Proteine: struttura, funzione e fabbisogno nel corpo umano

Proteine: Struttura e Funzione

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. 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).

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.

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.

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.

Struttura Primaria

• E' rappresentata dalla sequenza amminoacidica, per es: H2NMet-Ala-Ala-Gly-Tyr-Trp-Gln-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. La struttura primaria evidenzia la disposizione degli a.a nella catena proteina.

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.

Le strutture secondarie , a differenza della struttura primaria, sono disposte secondo un andamento a fisarmonica (betafoglietto) o a spirale (alfa-elica). La struttura betafoglietto è stabilizzata da legami di H. Tale tipo di interazione è puramente elettrostatica e descrivibile mediante la legge di Coulomb. Il legame idrogeno si forma tra un atomo di H legato a un atomo molto più elettronegativo quale N ed un atomo O e nel caso della struttura secondaria coinvolge gruppi -NH e gruppi C=O di due catene polipeptidiche.SPIEGAZIONE : 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. La struttura alfa-elica e anch'essa stabilizzata da legami di H. Le strutture betafoglietto sono composte da cheratina e collagene, mentre alfa-elica da actina e miosina.

Actina e miosina vengono usate da muscoli, capelli, pelle ed unghie. La cheratina ed il collagene servono per la costruzione della cartilagine.

Struttura 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.

Struttura Beta Foglietto

legami idrogeno fra aminoacidi di catene diverse foglietto piegato

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.

• 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.

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. I legamidisolfuro sono solitamente formati dall'ossidazione di gruppi sulfidrilici (-SH), specialmente in contesti biologici.

Questo tipo di proteina è caratterizzato dalle proteine globulari come : ormoni ed enzimi.

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.

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

La struttura quaternaria è data dall'associazione di più catene peptidiche che già presentano una struttura secondaria o terziaria. Si formano in questo modo molecole a potenzialità biochimiche ad esempio EMOGLOBINA e INSULINA.

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

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 (mioglobina) 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.

Eme

L'eme è costituito dalla protoporfirina IX, formata da 4 molecole di pirrolo legate insieme ad anello (anello tetrapirrolico) e da uno ione Fe2+, che si trova al centro.

Eme e O2

Nella forma ossigenata, lo ione ferro Fe2+ dell'eme lega reversibilmente una molecola di O2.

Mioglobina

• La Mb è una proteina legante l' O2 che si trova nel tessuto muscolare: cuore, muscoli scheletrici e muscolatura liscia . Ha la funzione di: serbatoio di 02: l'O2 libero non è molto solubile nelle soluzioni acquose.
• La Mb, legandolo, ne aumenta la concentrazione effettiva nelle cellule muscolari rendendolo disponibile al momento della contrazione
• Trasportatore dell'02 all' interno delle cellule muscolari: ne facilita la diffusione verso i mitocondri.
• E' una proteina globulare
• E' costituita da 1 sola subunità di 153 amminoacidi, disposti per l' 80% ad a-elica
• Le a-eliche sono 8 (A-H)
• La Mb lega covalentemente un gruppo eme (rosso nella figura), in una tasca idrofobica interna.

Quando il muscolo lavora (e consuma 02 per ricavare l'energia necessaria per la contrazione), la pO2 nelle cellule muscolari diminuisce e la Mb cede il suo O2

• Vista la grande concentrazione della Mb nel muscolo, la Mb è in grado di rilasciare grosse quantità di O2 al muscolo. Questo è specialmente importante all'inizio dell'esercizio fisico.

Classificazione delle Proteine

Molti enzimi contengono solo amminoacidi e nessun altro gruppo chimico ® PROTEINE SEMPLICI. Altre proteine contengono, oltre agli amminoacidi, gruppi chimici funzionali permanentemente associati ® PROTEINE CONIUGATE. La parte non amminoacidica viene definita GRUPPO PROSTETICO. Le proteine possono essere classificate in due gruppi principali: proteine globulari e fibrose.

Proteine Globulari

Le catene polipeptidiche sono ripiegate ed assumono forma compatta, sferica o globulare.

• Contengono più tipi di struttura secondaria, sono solubili in acqua, di forma quasi sferica, assolvono funzioni biologiche (enzimi, proteine di trasporto (p.es. albumina, emoglobina), proteine regolatrici, immunoglobuline, etc.

Proteine Fibrose

Sono di origine animali,

• insolubili in acqua,
• Assolvono ruoli strutturali per lo più.

Si dividono in tre categorie:

• Ø le cheratine- formano tessuti protettivi
• Ø i collageni-formano tessuti connettivi
• Ø le sete- come i bozzoli dei bachi da seta.

Proteine Fibrose: Collagene e Cheratine

• Collagene ed elastina, le due principali proteine del tessuto connettivo, sono tipici esempi di proteine fibrose. L'unità fondamentale del collagene è il tropocollagene, struttura a tripla elica allungata. Piu' molecole di tropocollagene, ordinate tra loro testa coda costituiscono una fibrilla di collagene

. . Cheratine sono proteine fibrose tipiche del citoscheletro delle cellule epiteliali. Due catene polipeptidiche con struttura a-elicizzata si avvolgono tra di loro a costituire un protofilamento, e due protofilamenti si avvolgono tra loro in senso destrorso costituendo il filamento di cheratina.

Proteine Coniugate

Molte proteine sono legate, covalentemente o non, a componenti non proteici.

Queste comprendono: glicoproteine, licoproteine, fosfoproteine, lipoproteine, cromoproteine e nucleoproteine

• Glicoproteine: derivano dall'unione mediante legami covalenti di una porzione proteica con una o più sequenze glucidiche.