Metalli in Biologia. Metalli e leganti bio

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1 Metalli in Biologia Metalli e leganti bio

2 La struttura della mioglobina La struttura della emoglobina John Cowdery Kendrew MRC, Cambridge, UK Nobel Prize in 1962 Max Ferdinand Perutz MRC, Cambridge, UK Nobel Prize in 1962

3 Le proprietà funzionali di una proteina dipendono dalla sua struttura tridimensionale La struttura 3D deriva dal fatto che sequenze particolari di aminoacidi in catene polipetidiche, partendo da catene lineari, si ripiegano su se stesse per generare domini compatti con specifiche strutture FOLDING

4 Struttura primaria Si riferisce alla sequenza di amminoacidi lungo lo scheletro di legami covalenti della molecola proteica, includendo anche i legami a ponte disolfuro e le modificazioni post-translazionali

5 Struttura secondaria Si riferisce a motivi strutturali locali che si ripetono e che sono mantenuti da legami a H (es. α-eliche e β-sheet)

6 Struttura terziaria E formata da un insieme di elementi strutturali che formano uno o più unità globulari compatte chiamati domini. Grazie alla formazione della struttura terziaria gli aa che sono lontani in sequenza, sono vicini nello spazio e insieme possono formare la regione funzionale chiamata sito attivo

7 Struttura quaternaria Si riferisce alla reciproca disposizione spaziale di catene polipeptidiche in molecole proteiche che sono costituite da più subunità tenute insieme da forze non covalenti Superossido dismutasi

8 Tipi di struttura secondaria Ci sono tre tipi di struttura secondaria comuni nelle proteine, chiamate α eliche, foglietti β e turns Tutte le altre conformazioni che non possono essere classificate all interno di queste tre classi sono usualmente raggruppate in una categoria detta random coil anche se non è una definizione corretta Un elemento che accomuna tutti i tipi di struttura secondaria è la presenza di caratteristici legami ad idrogeno (per esempio fra il CO del residuo i e l NH del residuo i+4 nelle eliche)

9 Angoli diedri del backbone Angolo diedro ω: rotazione attorno al legame peptidico C α 1-{C -N}- C α 2 Angolo diedro φ: rotazione al legame fra l N e il C α C 1 - {N - C α } - C 2 Angolo diedro ψ: rotazione attorno al legame fra C α e il carbonio del carbonile: C α -{ C -N}- C α

10 L angolo ω tende ad essere planare (0º - cis, o 180 º - trans) dovuto alla delocalizzazione degli elettroni π del carbonile e del lone pair dell atomo di azoto

11 Gli angoli φ e ψ sono flessibili e una rotazione può avvenire lungo tali angoli Comunque, gli angoli φ e ψ di un dato residuo aminoacidico sono limitati da fattori di ingombro sterico e solo in 10% di tutte le possibili combinazioni di {φ, ψ} sono osservate nelle proteine G.N. Ramachandran

12 Ramachandran Plot Plot di φ vs. ψ Gli angoli che sono stericamente permessi cadono in specifiche regioni del diagramma White = sterically disallowed conformations (atoms come closer than sum of van der Waals radii) Blue = sterically allowed conformations

13 Ramachandran Plot sperimentali Distribuzione degli angoli φ, ψ 42 strutture di proteine ad alta risoluzione

14 Cofattori Un cofattore è una piccola molecola necessaria ad una macromolecola affinchè quest ultima svolga la propria funzione Solitamente, ne la piccola molecola nè la macromolecola possono svolgere la loro funzione in assenza dell altra Il cofattore è qualche volta chiamato gruppo prostetico

15 Cofattori non-metallici Esistono cofattori proteici coinvolti in processi biologici che NON contengono ioni metallici, come ad esempio le flavine, le pterine, l ADP, l ATP, il NAD + e molti altri! Flavin ATP NH 2 R O O O N N CH 3 CH 3 N N N NH O HO P OH O P OH O P OH O O OH NH N O OH OH

16 Cofattori metallici Sono ioni metallici associati stabilmente ad una catena polipeptidica Tipicamente sono utilizzati o come centri catalitici o per aiutare la proteina ad assumere alcune geometrie specifiche Cys10 Met92 Cys31 His87 His37 Cys84 Cys7 Cys28

17 Cofattori metallici M + P MP K f = [MP]/[M][P] K f può variare di molti ordini di grandezza metalloproteina vs complesso metallo-proteina

