Le proteine
Le proteine sono macromolecole che presentano
differenze funzionali e strutturali
LE PROTEINE HANNO FUNZIONI LE PROTEINE HANNO FUNZIONI
BIOLOGICHE DIVERSEBIOLOGICHE DIVERSE
�� enzimi
�� proteine di trasportoproteine di trasporto
�� proteine di riservaproteine di riserva
�� proteine contrattiliproteine contrattili
�� proteine di difesaproteine di difesa
�� proteine regolatriciproteine regolatrici
�� proteine strutturaliproteine strutturali
CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINEin base alla funzione biologica che svolgono
Esempi
Enzimi Ribonucleasi,catalisi
Insulina, tirotropina
Emoglobina, albumina sierica
Ovoalbumina, ferritina
Actina, miosina
Collagene, fibroina
Anticorpi
Proteina antigelo, resilina
Classe funzionale
Proteine di regolazione
Proteine di trasporto
Proteine di riserva
Proteine deputate alla mobilità ed alla contrattilità
Proteine strutturali
Proteine con funzioni di difesa
Proteine particolari
CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE CONIUGATE
in base alla natura chimica della componente
non - amminoacidica
•• Ogni organismo contiene migliaia di Ogni organismo contiene migliaia di proteine proteine
diverse, ognuna con una specifica funzionediverse, ognuna con una specifica funzione
•• Gli Gli aminoacidi aminoacidi rappresentano gli elementi rappresentano gli elementi
costitutivi delle proteine; di tutti gli aminoacidi costitutivi delle proteine; di tutti gli aminoacidi
esistenti in natura solo 20 sono presenti nelle esistenti in natura solo 20 sono presenti nelle
proteine, in quanto espressi dal codice geneticoproteine, in quanto espressi dal codice genetico
Gli aminoacidiGli aminoacidi
tutti gli aminoacidi presentano un gruppo amminico,
un gruppo carbossilico ed una catena laterale R
variabile nei diversi aminoacidi
Forma non ionica In soluzione a pH neutro
sono in genere ioni dipolari
(o anfoioni)
Gruppi R alifatici, non polariGruppi R alifatici, non polari
NH2
O
CH3
OH
NH2
O
H
OH
NH2
O
CH3
CH3
OH
H
NH2
O
CH3
CH3
OHNH2
O
CH3
CH3
OHNH
O
OH
Glicina (gly) Alanina
(ala)
* Valina
(val)
* Leucina
(leu)
* isoleucina
(ile)
Prolina
(pro)
Gruppi R aromaticiGruppi R aromatici
NH2
O
OH
NH2
O
OH
OH
NH2
O
NH
OH
* Fenilalanina
(phe)
Tirosina (tyr) * Triptofano
(trp)
Gruppi R polari, non carichiGruppi R polari, non carichi
NH2
O
OH
OHNH2
O
OHCH3
OHNH2
O
SH
OH
NH2
O
SCH
3
OHNH2
O
O
NH2
OHNH2
O
NH2
O
OH
Serina (ser) * Treonina (thr) Cisteina (cys)
* Metionina
(met)
Asparagina
(asn)
Glutammina
(gln)
Gruppi R carichi positivamenteGruppi R carichi positivamente
NH2
ONH3+
OH
NH2
ON
NH+
NH2
OHNH
2
O
NH
OHN+
H
* Lisina (lys) *Istidina (hys) Arginina (arg)
Gruppi R carichi negativamenteGruppi R carichi negativamente
NH2
O
O
O
OH
NH2
O
O
O
OH
Glutammato (glu)Aspartato (asp)
Come tutte le molecole polimeriche, le Come tutte le molecole polimeriche, le
proteine possono essere descritte in termini di proteine possono essere descritte in termini di
livelli di organizzazione molecolare livelli di organizzazione molecolare ::
•• struttura primariastruttura primaria
•• struttura secondariastruttura secondaria
•• struturastrutura terziaria terziaria
•• struttura quaternariastruttura quaternaria
La sequenza degli AA costituisce la La sequenza degli AA costituisce la struttura Istruttura Ia a delle delle
proteineproteine
La La struttura primariastruttura primaria di una proteina di una proteina èè la sequenza la sequenza
aminoacidicaaminoacidica della sua o delle sue catene della sua o delle sue catene
polipeptidichepolipeptidiche, se la proteina , se la proteina èè costituita da picostituita da piùù di un di un
polipeptide; ogni residuo polipeptide; ogni residuo èè unito a quello vicino da unito a quello vicino da
un un legame peptidicolegame peptidico.
