare lunghezza e caartteristiche estremamente eterogenee. L'amminoacido è una molecola chirale, e in particolare ha come centro di chiralità il C. La configurazione preferita è la L.
L'amminoacido è un anfione in quanto a pK compreso fra 2,3 e 9,6 esso è caraterizzato da un gruppo amminico protonato a NH3+ e un gruppo carbossilico deprotonato a COO-. Questi due valori corrsipondono ai valori di pK di equilibrio del gruppo amminico e del gruppo carbossilico, dove, seconod la legge di Hasselback, concetrazione di forma deprotonata e concentrazione di forma protonata sono uguali. Questo permette all'amminoacido di preservare carica netta nulla e contemporaneamnete avere proprietà basiche e acide.
Se l'ammminoacido si trova in condizioni di pH particolarmente acido allora il gruppo carbossile agisce da base e acquista un protone (H+). L'amminoacido avrà ora carica netta positiva, diventando quindi un catione.
Il gruppo amminico dell'AA si deprotona e cede uno ione H+ all'ambiente, agendo da acido. L'AA avrà ora carica netta negativa e sarà quindi nella sua forma anionica.
Gli amminoacidi vengono calssificati in base alla loro polarità. Questa proprietà viene definita dal tipo di catena laterale R che caratterizza i vari tipi di amminoacidi. Ci sono 5 tipi di catene laterali:
- R apolare e idrofobica
- R aromatica e idrofobica
- R polare, carica nulla
- R polare, carica negativa (acidi)
- R polare, carica positiva (basi)
La distinzione viene fatta in quanto se la catena laterale che caratterizza un amminoacido è apolare, esso sarà sicuramente ripiegato verso l'interno della struttura terziaria, e viceversa nel caso sia polare. E' quindi molto importante conoscere queste strutture per capire il folding proteico e come avviene.
Sono catene che conferiscono all'amminoacido idrofobicità e apolarità, quindi nel folding sarà ripiegato verso l'interno.
Gli amminoaccidi che fanno parte di questa catena sono alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina, glicina.
Presentano un anello aromatico all'interno della struttura. I componenti sono: Fenilanina, Triptofano, Tirosina. Particolarmente importante è la tirosina in quanto presenta un gruppo OH fondamentale per il processo di fosforilazione ad opera della proteina Tirosina-chinasi.
Il gruppo polare a carica neutra è idrofilico. Ci sono 5 componenti: Serina, Treonina, Asparigina, Glutammina e Cisteina. Particolarmente importanti sono la serina e la treonina in quanto esse, come la tirosina (aromatica) sono in grado di essere fosforilate grazie alla presenza del gruppo OH. Asparigina e glutammina sono ammidi di acido aspartico e glutammico. La cisteina invece è molto interessante in quanto contiene al suo interno ( estremotà della catena R) un gruppo SH, che rende possibile la formazione, con un'altra cisteina, di ponti disolfuro a formare cistina. Questo processo è molto importante per la formazione di proinsulina a partire da prepropinsulina. La prima viene infatti stabilizzata da 3 legami a ponte disolfuro nelle cellule beta del pancreas, per poi essere rilasciata (dopo eliminazione peptide C) sottoforma di insulina matura.
Questi amminoacidi sono caratterizzazti dalla presenza di un gruppo carbossilico COOH all'estremità della catena R. A pH basico si dissociano. I componenti di questo gruppo sono acido aspartico e acido glutammico.
Le catene laterali diq uesti amminoacidi sono caratterizzate dalla presenza di gruppi amminici. I componenti sono lisina (pk secondo gruppo amminico = 10,5), arginina (gruppo guadinico con pk = 11,5-12,5), istidina, caratterizzata da un gruppo imidazolico aromatico. Essa è molto importante in quanto avendo pK = 6 può essere utilizzata come tampone di soluzioni a pH fisiologico.
