Proteine: struttura e funzione, con focus su eme e mioglobina

Università San Raffaele Roma

Docente Sara Baldelli

Lezione Proteine struttura e funzioneU Università San Raffaele Roma Sara Baldelli

Proteine

Amino Acids

Primary protein structure is sequence of a chain of amino acids Phe Lou Ser CV Amino group NH2 H-C-COOH Acidic R group R group Amino Acid

LE PROTEINE SONO DEI POLIMERI LE CUI UNITA' RIPETITIVE SONO GLI -AMMINO ACIDI: ogni proteina possiede una propria struttura, da cui dipende la specifica funzione.

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AA e proteine

• Le proteine rappresentano gli elementi strutturali e funzionali più importanti dei sistemi viventi. Svolgono un'ampia varietà di funzioni. Sono sintetizzate come una sequenza di amminoacidi uniti in una struttura polimerica;
• Esistono ca 300 amminoacidi in natura; solo 20 di essi sono codificati dal DNA e sono incorporati nelle proteine (amminoacidi proteici)

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AA

Ogni amminoacido possiede un carbonio centrale detto a, al quale sono legati 4 gruppi: - gruppo amminico basico -NH2 (o anche -NH3 +) - gruppo carbossilico acido -COOH (o anche -COO- ) - un atomo di H - una catena laterale R diversa per ciascun amminoacido COO- + H3N-C-H I R

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Legame peptidico

• Le proteine si formano dall'unione di amminoacidi legati con legame peptidico (legame ammidico);
• Il legame peptidico si realizza mediante condensazione del gruppo carbossilico -COOH del primo amminoacido col gruppo amminico (NH2) del secondo amminoacido con eliminazione di una molecola d'acqua. R1 - H R2 H3N-CH-C-OH + H-N-CH-COO" + = Ö H2O > H2O R1 1 H R2 H3N-CH-C-N -- CH-COO" 0

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Legame peptidico

R1 R1 H R2 I + H3N-C-COO- + H3N-C-COO- + H3N-C-C-N-C-COO- = I H carbossi- terminale H R2 H H2O 1 I + I ammino- terminale HO legame peptidico Reazione di condensazione con eliminazione di una molecola di H2O

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Legame peptidico

OH CH3 CH3 CH I CH2OH H H H CH2 H CH3 H CH2 I I I H 0 H O HO HO H Estremità amminoterminale Estremità carbossiterminale

Proteine struttura e funzione 7 di 39 + H3N-C-C-N -- C-C-N -- C-C-N -- C-C-N -- C-COO" 1U Università San Raffaele Roma Sara Baldelli

Funzioni delle proteine

• La composizione in amminoacidi di una proteina influenza le proprietà chimico-fisiche della proteina stessa;
• Amminoacidi non polari (idrofobi) renderanno la proteina poco solubile in H2O. Infatti, nelle proteine di membrana, gli amminoacidi non polari saranno concentrati nei segmenti di proteina che attraversano le membrane;
• In proteine solubili, gli amminoacidi polari saranno presenti sulla superficie mentre gli amminoacidi non polari saranno confinati all'interno della proteina.

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Struttura Tridimensionale delle proteine

Struttura primaria Struttura quaternaria Pro Ala Asp Lys Thr Struttura secondaria Struttura terziaria Asn Val Lys Ala Ala Trp Gly Lys & Elica Val Residui amminoacidici Catena polipeptidica Subunità associate

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Struttura primaria

• E' rappresentata dalla sequenza amminoacidica, per es: H2N- Met-Ala-Ala-Gly-Tyr-Trp-GIn-Ala-COOH;
• Tale ordine è determinato dalla sequenza polinucleotidica del DNA del gene corrispondente. Molte malattie genetiche sono dovute alla sintesi di proteine con una sequenza amminoacidica alterata. Sequenza ammino- acidica (proteina) Sequenza del DNA (gene) Gln -Tyr-Pro-Thr-Ile -Trp CAGTATCCTACGATTTGG

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Struttura Tridimensionale

Necessaria per l'attività biologica La conformazione delle proteine è dovuta alla formazione di legami non covalenti che tengono ripiegate alcune parti di un polipeptide: struttura secondaria e terziaria.

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Struttura secondaria

• E' rappresentata dalla conformazione assunta da porzioni dello scheletro polipeptidico;
• Può essere: alpha-elica o foglietto-beta;
• Legame stabilizzante: legame a H tra CO e NH dei legami peptidici.

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Struttura secondaria

• Si riferisce alla conformazione locale della catena polipeptidica.
• E' determinata da interazioni di tipo legame a idrogeno fra l'ossigeno di un gruppo carbonilico del legame peptidico e l'idrogeno del gruppo ammidico di un altro legame peptidico.
• Esistono due tipi di strutture secondarie: l' a-elica ed il foglietto b.