18 Leganti proteici Side-chain Cys Met His Glu Asp Tyr Lys Thr Ser Atomi del backbone C=O N

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20 Proprietà acido-base degli amino acidi naturali Quando leganti proteici sono legati a ioni metallici, generalmente divengono più acidi in quanto la carica positiva del metallo stabilizza la base coniugata del legante pk a H 2 O = 15.7 pk a Zn-H 2 O 7 Free AA pka Cys 8.3 Met - His + /His 6.0 His/His Glu 4.3 Asp 3.9 Tyr 10.1 Ser 13.0 Thr 13.0 Asn - Gln - Lys 10.5 Arg 12.5

21 Legame peptidico I gruppi amminici legano attraverso la coppia dell N orientata lungo l asse di legame Le amidi tendono a legare attraverso il CO

22 Leganti con atomo donatore S - Cys HS H COOH NH 2 Cu, Zn, Fe, Ni, Mo Cu proteine blu di rame Cu CuA in citocromo c ossidasi Cu, Cd - metallotioneine Fe nitrile idratasi Fe proteine ferro-zolfo Ni idrogenasi Zn alchol deidrogenasi Zn zinc finger

23 M S - M 1 M 2 S - CH 2 Cys10 CH 2 Cys31 Cys7 Cys28

24 Leganti con atomo donatore S - Met H 3 C S COOH Legante neutro H NH 2 Cu proteine blu di rame Cu ossidasi Cu Cu A in citocromo c ossidasi Fe citocromi E un legante più debole di Cys e la sua affinità è spesso modulata dallo stato di ossidazione dello ione metallico

25 M S CH 3 Met92 H 2 C CH 2 His87 His37 Cys84

26 Leganti con atomo donatore N - His H N COOH His120 N H NH 2 His48 His46 Cu In solventi protici l NH della His libera scambia rapidamente mentre la presenza di uno ione metallico induce una riduzione della pka His63 His80 Zn Asp83 His71 Nδ1 e Nε2 Cu, Zn SOD

27 Leganti con atomo donatore N - His N H N H COOH NH 2 Nδ1 e Nε2 Cu, Fe, Ni, Zn Il metallo si trova spesso nel piano su cui giace l anello Seconda sfera di coordinazione

28 N NH δ1 CH 2 HN ε2 N CH 2 The Nε-H tautomer is the predominant form. The presence of metal ions may induce preferential binding for one of the two positions (Nδ1 or Nε2). M M M 1 M 2 N NH HN N N - N CH 2 CH 2 CH 2

29 Leganti con a.d. O Glu & Asp HOOC COOH H NH 2 HOOC COOH H NH 2 Il gruppo COO - può essere bidentato Ca Proteine EF Fe non-eme ferroproteine K, Na, Mg molti esempi

30 M syn-carboxylate-metal ion stereochemistry is far more common O O - O O - M syn anti M M 1 M 2 M 1 M 2 O O - O O - O O -

31 Gln, Asn Ser H 2 NOC COOH H NH 2 H NOC 2 H COOH NH 2 HO K + COOH H NH 2 Mn & Zn

32 M O NH 2

33 M M HO HO CH 2 HC CH 3

34 Leganti con atomo donatore O - Tyr HO Fe diossigenasi e PAP COOH H NH 2 La protonazione dell O può modulare la lunghezza del legame M-O

35 M O M OH CH 2 CH 2 Protonation of Tyr ligands can modulate their metal-oxygen bond length and even cause them to dissociate. This effect represents a source of flexibility in the active center of non-heme, noniron sulfur proteins.

36 Post-traslational modifications Post-traslational modifications at the metal-binding site occur in a number of proteins. In some cases the nascent apo-protein undergoes a reaction that induce a covalent change in a certain amino-acid, whose modified side chain will provide the donor atom(s) Examples are the reactions that transform Glu, Asp, Asn, and Ser in g-carboxy-glu, b-hydroxy-asp, b-hydroxy- Asn, and phospho-ser, respectively Tyr side chains linked by a covalent bond to other amino acids are also relatively common

37 Leganti esogeni

38 Consensus La presenza di specifici residui in precise posizioni della catena polipeptidica rispetto alla posizione dello ione metallico permette di prevedere possibili siti di legame in proteine dalla funzione ignota