Proteine. Structura si functii

Proteinele se intalnesc alaturi de alti compusi importanti de tipul polizaharidelor, lipidelor si acizilor nucleici in structura virusurilor, a organismelor procariote si eucariote.

 Proteina: polimer liniar constituit din unitati monomerice numite aminoacizi

Aminoacid: compus organic care conţine - un grup amino (NH2) - un grup carboxil (O=C-OH), - un atom de hidrogen (H) - un radical (R) care conferă specificitate

Formula generala:

In structura proteinelor intra a-L-aminoacizi

1

Aminoacizii sunt denumiti L- sau D-, in functie de provenienta lor din L- sau D- glicerin aldehida.

Aminoacizi naturali - Clasificare si Nomenclatura

In natura exista peste 500 aminoacizi, dar in structura proteinelor tuturor speciilor sunt inclusi 20 a-L-aminoacizi.

1. Monoamino monocarboxilici

2. Monoamino dicarboxilici

3. Monoamide ale acizilor monoamino-dicarboxilici

2

4. Diamino monocarboxilici

5.Acizi guanidino monoamino monocarboxilici

6.Aminoacizi cu resturi heterociclice

7. Hidroxiaminoacizi

8. Tioaminoacizi

3

Intre doua legaturi Cys din structura unei proteine se pot forma punti disulfidice.

Insulina: Proteina de dimensiuni mici, ce prezinta 2 punti disulfidice intercatenare si o punte disulfidica intracatenara.

Aminoacizi naturali Organismul uman poate sintetiza doar 10 aminoacizi: Phe, Lys, Leu, Ile, Met, Thr, Trp, Val, His, Arg. Restul aminoacizilor naturali (esentiali) trebuie introdusi neaparat in organism prin alimentatie. Printre alimentele ce contin proteine complete se numara ouale, pestele, carnea de gaina, curcan, rata, vita, oaie si porc, branza, laptele, iaurtul si soia. In categoria produselor cu proteine incomplete, nutritionistii amintesc cerealele, orezul, spaghetele, painea, fasolea, broccoli, cartofii si arahidele. Aceste alimente nu asigura un aport adecvat de aminoacizi si orice proteina fara unul din aminoacizii esentiali (proteina incompleta) are o valoare biologica redusa Peptide a-L-aminoacizii condenseaza intre ei si formeaza peptide. Din gruparea a-carboxil a unui aa si gruparea a-amino a altui aa se elimina o molecula de H2O cu formarea unei legaturi CO-NH peptidice (amidice). Legatura C-N prezinta proprietatile unei duble legaturi, fiind rigida si plana. Legatura peptidica -CO-NH- se gaseste in acelasi plan, iar carbonul CH se poate roti, putand sa apara in planuri diferite. Datorita lungimii relativ mici a catenelor laterale, ele se pot aranja de o parte si de alta a lantului proteic, astfel incat lantul peptidic/proteic nu este ramificat.

4

Peptide –Clasificare 1. Peptide simple - in structura lor exista un singur tip de aminoacid2. Peptide mixte - in structura lor exista resturi ale unor aminoacizi diferiti

Peptide – Nomenclatura Prin conventie gruparea amino libera se scrie în stanga (aminoacid N-terminal) iar restul carboxilic in dreapta (aminoacid C-terminal). Se indica succesiv aminoacizii sub forma de radicali acil, de la extremitatea amino terminala spre cea carboxiterminala, ultimul aminoacid fiind denumit ca atare.

Proteine – Sinteza

ADN→ ARN→ Proteine Transcriptia ADN→ ARN→ Proteine Translatia

Proteinele: polimeri liniari care contin un numar mare de aminoacizi (peste 50).

Mii de proteine diferite sunt prezente intr-o celula, sinteza fiecarei proteine fiind comandată de o gena speciala.

ADN contine informatia genetica necesara pentru a sintetiza proteine in celule

In urma procesului de transcriptie, ARNm copiaza informatia genetica continuta in AND. Ulterior, ARNm este exportat din nucleu in citoplasma, unde mesajul este translatat in proteine. Fiecare secventa de trei baze (codon) din ARNm specifica un anumit aminoacid.

5

Secventa de aminoacizi codata in ARNm este citita codon cu codon printr-o secventa complementara de trei baze ale ARNt (anticodon).

ARNt poarta aminoacidul sau specific, aliniindu-se de-a lungul ARNm in ordinea corecta. In acest stadiu ribozomii catalizeaza formarea legaturilor peptidice

PEPTIDA →Conformatie specifica →Modificari post-translationale

Proteine – Structura

1. Structura primaraOrdinea resturilor de aminoacizi legati covalent prin legaturi peptidice, de

la extremitatea N- spre cea C-terminala.

