Biopolimeri a Base Proteica.

School of Industrial and Information Engineering

Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

Attilio Citterio

Elementi Costitutivi delle Proteine.

I monomeri delle proteine sono gli amminoacidi

Gruppo ammino(gruppo

ammonio, se protonato)

Gruppo carbossilico (carbossile,

carbossilato, se deprotonato)

R = RESIDUO ORGANICO (CATENA LATERALE)

A pH 7, la maggior parte degli Amminoacidi sono Zwitterioni(dotati di cariche ma complessivamente elettricamente neutri)

Ka1Ka2

H+ H+

Attilio Citterio

Numerazione degli Amminoacidi.

Carbonio alfa

Alfa-carbossile(attaccato al carbonio αlfa)

Alfa-amminoβ

γ

δ

εgruppo ε-amminoNH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C

H

COOHH2N

lisinaconfigurazione L del carbonio a

• Un amminoacido ha molte componenti strutturali:– un atomo di carbonio centrale (Ca) è attaccato a:

– un gruppo ammino (NH2), – un gruppo carbossilico (COOH), – un atomo di idrogeno (H),– un residuo organico (R) in catena laterale.

• Le proteine sono costruite assemblando amminoacidi tramite legami peptidici per formare una catena polipeptidica.

Attilio Citterio

Amminoacidi in 3 Dimensioni.

• Carbonio asimmetrico (legato a

4 gruppi diversi)

• Stereoisomeri

• Ruotano la luce polarizzata

• Isomeri ottici

• Non-sovrapponibili

• Immagini speculari

• Forme L e D

• Naturali: solo configurazione L

Atomo di carbonio

asimmetrico

Attilio Citterio

La “Sinistrosità" degli Amminoacidi.

• Guardando lungo il legame H-Ca dall’atomo di idrogeno, la forma L

ha i sostituenti CO, R e N dal Ca disposti in direzione oraria. Per la

forma L i gruppi letti CO, R, N sono posizionati in direzione antioraria.

• Tutti gli a.a. eccetto la Glicina (GLy, R = H) hanno un centro chirale

• Tutti gli a.a. incorporati nelle proteine dagli organismi sono in forma L.

Ca

R

CON

forma Dforma L

HCa

R

NOC H

Attilio Citterio

Configurazione vs. Conformazione.

Configurazione = differenti geometrie

dovute all’orientazione nello spazio

cis vs. trans (legame peptidico

planare)

D vs. L; R vs. S (amminoacidi chirali)

Non si può passare da una

configurazione all’altra senza

rompere legami

Conformazione = disposizione alternata

derivante dal moto molecolare attorno

al legame semplice

Conformazione a sedia vs. a barca

nel cicloesano

Si può convertire una

conformazione in un’altra (En.).

Diagramma PE del butano in funzione dell’angolo diedro

Angolo diedro

Eclissato Eclissato Eclissato EclissatoE

ner

gia

Po

ten

zial

e

Attilio Citterio

20 Amminoacidi Naturali.

Attilio Citterio

I Venti Amminoacidi costituenti delle Proteine (1).

1) Amminoacidi con residui idrofili carichi positivi/negativi

Positiva Negativa

Arginina

(Arg) (R)

Istidina

(His) (H)

Lisina

(Lys) (K)

Acido aspartico

(Asp) (D)

Acido glutammico

(Glu) (E)

+ -

C C C C C

Attilio Citterio

I Venti Amminoacidi costituenti delle Proteine (2).

2) Amminoacidi con catene polari (idrofile) non cariche

Serina

(Ser) (S)

Treonina

(Thr) (T)

Asparagina

(Asn) (N)

Glutammina

(Gln) (Q)

Tirosina

(Tyr) (Y)

Cisteina

(Cys) (C)

Glicina

(Gly) (G)

Prolina

(Pro) (P)

2') Casi speciali

CC C C C

C C C

Attilio Citterio

I Venti Amminoacidi costituenti delle Proteine (3).

3) Amminoacidi con sostituenti non polari (idrofobici)

Alanina

(Ala) (A)

Isoleucina

(Ile) (I)

Leucina

(Leu) (LN)

Metionina

(Met) (M)

Fenilala-

nina (Phe) (F)

Valina

(Val) (V)

Triptofano

(Trpl) (W)

CC C C C

C

C

Attilio Citterio

Classi di Amminoacidi.

Non polari (NP), non-interattivi

ala, val, leu, ile, pro, trp, phe, met

Non polari (nell’insieme), gruppi interattivi (I)

cys, tyr

Polari (P)

gly, ser, thr, asn, gln (gly è non-interattivo)

Acidi (A)

asp, glu

Basici (B)

lys, arg, his

Attilio Citterio

Valori di pKa degli Amminoacidi Naturali.

