Aminoacizi si proteinePlan de lectie1. Aminoacizi1.1 Definitie, structura, nomenclatura1.2 Proprietati fizice si chimice2. Proteine 2.1Structura 2.1.1Structura primara1.1.2.Structura secundara2.1.2Structura tertiara2.1.3Structura cuaternara2.2 Relatie functie structura2.2 Proprietati, exemple

1. Aminoacizi1.1Generalitati definitie

Aminoacizii sunt molecule mici care contin doua grupari functionale si anume gruparea amino (-NH2) si gruparea acida (carboxil -COOH) de unde provine si denumirea lor. Din marea clasa a aminoacizilor pentru organismele biologice sunt importanti aminoacizii. Acestia au atat gruparea amino cat si gruparea acid carboxil legate la acelasi atom de carbon numit si carbon .Desen

Gruparea carboxil legata de carbonul alfa este denumita si carboxil, similar gruparea NH2; legata la C alfa poarta denumirea de grupare amino .

1. 2 Structura:

Dintre toti aminoacizii cunoscuti, doar 20 intra in alcatuirea proteinelor motiv pentru care sunt denumiti si aminoacizi proteinogeni. Doar acesti 20 de aminoacizi sunt specificati de codul genetic si utilizati de organismele vii pentru sinteza proteinelor proprii. Alti aminoacizi care ar putea fi intilniti in proteine provin din modificarea chimica a unuia din cei 20 aminocizi.Toti cei 20 aa prezinta o structura comuna si anume carbonul la care sunt atasate gruparile NH2, COOH si atomul de H, si un radical (notat R, care satisface cea de a 4-a valenta a atomului de carbon) si care difera la fiecare dintre ei. Astfel aminoacizii pot fi clasificati dupa structura radicalului R in: aminoacizi alifatici (cu caracter nepolar), aminoacizi cu caracter polar, fara sarcina electrica, aminoacizi cu caracter polar purtatori de sarcina electrica (pozitiva-bazici, negativa-acizi), aminoacizi ce contin la radical atomul de S, aminoacizi cu radical aromatic.

R CH COOH

NH2

1.3 Proprietati

Proprietatile fizice si chimice ale aminoacizilor sunt dictate de structura lor chimica. Dintre proprietatile fizice vor fi prezentate : a) izomeria sterica iar dintre proprietatile chimice vor fi prezentate b) ionizarea si c) reactia de condensare care duce la formarea legaturii peptidice.a) Izomeria sterica.

AA prezinta izomerie sterica numita si stereoizomerie. Aceasta proprietate este conditionata de existenta unui carbon asimetric. Carbonul asimetric este acel C care are 4 substituenti diferiti. Acestia se aranjeaza in jurul atomului de C astfel incat pot da nastere la doua conformatii spatiale care sunt imaginea in oglina una fata de cealalta. Cele doua structuri spatiale numite izomeri optici sau enantiomeri sau stereoizomeri pot avea conformatia D sau L. La izomerul D gruparea voluminoasa, NH2, este pozitionata in partea dreapta (atunci cand gruparea COOH este situata la varful structurii) in timp ce la izomerul L ea este pozitionata in partea stanga. Tinand cont ca proteinele au o forma spatiala apare evident ca structura D sau L a unui aminoacid influenteaza aranjamentul tridimensional si implicit functia acesteia. La mamifere inclusiv om aminoacizii proteinogeni apartin seriei L

b) IonizareaPrin ionizare se intelege fenomenul in urma caruia o molecula sau un atom (neutru din punct de vedere electric) se incarca cu o sarcina pozitiva sau negativa ca urmare a transferului unei particule purtatoare de sarcina electrica (ion) sau a unui electron.Toti aminoacizii contin in structura lor o grupare carboxil si amino care (ambele) sunt ionizabile; adica in anumite conditii(de pH) pot exista atat in forma ionica (incarcate cu sarcina electrica) cat si in forma neutra, moleculara, (fara sarcina electrica).Gruparea COOH are caracter acid in timp ce gruparea NH2 are caracter bazic.Prin caracter acid se intelege capacitatea unei substante de a ceda un proton (H+).Prin caracter bazic se intelege capacitatea unei substante de a accepta un proton.Caracterul acid nu se manifesta cu aceeasi intensitate la toti acizii (lucru valabil si pentru caracterul bazic), ci difera de la un acid la altul functie de structura chimica a acestuia. Astfel intilnim acizi tari si acizi slabi, in mod asemantor baze tari si baze slabe.Prin caracter acid tare se intelege capacitatea unei substante de a ceda total, ireversibil, protonul. Din aceasta categorie fac parte acizii minerali HCl, H2SO4.

Caracter slab pentru un acid semnifica faptul ca acesta cedeaza partial, reversibil, protonul si este cazul acizilor organici (a caror structuta generala este R-COOH) inclusiv a gruparii carboxil apartinand aminoacizilor. Fenomenul de ionizare al gruparii COOH apare atat atunci cand gruparea este legata de C cat si atunci cand gruparea COOH este situata la radical.

