Struttura e funzione proteica
Le proteine sono gli elementi costitutivi delle strutture cellulari e dei motori delle attività cellulari. Sono di natura modulare e le loro interazioni con altre molecole nella cellula si basano sulla presenza di specifici domini funzionali. La forma precisa del dominio, risultante dalla presenza di legami non covalenti tra i residui in una catena polipeptidica decide sulla funzione., L’esempio più noto della relazione forma-funzione è la teoria “chiave e serratura” della funzione enzimatica. Il cambiamento della tasca enzimatica, dovuto la mutazione o la modifica di un residuo dell’amminoacido cambia l’affinità e / o la specificità dell’enzima. In breve, la migliore vestibilità tra due molecole, meglio funziona, più legami possono essere fatti, più velocemente il segnale può passare, o le due molecole più forti si connettono (si pensi alle molecole di adesione).
La conformazione 3D della proteina dipende dalle interazioni tra aminoacidi nella catena polipeptidica., Poiché la sequenza degli amminoacidi è subordinata al codice genetico, la forma della proteina è codificata nel DNA. Le proteine hanno quattro livelli di organizzazione. La struttura primaria si riferisce alla sequenza lineare degli amminoacidi collegati dai legami peptidici. La struttura secondaria consiste dell’imballaggio locale della catena del polipeptide in α-eliche e β-fogli dovuto i legami di idrogeno fra la spina dorsale centrale del carbonio del legame peptidico. La struttura terziaria (3D) è una forma risultante dalla piegatura di strutture secondarie determinate dalle interazioni tra catene laterali di aminoacidi., La struttura quaternaria descrive la disposizione delle catene polipeptidiche nella disposizione multi subunità.
Questo video mostra i 4 livelli di struttura proteica.
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Tutto ciò che è necessario per dare una proteina forma unica e quindi una funzione unica è “scritto” in un frammento del DNA noto come gene. Ogni volta che un gene viene trascritto, sia nel corso della vita della cellula o in qualsiasi cellula che ha lo stesso DNA, naturale o ricombinante, le proteine si presentano allo stesso modo e assumono la loro funzione pre-programmata.,
Struttura primaria delle proteine
Le proteine sono la classe più importante e versatile di macromolecole nella cellula. I ruoli svolti da queste molecole comprendono qualsiasi cosa, dal trasporto di nutrienti, catalizzando reazioni biochimiche ad essere componenti strutturali di cellule o motori molecolari. Le proteine sono polimeri lineari di amminoacidi collegati da legami peptidici. Sono sintetizzati dal filamento del modello di DNA e contengono sequenze di amminoacidi uniche e specifiche in una forma lineare nota come struttura primaria.,
Solo venti aminoacidi sono necessari e sufficienti per generare migliaia di proteine in una cellula. Ciò non significa che ci siano solo venti aminoacidi. Questo è un malinteso comune. Ci sono innumerevoli aminoacidi che esistono nel mondo, ma sono coinvolti in altre reazioni metaboliche ma non nella sintesi proteica. Come la proteina individuale ottiene la sua identità risiede nella combinazione ordinata di aminoacidi, che determina tutte le sue caratteristiche.
Gli amminoacidi che sono collegati da un legame peptidico sono chiamati catena polipeptidica., La catena polipeptidica è composta da una sequenza di aminoacidi dettata dal gene. Una sequenza di catene di aminoacidi fornisce diversità vitale per soddisfare le esigenze della vita. La conservazione delle sequenze specifiche della proteina è così importante che la cellula ha meccanismi regolatori in atto per assicurare che soltanto le proteine perfette siano prodotte. Ogni sequenza separata ha un ordine unico che trasmette una funzione molto particolare. Se dovessi cambiare una singola disposizione della catena, allora quella catena avrebbe una funzione completamente diversa., La funzione proteica può essere compromessa o persa completamente se la sequenza è fuori uso. Ma non tutte le mutazioni o le modifiche proteiche portano a conseguenze disastrose. Alcuni di essi rendono la cellula e l’organismo meglio adattati alle pressioni ambientali, un processo che conosci come evoluzione.