AMMINOACIDO a- Carbossile a- Ammino Unità Catena Laterale

Gly 2.34 9.60

Ala 2.34 9.69

Val 2.32 9.62Leu 2.36 9.68

Ile 2.36 9.68Ser 2.21 9.15

Thr 2.63 10.43

Met 2.28 9.21Phe 1.83 9.13

Trp 2.38 9.39

Asn 2.02 8.80Gln 2.17 9.13

Pro 1.99 10.6

Asp 2.09 9.82 3.86

Glu 2.19 9.67 4.25

His 1.82 9.17 6.00Lys 2.18 8.95 10.53

Arg 2.17 9.04 12.48

Cys 1.71 10.78 8.33Tyr 2.20 9.11 10.07

Attilio Citterio

Punto Isoelettrico.

La carica netta su un amminoacido o un peptide cambia al variare

del pH.

Punto Isoelettrico (pI) - Il pH a cui la carica netta su un amminoacido

o peptide è zero.

Elettroforesi - Un metodo di separazione di specie cariche che le

forza a migrare verso elettrodi positivi o negativi.

Gli ioni Positivi si muovono verso l’elettrodo negativo

Gli ioni Negativi si muovono verso l’elettrodo positivo.

ep ep

V

Lu

V: voltaggio applicato / V

ep : mobilità

elettroforetica / m2/(s V)Particella carica

uep

uep

voltaggio V

+ -

-

+

++++

+

--

----

lunghezza L

Attilio Citterio

Peptidi, Polipeptidi e Proteine.

peptide = un prodotto della

condensazione di

amminoacidi

dipeptide = 2 aa, ….. ecc.

oligopeptide = fino a 20 aa

polipeptide = > 20 aa

proteina = un polipeptide

funzionale con un ruolo

biologico

talvolta contiene anche

porzioni non-polipeptidiche.

“proteine” molto piccole sono

spesso ormoni

Attilio Citterio

I Quattro Livelli della Struttura Proteica.

Struttura

primaria

Struttura

secondaria

Struttura

terziaria

Struttura

quaternaria

Residui amminoacidici a-Elica Catena polipeptidica Sub-unità assemblate

Attilio Citterio

Livelli della Struttura delle Proteine – I.

struttura primaria (1o)

la sequenza degli amminoacidi con modificazioni, inclusa le

aggiunte di altre unità legate covalentemente

struttura secondaria (2o)

Legame a-H strutturato su grande scala implicante i componenti

dello scheletro della catena

domini e motivi

un tipo intermedio di termini destinati a descrivere una certa

regione di una proteina avente certe specificità strutturali

Attilio Citterio

Struttura Tridimensionale delle Proteine.

Catena peptidica

= struttura primaria

Struttura secondaria

Alfa elica Strati beta antiparalleli

Catena laterale Catena laterale

Carbonio

alfa

Catena laterale

Carbonioalfa

Carbonio

alfa

Catena polipeptidica principale

Catena laterale

Carbonioalfa

Attilio Citterio

Denaturazione delle Proteine.

La cottura denatura le

proteine

Fenomeno che si verifica

quando si cuoce un

uovo.

Le proteine modificano

irreversibilmente la loro

struttura tridimensionale

native e può liberare le

specie che lega (p.es.

biotina e ferro) utili nella

digestione.

Altre condizioni (acidità, radiazioni, radicali, certi comp. chimici, ….) producono processi simili di denaturazione irreversibile.

Attilio Citterio

Struttura Secondaria di una Proteina: Collagene.

Tripla elica – Tre catene polipeptidiche

intrecciate a formare un corda

Funzione strutturale (tessuto connettivo)

Il legane-H è perpendicolare alle catene

I legami-H sono inter-molecolari

Il legame-H si instaura tra il donatore N-H e

l’accettore C=O della prolina (idrossiprolina)

Legami a idrogeno alternati tra le catene

Un legame-H per un'unità di tripla elica

Rappresenta il 25-30% delle proteine umane.

Attilio Citterio

Composizione in Amminoacidi di Proteine Fibrose.

a-Keratina (Lanal) Fibroina (Seta) Collagene (Tendini) Elastina (Aorta)

Gly 8.1 44.6 32.7 32.3

Ala 5.0 29.4 12.0 23.0

Ser 10.2 12.2 3.4 1.3

Glu + Gln 12.1 1.0 7.7 2.1

Cys 11.2 0 0 tr.