Gli amminoacidi vengono modificati dopo la traduzione per garantire etrogeneità all'inteerno della proteina stessa, e anche per esempio per attivare determinate funzioni/modifcazioni della proteina, come nel naso dell'epigenetica e della modofcazione degli istoni da parte della CRC. Le principali modifiacazioni sono la carbossilazione, l'idrossilazione e la fosforilazione. Un esempio del primo tipo di modificazione lo si trova nel gamma-acidocarbossigluttamico, risultato della carbossilazione di un acido glutammico. Esso è molto presente all'interno della protrombina (trombina importante per la coagulazione del sangue), che necessità di più cariche negative possibili per attrare ioni Ca2+, ed attivarsi. Quindi consiste nell'aggiunta di un gruppo carbossilico. L'idrossilazione è invece l'aggiunta di un gruppo ossidrile e di solito viene operata su lisina, prolina e tirosina. Infine la fosforilazione è la'ggiunta di un gruppo fosfato all'amminoacido, che viene ricavato dall'idrolisi dell'ATP ad opera degli enzimi appartenenti alla famiglai delle fosfatasi. Tra i residui amminoacidici che solitamente vengono fosforilati troviamo serina, treonina e tirosina, tutte caratterizzate da un gruppo ossidirile OH. La fosforilazione avviene anche su altri amminoacidi, ma il legame che si instaura non è covalente. La fosforilazione è necessaria come processo di regolazioni di attività metaboliche e epigenetiche, e in generale di attivazione dell'attività delle proteine.
Citrullina, ornitina, acido gamma-amminobutirrico, serotonina, epinefrina e adrenalina.
Chiesta nella prova precedente
Gli amminoacidi essenziali sono 9: istidina, leucina, isoleucina, lisina, metionina, fenilanina, treonina, triptofano e valina.
Il legame peptidico è un legame di condensazione che si instaura fra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro, ENTRAMBI LEGATI AL Calfa, a dofferenza per esempio del glutatione che si lega in Cgamma. E' un legame covalente e si insatura anche sulla base della differente carica tra i due gruppi citati sopra a pH fisiologico, in quanto si trovano in froma deprotonata. E' inoltre un legame di risonanza in quanto può esiste sia la sua forma con carica netta neutra, che la sua forma con le cariche distinte. Gli elettroni sono ripartiti fra l'ossigeno del cabronile, l'azoto e l'idrogeno del gruppo amminico. Il fatto che sia un legame di risonanza implica che non si possono effettuare una rotazione a livello del legame, creando così un piano ammidico, o gruppo peptidico planare. Il legame peptidico ha lunghezza compresa fra quella del doppio legame e quella del legame singolo (altra testimonianza della risonanza che lo caratterizza).
Sì c'è quindi la possibilità di avere una configurazione trans e una cis rispetto al legame peptidico stesso. La configurazione più comune è la trans in quanto limita l'ingombro sterico creato dalle catene laterali.
Sì, i punti di rotazione possibili sono due, in particolare l'angolo compreso tra Calfa e gruppo amminico e l'angolo compreso tra Calfa e gruppo carbonile. Questi angoli sono responsabili della creazione di strutture secondarie.
Il legame peptidico si rompe grazie all'azione di proteasi, in maniera controllata, oppure grazie ad un pH o temperature estreme. E' un processo termodinamicamente favorito, ma sfavorito da un punto di vista energetico.
La vasopressina è un ormone proteico (ADH) che si occupa di regolare il riassorbimento di acqua a livello dei reni, agendo quindi da antidiuretico. E' un polipeptide composto da 9 reisdui amminoacidici e presenta un gruppo amminico all'estremità C-terminale che permette di non avere una carica negativa netta e conferice quindi maggiore stabilità. E' inoltre caratterizata da ponti disolfuro che si formano fra due residui di cisteina. Se non ci fosse questa interazione il legame peptidico sarebbe caratterizzato da un'eccessiva possibile rotazione attorno agli angoli di rotazione. Questo causerebbe un prblema in quanto essa, essendo un ormone, è non può essere suscettibile a cambiamenti di pH o concentrazioni saline.
L'ossitocina è un ormone proteico che si occupa della stimolazione allo svuotamento delle ghiandole mammarie durante l'allattamento e influenza il comportamento sociale, sessuale e materno. Ha una struttura molto simile alla vasopressina, ma funzioni estremamente diverse. Questo è detrminato da due sostituzioni, in particolare dell'AA in posizione 3 e dell'AA in posizione 8 di una Fenilanina con Isoleucina e un'Arginina con una Leucina. Nel primo caso non cambia nulla in quanto entrambi sono amminoacidi apolari, nel secondo invece viene sostituito un AA polare carico positivamente con un AA apolare. Questo comporta grandi cambiamenti nella struttura secondaria e terziaria e quindi anche un cambiamento funzionale.
Il glutatione è un tripeptide costituito da un acido glutammico, una glicina e una cisteina. In particolare quest’ultima è fondamentale nell’instaurare legami a ponte disolfuro con altre molecole, come ad esempio i ROS. Esso si può trovare in due forme: la forma ridotta GSH e la forma ossidata GSSG. La sua funzione principale è quella di agire da antiossidante naturale e ridurre le specie ossidate dell’ossigeno, chiamate ROS. Per fare ciò lega grazie a ponti disolfuro queste specie e si fa ossidare, impedendo ai ROS di ossidare altre proteine/lipidi che non devono essere ossidate. Il processo di ossidazione causa invecchiamento in queste strutture e quindi le rende meno efficienti causando gravi problemi.
