Le Proteine
Il Dogma Centrale della Biologia
Il DNA non codifica interamente per le proteine; circa il 90% è costituito da elementi regolatori.
La maggior parte delle cellule viene codificata per mRNA, poi tradotto in proteine.
Il genoma è l'insieme del DNA cellulare; il proteoma è l'insieme delle proteine espresse in un dato momento.
Il proteoma è più complesso del genoma.
Il genoma è come un libro in codice (scoperto da Crick e Watson) interpretato in modi diversi.
L'epigenetica studia la regolazione genica senza alterare il DNA.
Esempio: bruco e farfalla hanno lo stesso genoma ma fenotipi diversi a causa di modifiche che portano a risultati differenti nel proteoma.
La stessa informazione genetica può generare diversi fenotipi, cellule e individui.
Mutazioni casuali in questi processi evolutivi portano a cambiamenti significativi.
Un singolo gene può produrre proteine diverse in tessuti diversi.
Variazioni delle Proteine nel Tempo e nello Spazio
Le proteine cambiano in base al tempo e allo spazio all'interno dell'organismo.
Esempio: plasmacellule, derivate dai linfociti B attivati, producono anticorpi in risposta a virus, patogeni, tumori o sostanze estranee.
Questo processo modifica il proteoma in modo rapido e significativo.
Attualmente mancano strumenti per studiare approfonditamente le proteine.
Regolazione delle Proteine
Espressione: regolata tramite trascrizione ed epigenetica.
Degradazione: proteine degradate dopo la mitosi quando non più necessarie.
Interazioni: con altre proteine (attivazione o inibizione) o cofattori.
Modifiche post-traduzionali: modifiche degli amminoacidi che influenzano le qualità chimiche, funzioni e conformazioni.
Cambiamenti conformazionali: la forma della proteina ne determina la funzione.
Studio delle Proteine
Identificare le proteine di una cellula/tessuto specifico (es. neuroni vs. epatociti).
Comprendere i meccanismi molecolari che regolano i processi cellulari e che causano malattie.
Confrontare condizioni fisiologiche e patologiche.
Progettare nuovi farmaci.
Trovare biomarcatori di malattie (es. PSA per l'antigene prostatico).
Comprendere perché le mutazioni genetiche causino difetti nelle proteine.
Composizione delle Proteine
Le proteine sono polimeri di amminoacidi, che contengono un gruppo carbossilico ($-COOH$) e un gruppo amminico ($-NH_3^+$).
Ogni amminoacido ha un carbonio centrale e una catena laterale variabile.
I monomeri sono collegati da legami peptidici tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico del successivo.
La sequenza proteica va da N-terminale (gruppo amminico libero) a C-terminale (gruppo carbossilico libero).
Esistono 20 amminoacidi principali, più la selenocisteina e la pirrolisina (rare).
Codice Genetico e Amminoacidi
Il codice genetico presenta modifiche nel tRNA.
Gli amminoacidi offrono maggiore variabilità rispetto alle 4 basi dell'RNA.
L'evoluzione ha portato alla produzione di proteine, permettendo una maggiore diversità chimica.
È possibile combinare 20 monomeri diversi con strutture chimiche uniche: amminoacidi acidi (negativi), basici (positivi) e neutri.
Amminoacidi non polari contribuiscono al trasporto attraverso le membrane.
Funzioni e Proprietà degli Amminoacidi
Componenti idrofobiche: all'interno della membrana.
Componenti polari: formano legami idrogeno tra le proteine.
Componenti acide (gruppo $COOH$): legano proteine e cariche positive.
Componenti basiche (gruppo $NH_3^+$): legano il DNA.
Amminoacidi basici (positivi): lisina, arginina, istidina.
Amminoacidi acidi (negativi): acido aspartico e acido glutammico.
Amminoacidi polari: asparagina, glutammina, treonina, tirosina, cisteina.
La funzione di una proteina è determinata dalla sua forma; gli enzimi possono creare siti catalitici.
Enzimi
Un enzima è un catalizzatore biologico che favorisce una reazione chimica nei siti catalitici.
Legame tra Geni ed Enzimi Metabolici
Agli inizi del 1900 si conosceva la trasmissione dell’espressione genica, ma non la struttura del DNA.
Sir Archibald Garrod studiò pazienti con alcaptonuria, una malattia causata dalla carenza di un enzima coinvolto nella degradazione della tirosina e della fenilalanina.
Negli anni '40, Beadle e Tatum indussero mutazioni nelle muffe del pane osservando che le muffe mutate non riuscivano a produrre arginina.
Concetto di "Un Gene, Un Enzima"
Deriva dall'idea che il gene di Mendel codifica per le proteine.
Non è una regola assoluta: molti geni codificano per proteine che non sono enzimi.
Funzioni delle Proteine
Strutturali: mantengono la cellula in posizione.
Codificano per RNA (ribosomiale e tRNA).
Svolgono diverse funzioni in base alla specificità e alla capacità di legare un ligando.
Esempio: il glucosio è il substrato convertito in piruvato durante la glicolisi.
Il sito attivo è la parte dell'enzima dove avviene la reazione.
I ligandi possono essere glucosio, DNA, lipidi o altre proteine.
Ruoli delle Proteine
Catalizzatori
Recettori
Molecole di segnalazione
Motori molecolari
Canali e pompe
Le proteine lineari devono assumere una forma ripiegata (folding) per funzionare.