Prin cedarea partiala a protonului se intelege faptul ca un acid slab cedeaza reversibil protonul, adica din numarul total de molecule unele cedeaza protonul in timp ce altele

recapteaza protonul refacand configuratia initiala a acestuia intr-un proces dinamic care are loc pana la stabilirea unui echilibru.Cu alte cuvinte molecula unui acid slab poate exista in functie de conditii (pH, temperatura) nu numai in forma moleculara ci simultan si in forma ionica.

La un anumit pH proportia dintre forma moleculara si cea ionica este egala (50% forma moleculara si 50% forma ionica, simultan). Acest pH a fost numit pKa (Ka reprezinta constanta de disociere pentru acid).pK pentru gruparea COOH este aproximativ 2.La valori ale pH-ului mai mici ca 2 toate gruparile COOH va fi prezente in forma moleculara protonata (COOH). La valori ale pH-ului = cu 2, jumatate(50%) din molecule vor fi in forma moleculara nedisociata(COOH) si jumatate (50%) vor fi in forma ionica, disociata(COO-). Cu alte cuvinte la pK=2 cele doua forme vor coexista in cantitati egale. La valori ale pH-ului mai mari ca 2, gruparile COOH va fi in forma ionica, neprotonata (COO-). Prin urmare la pH fiziologic (7,4) majoritatea gruparilor COOH (99%) vor avea forma ionica.

Aceleasi afirmatii se poate face si despre gruparea amino.Gruparea amino are caracter slab bazic (caracterul bazic este este conferit de perechea de electroni neparticipanti apartinand atomului de azot). Aceasta insemna ca gruparea amino poate capta un proton, insa in mod reversibil. Cu alte cuvinte molecula unei baze slabe poate exista in functie de conditii (pH, temperatura) nu numai in forma moleculara. neprotonata ci si in forma ionica protonata. Fenomenul de ionizare al gruparii NH2 apare atat atunci cand gruparea NH2

este legata de C cat si atunci cand gruparea NH2 este situata la radical.

pK pentru gruparea NH2 este aproximativ 9,5.La valori ale pH-ului mai mici ca 9,5 toate gruparile NH2 vor fi prezente in forma ionica protonata (NH3+).

La valori ale pH-ului = cu 9,5, jumatate(50%) din molecule vor fi in forma ionica protonata (NH3+) si jumatate (50%) vor fi in forma moleculara neprotonata (NH2). Cu alte cuvinte la pK=9,5 cele doua forme vor coexista in cantitati egale. La valori ale pH-ului mai mari ca 9,5, gruparile NH2 vor fi in forma ionica, protonata (NH3+). Prin urmare la pH fiziologic (7,4) majoritatea (99%) gruparilor NH2 vor avea forma ionica.

Ca urmare a proprietatii de ionizare a acizilor si bazelor slabe, in organism, la pH fiziologic (pH =7,4) un aminocid se va prezinta sub forma de amfion (ion dipolar sau zwiterion), incarcat in acelasi timp cu o sarcina pozitiva si una negativa fiind neutru d.p.d.v. electric. Gruparea deprotonata care a pierdut un proton este gruparea carboxil care se incarca cu o sarcina negativa in timp ce gruparea protonata care accepta un proton este gruparea amino care se incarca cu o sarcina pozitiva.

In conditiile din organism la pH fiziologic vor suferi fenomenul de ionizare aminoacizii care au gruparile ionizabile COOH si NH2 nu doar la C alfa ci si la radical.

Astfel structura reala a acidului Asp si Glu la pH fiziologic va fi:

Structura reala a acizilor Arg si Lys la pH fiziologic va fi:

Ionizarea gruparilor apartinand radicalului si care apare la pH fiziologic (7,4) este importanta pentru structura tertiara/cuaternara a proteinelor. In concluzie la pH fiziologic 4 aminoacizi prezinta sarcina electrica (doi sarcina +, doi sarcina -) astfel:Arg, Lys -sarcina pozitiva Asp, Glu – sarcina negativa Exista un aa special si anume Hys care la pH fiziologic se gaseste in egala masura atat in forma moleculara cat si in forma ionica. Acest comportament are consecinte fundamentale Hys fiind situata in centrul activ al unor proteine importante cum ar fi enzimele.

c) Reactia de condensare O proprietate chimica esentiala pentru organismele vii este capacitatea aminoacizilor de a reactiona intre ei prin intermediul gruparilor functionale situate la Carbonul alfa. In urma reactiei (de condensare = eliminare de apa) dintre gruparea COOH a unui aa si gruparea NH2 a altui aa se formeaza o legatura numita peptidica.

Prin urmare compusul rezultat in urma reactiei dintre doi aminoacizi poarta numele de dipeptid si contine o legatura peptidica.Adaugarea unui nou aa la un dipeptid duce la formarea unui tripeptid.