Pro 7.5 0.3 22.1 10.7

Arg 7.2 0.5 5.0 0.6

Leu 6.9 0.5 2.1 5.1

Thr 6.5 0.9 1.6 1.6

Asp + Asn 6.0 1.3 4.5 0.9

Val 5.1 2.2 1.8 12.1

Tyr 4.2 5.2 0.4 1.7

Ile 2.8 0.7 0.9 1.9

Phe 2.5 0.5 1.2 3.2

His 0.7 0.2 0.3 tr.

Met 0.5 0 0.7 tr.

Trp 1.2 0.2 0 tr.

Attilio Citterio

Livelli di Strutture Proteiche (2).

struttura terziaria (3o)

altre attrazioni (ioniche) e reazioni (legami S-S)

all’interno di una singola catena polipeptidica

struttura quaternaria (4o)

Associazioni di catene polipeptidiche con :

a) altri polipeptidi

b) altri biopolimeri

c) con piccole molecole (organiche)

d) con piccole unità (inorganiche) comunemente ioni

metallici.

Attilio Citterio

Struttura Terziaria di una Proteina.

Cinque classi di strutture terziarie:

Legami ionici (a)

Legami a idrogeno in catena (b)

Forze idrofobiche (attrazione) (c)

Interazione dipolo-dipolo (d)

Legami disolfuro (e)

Tutte implicano interazioni tra le

catene laterali degli amminoacidi

in catena.

I legami disolfuro sono legami

covalenti; le interazioni b-d sono

debolmente attrattive, ed il

legame ionico è forte.

H3CCH3

b

c

SS

e

+ ─a

H2C

H-O

CH2

O-H

+ ─a

c

c

d

Attilio Citterio

Struttura Terziaria di Proteine (2).

interazione

idrofobica

legame ionico

legame a

idrogeno

legame

disolfuro

Mioglobina – una struttura terziaria

Attilio Citterio

Modi di Rappresentazione delle Proteine.

Nastri Linee

α elica

Foglietti β e

connettori a

filo

Attilio Citterio

Struttura Quaternaria delle Proteine.

■ La struttura quaternaria

contiene due o più sub-unità

terziarie (catene proteiche)

■ Tenute assieme dalle stesse

interazioni delle strutture

terziarie

■ L’Emoglobina contiene

quattro catene proteiche

■ Il gruppo eme in ciascuna

sub-unità acquisisce

l’ossigeno per trasportarlo

nel sangue ai tessuti

Catena Catena

CatenaCatena

Gruppo eme

Attilio Citterio

Variabilità nell'Organizzazione Proteica.

dominio SH2

catalasi

mioglobina

lisozima

emoglobina

DNA

desossiribonucleasi

citocromo c porina

collagene

Attilio Citterio

Riassunto dei Livelli Strutturali in Proteine.

STRUTTURA

PRIMARIA

STRUTTURA

SECONDARIA

STRUTTURA

TERZIARIA

STRUTTURA

QUATERNARIA

Alfa Elica

La sequenza degli amminoacidi

Presenti in una catena o catene

Peptidiche di una proteina

La disposizione ripetitiva

regolare ordinata

spazialmente degli

amminoacidi legati tra loro,

che deriva dai legami ad

idrogeno fra gli ossigeni

carbonilici e l’atomo di

idrogeno ammidico

La forma complessiva tri-

dimensionale che deriva

dalle forze attrattive tra le

catene laterali degli

amminoacidi (Gruppi R) che

non sono vicini nella catena

proteica

La forma tri-dimensionale di

una proteina costituita da

due o più catene peptidiche

indipendenti, che deriva

dalle interazioni non

covalenti tra i gruppi R

Legami a idrogeno tra ogni

quattro amminoacidi

Legami disolfuro

Interazioni elettrostatiche

Legami a idrogeno

Interazioni idrofobiche

Interazioni elettrostatiche

Legami a idrogeno

Interazioni idrofobiche

Legami a idrogeno tra due

catene affacciate, o una singola

catena avvolta su se stessa.

Foglietti beta

Attilio Citterio

Classificazione delle Proteine.

Classificazione per forma

globulari

fibrose

Classificazione per funzione

Strutturali

Indicatori di direzione

Metaboliche

Trasporto

Classificazione da quant’altro è presente

• Proteine derivatizzate

tripsina

collagene

Attilio Citterio

Classificazione delle Proteine per Funzioni.

Classificazione:

Enzimi

Proteine strutturali

Proteine di difesa

Proteine di trasporto

Proteine di riserva

Proteine di effetto

ormoni, regolatori, tossine

Funzioni delle proteine

• Forniscono supporto

strutturale e meccanico

• Mantengono i tessuti

corporei

• Funzioni come enzimi e

ormoni

• Aiutano a mantenere il

bilancio acido-base

• Trasportano nutrienti

• Assistono il sistema

immunitario

• Servono come fonte di

energia quando necessario

Enzimi45%

Shock termico

4%

Altro30%

Strutturali9%

Ribosomiale

4%

Ipotetico3%

Canali1%

Fattori4%

Attilio Citterio

Classificazione delle Proteine.

