MACROMOLECOLE- proteine Flashcards
Classi di macromolecole, quante sono e quali sono?
Le principali classi di macromolecole sono 4 e sono proteine, acidi nucleici, lipidi e polisaccaridi
Dimensioni della cellula e delle strutture più rilevanti dal punto di vista biologico
Cellule eucariote (animali e vegetali)= tra i 10 e i 100 micron, microscopio ottico
cellule procariote (batteri)= tra 1 e 10 micron
virus= 100 nm, microscopio elettronico
proteine= una decina di micron
atomi= distanza atomica di 1 Angstrom (0,1 nm= 1 Angstrom)
legame covalente singolo= 1,5 Angstrom
legame doppio= 1,2 Angstrom
PROTEINE- definizione
La parola “proteina” deriva dal termine “proteios”, primario, termine con cui nel 1800 viene indicata da Berzelius (primo a descrivere le proteine come macromolecole) una struttura particolarmente abbondante in natura.
Il termine viene utilizzato data la funzione e l’abbondanza di esse in natura: in una cellulla, composta per il 70% di acqua e 30% da macromolecole, di cui la metà sono proteine.
PROTEINE sono polimeri di residui amminoacidici (anche gli amminoacidi descritti per la prima volta nel 1800, prendono il nome dalla sostanza da cui sono estratti. La prima ad essere stata estratta è l’asparagina, estratta dagli asparagi).
Alla fine delle variazioni, una proteina è sostanzialmente formata da uno scheletro covalente (C-N) con struttura ripetitiva, su cui si innestano catene laterali che conferiscono alla proteina stessa le sue varie caratteristiche.
PROTEINE- struttura amminoacidi/ come sono formate?
La struttura tipica di un amminoacido si compone di un gruppo amminico con carica positiva (H3N+), il gruppo carbossilico (COO-), con carica negativa, un idorgeno (H) ed una catena laterale R, che differenzia un amminoacido dall’altro e media la funzione e le caratteristiche e proprietà dell’amminoacido stesso, ed un carbonio centrale, carbonio alfa.
Eccezioni a questa struttura sono circa 2:
GLICINA: in realtà non è considerata un’eccezione, essa possiede una catena laterale R composta da un secondo H, dunque appare solo più piccola.
PROLINA: essa è effettivamente un’eccezione dato che forma un anello con il gruppo amminico. Essa è l’unica struttura fortemente divergente: la sua presenza all’interno della proteina induce un forte cambio conformazionale.
ESEMPIO: nel COLLAGENE, formato dall’unità di 3 amminoacidi, la prolina, che è molto abbondante, a causa del suo anello induce una distorsione della struttura proteica. La molecola di collagene appare dunque più avvolta proprio perchè più ricca di amminoacidi di prolina.
PROTEINE- cosa compone la specificità degli amminoacidi?
La particolarità dei gruppi laterali è il fatto che essi compongono la specificità dell’amminoacido. Possiamo distiguerli in
basici
acidi
idrofobici (non polari)
contenenti zolfo (S)
esempi:
Gli amminoacidi particolarmente idrofobici in soluzione acquosa si ripiegano per ridurre al minimo l’esposizione al solvente.
Cisteina, contiene zolfo.
PROTEINE- legame peptidico
Il legame peptidico è un legame caratteristico della proteina. Esso, anche detto legame carboamidico (COO- e N3H+), è il risultato dell’unione di residui amminoacidici (non di amminoacidi), residui ottenuti dalla condensazione di due amminoacidi, che porta alla formazione di un legame covalente con la perdita di una molecola d’acqua. Si forma quindi uno scheletro regolare con variabili laterali (R).
In base al numero di residui amminoacidici da cui è formato assume diverse denominazioni, quali dipeptide, tripeptide… polipeptide.
La lunghezza di questo legame covalente carbonio-azoto si classifica come intermedio tra un legame singolo (più lungo del doppio, più debole) ed uno doppio (più forte, più corto del singolo), poichè gli elettroni di questi due atomi legati entrano in risonanza.
Ciò comporta una forte rigidità e difficoltà a ruotare: questo legame rigido e planare.