Le proteine sono Le proteine sono sintetizzate in vivosintetizzate in vivo legando legando
mediante condensazione uno dopo lmediante condensazione uno dopo l’’altro i vari altro i vari
aminoacidi in un ordine specificato dalla aminoacidi in un ordine specificato dalla sequenza sequenza
nucleotidica di un gene.nucleotidica di un gene.
Le possibilità teoriche di un
polipeptide sono illimitate
Avendo a disposizione 20 scelte diverse per ogni
residuo aminoacidico di una catena polipeptidica,
si può immediatamente vedere che è possibile
ottenere un numero praticamente infinito di
proteine diverse.
Chiaramente l’evoluzione ha prodotto soltanto un
piccolissimo numero di queste proteine
teoricamente possibili.
Le proteine reali hanno limiti alla dimensioni e
alla composizione
. In genere le proteine contengono almeno 40 residui; i polipeptidIn genere le proteine contengono almeno 40 residui; i polipeptidi i
pipiùù piccoli di questa dimensione sono detti semplicemente peptidi.piccoli di questa dimensione sono detti semplicemente peptidi.
•• Il polipeptide con le dimensioni piIl polipeptide con le dimensioni piùù grandi fino ad ora studiato grandi fino ad ora studiato èè
la la TITINATITINA, una proteina gigantesca contenente 26926 residui , una proteina gigantesca contenente 26926 residui
(2990 (2990 kDakDa) che partecipa all) che partecipa all’’organizzazione delle strutture organizzazione delle strutture
ripetitive della fibra muscolare. ripetitive della fibra muscolare.
•• Ad ogni modo la grande maggioranza dei polipeptidi contiene da Ad ogni modo la grande maggioranza dei polipeptidi contiene da
100 a 1000 residui100 a 1000 residui
L’organizzazione degli atomi in una proteina viene
detta conformazione
Le proteine che si trovano nella conformazione più stabile
(minore energia libera di Gibbs, ∆∆∆∆G) sono dette “proteine
native”
I peptidi presentano regioni, che conferiscono
rigidità alla struttura, altre che invece
permettono variazioni conformazionali
(mediante libera rotaz. intorno ai legami)
Il gruppo polipeptidico è una struttura rigida e planare,
come conseguenza delle interazioni di risonanza che
forniscono al legame peptidico circa il 40% di carattere
di doppio legame
O
C
N
H
O-
C
N
H
+
Lo scheletro o la catena principale di una proteina non
è altro che una successione degli atomi che fanno parte
dei legami peptidici della catena polipeptidica.
Le catene Le catene peptidichepeptidiche non possono assumere strutture 3D non possono assumere strutture 3D
casualicasuali
LL’’insieme di organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio insieme di organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio
definiscono la definiscono la struttura IIstruttura II delle proteinedelle proteine
Nelle proteine sono presenti diversi tipi di Nelle proteine sono presenti diversi tipi di strutt.IIstrutt.II, i pi, i piùù
rilevanti sonorilevanti sono ll’’αααααααα--elica e la strutturaelica e la struttura ββββββββ--sheetsheet
αααα-elica ββββ-sheet
• Sia ll’’αααααααα--elica sia il foglietto elica sia il foglietto ββββββββ,, sono dette strutture secondarie strutture secondarie
regolari,regolari, in quanto sono composte da residui con valori degli
angoli ΦΦΦΦ e Ψ Ψ Ψ Ψ che si ripetono....
L’αααα-elica è destrorsa.
Possiede 3,6 residui per giro e un passo di 5,4 A°.
Le α-eliche presenti nelle proteine impegnano in media
circa 12 residui, che formano più di 3 giri di elica e
corrispondono ad una lunghezza di circa 18 A°.