Proteine

Semplici Coniugate Derivate

Globulari Sclero Primarie Secondarie

Albumine

Globuline

Gluteine

Prolamine

Istoni

Globine

Prolamine

Collagene

Elastine

Cheratine

Nucleoproteine

Glicoproteine

Lipoproteine

Fosfoproteine

Cromoproteine

Metalloproteine

Proteine

coagulate

Proteans

Metaproteine

Proteasi

Peptoni

Polipeptidi

Peptidi

Attilio Citterio

Proteine Derivate.

Glicoproteine

Lipoproteine

Nucleoproteine

Proteine Coniugate

(oloproteine)

porzione proteica =

apoproteina

attaccati piccoli gruppi =

spezzoni

organici/inorganici

eme, flavina, metalli,

fosfato

catena laterale

della serinaPROTEINA

KINASI

PROTEINAFOSFATASI

kinasi

fosfatasi

kinasi

fosfatasi

Attilio Citterio

Sintesi Proteica nella Cellula.

Attilio Citterio

PROTEINE – Definzioni.

Apoproteina – solo amminoacidi

Cofattori – piccole molecole organiche (quali, vitamine, ATP, NAD, FAD)

o entità inorganiche (specie ioni metallici) che sono richiesti per l’attività;

possono essere legate debolmente (coenzimi) o legate saldamente

(gruppi prostetici).

Gruppo Prostetico – gruppo legato saldamente (es, eme) all’apoproteina.

Oloproteina – proteina attiva con attaccati cofattori e gruppi prostetici.

Attilio Citterio

COFATTORI.

possono partecipare direttamente in processi catalitici o trasportare

altre piccole molecole; il legame alle proteine è sia debole che forte

sono indispensabili in piccole quantità, si devono fornire nella dieta e

possono essere solubili sia in acqua che in grassi

Funzioni (vedere le diapositive sui metaboliti secondari)

gli ioni metallici mantengono la conformazione proteica tramite

interazioni elettrostatiche (complessazione metallica)

i gruppi prostetici come l’eme possono legarsi al sito attivo e

variare la conformazione per controllare il legame

possono accettare un substrato nel corso della reazione

• comuni leganti a ponte

O2-, OH-, -CH2S-, S2-, -CH2CO2

-, imidazolo

• leganti terminali esogeni sono molto spesso legati a metalli

• H2O, OH-, O2-, HS-, S2-

Attilio Citterio

Enzimi.

Prodotti dagli organismi viventi, sono composti di natura proteica con

proprietà catalitiche. Questi catalizzatori sono sia efficienti che

altamente specifici per una particolare reazione chimica che implica la

sintesi, degradazione o alterazione di un composto. In queste reazioni, in

cui le molecole sono ridotte, ossidate, trasposte, o costruite, sono

frequentemente implicate dei cofattori. Alcuni enzimi sono modificati

covalentemente per fosforilazione, glicosilazione, ed altri processi.

CPOsubtilisina Fitasi

Promuove la proteolisi di un

legame peptidico.

Cloroperossidasi catalizza molte

ossidazioni di substrati organici.

Catalizza l’idrolisi dell’acido

fitico.

Attilio Citterio

Proteine e Bio-movimento negli Organismi Viventi.

1. Movimento continuo: si verifica all’interno di ogni cellula

dell’organismo vivente per la continuità delle sue attività vitali,

quali la circolazione citoplasmatica.

2. Movimento posizionale: si trova in alcuni organi dell’organismo,

vivente, p. es. moti peristaltici nell’intestino dei vertebrati.

3. Movimento totale: con cui gli organismi viventi possono muoversi

da un posto all’altro per ricercare cibo o un compagno o per sfuggire

a pericoli, Ha portato alla diffusione degli animali in natura e, al

crescere di queste capacità e velocità. la circolazione di animali e

piante è aumentata.

Il movimento è evoluto in una varietà di strutture

e sistemi (o organi) usando molecole molto

simili, cioè proteine speciali indicate

generalmente come motori molecolari

Attilio Citterio

Motori Molecolari.

La maggior parte delle forme di movimento nel mondo vivente sono alimentate

da sottili macchine proteiche. Tra i più noti sono i motori che usano sofisticati

meccanismi intramolecolari di amplificazione per fare passi nanometrici lungo un

along tracce proteiche nel citoplasma.

Kinesina e Dineina.

Kinesina e dineina sono i motori molecolari

responsibili del trasporto lungo microtubuli.

Actina.

