Peptidi, proteine
ed enzimi
Immagini e testi tratti da
Massimo Stefani, Niccolò Taddei - Percorsi di Biochimica - Ed. Zanichelli - 2014
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Gli amminoacidi possono formare catene
Due amminoacidi possono unirsi tra loro attraverso il
legame ammidico detto legame peptidico, tra il
gruppo –NH2 di un amminoacido e quello –COOH
dell'altro amminoacido, con liberazione di una
molecola d'acqua.
L'unione di due amminoacidi genera un dipeptide.
Più amminoacidi uniti tra di loro generano un
biopolimero detto polipetide.
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Le proteine sono polipeptidi
strutturati (I)
Le catene polipeptidiche possono ripiegarsi dando
origine alle proteine, che sono quindi costituite da
polimeri di amminoacidi.
La differenza tra un polipeptide e una proteina
propriamente detta, consiste nel fatto che la catena
polipeptidica della proteina assume una particolare
conformazione spaziale che le conferisce le sue
caratteristiche funzionali (per esempio un enzima,
un anticorpo, un recettore di membrana).
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Le proteine sono polipeptidi
strutturati (II)
La struttura della proteina è determinata dalla sua
composizione amminoacidica. In particolare, la
natura delle catene laterali R determina il
ripiegamento dei diversi segmenti della catena
secondo strutture precise.
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I diversi livelli strutturali
delle proteine (I)
In una proteina si distinguono:
• la struttura primaria, ovvero la sequenza lineare
degli amminoacidi della catena polipeptidica;
• la struttura secondaria, determinata da forme di
ripiegamento assunte spontaneamente da segmenti
della catena polipeptidica, in funzione della loro
composizione amminoacidica;
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I diversi livelli strutturali
delle proteine (II)
• la struttura terziaria, costituita da ulteriori
ripiegamenti e interazioni tra le strutture secondarie
delle varie porzioni della catena. Anche questa
dipende dalla natura dei gruppi R degli amminoacidi;
• la struttura quaternaria, costituita dall'associazione
di più catene polipeptidiche a formare proteine con più
subunità.
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I diversi livelli strutturali
delle proteine (III)
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Struttura primaria:
il legame peptidico
Il legame peptidico è rigido e impone una limitazione
alle possibili conformazioni delle catene peptidiche.
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Struttura secondaria: l'alfa-elica
Le catene polipeptidiche possono avvolgersi lungo il
proprio asse formando una struttura elicoidale detta
alfa elica. Nella cheratina della lana, sette alfa eliche
sono avvolte una sull'altra formando una fibra.
α-cheratina dei capelli
umani
Struttura -elica
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Struttura secondaria:
il foglietto beta
Se si scalda l'alfa-cheratina, si rompono i legami
idrogeno tra le unità dell'elica e la proteina assume
una forma più allungata e rigida: la beta-cheratina,
fatta di foglietti beta. Per questo i parrucchieri per
"stirare" i capelli li scaldano prima.
Struttura del foglietto beta
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Struttura terziaria
Le proteine sono costituite da catene polipeptidiche
molto lunghe: una proteina "media" ha 500-700
amminoacidi, ma ci sono proteine con migliaia
di amminoacidi.
Diversi segmenti di queste catene possono assumere
conformazioni a foglietto , -elica o anche rimanere
non strutturate.
Le strutture secondarie a loro volta si ripiegano in
complesse conformazioni spaziali, caratteristiche di
ciascuna proteina. È questa la struttura terziaria.
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Il ripiegamento delle proteine (I)
Le proteine assumono la struttura terziara in un
processo detto ripiegamento (folding). Un primo
ripiegamento avviene già durante la sintesi proteica
nella cellula, mano a mano che la catena polipeptidica
esce dal ribosoma. In questa fase, nell'ambiente
acquoso, i segmenti con amminoacidi idrofobici
tenderanno a ripiegarsi all'interno, lasciando
all'esterno i gruppi idrofili.
Nelle proteine
solubili, gli amminoacidi con
gruppi idrofili (rappresentati dai
quadrati) si dispongono sulla
superficie.
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Il ripiegamento delle proteine (II)
La proteina parzialmente ripiegata entra poi nel
reticolo endoplasmatico della cellula, dove il
ripiegamento si completa grazie alla presenza
all’intervento di particolari proteine che avvolgono la
catena polipeptidica e favoriscono il processo di
ripiegamento.
Struttura terziaria dell’enzima lisozima
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Struttura terziaria e funzione
• Le proteine con proprietà simili hanno spesso una
struttura terziaria simile.
• Le proteine fibrose come la cheratina o il collagene
hanno forma allungata, sono insolubili in acqua e
formano strutture robuste.
• Le proteine solubili invece tendono a una forma
sferica e sono dette globulari.