Gli enzimi che aiutano il glutatione a svolgere la sua funzione sono due: glutatione redutassi e glutatione perossidasi. Il primo, che è una molecola di NADPH e responsabile della riduzione dei GSSG e quindi del mantenimento del rapporto GSH/GSSG all'interno della cellula. Il secondo, invece, catalizza il processo di ossidazione del GSH per neutralizzare le specie ROS.
Il NADPH è un coenzima ribonucleotidico della glutatione reduttasi responsabile della riduzione dei GSSG a GSH, per mantenere il rapporto GSH/GSSG alto. Viene sintetizza nella via dei pentosi fosfati in cui vengono prodotti DNA, RNA, nucleotidi ed enzimi. È caratterizzato da due ribosi, un'adenina e la vitamina B3 o nicotinammide. Essa viene sintetizzata a partire da Niacina, che a sua volta si ottiene dall'amminoacido essenziale Triptofano.
Sequenza di amminoacidi che si ottengono dalla trascrizione del codice genetico
Le strutture secondarie sono ripiegamenti interni alla catena che possono essere anche definiti come motivi ricorrenti. Non tengono conto delle catene laterali (strutture terziarie) e vengono tenute assieme da legami ad idrogeno che si formano fra ossigeno del carbonile edidrogeno legato all'azoto. Dipendono esclusivamente dagli angoli di rotazione psi e phi. Le strutture secondarie più ricorrenti sono la alfa elica e il beta foglietto.
Le alfa eliche hanno struttura elicoidale destrorsa. A stabilizzarle troviamo un legame a idrogeno fra l'idrogeno legato al gruppo amminico di un amminoacido e l'ossigneo del carbonile dell'amminoacido posto 4 posizioni avanti in direzione N-terminale. Ogni giro d'elica contiene circa 3,6 AA. La catena laterale non partecipa alla formazione del legame, tuttavia alcune catene laterali come glicina e prolina impediscono la formazione di questo tipo di struttura secondaria. La caratteristica principale delle alfa eliche è la loro flessibilità ed elasticità.
I fattori che impediscono la formazione dell'alfa elica sono sicuramente in primis la presenza di troppi amminoacidi, che creano una serie di tensioni che si propagano sulla molecola. E d'altra parte la presenza di gruppi polari carichi alle estremità dell'alfa elica. Essa è caratterizzata da una sua polarità dettata dalla presenza di gruppo amminico e carbonile. Sarà quindi impossibile trovare un amminoacido carico negativamente (acido) molto vicino all'estremità carbonile, in quanto le cariche si respingerebbero.
I beta-foglietti sono strtture secondarie che garantiscono grande robustezza e stabilità. Essi hanno una struttura a fisarmonica dettata dalla rotazione rispetto agli angoli phi e psi. Gli amminoacidi si dispongono quindi in file, mantenendo questa struttura a fisarmonica, che possono essere o antiparallele o parallele. Il legame a idrogeno che si forma è perpendicolare (e non parallelo come nelle alfa eliche) all'asse della catena. Le catene laterali si dispongono tutte dalla stessa parte. Non tutti gli amminoacidi possono fare parte di foglieti beta, dipende dall'ingombro sterico della loro catena.
La strttura terziaria di una proteina corrisponde alla sua disposizione tridimensionale, in particolare dipende dalle catene laterali e dalla loro polarità. I legami che stabilizzano le strutture terziarie sono interazioni deboli come legami idrofobici, forze di Van der Waals...
La struttura quaternaria è data dall'unione di diverse subunità proteiche, quindi diverse strutture terziarie. La struttura quaternaria è fondamnetale per il funzionamento della proteina, questo testimoniato dal fatto che non tutte le proteine hanno questa struttura, ma solo quelle che lo necessitano. Inoltre si definisce multimero una proteina caratterizzata da più subunità, oligomero una proteina caratterizzata da qualche subunità e protomero la singola subunità.