L’Actina è una famiglia di proteine

globulari multi-funzionali che forma

microfilamenti in tutte le cellule

eucariotiche.

Miosine.

Le miosine sono delle ATPasi

che generano forze per il

movimento di filamenti di actina.

Attilio Citterio

Proteine nella Locomozione in Organismi Viventi.

La locomozione negli organismi unicellulari superiori è realizzata via:

1. Movimento Ameboide: (= Pseudopodiale)

2. Movimento Flagellare: lunghi cilindri inguainati contenenti microtubuli

in una disposizione 9+2:• coperti da una estensione della membrane cellulare

• 10X più spessi dei flagelli dei procariotici

• funzione nella motilità

3. Movimento Ciliare: simile nella struttura ai flagelli,

ma più corti e più numerosi si trovano solo in un

singolo gruppo di protozoi e certe cellule animali.

Movimento Muscolare:

Gli organismi multicellulari come l’uomo e altri membri del Regno

Animale usa organi locomotori quali gambe, braccia, pinne, ecc. per

muoversi nell’ambiente.

Attilio Citterio

Movimento Ameboide.

• Estensione citoplasmatica:

La polimerizzazione dell’Actina

(45 kDa) spinge avanti il bordo del

citoplasma

• Adesione:• Il bordo aderisce alla superfice

• Retrazione:• Interazione tra actina e

miosina

• Idrolisi dell’ATP

• Spinta in avanti della cellula.

corteccia di actina lamellipodio substrato

corteccia sotto tensione

movimento dell’actina non polimerizzata

contatti focali

retroazione

La polimerizzazionedell’actina sul lato positivo estende il

lamellipodio

Attilio Citterio

Movimento Muscolare.

La Miosina è un motore proteico che

genera la forza nella contrazione

muscolare. E’ costituita da una regione

di testa e una di coda. Insieme, le code

di circa 300 molecole di miosina

formano il fusto di un sottile filamento.

Le teste di miosina di queste molecole

si proiettano verso i filamenti sottili

come i remi di una barca.

Molecole di Actina e Filamenti

L’Actina è una proteina sferica che

forma, tra l’altro, i filamenti sottili delle

cellule muscolari. I filamenti sono

composti di due lunghe catene di

actina che sono attorcigliate su loro

stesse. Ogni molecola di actina ha un

sito di legame con la miosina a cui una

testa di miosina si può legare.

Interazione Actina-Miosina.

ATP

Filamento di actina actina troponina molecola di tropomiosina

Filamento di miosina

Filamento di actinamiosina

actina

Molecole di miosinateste

bastoncino

Attilio Citterio

Il Ciclo di Contrazione Muscolare a Ponte, che è

Attivato d Ioni Ca2+ e ATP.

Il movimento del muscolo si

contrae quando le teste di

miosina si legano all’actina e

spingono all’interno l’actina.

(bilancio energetico netto 15-

35%). Questa azione richiede

energia, che è fornita dall’ATP.

La Miosina si lega all’actina a un

sito di legame sulla proteina

globulare actina. La Miosina ha

un altro sito di legame per l’ATP a

cui l’attività enzimatica idrolizza

l’ATP ad ADP, rilasciando uno

ione fosfato ed energia.

La Tropomiosina e Troposina

sono proteine regolatorie: il primo

blocca la miosina, la seconda

activa via Ca2+ la contrazione.

Il sito attivo sull’actina

è esposto come il Ca2+

lega la troponina.

La testa della miosina

forma un ponte con

l’actina.

Nella contrazione la testa

della miosina si piega e

si rilasciano l’ADP e il

fosfato.

Una nuova molecola di

ATP si lega alla testa

della miosina portando al

distacco del ponte.

L’ATP si idro ad ADP e

fosfato, che porta la

miosina a alla posizione

«accucciata».

Attilio Citterio

Proteine come Leganti in Compositi con Inorganici.

Grafico della rigidità contro la

durezza

■ Linea retta:

Area attesa del

composito

■ Cerchio:

Posizione reale del

composito

Effetto Sinergico : 1+1>2

P. Fratzl, H.S. Gupta, E.P. Paschalis, P. Roschger, J. Mater. Chem. 2004, 14 ,2115 – 2123

100

10

1

0,1

0,01

0,001

0,01 0,1 1 10 100 1000

dure

zza (

kJ·m

-2)

rigidità (GPa)

proteinacorna

osso

dentina

Conchiglia

molluschi

smalto

calcio fosfato

calcite

Attilio Citterio

Struttura e Proprietà del Composito Madreperla.