Repetarea procesului prin adaugarea de noi aminoacizi conduce la sinteza unor compusi ce poarta denumirea generica de polipeptide. Aceasta denumire semnifica faptul ca compusii obtinuti contin mai multe (poli) legaturi peptidice.Legatura peptidica este utilizata de organismele vii in sinteza proteinelor.Deoarece aa pot fi adaugati in mod continuu la unul din capete, lanturile polipetidice pot atinge lungimi considerabile si prin urmare structuri complexe. Pentru simplificare descrierii lanturilor polipeptidice au fost instituite urmatoarele conventii:- un lant plipeptidic incepe conventional cu gruparea NH2 si se termina cu gruparea

COOH (deci adaugarea urmatorului aa se face intotdeauna la capatul COOH)

- gruparea NH2 a primului aa si gruparea COOH a ultimului aa poarta denumirea de grupare “amino” respectiv “carboxi” terminala

- lanturile cu un numar mai mic de 10 aa se numesc oligopeptide- lanturile cu un numar de aa cuprins intre 10 si 100 aa se numesc polipeptide- lanturile cu un numar mai mare de 100 aa se numesc proteine

2. Proteine

Proteinele sunt constituenti esentiali ai organismelor vii de o mare complexitate structurala si functionala ce indeplinesc diferite roluri cum ar fi:rol catalitic- enzimelerol structural – proteinele structurale precum colagenulrol locomotor – proteine contractile actina miozinarol de transport si depozitare - hemoglobina respectiv mioglobina rol de reglare si control –hormoniirol de aparare - anticorpii

Din punct de vedere chimic insa proteinele nu sunt altceva decat lanturi de aminoacizi legati intre ei prin legatura peptidica si care prezinta diferite aranjamente spatiale mai simple sau mai complicate. Structura tridimensionala pe care o proteina o adopta, serveste, de regula, scopului destinat proteinei respective. Cum functiile proteinelor sunt complexe apare evident ca si structura acestora va fi una complexa.Studierea arhitecturii proteinelor a relevat existenta a 4 nivele de organizare numite: structura primara, secundara, tertiara si cuaternara. Aceste 4 tipuri de structuri sunt generate de tipuri de legaturi chimice diferite care se stabilesc intre grupari functionale diferite astfel:

structura primara este generata de legatura peptidica ce se formeaza intre gruparea COOH a unui aa si gruparea NH2 a altui aa.

structura secundara este generata de legaturile de hidrogen ce se stabilesc intre atomii ce alcatuiesc legatura peptidica (elementele chimice ale legaturii peptidice)

structura tertiara este generata de legaturi slabe (de hidrogen, ionice, Van der Waals) si/sau legaturi puternice (legaturi disulfidice) ce se stabilesc intre radicalii apartinand aceluiasi lant polipeptidic.

structura cuaternara este generata de legaturi slabe (de hidrogen, ionice, Van der Waals) si (in cazuri particulare) de legaturi puternice (legaturi disulfidice) ce se stabilesc intre radicalii apartinand la lanturi polipeptidice diferite.

Structura primaraStructura primara este reprezentata de secventa de aminocizi din lantul proteic. Prin secventa se intelege felul si ordinea aminoacizilor in lant. Structura primara este realizata de legatura peptidica ce se formeaza intre gruparea COOH a unui aa si gruparea NH2 a urmatorului aa. Fiecare aminoacid din lantul polipetidic mai poarta denumirea si de reziduu sau rest. Inlocuirea accidentala (genetic sau ca urmare a unei mutatii) a unui singur aminoacid in structura primara poate altera functia proteinei (vezi anemia cu celule in forma de secera sau siclemia)Caracteristicile legaturii peptidice:

- Caracter partial de dubla legatura (structura de rezonanta) ceea ce face ca atomii ce participa la legatura sa fie situati (imobilizati) in acelasi plan

- Libera rotatie in jurul legaturii C-N este impiedicata.- Rotatia este permisa in jurul C - Legatura este polarizata ceea ce permite aparitia legaturilor de hidrogen. - In legaturi de hidrogen pot fi implicati atomii O si H ai legaturii peptidice, astfel

ca fiecare legatura peptidica poate fi angajata in maxim doua legaturi de hidrogen- Atomii O si H sunt pozitionati in configuratie trans fata de leg C-N (de o parte si

de alta a acesteia)- O si H apartinand legaturii peptidice nu accepta si nu cedeaza proton, nu sunt

implicati in activitatea de tamponare

Lantul polipeptidic obtinut prin unirea mai multor aa prezinta polaritate si sens. Cele doua notiuni au urmatoarea semnificatie:

- in afirmatia de mai sus notiunea de polaritate (poate induce confuzie) se refera la faptul ca lantul polipeptidic are doua capete, ), doi poli (la capatul de start se gaseste gruparea NH2, iar la capatul terminal gruparea COOH. Folosita in acest context ea este diferita de notiunea de polaritate care se refera la sarcina electrica. Notiunea de polaritate este folosita in descrierea pozitiei pe care o pot adopta la un moment dat portiuni ale lanturilor polipeptidice unele fata de altele (o portiune “A”are directia COOH ->NH2 in timp ce o portiune “B” are directia NH2-> COOH fata de “A” ). Deci notiunea de polaritate poate fi folosita in cele doua sensuri diferite

- Notiunea de sens se refera la faptul ca directia corecta de citire a unui lant polipeptidic este de la gruparea NH2 catre gruparea COOH.

