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.