Questa disposizione porta alla formazione di legami
idrogeno molto forti, in quanto, l’atomo di idrogeno
legato all’azoto e l’atomo di ossigeno legato al carbonio
si trovano alla distanza ottimale di 2,8 A°.
Come l’αααα-elica il foglietto ββββ utilizza tutta la capacità di formare
legami idrogeno dello scheletro del polipeptide. Nel foglietto ββββ i
legami ad idrogeno si formano tra catene affiancate invece che
tra residui della stessa catena, come nel caso dell’αααα-elica.
Si possono avere due tipi di foglietti:
Il foglietto ββββ antiparallello in cui le catene vicine che formano
legame idrogeno corrono in direzione opposte.
Il foglietto ββββ parallelo in cui le catene unite da legame idrogeno
corrono invece nella stessa direzione.
Foglietto β
Un livello ancora più alto di struttura è rappresentato dal dominio
Il dominio rappresenta una regione compatta, comprendente 40-400
aminoacidi, che può essere considerata come un’unità strutturale
distinta di una catena polipeptidica
La diffrazione ai raggi X ha permesso di individuare livelli di
organizzazione strutturale superiori alla struttura II delle
proteine
La La struttura IIIstruttura III si riferisce alla relazione si riferisce alla relazione
spaziale tra tutti gli spaziale tra tutti gli aaaa di una catena di una catena
polipeptidicapolipeptidica
In una struttura III possono In una struttura III possono
trovarsi pitrovarsi piùù strutture IIstrutture II
Tra i residui superficiali si stabiliscono legami elettrostatici
• I legami salini (elettrostatici) uniscono due o più residui i
cui gruppi R abbiano carica opposta, ma si stabiliscono
anche tra i gruppi ionizzati in posizione αααα dei residui
amminici e carbossi terminali.
• I ponti disolfuro conferiscono ulteriore stabilità. Questi si
stabiliscono tra i residui di cisteina appartenenti alla stessa
catena polipeptidica oppure a catene diverse.
• Le interazioni idrofobiche uniscono i residui
posti all’interno di una proteina, infatti le
catene apolari degli aminoacidi si associano
all’interno delle proteine globulari.
• Le interazioni idrofobiche anche se
individualmente molto deboli sono presenti in
numero talmente elevato da contribuire in
maniera fondamentale alla stabilizzazione della
struttura della proteina.
Le proteine perdono la loro Le proteine perdono la loro struttura nativa in seguito a in seguito a
denaturazionedenaturazione
La denaturazione avviene per azione La denaturazione avviene per azione
• calore
• pH estremi
• solventi (acetone, alcol)
• soluti (urea, detergenti)
I meccanismi molecolari della denaturazione I meccanismi molecolari della denaturazione
comprendono: comprendono:
riduzione dei legami Sriduzione dei legami S--S, interferenza sulla carica netta S, interferenza sulla carica netta
(repulsione, e rottura dei legami ad H) interazioni (repulsione, e rottura dei legami ad H) interazioni
idrofobicheidrofobiche
Perdita della forma nativa per riduzione
dei ponti disolfuro
Un ulteriore livello è la struttura IVstruttura IV, che si riferisce alle relazioni
spaziali tra più polipeptidi o alle sub-unità interne di una
proteina
Motivi proteici
Motivo βαββαββαββαβ Ripiegamento a forcina Motivo αααααααα
Motivi a barile barile αααα-ββββ
Motivo a dito di zinco
PROTEINE GLOBULARI
Sono proteine di forma sferoidale generalmente solubili in acquaSono proteine di forma sferoidale generalmente solubili in acqua e e
caratterizzate da una struttura terziaria e talvolta da una caratterizzate da una struttura terziaria e talvolta da una
struttura quaternaria. struttura quaternaria.
Sono biologicamente attiveSono biologicamente attive (es. enzimi ed immunoglobuline) e (es. enzimi ed immunoglobuline) e
costituiscono la picostituiscono la piùù gran parte delle proteine cellulari.gran parte delle proteine cellulari.