L’unica libertà di movimento concessa la si ha invece alle due estremità del carbonio alfa, non comprese nello scheletro C-N.
PROTEINE- quanti sono gli amminoacidi? Quanti sono gli amminoacidi essenziali?
8 sono gli amminoacidi considerati essenziali, ma non sono tutti gli amminoacidi conosciuti (20).
PROTEINE- struttura (primaria, secondaria, terziaria e quaternaria)
La struttura delle proteine è in parte formata da una catena polipeptidica, costituita da residui amminoacidici che formano uno scheletro molto regolare.
Le proteine sono suddivisibileii in 4 livelli di struttura:
PRIMARIA, la semplice sequenza amminoacidica
SECONDARIA ad alfa elica e a foglietto beta
TERZIARIA ripiegamento, anche tra zone diverse della proteina, lontane tra di loro, che si ripiegano fino ad avvicinarsi
QUATERNARIA varie subunità si possono assemblare tra loro e si ha una catena con più polipeptidi.
Le proteine sono numerose nonostante in natura si trovino solo 20 amminoacidi noti, ciò è dovuto al numero di residui amminoacidici che le formano. Si può passare da un centinaio di residui, come il citocromo C, alla glutammina sintetasi, composta da 12 catene polipeptidiche.
La titina è la proteina più grande nell’uomo, composta da più di 26 mila residui amminoacidici (lunga 3 milioni di dalton).
PROTEINE- denaturazione
La denaturazione ci da un’idea di come le forze deboli possano regolare la struttura della proteina e come anche un’apparente piccola modifica, come una rimozione di queste interazioni possa far degenerare l’intero complesso.
Per denaturazione si intende la perdita della struttura di una proteina, quando vengono meno i legami intermolecolari, le forze elettrostatiche o i ponti disolfuro.
PROTEINE- STRUTTURA PRIMARIA- gradi di rotazione
Per struttura primaria si intende la sola sequenza di residui amminoacidici, di cui l’ordine determina uno specifico peptide. La struttura della proteina dipende principalmente dalla sua sequenza primaria (sembra una nozione scontata ma è di recente scoperta).
1953 Sanger sequenzia l’insulina, prima proteina sequenziata
Perché è importante che la funzione e la struttura della proteina siano legate a sequenze specifiche?
Poiché ciò implica che anche la più piccola modifica possa avere un impatto forte sulla proteina stessa.
GRADI DI ROTAZIONE: Come già illustrato il legame peptidico presenta i carbonio alfa, attorno ai quali alcuni legami, non coinvolti nella formazione dello scheletro della proteina, possono ruotare. Due sono gli angoli di rotazione, uno amminoterminale e l’altro carbossiterminale, chiamati rispettivamente phi e psi (ipotizzando per convenzione che i due angoli siano posti sullo 0 considerando i legami planari sullo stesso piano).
A causa dell’ingombro sterico questa configurazione appare impossibile. Considerando tutte le possibili combinazioni reali dei vari amminoacidi si ottiene il grafico di Ramachandran
PROTEINE- STRUTTURA PRIMARIA- grafico di Ramachandran
Nel grafico di Ramachandran sono illustrate tutte le varie combinazioni che possono assumere i legami peptidici. Dalla lettura del grafico si può evincere che ci sono combinazioni preponderanti rispetto alle altre, strutture che portano alla formazione di foglietti-beta (in alto a sinistra) ed alfa-eliche (in basso a sinistra).
il concetto da portare a casa è che tra le miliardi di coppie di angoli formabili, quelle che si formano maggiormente sono quelle sopracitate.
INGOMBRO STERICO
Sterico= effetto che la distribuzione spaziale degli atomi nella struttura di una molecola può avere nel ritardare o impedire una reazione chimica.
PROTEINE- STRUTTURA SECONDARIA- definizione
La struttura secondaria descrive la conformazione di una porzione della catena polipeptidica.
Le principali strutture secondarie che si analizzeranno sono quella ad alfa-elica e quella a foglietto-beta.