Exemplu de citire:Gly-Ala-Pro este diferit de Pro -Ala-Gly

Structura secundaraStructura secundara este generata de legaturile de hidrogen in care sunt implicati atomul de O si H ce apartin diferitelor legaturi peptidice.Din cauza polarizarii legaturii primare, pot apare legaturi de hidrogen care fac ca lantul polipeptidic sa adopte diferite configuratii spatiale si sa nu pastreze forma liniara care ar rezulta din insiruirea aminoacizilor unul dupa celalalt. Rotirea, indoirea, curbarea lantului polipeptidic, mai ampla sau mai stransa sunt determinate de secventa de aminoacizi, de posibilitatea de rotatie la nivelul C si de prezenta interactiunilor chimice (leg de H)Cele mai intilnite forme ale structurii secundare sunt structura a)-helix si b)structura -pliata) Structura -helixApare prin rasucirea lantului polipeptidice in jurul unui cilindru imaginar, rezultand o structura asemanatoare cu un arc in spirala sau cu o elice ce are urmatoarele caracteristici:

- pasul elicei (distanta dintre doua puncte situate in planuri diferite dar echivalente pe verticala,) este de 5.2 A si cuprinde 3, 6 aa

- sensul rasucirii elicei este de regula spre dreapta - conformatia elicei este stabilizata de legaturile de H ce se stabilesc intre O-ul

carbonilic apartinand unui aa si H-ul de la gruparea NH apartinand celui de al patrulea aa situat pe directia de inaintare a lantului polipeptidic. Aceasta arata ca structura -helix apare intre aa vecini in lantul polipeptidic

- legaturile de hidrogen sunt paralele cu axul cilindrului imaginar - radicalii sunt proiectati in afara cilindrului (asemanator unor tepi de cactus)

Exista o serie de aminoacizi care intrerup aranjarea elicolidala si anume:- prolina este singurul aminoacid care nu prezinta H la atomul de N ce apartine

legaturii peptidice si prin urmare nu poate forma legaturi de hidrogen la acest

atom. In plus C este imobilizat intr-o structura ciclica fapt ce impiedica rotirea permisa doar in jurul C alfa si care este necesara spiralarii (desen a)

- aminoacizii care la pH fiziologic prezinta sarcina electrica localizata pe radical realizeaza interactii electrostatice de atractie sau de respingere care perturba structura regulata elicoidala, atunci cand sunt in imediata vecinatate (desen b1, b2)

- aminoacizii cu radicali voluminosi (Trp, Ile etc) atunci cand sunt in imediata vecinatate deranjeaza structura elicoidala ca urmare a impiedicarilor sterice (desen c)

a.

b.

c.

b) Structura -pliata (foaie -pliata) Este o structura in care lantul polipeptidic descrie un zig-zag generand o forma asemanatoare cu o foaie pliata (desen a). Aceasta structura apare atunci cand portiuni ale lantului polipeptidic se aliniaza paralel unele cu altele ca urmare a indoirii in ac de par a acestuia. Segmentele care formeaza structura beta sunt de regula invecinate in secventa

lantului polipeptidic, dar asta nu exclude posibilitate ca acestea sa fie si relativ distantate unul de altul (desen a). a.

Caracteristici:- legaturile de hidrogen sunt aproape perpendiculare pe axul lantului - radicalii sunt plasati de o parte si de alta a foii- existenta structurii beta pliate este conditionata de aparitia unei indoiri in ac de

par a lantului polipeptidic (caracterizat de schimbarea directiei de inaintare a lantului peptidic cu 180°), indoire stabilizata de legaturile de H. Cel mai intilnit tip de ac de par se numeste beta-turn (desen b). Un beta- turn este generat de 4 reziduuri dintre care in mijloc (pozitia 2 si 3) se gaseste Gly respectiv Pro. Gly si Pro participa de regula la formarea acelor de par deoarece Gly este un reziduu mic si flexibil iar Pro este necesara pentru ca poate adopta forma cis favorabila indoirii (desen c). In structura de ac de par gruparea –CO din primul reziduu formeaza o legatura de H cu gr –NH din cel de al patrulea reziduu, elementele legaturii peptidice ale rezidiilor din mijloc neformand legaturi de H.

- pot exista doua tipuri de structuri beta foaie pliata: paralela si antiparalela - in structura paralela ambele portiunile se aliniaza in aceeasi directie de la capatul

NH2 spre capatul COOH (desen d).- in structura antiparalela capatului NH2 a unei portiuni ii corespunde capatul

COOH a portiunii paralele.

b.

c.

