Le proteine
Le proteine sono macromolecole che presentano differenze
funzionali e strutturali
LE PROTEINE HANNO FUNZIONI
BIOLOGICHE DIVERSE
 enzimi
 proteine di trasporto
 proteine strutturali
 proteine di riserva
 proteine contrattili
 proteine regolatrici
 proteine di difesa
• Ogni organismo contiene migliaia di proteine
diverse, ognuna con una specifica funzione
• Gli aminoacidi rappresentano gli elementi
costitutivi delle proteine; di tutti gli aminoacidi
esistenti in natura solo 20 sono presenti nelle
proteine, in quanto espressi dal codice genetico
Come tutte le molecole polimeriche, le proteine
possono essere descritte in termini di livelli di
organizzazione molecolare :
• struttura primaria
• struttura secondaria
• strutura terziaria
• struttura quaternaria
Gli aminoacidi
Forma non ionica
Zwitterione
(punto isoelettrico)
tutti gli aminoacidi presentano un gruppo amminico,
un gruppo carbossilico ed una catena laterale R
variabile nei diversi aminoacidi
Gruppi R alifatici, non polari
CH3
H
OH
H2N
OH
H2N
O
O
H3C
H
CH3
OH
H2N
O
Glicina (gly)
CH3
Alanina (ala)
CH3
CH3
CH3
OH
H2N
O
Leucina (leu)
Valina (val)
OH
H2N
O
isoleucina (ile)
OH
N
H
O
Prolina (pro)
Gruppi R aromatici
OH
NH
OH
H2N
OH
H2N
O
Fenilalanina (phe)
OH
H2N
O
Tirosina (tyr)
O
Triptofano (trp)
Gruppi R polari, non carichi
OH
OH
H2N
H3C
OH
H2N
O
SH
OH
H2N
O
Serina (ser)
S
OH
O
Treonina (thr)
CH3
Cisteina (cys)
O
O
NH2
NH2
OH
H2N
O
Metionina (met)
OH
H2N
O
Asparagina (asn)
OH
H2N
O
Glutammina (gln)
Gruppi R carichi positivamente
NH3+
H
O
+
H2N
N
OH
N
H
NH2
Lisina (lys)
NH+
O
OH
O
N
NH2
OH
NH2
Istidina (hys)
Arginina (arg)
Gruppi R carichi negativamente
O
O
O
O
O
OH
O
NH2
Aspartato (asp)
OH
NH2
Glutammato (glu)
La sequenza degli AA costituisce la struttura Ia delle
proteine
La struttura primaria di una proteina è la
sequenza aminoacidica della sua o delle sue
catene polipeptidiche, se la proteina è costituita
da più di un polipeptide; ogni residuo è unito a
quello vicino da un legame peptidico.
Le proteine sono sintetizzate in vivo legando
mediante condensazione uno dopo l’altro i vari
aminoacidi in un ordine specificato dalla
sequenza 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 polipeptidi
più piccoli di questa dimensione sono detti semplicemente peptidi.
• Il polipeptide con le dimensioni più grandi fino ad ora studiato è
la TITINA, una proteina gigantesca contenente 26926 residui (2990
kDa) che partecipa all’organizzazione delle strutture ripetitive
della fibra muscolare.
• Ad ogni modo la grande maggioranza dei polipeptidi contiene da
100 a 1000 residui
L’organizzazione degli atomi in una proteina viene detta
conformazione
I peptidi presentano regioni, che conferiscono
rigidità alla struttura, altre che invece permettono
variazioni conformazionali (mediante libera rotaz.
intorno ai legami)
Le proteine che si trovano nella conformazione più stabile (minore energia
libera di Gibbs, DG) sono dette “proteine
native”
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-
O
C
C
N
H
+
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 peptidiche non possono assumere strutture 3D casuali
L’insieme di organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio
definiscono la struttura II delle proteine
Nelle proteine sono presenti diversi tipi di strutt.II, i più
rilevanti sono l’a-elica e la struttura b-sheet
a-elica
b-sheet
• Sia l’a-elica sia il foglietto b, sono dette strutture secondarie
regolari, in quanto sono composte da residui con valori degli
angoli F (phi) e Y (psi) che si ripetono.
L’a-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°.
Foglietto b.
Come l’a-elica il foglietto b utilizza tutta la capacità di formare
legami idrogeno dello scheletro del polipeptide. Nel foglietto b i
legami ad idrogeno si formano tra catene affiancate invece che tra
residui della stessa catena, come nel caso dell’a-elica.
Si possono avere due tipi di foglietti:
Il foglietto b antiparallello in cui le catene vicine che formano
legame idrogeno corrono in direzione opposte.
Il foglietto b parallelo in cui le catene unite da legame idrogeno
corrono invece nella stessa direzione.