Madreperla Acciaio

Modulo E 80 GPa/m2

210 MPa/m2

Resistenza a trazione 800 MPa/m2

150 MPa/m2

Resistenza a compressione 450 MPa/m2

500 MPa/m2

Piaste di aragonite esagonale

Matrice di b-chitina - proteine

Attilio Citterio

Le Migliori Fonti di Proteine per la Dieta Umana.

Cereali Verdure Frutti Latte Carne e Semi

Gra

mm

i (g

) d

i P

rote

ine

Attilio Citterio

Digeribilità di Proteine nell’Uomo.

La digeribilità di una proteina varia da cibo a cibo.

Gli amminoacidi da fonti animali sono più facilmente digeribili

Fonti animali: 90+% digerite ed assorbite

Legumi: ≈ 80%-90% digerite ed assorbite

Granaglie ed altri cibi vegetali: ≈ 70%-90% digerite

Proteine di Alta-qualità

Proteine dietarie contenenti tutti gli amminoacidi essenziali relativamente

nella stessa quantità di quelle richieste nell’uomo (contengono anche

amminoacidi nonessenziali).

Amminoacidi Limitanti (o essenziali)

Sono amminoacidi essenziali presenti nelle proteine dietarie in piccola

quantità

Perciò limita la capacità del corpo a fabbricare specifiche proteine

La mancanza di disponibilità rallenta la sintesi proteica

Non appena l’amminoacido limitante diventa ancora disponibile, le

cellule ritornano alla loro sintesi normale delle proteine.

Attilio Citterio

Biopolimeri a Base Proteica (Naturali e Bio-derivati).

Proteine di Soia P-g-GA Polipeptidi sintetici

Semi di soia Omopolimeri peptidi

surplus agricolo batterici a sintesi specifica

40% di proteine: sintesi chimica:

soprattutto globuline 1. Sintesi Merryfield

2. N-carbossianidridi

sintesi biologica:

espressione genica

Attilio Citterio

Proteine della Soia.

Composizione: (costituenti principali)

acido aspartico + asparagina

11.3 %

acido glutammico + glutammina

17.2 %

Attilio Citterio

1. Estrazione Olio produzione margarina

2. Estrazione con basi 90%

3. Lavaggio con alcool acquoso > 65%

4. Lavaggio acido > 65%

5. Denaturazione a vapore > 65%

Concentrato di proteine di soia: 1.1 – 1.5 $/kg

Concentrato di proteine di soia recuperato da:

Isolamento delle Proteine della Soia.

La soia è diventata sempre più popolare perché:

È fonte di proteine di alta-qualità

Ha basso contenuto di grassi saturi

Contiene isoflavoni

Contiene fitoestrogeni

Il recupero di concentrati di proteine di soia si ha dopo estrazione

dell’olio:

Attilio Citterio

Proteine della Soia per Plastiche.

Le principali proteine nei semi di soia sono due proteine di riserva :

1. β-Conglicinina (7s) e

2. Globuline Glicinine (11s)

Struttura trimerica della

β-Conglicinina (7s) (180 kDa)

Struttura dell’esamero Glicinina (11s) (320

kDa) arancio (A1), rosa (A2), rosso (A3), verde (B1), viola (B2), e blu

scuro (B3)

Attilio Citterio

Proteine di Soia per Plastiche (2).

Riempitivi in plastiche di origine petrolifera

• ne aumenta la biodegradabilità

Lavorazione da fusi (estrusione, stampaggio per iniezione,

stampaggio per soffiatura, stampaggio per compressione)

• le proteine di soia stampate per compressione: fragili

• uso di plastificanti (acqua, PVA, EG, PG, glicerina)

• potenziale aggiunta di riempitivi (cellulosa da canapa)

Reticolazione con formaldeide o glutaraldeide

• I materiali più indagati (rinforzati con fibre), usati per parti interne

di automobili.

Compositi con materiali inorganici e nanoparticelle.

Attilio Citterio

Storicamente: Anni 1940: forte interesse nell’uso di plastiche da

soia:plastiche: parti di automobili

fibre: applicazioni tessili

Dopo 1945: Inversione nella tendenza verso i polimeri

meno cari prodotti a partire dal petrolio.

Attualmente Solo lo 0.5 % delle proteine di soia usate in prodotti

industriali - Rivestimento della carta

Futuro soia mista ad amido plastiche stampabili

film bloccanti O2/UV, confezioni

pacciamature agricole

schiume isolamento, sost. polistirene

Applicazione delle Proteine di Soia.

Rakesh Kumar et al. Industrial Crops and Products 16, 155–172, 2002.

