Struttura primaria (sequenza) Struttura secondaria (α-elica, foglietto β) Struttura Supersecondaria (αα, ββ, βαβ, ecc.)

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1 Struttura primaria (sequenza) Struttura secondaria (α-elica, foglietto β) Struttura Supersecondaria (αα, ββ, βαβ, ecc.) Domini Struttura terziaria (mono o multidominio) Struttura quaternaria (complessi)

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5 Illustration of the problem of parsing the protein 3D structure into structural domains, (a) The most common definition of structural domains, as groups of residues with a maximum number of contacts within each group and a minimum number of contacts between the groups, (b) Domains may be composed of one or more chain segments. Any domain-assignment procedure must therefore be able cut the polypeptide chains as many times as necessary. When both domains are composed of contiguous chain segments (continuous domains), only one chain cut (1-cut) is required. When one domain is continuous and the other discontinuous, a situation that may arise as a result of gene insertion, then the chain has to be cut in two places (2-cuts). When both domains are discontinuous, additional chain cuts maybe required. In the example shown, the chain is cut in four places (4-cuts), and thus the domain on the left-hand side contains three chain segments, whereas that on the right contains two chain segments, (c) This drawing shows two solutions to the problem of partitioning the protein 3D structure into substructures. To partition the 3D structure into domains, many such solutions need to be examined in order to single out the one that satisfies the criterion given in (a) DETERMINAZIONE DEI DOMINI DI UNA PROTEINA A LIVELLO STRUTTURALE Calcolo delle matrici di distanza tra gli atomi C-alpha. Rossman and Liljas (1974) a) c) b)

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45 Domini strutturali delle proteine definiti come quelle parti di peptide che si ripiegano in una struttura tridimensionale caratteristica indipendentemente dal resto della proteina Rappresentano una strategia modulare per progettare proteine Molte proteine (ma non tutte!) sono costituite da componenti strutturalmente distinti, cioe risultano formate da due o piu domini (o moduli) strutturali Ognuno di questi si puo trovare anche in altre proteine Tipicamente contengono da 40 a 100 aminoacidi e spesso adottano strutture terziarie stabili, anche quando isolati dalla proteina di appartenenza Talvolta sono usati ripetutamente nella stessa proteina Il riconoscimento degli stessi moduli su proteine diverse permette di predire alcune proprieta, relative alla presenza di quel modulo, della proteina stessa

46 Struttura terziaria di 5 moduli proteici utilizzati per la costruzione di proteine complesse multimodulo Modulo della proteina di controllo del complemento Modulo delle immunoglobuline Modulo della fibronectina tipo I Modulo dei fattori di crescita Modulo di kringle

47 Alcune proteine che consistono di mosaici di moduli di proteine γcg=moduli contenenti residui di γ- carbossiglutammico G=modulo dell epidermal growth factor K= Kringle domain C=si trova nelle proteine del complemento F1,F2, F3= dapprima identificato nelle fibronectine I= dominio della superfamiglia delle immunoglobuline N= si trova in alcuni recettori di fattori di crescita E=modulo omologo ai motivi EF delle proteine che legano calcio LB= modulo della lectina

48 si legano a motivi peptidici contenenti una fosfotirosina. Il legame dipende da specifici motivi dal lato C della fosfotirosina si legano a sequenze ricche di prolina riconoscono e si legano a specifiche fosfotirosine ma in maniera diversa dagli SH2. si legano a sequenze ricche di prolina si lega a 4 o 5 residui terminali della proteina target si associa con specifici fosfoinositidi e dirige le proteine target veso la membrana plasmatica

49 Proteine e peptidi di membrana e della superficie cellulare non include le proteine del sistema immunitario Possono contenere i domini descritti con ripiegamenti diversi rispetto alle proteine solubili

50 Struttura primaria (sequenza) Struttura secondaria (α-elica, foglietto β) Struttura Supersecondaria (αα, ββ, βαβ, ecc.) Domini Struttura terziaria (mono o multidominio) Struttura quaternaria (complessi)

51 Proteine globulari Le regioni di catena polipeptidica che non possono essere definite come eliche o foglietti, vengono chiamate "Random coil (avvolgimento casuale) Ma nei tratti random coil l avvolgimento non e casuale: si tratta di strutture organizzate variabili e stabili come le altre strutture secondarie: semplicemente sono difficili da descrivere Sono fortemente influenzate dalle interazioni delle catene laterali I livelli di struttura di una proteina globulare non devono assolutamente essere immaginati come statici Vari elementi e domini di una proteina si muovono e i movimenti si possono studiare tramite spettroscopia NMR o di fluorescenza: Fluttuazioni atomiche, che dipendono dell energia cinetica all interno della proteina e sono funzione della temperatura Cambiamenti conformazionali in risposta a particolari stimoli (es il legame con antigene delle immunoglobuline o il legame con i/il modulatori di un enzima allosterico)