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 struttura III si riferisce alla relazione spaziale tra tutti gli aa
di una catena polipeptidica
In una struttura III possono trovarsi più strutture 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 a 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 idrofobica 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 struttura nativa in seguito a denaturazione
• calore
La denaturazione avviene per azione
• pH estremi
• solventi (acetone, alcol)
• soluti (urea, detergenti)
I meccanismi molecolari della denaturazione
comprendono: riduzione dei legami S-S, interferenza
sulla carica netta (repulsione, e rottura dei legami ad H) e
interazioni idrofobiche
Perdita della forma nativa per riduzione
dei ponti disolfuro
Un ulteriore livello è la struttura IV, che si riferisce alle relazioni
spaziali tra più polipeptidi o alle sub-unità interne di una proteina
Motivi proteici
Motivo bab
Ripiegamento a forcina Motivo aa
Motivi a barile
barile a-b
Motivo a dito di zinco
Presente nelle proteine che si legano al DNA
PROTEINE FIBROSE
Come tipici esempi di proteine fibrose vengono qui considerate le
due principali proteine del tessuto connettivo il collagene e l'
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.
Collagene
• 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 dai fibroblasti del tessuto
connettivo, dagli osteoblasti dell'osso, dai condroblasti della
cartilagine e dagli odontoblasti dei denti. L'unità fondamentale del
collagene è il tropocollagene, struttura a tripla elica allungata.
Elastina
La Elastina, di spiccate proprietà elastiche, è la proteina
fibrosa predominante nei legamenti e nelle pareti vasali
arteriose, alle quali impartisce le note caratteristiche di
elasticità.
Proteine del tessuto connettivo
Nei tessuti, le cellule sono circondate da una complessa
matrice di natura glicopolisaccaridica che svolge la
funzione di impalcatura, di supporto per le cellule che
circonda
La matrice extracellulare contiene tre classi principali di
biomolecole:
• proteine strutturali (collageno, elastina)
• proteine specializzate (fibrillina, fibronectina e laminina)
• proteoglicani (glicosamminoglicani)
Tra le proteine di maggiore interesse biomedico del tessuto
connettivo abbiamo il collageno.
* principale costituente della maggior parte dei tessuti connettivi
* 25 % di tutte le proteine dei mammiferi
* nell’uomo sono stati identificati 19 tipi di collageno costituiti da
30 tipi diversi di catene polipeptidiche
* tutti i tipi di collageno possiedono una struttura a tripla elica;
nella maggior parte dei collageni la struttura a tripla elica si
estende su tutta l’intera molecola, in alcuni tipi può comprendere
solo alcune regioni
* la tripla elica è costituita da 3 catene a sinistrorse (contenenti 3
aminoacidi per giro) avvolte a formare una superelica destrorsa,
che costituisce una molecola a forma di bastoncello
* ogni giro d’elica contiene un residuo di glicina ogni tre residui
aminoacidici
Tipo
Geni
Tessuto
I
COL1A1, COL1A2
La maggior parte dei tessuti,
compreso quello osseo
II
COL2A1
Cartilagine, umor vitreo
III
COL3A1
Pelle, polmoni e sistema vascolare
IV
COL4A1-COL4A6
Membrane basali
V
COL5A1-COL5A3
Diversi tessuti connettivi
VI
COL6A1-COL6A3
Molti tessuti
VII
COL7A1
Fibrille di ancoraggio
VIII
COL8A1-COL8A2
Endotelio
IX
COL9A1-COL9A3
Tessuti vari
X
COL10A1
Cartilagine ipertrofica
XI
COL11A1-COL11A2-COL2A1
Tessuti contenenti collagenoI
XII
COL12A1
Tessuti contenenti collagenoI
XIII
COL13A1
Molti tessuti
XIV
COL14A1
Tessuti contenenti collagenoI
XV
COL15A1
Molti tessuti
XVI
COL16A1
Molti tessuti
XVII
COL17A1
Emidesmosoni della cute
XVIII
COL18A1
Molti tessuti
XIX
COL19A1
Rabdomiosarcoma
Classe
Tipo
Formazione di fibrille
I, II, III, V e XI
A rete
IV, VIII, X
Collageni associati a
fibrille con triple eliche
interrotte
IX, XII, XIV, XVI, XIX
Filamenti a perline
VI
Fibrille di ancoraggio
VII
Dominio di transmembrana XIII, XVII
Altri
XV,XVIII
vari tipi di strutture formate dalle diverse classi di collageno
 la tripla elica è costituita da 3 catene a sinistrorse
(contenenti 3 aminoacidi per giro) avvolte a formare una
superelica destrorsa, che costituisce una molecola a forma di
bastoncello
 ogni giro d’elica contiene un residuo di glicina ogni tre residui
aminoacidici
Principali differenze tra collageno ed elastina
Collageno
Elastina
1. Numerosi tipi geneticamente Un solo tipo genetico
differenti
2. Tripla elica
Assenza di tripla elica;
conformazioni random-coil
che permettono lo stiramento
3. Struttura formata dalla
ripetizione di (Gly-X-Y)n
Assenza di untità ripetitive
(Gly-X-Y)n
4. Presenza di idrossilisina
Assenza di idrossilisina
5. Legami crociati
intramolecolari aldolici
Assenza di carboidrati
6. Contiene carboidrati
Legami crociati
intramolecolari mediante
desmosina
7. Presenza di peptidi di
estensione durante la
biosintsesi
Assenza di peptidi di
estensione durante la
biosintesi
Biosintesi
Si ha un’estesa modificazione posttraduzionale nel Reticolo endoplaspatico e
nell’apparato del Golgi
Malattie del collagene
Da notare che i residui di Pro sono convertiti in Hyp in una
reazione catalizzata dalla prolil idrossilasi. Questo enzima
richiede acido ascorbico (vitamina C) per l’espressione della
sua attività catalitica.Lo scorbuto è una malattia determinata da
carenza di vitamina C nella dieta.