Le proteine si possono classificare in proteine fibrose e proteine globulari. Le prime sono hanno funzione strutturale, sono composte da un solo tipo di strttura secondaria, e quindi da una struttura terziaria seplice. Inoltre sono insolubili in acqua. Le proteine globulari sono invece deputate ad attività regolatrici ed enzimatiche. Esse sono formate da catene di amminoacidi che si dispongono in strtture di froma sferica. Sono solitamente caratterizzate da un'insieme eterogeneo di strutture secondarie, che risultano poi in una struttura terziaria complessa. Esse sono solubili in acqua.
Le alfa-cheratine sono una famiglia di proteine fibrose caratterizzate da alfa-destrorse, che comprendono circa 1000 AA per struttura. Esse sono associate ai filamenti intermedi e conferiscono resistenza meccanica alla struttura.
2 alfa cheratine si uniscono fra loro in superavvolgimenti sinistrorsi, in seguito due superavvolgimenti in protofilamenti e più protofilamenti in protofibrille. Queste strutture sovramolecolari sono unite da ponti disolfuro chiamati legami crociati.
Il collagene è una proteina fondamentale per il nostro organismo in quanto conferisce resistenza alle strutture. Talmente importante che viene codificato da ben 40 geni. L'elica che lo caratterizza è un'elica C che si differenzia dall'alfa elica in quanto sinistrorsa e con passo allungato, 9,6 A. Essa è formata alla base della ripetizione di 3 amminoacidi: Gly, X, Y. X solitamente è una prolina o una lisina, mentre Y è una 4-idrossiprolina, ovvero una prolina idrossilata in posizione 4.
Sì, si può formare una struttura quaternaria che viene chiamata tropocollagene data dall'unione di 3 filamenti di collagene, Questo tipo di struttura ha forma elicoidale destrorsa. I legami tra fibre di collagene vengono instaurati sotto forma di ponti disolfuro o legami crociati.
Un esempio lo troviamo nella mutazione di un solo resiudo di glicina con un residuo di cisteina. Questo causa un mancato compattamente della struttura elicoidale, formando un tessuto caratterizzato da lesioni soprattutto a livello delle ossa.
Un ulteriore problematica sorge in condizione di carenza di vitamina C. Quetso perchè l'idrossilazione della prolina, in 4-idrossiprolina viene catalizzata da un enzima che si chiama prolina idrossilasi. L'attività catalitica di questo enzima dipende dalla stessa vitamina C, che quindi è fondamentale nella formazione del corretto collagene.
L'allisina è una lisina che subisce un processo di deaminazione ossidativa. In particolare viene levato un gruppo amminico e poi viene ossidata.
La denaturazione di una proteina comporta la perdita della sua strttura secondaria, terziaria e quaternaria. Si perdono quindi tutti i legami ad interazione debole, idrofobici e ponti disolfuri che si possono instaurare ad esempio fra due cisteine. Per proteine globulari questo comporta anche la perdita di funzione enzimatica.
Il biochimico statiunitense Anfinsen ha denaturato la ribonucleasi A bovina, una piccola proteina stabilizzata da un numero piuttosto elevato di ponti disolfuro, grazie all'aiuto di agenti denaturanti come l'urea. Una volta rotte le interazioni idrofobiche e i ponti disolfuro la proteina ha perso la struttura secondaria, terziaria e quaternaria. Dopo aver conseguito con successo questo processo ha isolato la proteina dagli agenti denaturanti grazie ad una tecnica chiamata dialisi, che separa le molecole in base al peso molecolare, eliminando le più piccole, che vengono chiamate "cut off". Il biochimico ha notato che la proteina, una volta isolata, si rinaturava spontaneamente. Questo fece concludere che alcune proteine hanno la capacità di rinaturarsi spontaneamente, come se ci fosse un orientamento già predefinito dei residui amminoacidi.
Il paradosso di Levinthal espone come in realtà le possibili combinazioni di amminoacidi in una proteina che ne contiene 10, possano essere circa 10 alla 100, considerando le possibili rotazioni attorno agli angoli phi e psi. Questo comporta che, in linea teorica, una proteina dovrebbe provare tutte le conformazioni prima di foldrsi correttamente, processo estremamente lento e dispendioso da un punto di vista energetico. Dato che le reazioni chimiche devono essere compatibili con la vita si evince che gli amminoacidi si tendono a foldarsi in determinati tipi di struttura già dal momento in cui vengono sintetizzati. In particolare una proteina non prova tutte le possibili configurazioni, ma ci sono delle vie preferenziali, date per esempio dall'idrofobicità di alcune catene laterali.