Strutura beta–turn permite indoirea lantului polipeptidic in vederea unei impachetari cat mai compacte cerute de forma globulara a unui tip de proteine numite proteinelor globulare.Structurile beta-turns sunt localizate de regula la suprafata proteinelor unde elementele legaturilor peptidice ale rezidiilor centrale (din mijloc) pot forma legaturi de hidrogen cu apa.Structura -helix si -pliat sunt intilnite in specificial in proteinelor globulare, solubile. Structura tertiaraStructura tertiara este generata de legaturi slabe (de hidrogen, ionice, Van der Waals) si/sau legaturi puternice (legaturi disulfidice) ce se stabilesc intre radicalii apartinand aceluiasi lant polipeptidic.Functie de secventa de aa din structura primara un lant polipeptidic poate adopta pe anumite portiuni structura -helix, pe alte portiuni -pliat sau zone cu arhitectura neregulata fata de cele anterioare. Aceasta face ca portiuni situate la distanta intr-un lant polipeptidic sa ajunga in imediata vecinatate. In consecinta radicalii diferitelor rezidii ajunsi astfel in apropiere pot interactiona stabilind legaturi intre ei, functie de structura lor. Rezultanta tuturor acestor interactii genereaza o anumita impachetare a lantului polipeptidic. Cu alte cuvinte impachetarea unui lant polipeptidic depinde de structura primara si secundara si de interactiile dintre radicalii apartinand lantului respectiv.

Intre radicali se pot stabili urmatoarele interactiuni:- legaturi hidrofobe care apar intre radicalii nepolari. Acestia tind sa se asocieze

unii cu altii astfel incat sa excluda moleculele polare cum ar fi apa sau alti radicali polari

- legaturi de hidrogen ce pot apare intre atomii de O sau N (la electronii neparticipanti) si atomi de hidrogen apartinand unor grupari polare (OH apartinand Ser). Radicalii polari si cei cu sarcina electrica sunt ambii hidrofili. Acestia tind sa interactioneze intre ei si sa expulzeze in afara radicalii nepolari.

- legaturi ionice sunt generate de ionizarea radicalilor la pH fiziologic. Amintim ca la pH fiziologic radicalul acizilor Asp si Glu prezinta sarcina negativa (COO - ), iar radicalul aa Lys si Arg prezinta sarcina pozitiva (NH3+). O grupare carboxil ionica situata de pe un radical poate fi atrasa de ionul NH3+ de pe alt radical rezultand o legatura ionica.

- Legaturile disulfidice ce apar intre doua resturi de cisteina stabilizeaza impachetarea datorita tariei lor si limiteaza tendintele de depliere

Printre proteinele cu structura tertiara se numara mioglobina si un grup de receptori transmembranari (numiti receptori serpentina dintre care face parte si receptorul pentru adrenalina) care au rolul de a intermedia transmiterea unui semnal (unei informatii) provenit de la o molecula de semnalizare cum este de exemplu un hormon.

Structura cuaternara Structura cuaternara este generata de legaturi slabe (de hidrogen, ionice, Van der Waals) si doar uneori de legaturi puternice (legaturi disulfidice) ce se stabilesc intre radicalii apartinand la lanturi polipeptidice diferite.Unele proteine sunt alcatuite dintr-un singur lant polipeptidic; se spune despre acestea ca au structura tertiara.Majoritatea proteinelor sunt alcatuite din mai multe lanturi polipeptidice si se spune ca au structura cuaternara. Lanţurile individuale se numesc protomeri sau subunităţi, fiecare având structură primară, secundară şi terţiară proprie. Acestea sunt tinute impreuna de interactiunile ce se stabilesc intre resturile de aminoacizi de pe segmente apartinand diferitelor lanturi si care ajung unele in vecinatatea celorlalte. Fortele ce actioneaza

pentru asamblarea protomerilor sunt acelelasi care actioneaza in cadrul structurii terţiare, cu deosebirea că, în acest caz, legăturile se stabilesc între protomeri sau subunitati .

Printre proteinele cu structura cuaternara se numara si hemoglobina, care este alcatuita din 4 lanturi polipeptidice asociate prin legaturi slabe.Concluzie:Structura tertiara inglobeaza structurile primara si secundara si este o structura pe care o au toate proteinele. Structura cuaternara inglobeaza structurile primara secundara si tertiara si pe care o au doar proteinele alcatuite din mai multe lanturi polipeptidice.

2. 2 Proprietatile proteinelor, relatia structura functie, exemple.Structura chimica a aa determina proprietatile fizico-chimice ale proteinelor, in alcatuirea carora intra, configuratia spatiala a acestora si in final conditioneaza functia lor.

Dintre proprietatile fizico-chimice ale proteinelor vor fi prezentate: denaturarea, solubilitatea, cu implicatiile directe in relatia structura- functie, precum si clasificarea proteinelor functie de compozitia lor.

Denaturarea si hidroliza proteinelor.Structura proteinelor este realizata prin intermediul a doua tipuri generale de legaturi si anume: legaturi puternice covalente (legatura peptidica) si legaturi slabe necovalente. Distrugerea acestor legaturi produce despachetarea sau chiar dezintegrarea structurii proteinelor. Denaturarea este determinata de ruperea legaturilor slabe: de H, ionice sau hidrofobe si determina pierderea structurilor secundara, tertiara si cuaternara. Prin urmare proteinele se depliaza si isi pierd structura spatiala si prin urmarea si capacitatea functionala. Denaturarea nu afecteaza structura primara a proteinelor, legaturile peptidice ramanand intacte.