PROTEINE GLOBULARI
Sono proteine di forma sferoidale generalmente solubili in acqua e
caratterizzate da una struttura terziaria e talvolta da una
struttura quaternaria.
Sono biologicamente attive (es. enzimi ed immunoglobuline) e
costituiscono la più gran parte delle proteine cellulari.
La tradizionale classificazione delle proteine globulari è basata sulle caratteristiche
chimico-fisiche.
Protamine. Sono proteine basiche, presenti nello sperma di
alcune specie di pesci
Istoni. Sono proteine basiche di basso PM (11.000-20.000)
associate con il DNA nei nuclei cellulari.
Prolamine e gluteline. Sono proteine vegetali ricche di prolina e
di acido glutammico; fra esse la zeina del mais, la gliadina del
frumento e l'ordeina dell'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 plasmatiche
Tra i componenti solubili del plasma ematico le proteine sono
le sostanze più rappresentate. La loro concentrazione va da
60 – 80 mg/l, circa il 4% di tutte le proteine corporee.
Nel plasma esistono quasi 100 proteine diverse che possono
essere distinte in 5 gruppi in base al loro comportamento in
elettroforesi:
 albumine
 a -1 globuline
 a -2 globuline
 b - globuline
 g - globuline
la proteina più rappresentata è l’albumina che dà un
contributo essenziale al mantenimento della pressione
osmotica del sangue; agisce inoltre come proteina
trasportatrice per sostanze lipofiliche (acidi grassi liberi,
bilirubina, alcuni ormoni steroidei e vitamine)
le globuline partecipano al trasporto dei lipidi, ioni metallici,
vitamine, sono una componente importante del sistema di
coagulazione e forniscono gli anticorpi del sistema
immunitario
L’elettroforesi permette la separazione delle proteine
plasmatiche, la loro caratterizzazione e quantificazione
la maggior parte delle proteine plasmatiche viene
sintetizzata
nel
fegato
(fanno
eccezione
le
immunoglobuline)
sono tutte glicoproteine, ad eccezione dell’albumina
Tipo
esempio
Mr KDa
albumine:
Transtirenina,
Albumina
50-66
67
a-1 globuline
Antitripsina
Antichimotripsina
HDL
Transcortina
a-2 globuline
Antitrombina III
Colinesterasi
Proteina legante Vit D
b globuline
LDL
Transferrina
g globuline
IgG, IgA, IgM, IgD, IgE
51
58-61
200-400
51
58
350
52
2000-5000
80
150, 162, 900,
172, 196
Nel plasma il ferro è trasportato come ione ferrico
(fe3+) in forma legata alla transferrina.
Tale complesso si lega ad uno specifico recettore
cellulare, viene internalizzato e successivamente il ferro
è liberato nel citosol.
All’ interno della cellula il ferro può essere utilizzato
nella sintesi delle proteine contenenti il gruppo eme o
può essere depositato in siti di accumulo sotto forma di
ferritina o emosiderina.
La ferritina è il principale composto deputato
all’accumulo del ferro in particolare nel fegato e nel
midollo osseo.
La ferritina funziona come una riserva di ferro,
per cui la valutazione della ferritina plasmatica è uno
dei migliori indicatori di carenza di ferro.
L’emosiderina è un derivato della ferritina e si
ritrova nel fegato, nella milza e nel midollo osseo.
Essendo insolubile in acqua forma aggregati che
rilasciano lentamente il ferro in caso di carenza di
questo ione.
La ceruloplasmina è la proteina di trasporto per il
rame dal fegato ai tessuti periferici, ma è anche
essenziale in altri processi quali la regolazione di
reazioni di ossidoriduzione e il trasporto e
l’utilizzazione del ferro.
L’ossidazione del ferro2+ da parte della ceruloplasmina consenta il legame
e il trasporto del ferro da parte della trasferrina. Lo ione rame (Cu2+)
legato alla ceruloplasmina è rigenerato dalla reazione con ossigeno o con
gruppi tiolici ossidati.
Elevati valori delle immunoglobuline
• Si riscontrano nel sangue dei pazienti affetti da infezioni
croniche, o da epatopatie,o da altre forme morbose croniche,
quali l’artrite reumatoide.
• Ogni infezione induce l’aumento di una determinata
immunoglobulina, questo può fornire una utile indicazione 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.
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.
Gel-filtrazione delle proteine
La figura illustra una colonna a scambio anionico. Una proteina con carica negativa si lega ai granuli
carichi positivamente, mentre una proteina carica positivamente scorre attraverso la colonna.
Cromatografia a scambio ionico