52 Vie sistematiche per classificare le proteine globulari Nel 1965 si conosceva la struttura cristallina di tre proteine (mioglobina, lisozima, emoglobina) Da allora il numero si strutture proteiche e cresciuto esponenzialmente nel 2006 oltre strutture cristallizzate o NMR Molte devono essere ancora risolte, si assume che il genoma umano codifichi per piu di proteine Divenne chiaro che non tutte sono uniche ma ci sono molte somiglianze strutturali tra proteine non relate Queste somiglianze sono analizzate al meglio a livello di domini proteici (quella parte di proteina che forma una tipica struttura tridimensionale indipendentemente dal resto) Le proteine globulari possono contenere 1, molti o piu di 100 domini Le grandi proteine multidominio spesso contengono multiple copie di tipici domini Si e stimato che ci potrebbero essere 1000 differenti domini, anche se qualcuno ritiene che ce ne possano essere Diversi domini che adottano la stessa struttura non hanno gli atomi esattamente nello stesso posto! Ogni dominio strutturale comprende quindi ripiegamenti tipici (definiti da tipici valori Φ e Ψ )

53 I domini strutturali di una proteina sono l unita base della biologia strutturale moderna. Dal 1990, quando un significativo numero di strutture sono state depositate nelle banche dati le strutture delle proteine sono state classificate sistematicamente Esempi di classificazione basati su SCOP (banca dati di classificazione strutturale)

54 Classificazione strutturale delle proteine globulari In aggiunta alla classificazione basata sugli strati, le proteine possono venir raggruppate in base al tipo e alla disposizione della struttura secondaria Si possono dividere in 7 classi principali: 1. proteine tutte alfa 2. proteine tutte beta 3. Proteine a/b 4. Proteine a + b 5. Proteine multidominio (alfa e beta) 6. Proteine e peptidi di membrana e della superficie cellulare 7. Piccole proteine Ognuna di queste classi comprende (spesso centinaia!) di ripiegamenti diversi Le somiglianze in struttura terziaria all interno di queste classi non riflettono necessariamente funzioni simili o tra loro relate: l omologia funzionale dipende da somiglianze strutturali su una scala decisamente inferiore!!

55 Proteine tutte alfa E la maniera piu semplice di impaccare le eliche - con collegamenti corti e impaccamento antiparallelo Le proteine globiniche - mioglobina ed emoglobina - sono proteine tutte alfa

56 Proteine tutte beta i filamenti sono solitamente antiparalleli Usualmente nei filamenti beta antiparalleli i residui idrofobici sono sistemati solo su di un lato del foglietto Quindi solo un lato deve essere protetto dal solvente Sono di solito sistemate a formare barili, cilindri o foglietti

57 proteine alfa e beta (a/b) formate da unita beta alfa beta. I foglietti beta sono (di solito) paralleli I filamenti beta paralleli solitamente distribuiscono i residui non polari su entrambi i lati del foglietto β Questo comporta che entrambi i lati del foglietto debbano essere protetti dal solvente Quindi questo tipo di struttura costituisce tipicamente il nucleo interno o core di una proteina, dove l accesso al solvente e minimo

58 Proteine a/b-segue A questa classe appartengono: Le cosiddette strutture a barile β parallelo a otto filamenti : Ogni filamento β nel barile e affiancato da una α elica antiparallela: le α-eliche formano cosi un cilindro piu grande di eliche parallele concentriche con il barile. Entrambi i cilindri hanno un leggero ripiegamento destrorso I foglietti paralleli doppiamente avvolti (Doubly wound parallel β sheets) Una parete di filamenti β paralleli o misti protetta su entrambi i lati da eliche o altre strutture

59 Proteine alfa e beta (a+b) Costituite da regioni alfa e beta separate. Le regioni beta sono soprattutto foglietti beta antiparalleli.

60 Proteine multidominio per dominio si intendono quelle parti di peptide in una proteina capaci di generare una struttura tridimensionale caratteristica indipendentemente dal resto della catena polipeptidica I ripiegamenti consistono di uno o piu domini appartenenti alle diverse classi descritte

61 Piccole proteine Ne fanno parte proteine (o parti di proteine) che contengono metalli, eme e che contengono ponti disolfuro Le loro conformazioni sono di solito fortemente influenzate dalla presenza di metalli e/o da ponti disolfuro Sono di solito instabili se vengono ridotti i disolfuri o se i metalli sono rimossi.

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