PROTEINE- STRUTTURA SECONDARIA- alfa elica
La struttura ad alfa elica è una struttura secondaria regolare (ogni giro equivale a 3,6 residui amminoacidici), ogni giro ha un’altezza di 5,4 Angstrom, può essere levogira o destrogira a seconda del senso di rotazione. Avendo un giro fisso anche le dimensioni dell’elica sono fisse.
La struttura resistente e la stabilità dell’alfa-elica deriva dalla presenza di legami ad H che si stabiliscono tra esso e l’ossigeno. In questo caso ogni 4 residui amminoacidici si forma un legame ad H.
Osservando la struttura si nota che gli ossigeni sono tutti disposti verso il basso e i legami ad H sono allineati parallelamente.
PROTEINE- STRUTTURA SECONDARIA- alfa elica- esempio
La CHERATINA è stata la prima proteina dove l’alfa-elica è stata descritta. Essa è una proteina fibrosa poiché grazie alla sua struttura tende a creare dei fasci di fibre, ed è la principale componente di tutta una serie di materiali come le unghie, i capelli, le penne e le corna. Essa è molto presente in natrura ed è facile da ottenere.
Come può la stessa proteina essere in un corno ed in una piuma? Poiché è presente nella corna del rinoceronte una cheratina molto ricca di cisteina, la quale può formare numerosi ponti disolfuro, conferendole una fortissima rigidità strutturale.
PROTEINE- STRUTTURA SECONDARIA- foglietto beta
Il foglietto beta è una struttura secondaria non ripiegata, distesa. La sequenza dei residui amminoacidici forma una struttura a zig zag e le catene laterali sono rivolte al di sopra e al di sotto del piano alternativamente. La resistenza strutturale dei foglietti è data da presenza di legami ad H tra il gruppo carbonilico e il gruppo -NH- dei legami peptidici di due tratti di catena proteica.: più foglietti sono messi “in tandem”, più la struttura risulta forte.
PROTEINE- STRUTTURA SECONDARIA- foglietto beta- paralleli e anti paralleli
Nell’interazione tra più foglietti si può parlare di parallele e antiparallele quando poste sullo stesso piano. Si definiscono antiparallele quando le due estremità sono una ammino terminale (N-terminale) e l’altra carbossiterminale (C-terminale).
Le anse di collegamento invece hanno la funzione di collegare queste strutture tra di loro ed in base alla struttura della proteina consentono un legame in parallelo o in antiparallelo.
PROTEINE- STRUTTURA SECONDARIA- foglietto beta- esempio
La FIBROINA DELLA SETA è una proteina interamente costituita di foglietti beta. Sapere com’è fatta la seta è molto importante poiché essa è stata per molto tempo una componente fondamentale dei fili da sutura e tutt’ora è importante per tutto ciò che concerne la biocompatibilità, poiché materiale molto resistente.
Spesso ad una resistenza strutturale è legata una forte presenza di glicine, che rendono la struttura del foglietto beta più compatta.
PROTEINE- STRUTTURA TERZIARIA- definizione
La struttura terziaria si riferisce alla disposizione nello spazio di residui amminoacidici più lontani nella sequenza lineare. I residui idrofobici tendono a stare impaccati dentro alla proteina, lontani dall’acqua o all’interno di membrane lipidiche, mentre i residui idrofilici si dispongono verso il solvente (ECCEZIONE nelle membrane fosoflipidiche i residui idrofobici sono esterni e il cuore può essere idrofilico?).
La struttura terziaria si caratterizza di alcuni ripiegamenti che si formano grazie all’interazione delle strutture secondarie. Si formano:
i Beta barrel;
i coiled coil;
alcune regioni dal ripiegamento irregolare, le ANSE;
altre si generano dall’interazione di ponti disolfuro.
PPROTEINE- STRUTTURA TERZIARIA- ripiegamento struttura
La struttura terziaria si caratterizza di alcuni ripiegamenti che si formano grazie all’interazione delle strutture secondarie. Si formano:
i Beta barrel;
i coiled coil;
alcune regioni dal ripiegamento irregolare, le ANSE;
altre si generano dall’interazione di ponti disolfuro.
