Domini nelle Proteine

Transcript

1 Struttura secondaria, Motivi e Domini nelle Proteine

2 Proprietà generali Le forme ioniche degli aminoacidi, senza considerare alcuna ionizzazione delle catene laterali.

3 Proprietà generali Tutti gli aminoacidi (ad eccezione della glicina) derivati da proteine sono otticamente attivi, cioè ruotano il piano di polarizzazione della luce. Le molecole otticamente attive sono asimmetriche in modo da non essere sovrapponibili con le loro immagini speculari (enantiomeri). Ciò è caratteristico di molecole contenenti atomi di carbonio tetraedrici con 4 diversi sostituenti. L atomo centrale si dice centro chirale.

4 Il legame peptidico Il gruppo peptidico ha una struttura rigida e planare, dovuta al parziale (~40 %) carattere di doppio legame del legame peptidico. O O - C C N N + H H

5 Il legame peptidico pp Il legame peptidico C N è 0.13 Å più corto del legame singolo N C α e0.08å più lungo di un doppio legame C=N. Il legame peptidico, quindi, presenta per il 60 % una natura di legame singolo e per il 40 % una natura di legame doppio.

6 Il legame peptidico Generalmente il gruppo peptidico assume la conformazione trans trans -atomi (C α ) n e(c α ) n+1 opposti legame peptidico C N. rispetto al In alcuni casi il gruppo peptidico può assume la conformazione cis (~8 kj mol -1 meno stabile della conformazione trans. Problemi sterici, perché distanza C α -C α =2.8Å). cis

7 Il legame peptidico O Il gruppo peptidico ha un momento di dipolo. Gli atomi O e N sono rispettivamente più elettronegativi di C ed H. La conseguente delocalizzazione di carica porta alla N formazione di due dipoli (CO ed NH) con analoga direzione e verso nel gruppo H peptidico. Il momento di dipolo risultante è di circa 3.5 Debye. C

8 Gli aminoacidi Gli aminoacidi sono generalmente classificati a seconda della polarità delle loro catene laterali. li Infatti, il ripiegamento della catena polipeptidica nella sua conformazione nativa è dovuto principalmente alla tendenza che hanno le catene laterali idrofobiche a sfuggire il contatto con il solvente e le catene laterali idrofiliche ad essere esposte all acqua. Si possono quindi distinguere 3 gruppi principali di aminoacidi: - gruppo Rnonpolare - gruppo R polare non carico - gruppo R polare carico

9 Gruppo R non polare Gruppo R polare non carico Glicina Gly G Serina Ser S Alanina Ala A TreoninaThr T Valina Val V Asparagina Asn N Leucina Leu L Glutammina Gln Q Isoleucina Ile I Tirosina Tyr Y Metionina Met M Cisteina Cys C Prolina Pro P Fenilalanina Phe F Triptofano Trp W Gruppo R polare carico Lisina Lys K Arginina i Arg R Istidina His H Acido Aspartico Asp D Acido Glutammico Glu E

10 Proprietà acido-base pk a degli aminoacidi I valori di pk a del gruppo carbossilico ed aminico ii degli altri aminoacidi sono simili a quelli della glicina. Alcuni aminoacidi contengono anche catene laterali ionizzabili: Asp, Glu, His, Cys, Tyr, Lys e Arg. Il pk delle catene laterali ionizzabili Il pk a delle catene laterali ionizzabili degli aminoacidi è compreso tra i valori 3.9 (Asp) e 12.5 (Arg).

11 Angoli diedri φ e ψ Proprietà fondamentale del legame peptidico è di essere rigido e planare. Isoligradidilibertàdell unità peptidica rigida sono: - rotazione intorno al legame N C α (angolo φ) - rotazione intorno al legame C α C (angolo ψ) A ciascun aminoacido viene associata una coppia di angoli diedri (φ, ψ), che determina in modo univoco la conformazione della catena principale. i

12 Angoli diedri φ e ψ Molte combinazioni di angoli (φ, ψ) per gli aminoacidi non sono permesse, a causa delle collisioni steriche fra atomi della catena principale e/o delle catene laterali. I valori di (φ, ψ) stericamente permessi si possono determinare calcolando le distanze fra gli atomi di un tripeptide in corrispondenza di tutti i valori (φ, ψ) per l unità peptidica centrale. Le conformazioni stericamente proibite sono quelle per cui la distanza interatomica di un interazione non covalente è inferiore alla corrispondente somma di raggi di van der Waals.