Attilio Citterio

52Proteine da Pannelli di Colza (al 10% di

umidità) - Tipica Composizione Chimica

Componente Media

Umidità (%) 10.0

Proteine grezze (N × 6.25;%) 35.0

Proteine bypass Rumine (%) 35.0

Olio (%) 3.5

Acido linoleico (%) 0.6

Ceneri 6.1

Fibre grezze (%) 12.0

Tannini (%) 1.5

Senapina (%) 1.0

Acido fitico (%) 4.0

Glucosinolati (μmol/g) 16

Amminoacidi Media %

Alanina 1.53

Arginina 2.12

Aspartato 2.55

Cisteina 0.94

Glutammato 6.43

Glicina 1.75

Istidina 1.13

Isoleucina 1.41

Leucina 2.39

Lisina 2.02

Metionina 0.77

Metionina + cisteina 1.71

Fenilalanina 1.54

Prolina 2.23

Serina 1.64

Treonina 1.50

Triptofano 0.46

Tirosina 1.05

Valina 1.71

Attilio Citterio

53Processo di Recupero delle Proteine da

Pannelli di Colza.

Reattore

con sos-

pensione

Pannelli di colza (T’ < 80°C)

Pompa

Fonte

Estratto

acqua

Defitinizzazione, Coagulazione,

Riduzione acqua

Pompa

Filtro a fibra

Pompa

F-Proteine

(40-50%)

I-Proteine

(40% recupero)

(65% contenuto proteico)

88°C

1h

80°C

Filtro a fibra

Attilio Citterio

Omopolimero Proteico Naturale:

Acido Poli-g-Glutammico.

Polimero extracellulare escreto da

batteri Bacillus

Estrazione Acida

precipitazione del polimero in alcool

Mw = 300,000 – 500,000 Dalton

} Tutti processi

in acqua

Attilio Citterio

Esterificazione riduce la solubilità in acqua

induce fusibilità

R = (CH2)4 – CH3 DS> 95%

(CH2)9 – CH3 Tm = 152 °C

Tg = - 49 °C

Shah et al. Polym. Preprints 1992, 33(2) 488; US Patent 5,378,807;

Ogunleye A, Bhat A, Irorere VU, Hill D, Williams C, Radecka I. Microbiology. 2015

Jan;161(Pt 1):1-17

Chimica dell’Acido Poli-g-Glutammico.

Per le sue proprietà di biodegradabilità, non-tossicità e non-immunogenicità, lo

si è usato con successo in industrie alimentari, mediche e trattamento acque.

Attilio Citterio

Solubilità in acqua modificatori reologici

trattamento dell’acqua

super assorbenti

emulsionanti polimerici

detergenti

}Sostituisce l’acido

poli(acrilico), la

poli(acrilammide),

PVA, PEG

Applicazioni Biomediche riempitivo del plasma sanguigno

“smart polymers” sensibili a stimoli

idrogel

Attualmente: Nessun fornitore commerciale

Applicazioni dell’Acido Poli-g-Glutammico.

Attilio Citterio

Polipeptidi Sintetici e Proteine Biotecnologiche.

Proteine = macromolecole biologiche

Materiali convenzionali : seta, lana

Polipeptidi derivati chimicamente :

• poliammidi con un largo numero di unità ripetitive e una

moltitudine di sequenze

Proteine Biotecnologiche : naturali ma prodotte via

organismi ingegnerizzati

Necessita il controllo

della sequenzaAdeguamento

Attilio Citterio

Classificazione di Polipeptidi Sintetici.

Fibrosi Elastomeri Adesivi

Tela di ragno: materiale di pareti di arterie: colla:

forte resistenza > un miliardo di cicli di dalle ossa animali

e allungamento estensione/rilassamento = collagene

nella vita umana senza muscoli attaccati

evidenza di fatica o alla superficie

isteresi via adesione a

3-proteine

Struttura di unità prim.

ripetute

(Val-Pro-Gly-Val-Gly)n

n = 11

Attilio Citterio

Polipeptidi Fibrosi.

Allungamento Carico a rottura

[%] [ 103 J/kg]

Tela di ragno* 10 –39 120

Bx 15 – 55 70

Acciaio 8 2

Kevlar 4 30

* Nephila clavipes, dragline

Attilio Citterio

Applicazioni Commerciali di Polipeptidi Sintetici.

Fibrose Elastomeri Adesivi

Biomedicale Biomedicale Recupero metalli

da reflui (Fe(II), Fe(III)

Suture Bioerodibili Elastina artificiale la cost. di dissociaz.

biocompatible per complesso con

proteina cozza è 1039 M-1

Rigenerazione tessuti per applicazioni

Alta robustezza in acqua

Applicazioni ingegnerizzate

Attilio Citterio

Sintesi di Polipeptidi.