Lo stato di glubulo fuso è un particolare tipo di struttura intermedia, più stabile energicamente della proteina denaturata. Esse presentano strutture secondarie già formate (ecco perchè sono più stabili delle proteine denaturate), e strutture terziarie più dinamiche. In realtà dallo stato di globulo fuso si può arrivare a strutture terziarie non corrette in quanto rappresentano punti di minimi energetici. Esse sono differenti dalle proteine antive e vengono eliminate in seguito dalla cellula.
I chaperoni molecolari sono molecole in grado di impedire il misfolding proteico e evitare in generale la denaturazione delle proteine. In particolare esse si possono legare a residui amminoacidi idrofobici in modo che essi non si leghino ad altri residui o comunque portino ad un'incorretta struttura secondaria, terziaria e quaternaria. Inoltre sono molto importanti nella protezione delle proteine dalla denaturazione in seguito ad cambiamenti estremi di pH o aumenti di temperatura (stress termico). Ci sono tre tipologie di chaperoni: HSP, chaperonine e enzimi.
Le HSP (heat shock protein) sono una famiglia di chaperoni molecolari che si occupano di isolare i residui idrofobici durante il folding, proteggere le proteine da condizioni di stress termico e trasportare proteine al di fuori della cellula proteine che possono maturare solo a livello extracellulare. I tipi di HSP che conosciamo sono HSP70, HSP40 e HSP60.
Le chaperonine si occupano di non permettere il misfolding delle proteine. Un esempio si trova nelle chaperonine GroEL e GroES. Le prime accologono le proteine denaturate (solo struttura primaria) e influenzano alcuni ripiegamenti che facilitano il folding in proteina nativa, che avviene a livello dei GroES. Se la proteina ha struttura diversa dalla proteina nativa essa viene richiamata dalle chaperonine e rifoldata.
Due esempi di enzimi che intervengono nel folding proteico sono le PDI (proteina disolfuro isomerasi) e le PPI (propil cistrans isomerasi) I primi servono all'interscambio e alla riorganizzazione dei ponti disolfuro, mentre i secondi a shiftare tra le conformazioni trans-cis, preferendo la prima in quanto favorita termodinamicamente.
Il misfolding proteico è responsabile di alcune malattie in quanto i residui amminoacidi idrofobici scoperti di proteine misfoldate tendono a formare legami idrofobici con residui idrofobici di altre proteine che si stanno foldando normalmente. Questo comporta la formazione di un agglomerato (inizialmente un dimero) che diventa tossico per la cellula, in quanto toglie sostanze chiave per la sua sopravvivenza. Inoltre assume dimensioni particolarmente importanti risultando insolubile in ambiente polare in quanto composto da residui idrofobici, e quindi tende a precipitare. Questo processo avviene soprattutto nella fase di globulo fuso nella quale la proteina espone pericolosamente i redisui idrofobici. In condizione di patologia essi tendono a formare foglietti beta che si accumulano, sfaldando le alfa eliche per far posto a nuovi foglietti beta. Questo comporta la formazione di fibirille e in particolare di una molecola chiamata amiloide, in placche amiloidali.
Iperfosforilazione della proteina.
Ci possono essere misfolding extracellulari (es morbo di Alzheimer dovuto ad una proteina transmembrana) o intracellulari (morbo di Parkinson)
Il morbo di Alzheimer è dovuto all'accumulo di placche amiloidali sotto forma di beta amiloide. In particolare il meccanismo viene scatenato dal taglio proteasico della proteina transmembrana APP, che causa la precipitazione di peptidi in ambiente extracellulare. Essi si organizzano in betafoglietti e creano appunto la placca amiloide. Inoltre si trova anche un accumulo della proteina tau che viene iperfosforilata.
La malattia di Creuzfeldt-Jakob è una encefalopatia spongiforme (sindrome della mucca pazza), da ricondurre al misfolding della proteina prione. Essa viene sintetizzata fisiologicamente sotto forma di PrPc. In condizioni anomala essa assume una confromaizione chiamata "scrapie", o PrCsc. In questa forma le 4 alfa eliche che caratterizzano la PrPc si trasformano in 2 alfa eliche e 4 beta foglietti.
Il glutatione è un tripeptide composto da un acido glutammico, cisteina (FONDAMENTALE PER FORMARE I PONTI DISOLFURO CON I ROS) e glicina. Una partciolarità nella sua struttura è che i gruppi che fanno parte del legame peptidico sono quelli del Cgamma e non del Calfa.
La sua funzione prevalente è quella di agire riducendo le specie ossidate dell'ossigeno, i ROS, fungendo quindi da antiossidante naturale. Esso può passare dalla forma GSH (ridotto) alla forma GSSG quando lega un'altra molecola con ponti disolfuro.