• I recettori proteici hanno un dominio idrofobico
esteso che attraversa la membrana cellulare e uno
globulare che sporge all'esterno.
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Struttura terziaria e funzione: i
recettori
I recettori proteici sono in grado di legare molecole o
altre proteine presenti nello spazio extracellulare.
Il sito di legame assume una struttura terziaria
specifica per accogliere uno specifico ligando.
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Legame ormone-recettore
Un recettore è selettivo nei confronti di un solo
enantiomero, come una mano che interagisce
con un altro oggetto chirale.
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Struttura terziaria e funzione:
gli enzimi
Un'altra importante classe di proteine le cui funzioni
dipendono strettamente dalla struttura terziaria
sono gli enzimi.
Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici la cui
funzione è rendere possibile lo svolgimento delle
reazioni chimiche del metabolismo cellulare.
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Le reazioni chimiche richiedono
energia
In ogni reazione chimica, due o più molecole
(chiamate substrati) si combinano per generare una o
più nuove molecole (i prodotti).
L'energia richiesta per rompere i legami i substrati
e generare i prodotti è detta energia di attivazione,
in quanto serve a portare le molecole dei substrati
in uno stato di transizione o stato attivato, in cui
possono combinarsi nei prodotti.
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A cosa servono gli enzimi
Alcune reazioni hanno una bassa energia di
attivazione, per cui il calore presente nell'ambiente
cellulare (circa 37°C) è sufficiente ad attivare
i substrati.
La maggior parte delle reazioni metaboliche (come
la glicolisi o l'ossidazione degli acidi grassi) ha tuttavia
un'energia di attivazione elevata e non avverrebbe
praticamente mai spontaneamente nelle condizioni
cellulari.
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Profilo energetico di reazione
Gli enzimi servono ad
abbassare l'energia di
attivazione per passare
dai substrati ai prodotti,
rendendo possibili le
reazioni del metabolismo
cellulare. Come si vede
dall'immagine, il salto di
energia necessario per
attivare i substrati è
minore in presenza degli
enzimi (curva blu).
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Come funzionano gli enzimi
Gli enzimi possiedono pieghe chiamate siti attivi, in
cui le catene R degli amminoacidi prendono contatto
con i gruppi reattivi dei substrati facilitando la sintesi
dei prodotti.
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Legame enzima-substrato
L'enzima forma con il substrato il complesso ES
(enzima-substrato), grazie alla complementarietà del
suo sito di legame in cui catene laterali R degli
amminoacidi sono posizionate in maniera ottimale
per interagire con le porzioni corrispondenti della
molecola di substrato.
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Il complesso ES è un sistema
dinamico
1. Il substrato entra nel sito di legame attraverso la
complementarietà strutturale (modello chiaveserratura);
2. l'interazione del substrato con l'enzima causa una
modificazione della struttura terziaria di quest'ultimo
che assume la conformazione attiva in cui i
substrati sono correttamente posizionati per la
catalisi (adattamento indotto).
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Gli enzimi sono regolati (I)
Oltre a rendere possibile le reazioni metaboliche, gli
enzimi sono importanti punti di regolazione e la loro
attività può essere regolata:
• dalla concentrazione dei substrati e dei prodotti;
• dal pH;
• da cofattori essenziali per la reazione come gli ioni
metallici Ca2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+;
• dalla temperatura.
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Gli enzimi sono regolati (II)
Esistono inoltre molecole o addirittura piccole proteine
che, legandosi a un enzima, lo possono attivare o
inibire. Agendo sugli enzimi, la cellula è in grado di
operare una fine regolazione della velocità delle sue
vie metaboliche.
Schema generale della
regolazione enzimatica: C e
R indicano rispettivamente
la subunità catalizzatrice e
quella regolatrice dello
stesso enzima
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Nomenclatura degli enzimi (I)
Le migliaia di enzimi esistenti possono essere
raggruppati in 6 classi principali in base al tipo di
reazione che catalizzano. A loro volta queste classi
sono divise in sotto- e sotto-sottoclassi.
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Struttura quaternaria (I)
Molte proteine ed enzimi sono in realtà complessi
formati da più subunità. Ogni subunità è una proteina
essa stessa, ma solo la loro associazione conferisce al
complesso le sue proprietà funzionali. Questa
associazione è detta struttura quaternaria.
(A) La proteina cro del fago λ
(un virus) è formata da due
subunità identiche
(omodimero).
(B) Il rivestimento esterno del
virus del raffreddore (capside)
è un eteromultimero
costituito da 60 copie di
quattro subunità diverse.
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Struttura quaternaria (II)
Un esempio è l'emoglobina, che ha quattro subunità
di due tipi differenti. Grazie ai loro gruppi eme, le
quattro subunità insieme generano il principale
trasportatore di ossigeno cellulare.
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