1. Chimica

1.1 Policondensazione: Sintesi Merrifield

Gruppo Protettivo

N-terminale bloccatoSupporto PS

CH2Cl + HOOC CH

R

NH COO C (CH3)3

se R = COOH, occorre gruppo protettivo

Per es. –CH2-

DeprotezioneH+

- CO2

- (CH3)3-C=CH2

CH2OOC-CH-NH2

R

Attilio Citterio

Sintesi di Polipeptidi (2).

CDC

-H2O

2° amminoacido

Attilio Citterio

Sintesi di Polipeptidi (3).

1.2 Polimerizzazione di N-carbossianidridi

Esempio: sintesi dell’acido poli(glutammico)

Reazione di fosgenazione

prodotto di reazione:N-carbossianidride - NCA

Attilio Citterio

Sintesi di Polipeptidi (4).

idrolisi

Attacco a successiva NCA

Attilio Citterio

Sintesi di Polipeptidi (5).

Innumerevoli Variazioni nella Sequenza aa

2. Produzione Biosintetica

Completo controllo delle sequenze

Piuttosto priva di errori

Progettazione Genetica : determina la sequenza degli aa

ogni aa naturale codificato da 3 nucleotidi consecutivi

la maggior parte degli aa espresso da più di un codone

Accertare le proprietà dei

Materiali

Progettare la sequenza aa

Sintetizzare il DNA

Esprimere la proteina

Isolare la proteina

Attilio Citterio

Produzione Biosintetica di ε-Polilisina.

La ε-Polilisina è un omo-polimero della L-lisina, un

amminoacido essenziale. Essa differisce dalle

comuni proteine in quanto il legame ammidico non è

tra i gruppi a-ammino e carbossilico dei tipici legami

peptidici, ma tra i gruppi ε-ammino e carbossilico. La

ε-Polilisina si produce per fermentazione aerobica

batterica con Streptomyces albulusi in un mezzo a

concentrazione di 4–5 g/L. Il ceppo batterico 346 fu

dapprima isolato dal suolo Giapponese, poi se ne

isolò un mutante più attivo.

Le molecole di ε-Polilisina sono cationiche, agenti

tensioattivi a seguito della loro carica positiva sui

gruppi amminici. L’interno è idrofobico per i gruppi

metilenici, mentre i gruppi idrofilici carichi carbossilici

ed ammonici sono all’esterno. I tensioattivi cationici in

generale inibiscono la proliferazione di

microorganismi e la ε-Polilisina è un efficace agente

antimicrobico verso lieviti, funghi e batteri.

ε-Polilisina

Poli[imino[(2S)-2-ammino-

1-osso-1,6-esandiile]

α-Polilysina è anche prodotta

sinteticamente per reazione

di policondensazione basica.

Attilio Citterio

Produzione Biosintetica di Proteine:

Tecnologia del DNA Ricombinante.

Il polipeptide insulina (chimicamente

identico alla sua controparte prodotta

naturalmente) è stato prodotto per

inserzione del gene dell’insulina umana in

un adatto vettore, la cellula batterica

dell’E. coli attraverso la tecnologia del

DNA ricombinante. Il metodo (riassunto a

destra) è più affidabile e sostenibile

dell’estrazione e purificazione di

sottoprodotti dei mattatoi di animali.

La biosintesi di polipeptidi/proteine con

inseriti gruppi funzionali controllati in

posizioni multiple, accoppiate alla loro

successive modificazione chimica con

leganti biologicamente rilevanti, permette

la produzione di macromolecole ben-

definite, bioattive, utili come farmaci ed

enzimi.

Vista semplificata del processo di ricombinazione.

Fonte: Novo - Nordisk brochure promozionale p 6.

Attilio Citterio

Codice Genetico Espanso

Alcuni aminoacil-tRNA naturali sono tollerati dai ribosomi, altri non lo

sono. Inoltre, un aminoacil-tRNA non-naturale deve essere trasportato

efficientemente nel citoplasma quando viene aggiunto al mezzo di

crescita o biosintetizzato dall’ospite, e deve essere stabile in presenza di

enzimi metabolici endogeni:

Il Laboratorio di Peter Schultz ha

usato la manipolazione genetica

per ingegnerizzare un batterio in

grado di sintetizzare la para-

amminofenilalanina e incorporarla

nelle proteine. Per fare ciò, si è

evoluto una aminoacil-tRNA

sintetasi mutante capace di

inserire questo amminoacido in

un tRNA soppressore mutante.

J. Am. Chem. Soc. 2003 Jan 29;125(4):935-9.

Amminiacilazione

chimica

Inserimento cellulare

SoppressoretRNA

aa naturaleaa non-naturale

tRNANaturale

aaRSs endogeno

aaRS ortogonale

Codone naturaleCodone non-sense

Proteina

a