Denaturarea proteinelor este cauzata de agenti denaturanti ca:- cresterea temperaturii care poate determina ruperea legaturile de hidrogen- modificarea pH-ului care prin protonarea sau deprotonarea radicalilor poate

intrerupe legaturile ionice- agentii reducatori care pot rupe puntile disulfidice

In majoritatea cazurilor denaturarea este reversibila.Hidroliza proteinelor este realizata de ruperea legaturii peptidice ceea ce duce la dezintegrarea structurii primare a proteinei pana la stadiul de aminoacizi. Acest fenomen este unul ireversibil. Hidroliza proteinelor poate fi cauzata de agenti chimici (acizi si baze la temperaturi ridicate) sau in organism de enzime proteolitice sau peptidaze (tripsina, chemotripsina, pepsina)

Solubilitatea proteinelor

Proteinele pot fi clasificate dupa diferite criterii: solubilitate, compozitie, localizarea celulara etc.

O prima clasificare generala grupeaza proteinele in: a) insolubile (fibrilare) si b) solubile (globulare)

a) Proteine insolubile Proteinele fibrilare au de regula rol structural. Acestea sunt insolubile si intra in alcatuirea tesutului conjunctiv, a muschilor si a tendoanelor. Proteinele fibrilare au o structura liniara care permite o organizare compacta ordonata care favorizeaza formarea unui numar mare de interactiuni pe toata lungimea proteinei fapt care le confera acestora rezistenta servind functiei structurale. Un exemplu de proteina insolubila este colagenul. Colagenul este o proteina a carei structura este cea a unui triplu helix, alcatuita din trei lanturi care se rotesc unul in jurul celuilalt formand o structura asemanatoare unui odgon (franghii).

Structura fiecarui lant este asemanatoare cu str. -helix numai ca elicea este mai deschisa, mai relaxata cu rasucire spre stanga. In plus secventa fiecarui lant este una specifica deoarece contine intr-o proportie semnificativa doi aminoacizi: glicina (in proportie de 30% adica fiecare al treilea aminoacid, figurata cu o bulina neagra) si prolina. Prezenta glicinei aminoacid mic ca dimensiuni permite apropierea maxima intre cele trei lanturi fapt care confera rezistenta considerabila acestuia. Prolina permite formarea unui numar mare de legaturi de hidrogen pe intreaga lungime a lantului datorita formei ei hidroxilate de hidroxiprolina. Hidroxilarea prolinei( atasarea unei grupari hidroxil) are loc in prezenta vitaminei C. Lipsa acesteia din alimentatie duce la aparitia scorbutului boala caracterizata de prezenta unui unui colagen friabil.

Colagenul se asociaza diferit cu alte molecule asememea lui in diferite tesuturi functie de rolul structural pe care acestea il au.In matrixul extracelular sau in umoarea vitroasa a ochiului aceste molecula formeaza un colagen asemanator unui gel cu rol in sustinere.In tendoane aceste molecule formeaza pachete stranse de fibrile paralele care confera rezistenta .In oase aceste molecule se aranjeaza in fibre ce formeaza unghiuri intre ele astfel incat rezistenta mecanica sa se poata manifesta in toate directiile .

b) Proteine solubileProteinele solubile indeplinesc in general rol functional si mai putin rol structural.In mediu biologic se intalnesc doua tipuri de solubilitati:

- hidrosolubilitatea* care se refera la solubilitatea intr-un mediu apos (ex mediu sanguin , intracelular sau extracelular etc)- liposolubilitatea** care se refera la solubilitatea in mediu lipofil /hidrofob (cum este membrana celulara).Si intr-un caz si in celalalt pozitionarea aminoacizilor este de asa natura incat sa serveasca functiei proteinei astfel:

b.1 Proteinele hidrosolubile numite si globulare indeplinesc rol de transport (albumina, hemoglobina, mioglobina), rol catalitic (enzimele), rol de aparare (anticorpi). La proteinele hidrosolubile pozitionarea radicalilor apartinind lantului polipeptidic este urmatoarea:

- radicalii polari hidrofili sunt dispusi la suprafata moleculei proteice unde pot interactiona cu moleculele de apa.

- radicalii nepolari care sunt hidrofobi (resping si sunt respinsi de apa) se atrag reciproc si tind sa se aglomereaze si sa se pozitioneze in interiorul moleculei. In consecinta partea hidrofoba este izolata departe de apa, in timp ce gruparile polare hidrofile sunt “lasate” la suprafata proteinei favorizand solubilizarea acesteia (desen). Astfel aceasta structura in care zona hidrofila si hidrofoba sunt localizate adecvat serveste functiei de transport.

b.2 Proteinele liposolubile sunt localizate in general in membrana celulara (care dpdv structural este un dublu strat fosfolipidic) cu caracter hidrofob. In aceasta categorie se inscriu proteinele membranare (canale sau pori) si proteinele transmembranare (receptori).