13 Plot di Ramachandran Le coppie (φ, ψ) permesse per gli aminoacidi sono riportate in un diagramma chiamato plot di Ramachandran, dal nome del fisico indiano G.N. Ramachandran che per primo (fine anni 60) calcolò le regioni stericamente permesse. Ramachandran e colleghi usarono il modello che schematizza gli atomi come sfere rigide e fissa le geometrie dei legami. Mi iù i d l l t di R h d i lt d l l l d ll Misure più precise del plot di Ramachandran risultano dal calcolo delle energie relative a ciascuna conformazione, permettendo una certa flessibilità per i contatti di van der Waals e per gli angoli di legame, e calcolando i contributi di tutte le interazioni favorevoli e non.

14 Plot di Ramachandran Plot di Ramachandran relativo ad un tripeptide costituito da Ala. Qualunque scelta accettabile si faccia del raggio di van der Waals, si ottengono comunque solo 3 regioni del plot di Ramachandran fisicamente accessibili alla catena polipeptidica. Le zone in azzurro sono quelle largamente permesse, mentre le zone in verde indicano le conformazioni, comunque possibili, che hanno distanze di van der Waals al limite inferiore dell accettabilità.

15 Plot di Ramachandran

16 Plot di Ramachandran Le regioni del plot di Ramachandran sono indicate con il nome della conformazione risultante in un peptide p se i corrispondenti angoli (φ, ψ) sono ripetuti negli aminoacidi successivi lungo la catena polipeptidica. α-eliche destrorse filamenti β antiparalleli e paralleli α-eliche sinistrorse

17 Plot di Ramachandran Valori di (φ, ψ) relativi a ciascuna struttura secondaria

18 La struttura secondaria Le strutture secondarie sono disposizioni regolari della catena polipeptidica principale, che vengono classificate senza fare riferimento al tipo di aminoacidi. Esse sono stabilizzate da legami idrogeno fra il gruppo aminico e il gruppo carbonilico della catena principale. La regolarità della conformazione risulta dalla regolarità della struttura atomica della catena polipeptidica, ed è evidenziata dai valori degli angoli diedri (φ, ψ) di ciascun aminoacido, che si ripetono quasi costantemente all interno di ogni elemento di struttura secondaria.

19 La struttura secondaria Si distinguono fondamentalmente tre tipi di strutture secondarie: α elica foglietto β reverse turn Circa il % degli aminoacidi delle proteine globulari assume la conformazione regolare tipica di uno dei tre tipi di struttura secondaria. I segmenti di catena polipeptidica che non sono in α elica, foglietto β o turn, assumono o la conformazione o o chiamata ata loop o random coil,, struttura non ripetitiva né regolare, spesso priva di legami idrogeno tra gli aminoacidi che la compongono.

20 α elica L α elica èla struttura secondaria più frequentemente adottata dalla catena polipeptidica delle proteine: circa il % degli aminoacidi delle proteine globulari di struttura tridimensionale nota assume la conformazione ad α elica. Fu descritta per la prima volta nel 1951 da Linus Pauling e Robert Corey (California Institute of Technology), che ipotizzarono una struttura stabile ed energeticamente favorita nelle proteine, sulla base di parametri geometrici accurati per lunitàpeptidica l unità dedotti dall analisi analisi cristallografica di strutture di piccole molecole. La previsione di Pauling e Corey ricevette molto presto il supporto sperimentale dalla determinazione della struttura tridimensionale della mioglobina (John Kendrew, 1960) e dell emoglobina (Max Perutz, 1961), due proteine i cui elementi di struttura secondaria sono α eliche.

21 α elica Un α elica destrorsa è caratterizzata da: (φ, ψ) =(-57, -47 ), corrispondenti al quadrante in basso a sinistra del plot di Ramachandran; n =3.6 residui per giro p =5.4 Å d =1.5 Å Esistono anche α eliche di tipo sinistrorso (quadrante in alto a destra del plot di Ramachandran), molto rare e limitate a pochi aminoacidi. Esse sono caratterizzate da valori (φ, ψ) = (+57, +47 ) e da stessi valori per n e p (n negativo).

22 (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

23 α elica Le catene laterali degli aminoacidi che appartengono ad un α elica destrorsa sono rivolte verso l esterno e verso l estremità N-terminale dell elica. In questo modo si evitano interferenze steriche con la catena polipeptidica principale e tra le catene laterali stesse. Un α elica sinistrorsa i si trova molto raramente nelle proteine (solo brevi tratti di 3-5 aminoacidi) perché le catene laterali interferirebbero stericamente con la catena principale.