Fiecare proteina are o secventa unica, codificata genetic.

6

Fiecare proteina este specifica fiecarei specii in parte, iar uneori poate fi specifica unui organ sau tesut particular.

2. Structura secundaraa) α-helixul

Segment de catena polipeptidica rasucit spre dreapta, ca in jurul unui cilindru imaginar, cu gruparea R orientata spre exterior. Este stabilizat prin punti de H, paralele cu axa structurii, formate intre gruparea NH a restului de aminoacid i si oxigenul carbonilic al restului i-4, care inchide o bucla de 13 atomi. Parametrii: n = nr de resturi de aa per tura de helix (3,6 aa) d = cresterea helixului pentru fiecare rest de aa (1,5 Å) p = inaltimea unei ture complete de helix (5,4 Å)Identificat intr-o varietate de proteine globulare si fibrilareAminoacizi ce prefera conformatia α-helix: MALEK

b) β-structura pliata - Structura stabilizata de punti de hidrogen intre gruparea carboxilica a unui aminoacid si gruparea aminica a aminoacidului vecin. Lantul polipeptidic se prezinta ca o panglica indoita alternativ la dreapta si la stanga. - Predomina in proteinele fibrilare - Distanta axiala intre doi aminoacizi vecini este 3,5 Å - Aminoacizi care prefera conformatia beta: - Aromatici: WYF - Cu legare prin Cb: IVT

7

Antiparalel: catenele polipeptidice au legaturile peptidice orientate in directii opuse Paralel: catenele polipeptidice au legaturile peptidice orientate in aceeasi directie

c) β-turns sau loop Conector (bucla) ce permite catenei polipeptidice sa-si schimbe brusc directia Fiind alcatuite din resturi de aminoacizi polari, se afla la suprafata moleculei proteice La nivelul acestor regiuni se gasesc frecvent situsurile de legare si centrele catalitic active ale enzimelor Frecvent intalnite in proteinele globulare

8

Leaga adesea secvente succesive cu structura β-antiparalela - contin 4 resturi de aminoacid - formeaza o punte de hidrogen intre oxigenul carbonilic al primului rest si azotul aminic al celui de-al patrulea restLoop - majoritatea proteinelor sunt alcatuite din combinatii de elemente ale structurii secundare α-helix si β-structura, legate intre ele prin regiuni loop de diferite lungimi si forme neregulate. - contin aproximativ 6-16 resturi de aminoacizi, a caror lungime totala este mai mica de 10 Å

Random coil - elemente fara o structura secundara organizata - au o mare flexibilitate in solutie

3.Structura tertiaraConsta in interactiile dintre gruparile R care substituie atomul de carbon

din resturile de aminoacizi ale unei catene polipeptidice, interactii ce conduc la plierea catenei si formarea unor structuri compacte

Intre radicalii R se pot stabili interactii:a) Covalente: Punti disulfidice prin oxidarea resturilor de CysConfera stabilitate si rigiditate moleculara

9

b) Necovalente-Interactii saline- Se stabilesc intre grupari R ionizate si cu sarcina opusa

-Punti de hydrogen- Se stabilesc intre o grupare donor slab acida (D-H) si un atom acceptor (A) care are o pereche de electroni neparticipnti

-Interactii hidrofobe- Se stabilesc intre gruparile R hidrofobe care au tendinta de a se asocia in solutii apoase. Sunt orientate spre interiorul structurii

- CH3 CH3 -

-Interactii van der Waals

10

2.SUPERstructura secundara- Clustere de structura secundara

a) Helix-Loop-Helix (“EF Hand”)

Contine 2 segmente de α-helix unite printr-o regiune “loop”.Regasit la: (1) proteinele care recunosc si se leaga specific la regiuni reglatoare

din structura ADN (2) proteinele care au afinitate pentru calciu: parvalbumina,

calmodulina, troponina CEvidentiat pentru prima data in structura parvalbuminei. Acest motiv este

numit si EF hand dupa helixurile E si F din structura parvalbuminei care formeaza un astfel de motiv.

Configuratia acestui motiv aminteste de mana dreapta: Helix F (degetul mare), Helix E (degetul aratator), Loop (degetul mijlociu). In unele cazuri, in cadrul acestei superstructuri se afla si situsuri de legare a calciului

b) Motivul β-α-β

- Constituit din 2 segmente cu structura paralela conectate printr-o scurta regiune de α-helix. (Prezent in structura enzimei triozofosfat izomeraza.)