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Struttura secondaria

alpha-elica

ponte-H ogni 3,6 aminoacidi Il legame H si instaura tra l'H dell'azoto amidico e l'O del gruppo carbonilico residui esterni alla spirale.

beta-foglietto

legami idrogeno fra aminoacidi di catene diverse foglietto piegato R amino acid side chain R nitrogen carbon R R R R R H bond R R L hydrogen oxygen R R R 1 1.39 nm

Proteine struttura e funzione 14 di 39 G R R R peptide bondU Università San Raffaele Roma Sara Baldelli

Struttura terziaria

La struttura terziaria è la conformazione tridimensionale assunta da una proteina. È stabilizzata da legami non covalenti come ponti idrogeno, interazioni idrofobiche tra amminoacidi non polari e legami ionici ma anche da legami covalenti. Ciò è indispensabile per la sua attività biologica CAPITOLO 1 Amminoacidi e proteine Ripiegamento ₿ Foglietto ₿ 00 Regione ad anello a elica

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Struttura terziaria

• E' la struttura tridimensionale dell'intero polipeptide
• Le interazioni tra i gruppi laterali degli amminoacidi, anche distanti nella sequenza, provocano un ripiegamento della catena polipeptidica
• Legami stabilizzanti: interazioni tra le catene laterali che causano il ripiegamento degli elementi di struttura secondaria presenti nel polipeptide.

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Struttura terziaria

I gruppi laterali R instaurano interazioni deboli:

• 1. Legami ionici se un gruppo con carica negativa interagisce con un gruppo di carica positiva
• 2. Legami idrogeno
• 3. Interazioni di van der Waals tra i gruppi idrofobici laterali degli amminoacidi apolari; queste interazioni sono molto deboli ma importanti in quanto gli amminoacidi idrofobici si dispongono all'interno della proteina, contribuendo al suo ripiegamento in ambiente acquoso
• Legame disolfuro (detto ponte disolfuro -S-S-) (legame covalente) che si forma per ossidazione dei gruppi -SH di due cisteine che in seguito al ripiegamento della proteina si trovano vicine

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COO- COO" T T + H3N-C-H T H3N-C-H T CH2 CH2 SH 2H++2e A S T cistina SH I Ş 2H++ 2e- CH2 cisteina H-C-NH3 T COO" CH2 H-C-NH3 COO" + cisteina I legami disolfuro sono solitamente formati dall'ossidazione di gruppi sulfidrilici (-SH), specialmente in contesti biologici

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Struttura terziaria

1e NH3 CH2 O-H legami ad H CH2 ponti salini e (CH2), NHO CH interazioni CH3 idrofobiche CH3 8 ponti disolfuro $ CH2 CH2 Interazioni con Il solvanta BOH 8 Rappresentazione della struttura terziaria di una proteina (mioglobina) con i vari tipi di interazioni che la stabilizzano

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Struttura terziaria di una protein chinasi

Dominio proteico: parte di una catena polipeptidica che si può ripiegare indipendentemente in una struttura compatta stabile. 2 domini con funzioni regolatorie 2 domini con funzioni catalitiche dominio SH3 piccolo dominio chinasico N ATP C (A) dominio 8H2 grosso dominio chinasico (B)

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Struttura quaternaria

• Molte proteine sono costituite da una sola catena polipeptidica (proteine monomeriche).
• Alcune proteine sono costituite da 2 o più catene polipeptidiche (subunità) strutturalmente identiche o diverse (proteine multimeriche).
• L'associazione di queste subunità costituisce la struttura quaternaria.
• Le subunità sono tenute insieme da interazioni non covalenti. SEZIONE Legame idrogeno (interazione non covalente) Subunità II Subunità I Subunità IV Subunità III

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Struttura quaternaria

• E' presente nelle proteine costituite da più di una catena polipeptidica, ciascuna detta subunità
• Le proteine costuituite da 1, 2, 3 o più subunità sono dette monomeriche, dimeriche, trimeriche, oligomeriche, polimeriche
• Legami: Interazioni tra le subunità

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Struttura quaternaria

C N Z C C 2. N c Struttura quaternaria di una proteina tetramerica con 4 subunità

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Emoglobina (Hb)

• L' Hb è una proteina legante l'O2 che si trova esclusivamente nei globuli rossi (GR, o eritrociti)
• La sua funzione principale è di trasportare l'O2 dai polmoni ai tessuti
• Ogni GR contiene ca 300x106 molecole di Hb
• I GR hanno una vita media di 120 giorni

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Emoglobina (Hb)

N-terminale C-terminale B2 F A H D D A E G E B B E D H A F A F C-terminale N-terminale Mioglobina Emoglobina E' costituita da 4 subunità, 2 di tipo a (141 aa) e 2 di tipo ß (146 aa), molto simili fra di loro e simili anche alla Mb

Proteine struttura e funzione 25 di 39 C G G 4U Università San Raffaele Roma Sara Baldelli

Emoglobina (Hb)

• Ciascuna subunità dell' Hb contiene un gruppo eme legato covalentemente. Ciascun eme con il suo ione Fe2+ può legare una molecola di O2
• L' ossigenazione risulta in un cambiamento di colore da rosso scuro a rosso scarlatto, responsabile della differenza di colore fra sangue venoso e arterioso.

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