Proprietà degli amminoacidi e loro differenze di catena laterale
Gli amminoacidi hanno la stessa struttura di base, che è importante per una corretta formazione di legami chimici tra molecole adiacenti. Ogni amminoacido ha un carbonio centrale designato come α-carbonio., L’α-carbonio ha sempre i seguenti quattro gruppi ad essa collegato:
- –NH2 una base di aminoacidi gruppo
- –COOH acido gruppo (noto come un gruppo carbossilico)
- –H di un atomo di idrogeno
- R una catena laterale
-R simboleggia la variabile della catena laterale, che è l’unico gruppo chimico che varia tra i venti amminoacidi. Essenzialmente la catena laterale rende l’aminoacido unico e può essere pensato come la sua impronta digitale.,
La proprietà più importante degli amminoacidi che influenza la piegatura e successivamente la funzione dell’intera molecola proteica è la loro interazione nota e prevedibile con l’acqua. Gli amminoacidi possono quindi essere suddivisi in gruppi idrofili e idrofobici. Gli amminoacidi idrofobi, ovvero non polari, hanno idrocarburi saturi come catene laterali. Questi amminoacidi sono alanina, valina, metionina, leucina e isoleucina e due amminoacidi con anelli aromatici triptofano e fenilalanina., Gli amminoacidi idrofobici e non polari svolgono un ruolo essenziale nel ripiegamento delle proteine perché tendono a riunirsi e a raggrupparsi lontano dall’acqua. Questi aminoacidi di solito formano domini transmembrana e si trovano profondamente sepolti nell’interno idrofobo della maggior parte delle proteine globulari.
Gli amminoacidi idrofili interagiscono facilmente con l’acqua. Questo gruppo include aminoacidi che ionizzano e diventano elettricamente caricati (sia negativamente che positivamente) su dissociazione e aminoacidi che sono polari ma non caricati., Gli amminoacidi che hanno catene laterali con un gruppo carbossilico in aggiunta al gruppo carbossilico a α-carbonio utilizzato nella formazione del legame peptidico portano una carica negativa. Questi residui sono acido glutammico e acido aspartico-notare che i loro nomi contengono effettivamente il termine “acido” a causa della presenza di DUE gruppi carbossilici.
Le catene laterali di lisina, arginina e istidina hanno forti gruppi di base e sono caricate positivamente. Gli amminoacidi idrofili che sono polari ma non caricati sono asparagina, glutammina, serina, treonina e tirosina., Le catene laterali idrofile e cariche di amminoacidi sono esposte sulla superficie della proteina e sono particolarmente diffuse nelle tasche enzimatiche o nelle molecole di trasporto. Le cariche elettriche esposte trasmettono la natura e l’attività della proteina ad altre molecole e agiscono come magneti che attraggono forze simili per interagire.
Diversi aminoacidi contribuiscono alla struttura proteica a causa delle caratteristiche uniche caratteristiche delle loro catene laterali. La struttura della prolina differisce dagli altri amminoacidi nel fatto che la sua catena laterale è legata all’azoto e al carbonio centrale., Questo amminoacido è chimicamente non reattivo (idrofobo), ma a causa del suo anello a cinque membri, interrompe la geometria di una proteina pieghevole causando bruschi cambiamenti alla conformazione introducendo fisicamente attorcigliamenti e curve a una catena polipeptidica. La glicina non ha affatto una catena laterale, solo un secondo atomo di idrogeno attaccato al α-carbonio. Non esibendo un forte carattere polare o elettronegatività, è tipicamente visto in luoghi in cui parti della catena polipeptidica si piegano e si avvicinano l’una all’altra.
La cisteina è un aminoacido comunemente noto per influenzare notevolmente la struttura proteica., Ha un gruppo sulfidrilico responsabile della formazione di legami disolfuro che stabilizzano la struttura terziaria delle proteine e contribuisce notevolmente alle funzioni molecolari che imparerete più avanti in questo testo.
La struttura secondaria e tutti i loop
Come facciamo a sapere che aspetto hanno le proteine quando sono piegate? Ci sono due metodi che ci permettono di intravedere nella struttura della proteina; la diffrazione dei raggi X e la risonanza magnetica nucleare (NMR)., Il metodo di diffrazione dei raggi X produce una mappa di contorno tridimensionale degli elettroni in un cristallo proteico basata su come i raggi X rimbalzano quando passano attraverso il campione. NMR misura la spaziatura tra le proteine in soluzione satura e le informazioni sui vincoli di spazio vengono utilizzate per determinare le strutture di piega di ciascuna proteina. Questi due test messi insieme ci aiutano a capire qual è la forma piegata di una proteina.
La forma di una proteina è determinata esclusivamente dalla sequenza aminoacidica nella catena polipeptidica. Proprio così; è proprio come il DNA, codice unico rende un design unico., Il ripiegamento delle proteine è il risultato delle proprietà fisiche delle catene laterali degli amminoacidi e delle loro interazioni con l’ambiente circostante. Le proteine si piegano nella forma più efficiente dal punto di vista energetico chiamata stato nativo in diversi passaggi o livelli nella struttura proteica.