11

c) Motivul “Greek key”Constituit din 4 segmente β-antiparalele adiacente, aranjate ca o unitate

repetitiva din vechile ornamente utilizate in Grecia antica. Motiv regasit in structura nucleazei de la Staphylococcus, o enzima care degradeaza ADN.

d) Motivul β-meanderConstituit din segmente β-antiparalele, conectate prin elemente β-turns.

12

3.Structura tertiara

Determinarea structurii tertiare:- Cristalografie cu raze X- Rezonanta magnetica nucleara

Conformatia tridimensionala a proteinelorModul de pliere al catenei polipeptidice in domeniiDomeniul: unitatea fundamentala a structurii tertiareProteinele pot avea unul sau mai multe domeniiAdesea domeniile sunt asociate cu diverse functii

13

4. Structura cuaternara

Modul in care se unesc subunitatile proteiceFiecare catena polipeptidica are o conformatie proprieIntre subunitati se stabilesc interactii necovalenteSubunitatile pot functiona independent sau cooperativProteine monomerice: O catena polipeptidicaProteine multimerice: Mai multe catene polipeptidice identice sau diferite

Avantaje(1)Flexibilitate mai mare (2)Economie de material genetic: Tetramer cu 100 aa: 300 nt

Monomer cu 400 aa: 1200 nt (3) Adaptare contra mutatiilor

14

Proteine – Clasificare si Functii

Constitutiv

Proteine simple1. Albumine: solubile in apa si in solutii saline (albumina din serul sangvin, din ou) 2. Globuline: putin solubile in apa, solubile in solutii saline (globuline serice, din seminte) 3. Prolamine: solubile in alcool 70-80% si insolubile in apa sau etanol absolut (gliadina din grau, zeina din porumb) 4. Gluteline: solubile in solutii diluate de acizi sau baze, insolubile in solventi neutri, (glutelina din grau) 5. Scleroproteine: insolubile in solventi aposi (colagen, elastina, keratina)

Proteine conjugate (au in structura lor grupari neproteice (prostetice))1. Nucleoproteine: proteine bazice (histone si protamine) combinate cu acizi nucleici(se gasesc in nucleu, mitocondrii, microsomi) 2.Mucoproteine: proteine combinate cu cantitati mari de glucide si aminoglucide (gonadotropine, mucine)3. Glicoproteine: proteine combinate cu cantitati mici de glucide si aminoglucide(globuline serice) 4. Lipoproteine: proteine combinate cu lecitina, colesterol, triacilgliceroli si alte lipide (se gasesc in creier, tesutul nervos, componente structurale ale celulelor) 5. Cromoproteine: proteine colorate (mioglobina, hemoglobina) 6. Metaloproteine: proteine care contin metale (Cu: ceruloplasmina, Fe: feritina, un numar de enzime) 7. Fosfoproteine: proteine care contin resturi ale acidului fosforic ce esterifica resturi de serina si treonina (cazeina din lapte, unele enzime)

Rol: structural, dinamic Proteine cu rol structural

O serie de proteine (colagenul, elastina, keratinele) formeaza matricea sistemului osos si reprezinta componentul major al tesuturilor conjunctive, conferind structura si forma organismului uman.

Proteine cu rol dinamic1.Enzimele: catalizatorii tuturor reactiilor care au loc intr-un organism

viu.2. Proteine cu functie de transport:

Hemoglobina: transporta oxigenul in sangeMioglobina: transporta oxigenul in muschiTransferina: transporta Fe prin sangeProteine care transporta hormoni de la situsurile lor de sinteza spre cele de actiune, prin sangeProteine care transporta medicamente si compusi toxici prin sange

15

3. Proteine cu functie de aparare:- Imunoglobulina si interferonul actioneaza asupra infectiilor bacteriene si

virale- Fibrina impiedica pierderile de sange din sistemul vascular4. Hormoni: - Insulina- Glucagonul- Tirotropina- Somatotropina- Hormonul luteinizant- Hormonul foliculostimulant5 Proteine cu rol in mecanismul contractiei musculare: - Actina- Miozina 6. Proteine cu rol in controlul si reglarea transcriptiei si translatiei genelor: - Histone- Proteine represor asociate cu ADN ce controleaza expresia genica - Proteine ribozomale- Factori de transcriptie si translatie7. Receptori membranari:- Proteine care transmit semnalele extracelulare in interiorul celulei, reglandu-i activitatea fiziologica

16