La tradizionale classificazione delle proteine globulari è basata
sulle caratteristiche chimico-fisiche.
ProtamineProtamine.. Sono proteine basiche, presenti nello sperma di Sono proteine basiche, presenti nello sperma di
alcune specie di pescialcune specie di pesci
Istoni.. Sono proteine basiche di basso PM (11.000Sono proteine basiche di basso PM (11.000--20.000) 20.000)
associate con il DNA nei nuclei cellulari.associate con il DNA nei nuclei cellulari.
Prolamine e gluteline.. Sono proteine vegetali ricche di prolina e Sono proteine vegetali ricche di prolina e
di acido glutammico fra esse: di acido glutammico fra esse:
la la zeinazeina del maisdel mais
la la gliadinagliadina del frumento del frumento
l'ordina l'ordina dell'orzodell'orzo
Albumine. Sono proteine acidiche (pH - 5) con PM fra
50.000 e 60.000, ben solubili in acqua e coagulabili al
calore. Fra le albumine animali si ricordino quella del
siero ematico e quelle dell'uovo e del latte.
Globuline. Sono in realtà delle glicoproteine, hanno PM
intorno ai 150.000, sono solubili in acqua. Le globuline
più note sono quelle del sangue
PROTEINE FIBROSEPROTEINE FIBROSE
Come tipici esempi di proteine fibrose vengono qui considerate
le due principali proteine del tessuto connettivo il collagenecollagene e l'
elastina.elastina.
• Collagene ed elastina coesistono in proporzioni diverse nelle
strutture connettivali: nei tendini, ad esempio, prevale
largamente il collagene, per contro i legamenti sono ricchi di
elastina.
•Le fibre di collagene sono particolarmente resistenti alla
tensione e quelle di elastina sono invece dotate di una certa
elasticità, la prevalenza delle une o delle altre riflette il tipo di
funzione meccanica della particolare struttura connettivale.
CollageneCollagene
• Il collagene, la più abbondante proteina dell' organismo (il 30%
circa, di tutte le proteine) costituisce l'intelaiatura extracellulare di
tutti gli esseri pluricellulari.
• E’ presente in percentuale varia in tutti i tessuti animali ed in
misura dominante nei tessuti di sostegno (tendini, legamenti, fasce,
cartilagine, ossa e denti).
• Il collagene viene sintetizzato daiviene sintetizzato dai fibroblasti del tessuto connettivodel tessuto connettivo, ,
daglidagli osteoblasti dell'osso, daidell'osso, dai condroblasti della cartilagine e daglidella cartilagine e dagli
odontoblasti dei denti.dei denti.
•• L'unitL'unitàà fondamentale del collagene fondamentale del collagene èè ilil tropocollagene, struttura a
tripla elica allungata.
ElastinaElastina
La ElastinaLa Elastina, di spiccate proprietà elastiche, èè
la proteina fibrosa predominantela proteina fibrosa predominante nei
legamenti e nelle pareti vasali arteriose, alle
quali impartisce le note caratteristiche di
elasticità.
Proteine plasmaticheProteine plasmatiche
Tra i componenti solubili del plasma ematico le proteine Tra i componenti solubili del plasma ematico le proteine
sono le sostanze pisono le sostanze piùù rappresentate. La loro concentrazione rappresentate. La loro concentrazione
va da 60 va da 60 –– 80 mg/l, circa il 4% di tutte le proteine 80 mg/l, circa il 4% di tutte le proteine
corporee.corporee.