Protein folding and architecture
Quando esposto alle condizioni nel citosol o nel lume dell’ER, le catene polipeptidiche assumono un’organizzazione localizzata chiamata struttura secondaria che ottimizza le interazioni tra catene laterali di aminoacidi tra loro e acqua., La spina dorsale polipeptidica si piega in spirali e nastri di, rispettivamente, α-eliche e β-fogli. Sia α-helix che β-sheet sono segmenti del polipeptide che hanno una geometria regolare e sono cuciti insieme a giri delicati e non così delicati e separati da anelli meno organizzati.
Alfa elica è una struttura che imballa α-carboni con rotazione fornendo angoli favorevoli per la formazione di forte legame idrogeno e stretto imballaggio delle catene laterali. I fogli beta sono strutture piatte composte da diversi trefoli β legati ai vicini trefoli β attraverso il legame dell’idrogeno., Nei fogli β, la catena polipeptidica può funzionare nella stessa direzione (parallela) o opposta (anti-parallela). I legami idrogeno sono più stabili quando il β-foglio ha fili anti-paralleli piuttosto che paralleli. I fogli paralleli tendono ad essere sepolti all’interno della struttura proteica. Le strutture secondarie sono collegate da tratti non strutturati che formano più anelli.
La struttura terziaria della proteina
Ci sono molti modi in cui le strutture secondarie possono raggrupparsi in un grande reticolo 3D., La struttura terziaria della proteina è una combinazione tridimensionale di α-eliche e β-fogli che si piegano l’uno accanto all’altro come risultato delle interazioni non covalenti tra i gruppi laterali degli amminoacidi e l’ambiente che circonda il singolo polipeptide. In questa fase, le proteine iniziano a solidificare la loro struttura mediante legami aggiuntivi come i legami disolfuro tra due cisteine. La caratteristica più importante delle strutture terziarie è la presenza di regioni conservate con funzioni simili note come domini funzionali., Le strutture terziarie sono meno stabili e, in effetti, la maggior parte di esse cambia forma durante la vita della proteina, spesso più volte. I cambiamenti conformazionali all’interno di questi domini funzionali sono la base per la funzione della proteina. Possono essere permanenti durante il ripiegamento e la maturazione delle proteine o reversibili e servire come un modo per regolare l’attività proteica su una reazione per scala di reazione. I domini proteici sono regioni di attività simile. Non hanno necessariamente una sequenza conservata., Ad esempio, un dominio chinasico, responsabile dell’attaccamento del gruppo fosfato, ha una forma e una sequenza diverse, dipendenti dal substrato a cui è collegato il gruppo fosfato. Le strutture secondarie che formano domini non devono giacere sequenzialmente in una catena polipeptidica. Potrebbero anche essere parti di diversi polipeptidi in caso di proteine multimeriche.
I motivi sono un sottogruppo di domini funzionali che hanno sequenze evolutivamente conservate, dando loro, ovviamente, forma conservata., Un esempio, i motivi a spirale sono sovrastrutture molto regolari di due α-eliche accoppiate per formare la configurazione fibrosa che è la base di dimeri stabili. Di solito, ci sono due α-eliche identiche avvolte l’una intorno all’altra in una conformazione mancina e stabilizzate da interazioni idrofobiche. Legami ionici intermolecolari tra catene laterali in un’α-elica, 3,6 residui a parte, danno spazio ai residui idrofobici per interagire con un motivo simile sulla proteina avversaria.,
Struttura quaternaria
La struttura quaternaria è il risultato di un assemblaggio di due o più polipeptidi in una proteina multimerica funzionale. Le subunità sono assemblate da interazioni tra domini o regioni della proteina e tenute insieme da interazioni idrofobiche (due specchi bagnati) e legami disolfuro., Se le subunità sono le stesse la struttura è descritta con il prefisso homo e se sono diverse con il prefisso etero (come nel glicogeno muscolare fosforilasi omodimero o come nelle proteine G eterotrimeriche)
I processi intracellulari come la segnalazione dipendono dall’interazione tra molecole. Migliore è l’adattamento molecolare tra due molecole, più legami possono formarsi o più forte è l’interazione (affinità tra loro). Sequenza di amminoacidi dettata da un gene, e a sua volta le proprietà delle catene laterali degli amminoacidi decidono sulla forma e, a loro volta, sulle interazioni.