La proteinele liposolubile pozitionarea radicalilor apartinand lantului polipeptidic este urmatoarea:

- radicalii nepolari sunt distribuiti la suprafata proteinei pentru a interactiona cu membrana nepolara,

- in timp ce resturile polare hidrofile sunt localizate in interiorul proteinei.

Se genereaza astfel structuri care permit circulatia compusilor polari prin membrana celulara (este cazul canalelor ionice) (desen). In aceasta situatie pozitionarea inversa a aa serveste funtiei de transport prin membrana celulara a acestei clase de compusi. Un model de proteina diferit de cele prezentate mai sus si in care pozitionarea aminoacizilor permite comunicarea dintre spatiul extracelular si cel intracelular este receptorul beta-adrenergic (care fixeaza adrenalina***).

Receptorul -adrenergic este alcatuit dintr-un singur lant polipeptidic care traverseaza de 7 ori membrana celulara generand o structura serpuita motiv pentru care acest receptor se mai numeste si receptor serpentina. Cele 7 portiuni situate in membrana au o structura -helix si contin aa cu radicali nepolari care formeaza legaturi nepolare cu stratul dublu lipidic al membranei celulare. Acestea sunt legate intre ele de portiuni ce contin aa cu radical polar si care sunt situate de o parte si de alta a membranei in spatiul extra respectiv intra celular.

Domeniul extracelular este capabil sa fixeze in regiunea polara hormonii cu caracter hidrosolubil (adrenalina). Domeniul intracelular este capabil sa interactioneze cu proteine intracelulare declansand un raspuns intracelular. Astfel aceasta structura adaptata cu zona hidrofila si hidrofoba localizate adecvat poate face legatura intre spatiul extra si cel intra celular servind astfel functiei de comunicare.

* Notiunea de solubilitate se refera la dispersarea moleculelor unei substante printre moleculele apei. Apa este un solvent dipolar adica contine doi poli: un pol pozitiv situat pe cei doi atomi de H,un pol negativ situat pe O. Datorita acestei structuri apa poate interactiona cu moleculele substantelor polare formand legaturi de hidrogen. In urma acestor interactiuni moleculele substantei sunt dispersate (imprastiate) printre moleculele apei. ** In cazul moleculelor nepolare (din mediul biologic) notiunea de liposolubilitate se refera la caracterul lipofil al moleculelor adica la tendinta de asociere a acestora si nu la tendinta de dispersare printre moleculele unui mediu (solvent) nepolar. ** Adrenalina este un hormon hidrosolubil secretat de zona medulara a glandei suprarenale. Atunci cand adrenalina se fixeaza pe receptorul -adrenergic prezent in muschi, ficat sau tesutul adipos declanseaza la acest nivel un raspuns celular care modifica statusul energetic al organismului (mobilizeaza rezervele energetice) pregatindu-l sa faca fata unui stress acut (fight or flight).

Proteine simple si complexeUn alt criteriu de clasificare al proteinelor este compozitia, conform careia proteinele pot fi: proteine simple sau heteroproteine. Proteinele simple sunt alcatuite numai din lanturi polipeptidice. Heteroproteinele contin pe langa lantul/rile polipeptidic/e si o parte neproteica care este o structura chimica distincta. Partea proteica a heteroproteinelor se numeste de regula apoproteina iar partea neproteica se mai numeste parte prostetica. In categoria heteroproteinelor intra: glicoproteine, lipoproteine, fosfoproteine, cromoproteine (care includ si hemoproteinele).Hemoproteinele sunt un grup de proteine din care fac parte: mioglobina, hemoglobina, citocromii etc si care contin ca parte prostetica hemul. Hemul reprezinta „unitatea functionala” a proteinei iar lanturile polipeptidice „construiesc” spatiul favorabil in care aceasta sa functioneze.Astfel functia hemului in mioglobina si hemoglobina este de a fixa reversibil oxigenul iar in citocromi de a realiza transferul de electroni. Mioglobina Mioglobina este o heteroproteina monomerica (cu structura tertiara) alcatuita din hem si un lant polipeptidic numit globina. Ea este prezenta in muschiul cardiac si scheletic si are rol in stocarea si transportul oxigenului la acest nivel. Structura hem

Hemul este o structura complexa compusa din protoporfirina IX (compus cu structura plana care contine 3 tipuri de radicali notati M, V, P) si ionul de Fe 2+ in stare feroasa situat in centrul planului. Fierul este mentinut in aceasta pozitie de legaturile formate cu cei patru atomi de azot ai inelului protoporfirinic. Fe2+ formeaza doua legaturi coordinative suplimentare: una cu atomul de azot apartinand unui rezidiu de Hys (Hys proximala) de pe lantul polipeptidic, cealalta este disponibila pentru fixarea reversibila a oxigenului. Globina sau partea strict proteica a mioglobinei este de fapt lantul polipeptidic. Acesta contine 8 portiuni -helix (notate de la A-H) legate intre ele de regiuni cu structura