Nel plasma esistono quasi 100 proteine diverse che possono Nel plasma esistono quasi 100 proteine diverse che possono
essere distinte in 5 gruppi in base al loro comportamento essere distinte in 5 gruppi in base al loro comportamento
in elettroforesi:in elettroforesi:
� albumine
� αααα -1 globuline
� αααα -2 globuline
� ββββ - globuline
� γγγγ - globuline
la proteina pila proteina piùù rappresentata rappresentata èè ll’’albuminaalbumina che dche dàà un un
contributo essenziale al mantenimento della contributo essenziale al mantenimento della
pressione osmotica del sangue; agisce inoltre come pressione osmotica del sangue; agisce inoltre come
proteina trasportatrice per sostanze proteina trasportatrice per sostanze lipofilichelipofiliche (acidi (acidi
grassi liberi, bilirubina, alcuni ormoni steroidei e grassi liberi, bilirubina, alcuni ormoni steroidei e
vitamine)vitamine)
lele globulineglobuline partecipano al trasporto dei lipidi, ioni partecipano al trasporto dei lipidi, ioni
metallici, vitamine, sono una componente metallici, vitamine, sono una componente
importante del sistema di coagulazione e forniscono importante del sistema di coagulazione e forniscono
gli anticorpi del sistema immunitariogli anticorpi del sistema immunitario
LL’’elettroforesi permette la separazione delle elettroforesi permette la separazione delle
proteine plasmatiche, la loro proteine plasmatiche, la loro
caratterizzazione e quantificazionecaratterizzazione e quantificazione
la maggior parte delle proteine plasmatiche la maggior parte delle proteine plasmatiche
viene sintetizzata nel fegato (fanno viene sintetizzata nel fegato (fanno
eccezione eccezione le immunoglobulinele immunoglobuline prodotte dai prodotte dai
linfociti T)linfociti T)
sono tutte sono tutte glicoproteineglicoproteine,, ad eccezione ad eccezione
delldell’’albuminaalbumina
150, 162, 900,
172, 196
IgG, IgA, IgM, IgD, IgEγ γ γ γ γ γ γ γ globulineglobuline
2000-5000
80
LDL
Transferrina
β β β β β β β β globulineglobuline
58
350
52
Antitrombina III
Colinesterasi
Proteina legante Vit D
αααααααα--2 globuline2 globuline
51
58-61
200-400
51
Antitripsina
Antichimotripsina
HDL
Transcortina
αααααααα--1 globuline1 globuline
50-66
67
Transtirenina,
Albumina
albumine:albumine:
TipoTipo esempioesempio MrMr KDaKDa
Elevati valori delle immunoglobulineElevati valori delle immunoglobuline
• Si riscontrano nel sangue dei pazienti affetti da infezioni Si riscontrano nel sangue dei pazienti affetti da infezioni
croniche, o da epatopatie, o da altre forme morbose croniche, croniche, o da epatopatie, o da altre forme morbose croniche,
quali lquali l’’artrite reumatoide. artrite reumatoide.
•• Ogni infezione induce lOgni infezione induce l’’aumento di una determinata aumento di una determinata
immunoglobulina, questo può fornire una utile indicazione immunoglobulina, questo può fornire una utile indicazione
per la diagnosi.per la diagnosi.
• Una particolare intensa produzione di
immunoglobuline, o delle loro catene leggere o pesanti
separate, si ha nel mieloma multiplo o plasmacitoma,
una neoplasia plasmacellulare del midollo osseo che
porta alla progressiva distruzione delle ossa.
• La concomitante disfunzione del midollo osseo è
responsabile dello stato anemico che si ha in
questa malattia e della insufficiente produzione di
anticorpi normali che rende i pazienti
particolarmente sensibili alle infezioni.
Le sostanze che evocano la risposta immune sono gli antigeni
e gli anticorpi sono le immunoglobuline che ne vengono
evocate e che vi si legano.
Un anticorpo si lega ad un sito sulla superficie di un antigene
denominato epitope o determinante antigenico.
Gli epitopi possono essere, segmenti di una catena
polipeptidica, oppure sequenze glucidiche.
Gli antigeni formano con gli anticorpi corrispondenti, dei
complessi non covalenti “ antigene-anticorpo”, più facilmente
eliminabili degli antigeni stessi da parte dei fagociti
Schema semplificato di una immunoglobulina (IgG), costituita da due catene pesanti connesse da ponti di solfuro e da due catene leggere. Le porzioni tratteggiate delle catene, che hanno una composizione di amino acidi variabili, costituiscono il sito di legame con l’antigene.
Organizzazione strutturale delle IgM e delle IgA.
Si noti la frequenza di ponti disolfuro intercatena e la presenza sia nelle IgM sia nelle IgA della catena di interconnessione J.