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
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