Fisiologia cellulare

Le modificazioni post-traduzionali delle proteine: dalla fosforilazione alla glicosilazione

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La maturazione delle proteine non termina con la traduzione, ma si spinge, attraverso passaggi successivi, fino alla definizione delle forme (conformazioni) che permettono ai polipeptidi di svolgere funzioni sempre più complesse e specifiche.

La cellula è infatti in grado di legare covalentemente altre molecolore alle proteine, in particolare alle catene laterali di alcuni amminoacidi, o di spezzare legami già esistenti.

Questi meccanismi prendono il nome di modificazioni post-traduzionali, in quanto successive alla traduzione. Nel caso in cui siano contemporanee ad essa, si parla di modificazioni co-traduzionali.

In una proteina che presenta solo amminoacidi, gli unici legami covalenti che si possono trovare, oltre ovviamente ai legami peptidici, sono i ponti disolfuro. Essi si formano per ossidazione delle catene laterali di due cisteine, mediante la fusione dei gruppi sulfidrici (-SH).

I ponti disolfuro sono molto importanti per definire la struttura proteica in quanto permettono di avvicinare stabilmente porzioni di una proteina anche molto distanti fra loro. Nel caso dell’insulina, per esempio, tre ponti di solfuro sono in grado di tenere legate e ripiegate le due catene polipeptidiche costituenti di questo ormone. In altri casi di strutture proteiche come il collagene e la cheratina, i ponti di solfuro garantiscono grande elasticità e resistenza alle macrostrutture che vanno a costituire, come il tessuto connettivo, capelli, zoccoli e unghie.

La glicosilazione è una modificazione che consiste nell’aggiunta di una o più unità di zucchero, a opera di un enzima chiamato glicosiltranferasi. A seconda della catena amminoacidica sulla quale gli zuccheri vengono legati distinguiamo la N-glicosilazione (coinvolge la catena laterale di un’asparagina) e la O-glicosilazione (su un residuo di serina o treonina). La presenza dello zucchero è spesso importante per aiutare la proteina a raggiungere la conformazione corretta, in modo da permetterle di continuare la sua maturazione e proteggendola da attacchi eventuali di altri enzimi (proteasi). La N-glicosilazione è in realtà una modificazione co-traduzionale poichè le glicosiltransferasi presenti nel reticolo endoplasmatico sono in grado di modificare covalentemente la proteina man mano che trovano il corretto sito di glicosilazione. La O-glicosilazione avviene invece in alcune cisterne dell’apparato di Golgi. Le proteine dotate di zuccheri prendono il nome di glicoproteine, le quali sono importanti per le cellule per esempio per motivi di difesa o segnalazione.

La fosforilazione consiste invece nell’aggiunta di un gruppo fosfato (PO43-) ai gruppi idrossilici (-OH) di residui di serina, treonina o tirosina. Gli enzimi deputati a queste reazioni vengono chiamate chinasi, le quali sono specifiche per il substrato da fosforilare. Il donatore del gruppo fosfato è primariamente l’ATP, che subisce l’idrolisi di uno dei suoi fosfati.

La reazione inversa viene chiamata defosforilazione, catalizzata dall’enzima fosfatasi.
La fosforilazione introduce una grande modificazione a livello della proteina poichè causa l’inserimento di un gruppo "ingombrante" per dimensioni (il fosfato) e carico negativamente. In particolare quest’ultima caratteristica può introdurre nuove interazioni elettrostatiche (es. ponti salini) con gruppi carichi positivamente, come le catene laterali di arginina, istidina e lisina (amminoacidi con comportamento basico). Ciò può causare un nuovo ripiegamento della proteina, con un conseguente cambio di conformazione che può portare la proteina a legarsi (o anche a staccarsi) da una certa molecola, modificandone per esempio il posizionamento all’interno della cellula.

Nel caso degli enzimi, la fosforilazione può anche modificare loro attività sia in “positivo” sia in “negativo”: a seguito di fosforilazione l’enzima infatti può risultare attivato o disattivato e la defosforilazione ovviamente causa l’effetto contrario. Questa fenomeno è molto importante per il controllo dell’attività enzimatica da parte delle cellule, che utilizzano la fosforilazione come un interruttore molecolare al fine di “spegnere” o “accendere” gli enzimi al momento opportuno.

Un altro metodo con il quale le cellule regolano l’attività enzimatica è il “taglio” di alcune porzioni delle proteine, al fine per esempio di liberarne i siti attivati, altrimenti ostruiti. Questa modificazione post-traduzionale prende il nome di processamento (o taglio) proteolitico e viene portata a termine da enzimi chiamati proteasi. Le proteasi hanno in generale il compito di scindere legami peptidici e la loro attività viene spesso controllata con un processamento proteolitico ad opera di altre proteasi:  una proteasi idrolizzando ne attiva un’altra, la quale ne idrolizza e taglia un’altra e così via.

Altre modificazioni comuni nelle cellule sono

  • l’acetilazione, ovvero l’aggiunta di un gruppo acetile (-COCH3)
  • la metilazione, aggiunta di un metile (-CH3)  
  • l’acilazione, cioè l’aggiunta di lunghe catene di atomi di carbonio.

 

Credits: Wikimedia Commons Berichard

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