Il ripiegamento avviene grazie a interazioni non covalenti tra amminoacidi con diverse proprietà.
L'actina assume una forma globulare per formare filamenti.
Il sito di legame può essere formato da porzioni distanti della proteina che si avvicinano con il ripiegamento.
Il ripiegamento rafforza i legami idrogeno tra la proteina e il ligando.
Legame tra Proteine
Le proteine si muovono casualmente nella cellula e incontrano partner molecolari.
Con il partner giusto, si formano centinaia di legami che stabilizzano il legame proteina-substrato.
Alcune proteine hanno superfici concave per molecole fibrose (es. collagene).
Struttura delle Proteine
Quattro livelli strutturali:
Primaria: sequenza degli amminoacidi (N-terminale a C-terminale).
Secondaria: ripiegamento locale (alfa eliche e beta foglietti).
Terziaria: struttura tridimensionale complessiva.
Quaternaria: interazione tra più subunità proteiche.
Struttura Primaria
La sequenza primaria determina il corretto ripiegamento della proteina.
Blast è un software per identificare e allineare sequenze proteiche.
Proteine Chaperon
Aiutano le proteine a ripiegarsi correttamente nello stato di energia minima.
Legami tra le Proteine
Legami covalenti (peptidici) formano la catena di amminoacidi.
Legami non covalenti (idrogeno, elettrostatiche, Van der Waals) determinano il folding.
Attrazioni elettrostatiche: tra amminoacidi carichi positivamente e negativamente.
Attrazioni di Van der Waals: deboli ma numerose, importanti per i siti attivi.
Amminoacidi idrofobici (fenilalanina, leucina, valina, triptofano) tendono a disporsi al centro della proteina, lontano dall'acqua.
Ponte di Solfuro
Unico legame covalente oltre al peptidico, si forma tra cisteine nel reticolo endoplasmatico.
Stabilizza la struttura delle proteine secrete.
Struttura Secondaria
Ripetizione di angoli di torsione precisi e ripetuti.
Alfa elica: ponte idrogeno tra un amminoacido e quello a quattro legami di distanza.
Beta foglietto: catene proteiche parallele o antiparallele con ponti di solfuro tra gruppi NH e carbossilici.
Coiled-Coil
Strutture ad alfa elica che si avvolgono reciprocamente, tipiche della cheratina.
Domini Proteici
Combinazioni di strutture secondarie (foglietti beta ed eliche alfa).
Conformazioni stabili e indipendenti presenti in più proteine.
Un dominio è una porzione indipendente della proteina con struttura stabile e compatta.
Esempio: dominio SH2 formato da un foglietto beta e due alfa eliche.
Struttura Terziaria
Struttura tridimensionale della proteina (es. chinasi Sarc con tre domini).
Ogni dominio ha una sua funzione (es. attività enzimatica, regolazione della localizzazione o attivazione).
Dominio immunoglobulinico: presente negli anticorpi con struttura a beta foglietto e anse variabili.
Vantaggi dei Domini
Permettono di variare la funzione delle proteine modificando solo una singola parte.
Esempio: dominio che lega il calcio per la contrazione muscolare.
L'allineamento delle sequenze mostra famiglie di proteine con domini simili ma funzioni diverse.
Struttura Quaternaria
Unione di più subunità proteiche.
Esempio: emoglobina (tetramero di alfa e beta globuline).
Tipi di Strutture Proteiche
Globulare: struttura ripiegata (es. actina che polimerizza in fibre).
Fibrosa: proteine lunghe (es. collagene con struttura ad alfa elica).
Non strutturate: disordinate (es. elastina per l'elasticità dei tessuti).
Funzioni delle Proteine
Enzimi: catalizzano reazioni chimiche (substrato trasformato in prodotto).
Proteasi: tagliano le proteine.
Isomerasi: cambiano il legame all'interno della molecola.
Nucleasi: tagliano gli acidi nucleici.
Meccanismi degli Enzimi
Orientano i substrati.
Modificano temporaneamente le cariche del substrato.
Forzano meccanicamente (es. lisozima che taglia il peptidoglicano batterico).
Cofattori degli Enzimi
Metalli o vitamine (es. ione ferro o magnesio).
Gruppo prostetico: cofattore stabilmente legato alla proteina (es. gruppo EME nell'emoglobina).
Complessi multienzimatici: aumentano l'efficienza.
Altre Funzioni delle Proteine
Motori proteici (actina e miosina): usano ATP per movimenti direzionali.
Pompe proteiche: trasportano metaboliti e ioni dentro/fuori la cellula.
Regolazione delle Proteine
Controllo trascrizionale (espressione).
Localizzazione (es. enzimi lisosomiali nei lisosomi).
Legame allosterico: il legame di una molecola in un sito influenza il legame in un altro sito.
Modificazioni post-traduzionali: fosforilazione e legame con GDP.
Fosforilazione
Aggiunta di gruppi fosfato a serine, tirosina e treonina.
Cambia la conformazione della proteina (attivazione o inibizione).
Regolazione tramite GDP
Proteine spente che si attivano legando il GDP (GTPasi).
Ciclo di attivazione-inattivazione regolato da GAP (idrolizzano il GTP) e GEF (inducono il rilascio del GTP).
Altre Modificazioni
Ubiquitinazione: segnale per la degradazione della proteina.
Le proteine possono essere regolate da molteplici modificazioni (es. P53).
La perdita di P53 è un fattore prognostico negativo nei malati oncologici.