PROTEINE- STRUTTURA TERZIARIA- ripiegamento struttura- B barrel
La struttura Beta Barrel, anche chiamata a barilotto beta fa parte di ripiegamenti della struttura terziaria e consiste in una struttura proteica costituita da un grande foglietto Beta che si attorciglia e rotola per formare una struttura quasi cilindrica chiusa da legami di idrogeno.
esempio
La proteina tipica con struttura terziaria di un Beta barrel è la Green fluorescence protein,GFP, che all’interno ha un aminoacido modificato che è un anello fluorescente. Questa è una proteina chiave prodotta dalle meduse che fuoriesce nel verde. Nel corso degli anni è stata oggetto di uno studio dal quale si evince che grazie ad alcune modificazioni È possibile cambiare il colore di fluorescenza. la GFP può essere interessante per noi poiché è utilizzata moltissimo nell’ambito della ricerca biomedica. L’esempio più tipico e il cosiddetto brainbow, si tratta dell’ immagine di un cervello colorata con i colori dell’arcobaleno, in cui i neuroni sono ingegnerizzati per esprimere queste proteine fluorescenti. Questo esperimento permette quindi di tracciare ogni singolo assone con un colore diverso: Ciò è importante per la localizzazione delle cellule, l’interazione tra le cellule e le ‘ strutture, tracciare movimenti e cause dei movimenti stessi delle cellule punto in questo caso si tratta un singolo neurone e si osserva doveva interagire l’assone all’interno del tessuto.
PROTEINE- STRUTTURA TERZIARIA- ripiegamento struttura- coiled coil
Un altro tipo di modificazione della struttura terziaria della proteina è il cosiddetto coiled-coil, avvolgimento avvolto, quindi la l’avvolgimento di due strutture ad alfa elica insieme compattano la struttura, dunque si ha un aumento della resistenza strutturale.
il funzionamento del coiled coil si ha grazie all’interazione tra residui aminoacidici idrofobici e idrofilici: i residui idrofobici si avvicinano verso l’interno favorendo la chiusura dell’avvolgimento e permettendo l’esposizione all’acqua circostante dei residui idrofili.
esempio
la cheratina è proteina con due alfa eliche che si avvolgono a loro volta per formare l’avvolgimento avvolto. A prova di ciò si è scoperto che nella cheratina non tornano le distanze: un giro di Alfa elica non è più di 3,6 aminoacidi, mai di 3,4 ovvero 5,1 angstrom.
PROTEINE- STRUTTURA TERZIARIA- ripiegamento struttura- ANSE
Nello studio dei ripiegamenti irregolari caratteristici della struttura terziaria rientrano le anse, strutture mobili di collegamento.
PROTEINE- STRUTTURA TERZIARIA- ripiegamento struttura- interazioni di ponti disolfuro
Un altro tipo di modificazione della struttura terziaria si ha grazie alla presenza di ponti disolfuro, legami che si formano tra due cisteine per la presenza di atomi di zolfo, mediati da processi redox. la presenza di atomi di zolfo genere grande e resistenza strutturale Per le proteine extracellulari in quanto soggetto ed ambiente esterno chimicamente più aggressivo.
il compito di ponti disolfuro Quindi consiste nel tenere uniti i due polipeptidi che in circolo si potrebbero separare .
l’esempio perfetto per i ponti disolfuro è la struttura del capello, composto da alfa cheratina, che, nonostante abbia una struttura per la maggior parte ad alfa elica raramente si presenta come completamente liscio il lungo in quanto tende a formare legami deboli al proprio interno punto questi legami possono essere momentaneamente rotti nel momento in cui per esempio si stirano i capelli con la piastra calda. Per rendere l’effetto desiderato più duraturo si interviene con trattamenti più aggressivi. In generale i capelli ricci presentano una struttura più complessa proprio perché hanno più ponti disolfuro. Per fare la permanente ad un capello liscio, infatti, occorre intervenire con trattamenti chimici di ossidoriduzione per rompere i ponti disolfuro presenti e ricrearli dopo aver dato al capello la forma desiderata. Ciò è importante solo per sottolineare come la forma della proteina possa essere influenzata da forze circostanti.