neregulata. Aranjarea spatiala a lantului creeaza un „buzunar” in care se gaseste unitatea functionala, hemul. „Buzunarul” este captusit de resturi de aa nepolari. Exceptie fac doua resturi de Hys (numite distala si proximala) care fac legatura intre partea neproteica (hem) si partea proteica si care participa in acelasi timp la fixarea oxigenului. Histidina proximala se leaga direct de ionul de fier din hem, histidina distala nu interactioneaza direct cu hemul dar ajuta la stabilizarea legaturii dintre fier si O2. Oxigenul se fixeaza reversibil in spatiul existent intre ionul de feros Fe 2+ si Hys distala. Caracterul nepolar al buzunarului in care se afla hemul impiedica oxidarea Fe2+ (feros) la Fe3+(feric), deoarece aceasta ar distruge functia biologica a mioglobinei/hemoglobinei. Cu alte cuvinte Fe2+ leaga reversibil oxigenul spre deosebire de Fe 3+ care nu leaga oxigenul.Desen structura mioglobina:

Mioglobina exista in 2 stari: - In starea deoxigenata (cand oxigenul nu este fixat la hem) fierul este situat usor in

afara planului inelului protoporfirinic (desen A). - In stare oxigenta, cand oxigenul ocupa cea de a 6- a coordinare a fierului, ca

urmare a interactiei intre oxigen si Fe2+ acesta din urma este tras in centrul protoporfirinei IX, deplasand usor Hys proximala si odata cu ea intregul segment polipeptidic careia ii apartine (desen B).

Cu alte cuvinte aceasta structura flexibila permite fixarea reversibila a oxigenului la nivel tisular fara a modifica starea de oxidare a fierului.

In concluzie mioglobina leaga o singura molecula de O2 in mod reversibil.

HemoglobinaHemoglobina este prezenta in hematii (celulele rosii din sange) si are rol in transportul oxigenului de la plamani catre tesuturi.Hemoglobina este alcatuita din 4 lanturi polipeptidice doua de tip alfa si doua de tip beta tinute impreuna de legaturi slabe necovalente. Fiecare lant are o structura cu portiuni elicoidale ce formeaza un buzunar si o grupare hem situata in acesta asemanator mioglobinei.

Un lant de tip si unul de tip sunt strans unite prin legaturi hidrofobe (semnificative ca numar si deci puternice datorita numarului mare si nu datorita tariei legaturii individuale) ce se stabilesc intre ele. Rezulta astfel doi dimeri ()1 si ()2. Cei doi dimeri sunt tinuti impreuna prin legaturi slabe polare. Legaturile slabe polare dintre cei doi dimeri permit deplasarea usoara a acestora unul fata de altul astfel incat ei pot ocupa doua pozitii relativ diferite in starea oxigenata fata de starea deoxigenata:

- in starea deoxigenata cei doi dimeri sunt tinuti relativ apropiati unul de celalalt de catre legaturile polare ce impiedica miscarea lor unul fata de celalalt. In aceasta

aranjare se realizeaza numarul maxim de legaturi polare posibile, rezultand o structuta compacta numita T (tight, tense) care are afinitate scazuta pentru oxigen.

- in starea oxigenata, fixarea oxigenului forteaza si prin urmare a rupe o parte din aceste legaturi polare. Se formeaza astfel o structura afinata numita R (relaxed) care favorizeaza difuzia oxigenului si prin urmare fixarea lui. Forma R are deci o afinitate marita pentru oxigen.

Cu alte cuvinte aceasta structura flexibila face posibila fixarea reversibila a oxigenului fara a modifica starea de oxidare a fierului .

In concluzie hemoglobina leaga reversibil 4 molecule de O2.

O afectiune cauzata de modificare secventei de aminoacizi dintr-un lant polipeptidic este anemia cu celule in forma de secera. In moleculele de hemoglobina HbS (S=secera) lanturile alfa sunt normale in timp ce lanturile beta sunt mutante adica un acid polar si anume acidul glutamic (din pozitia 6) este inlocuit cu un acid nepolar si anume valina. Aceasta permite ca aminoacidul nepolar de pe o molecula de hemoglobina sa poata forma o legatura nepolara cu lantul alfa de pe alta molecula de hemoglobina. Prin urmare moleculele de hemoglobina se aglomereaza formand o structura polimerica fibroasa si voluminoasa care altereaza structura elastica a eritrocitului generand un eritocit rigid. Acesta blocheaza capilarele sanguine intrerupand astfel aportul de oxigen. Acest tip de eritrocite sunt supuse unui proces de distrugere sporit fata de cele normale de unde si fenomenul de anemie (eritrocite putine)

Citocromii Citocromii sunt hemoproteine ce au ca grupare prostetica hemul. Acestia pot avea structura monomerica sau pot intra ca subunitati in structuri cuaternare complexe.Citocromii au rol in transportul electronilor functionand dupa principiul din figura :

Acest comportament este posibil datorita faptului ca legarea hemului de partea proteica se face diferit la citocromi fata de mioglobina/hemoglobina adica la nivelul radicalilor hemului si nu la nivelul fierului din hem.