24 α elica All α elica è associato un macrodipolo. Ad ogni unità peptidica è associato un dipolo; nell α elica questi dipoli sono tutti allineati lungo l asse dell elica elica. I dipoli associati a ciascuna unità peptidica si sommano e un α α elica costituita da n aminoacidi avrà un momento di dipolo complessivo pari a n 3.5 Debye.

25 (D. Voet, J.G. Voet, Biochemistry, 3 ed., John Wiley & Sons, 2004)

26 Altri tipi di elica Variazioni dell α elica, in cui la catena polipeptidica è avvolta più o meno strettamente, con legami idrogeno fra coppie di aminoacidi (n n+3) o (n n+5), sono chiamate elica 3 10 ed elica π. Entrambe queste conformazioni si trovano ai limiti della regione permessa per le strutture elicoidali destrorse nel plot di Ramachandran: Elica 3 10 :(φ, ψ) = (-49, -26 ) Elica π: (φ, ψ) = (-57, -70 ) Elica 3 10 ed elica π ricorrono poco frequentemente nelle proteine. In Elica 3 10 ed elica π ricorrono poco frequentemente nelle proteine. In particolare, le eliche 3 10 possono essere presenti alle estremità delle α eliche, come segmenti molto corti (3-4 aminoacidi).

27 Altri tipi di elica

28 Elica 3 10 L elica 3 10 deve il suo nome al numero di aminoacidi per giro (3) e al numero di atomi (10) compresi fra un donatore ed un accettore di legame idrogeno. Secondo questa nomenclatura, l α elica sarebbe un elica Le eliche 3 10 sono meno favorite delle α eliche: - gli atomi della catena principale sono troppo strettamente impaccati, portando ad interazioni di van der Waals repulsive; - i legami idrogeno non sono lineari; - i dipoli delle unità peptidiche deviano di circa 30 rispetto all asse dell elica; - la posizione delle catene laterali (allineate) porta ad interferenze steriche.

29 Page 233 Coiled-coil di 2 α-eliche

30 Page 232 Struttura schematica dell α-cheratina

31 Coiled-coil α elica: actina emiosina Kinemage Leu_Zipper La molecola di miosina è un dimero costituito da due catene pesanti (MW 230 kda) e quattro catene leggere (MW 20 kda) e forma una coda lunga 1400 Å e due teste. Frammenti di miosina, costituiti da due catene leggere e la parte N-terminale di una delle catene pesanti, si possono separare e costituiscono il sottoframmento S1.

32 Foglietto β Nll Nello stesso anno (1951) in cui proposero l α elica, Pauling e Corey postularono anche l esistenza di un altra struttura secondaria: il foglietto β (β-sheet). Dopo l α elica, la conformazione più ricorrente adottata dalla catena polipeptidica delle proteine è il foglietto β: circa il % degli aminoacidi nelle proteine globulari conosciute ricorre in questa conformazione. Gli angoli diedri (φ, ψ) della catena polipeptidica in conformazione foglietto β cadono nella zona permessa del plot di Ramachandran (quadrante in alto a sinistra).

33 Filamento β L unità costituente i foglietti β èilfilamento β (βstrand), lungo in media da 5 a 10 aminoacidi, con la catena polipeptidica quasi completamente estesa. I foglietti β nelle proteine globulari sono costituiti da 2 a 15 filamenti β abbinati lateralmente, con un valor medio di 6. Il filamento β si può considerare un tipo speciale di elica, con n = 2 residui per giro e una traslazione d =3.4Åper aminoacido. I filamenti β sono allineati uno vicino all altro, in modo tale che si possano formare legami idrogeno tra i gruppi CO di un filamento eigruppi NH del filamento β adiacente e viceversa.

34 Foglietto β I foglietti β formati da un certo numero di filamenti β sono pieghettati (pleated), con gli atomi C α degli aminoacidi adiacenti alternativamente leggermente sopra e sotto il piano del foglietto β, dando al foglietto β l apparenza di un foglietto pieghettato. Le catene laterali degli aminoacidi che compongono il foglietto β seguono lo stesso andamento, per cui puntano alternativamente sopra e sotto il foglietto β. Spesso un foglietto β può presentare tutte le catene laterali polari su una faccia e tutte le catene laterali non polari sull altra (ideale per costruire la superficie delle proteine).

35 Foglietto β (v (v. Animated_Lesson 8_1c) I filamenti β possono interagire fra loro a formare i foglietti β in due modi diversi: -gli aminoacidi nei filamenti β adiacenti hanno direzioni alternate (N-term C-term seguito da C-term N-term seguito da N-term C-term, ) esi parla di foglietto β antiparallelo; -gli aminoacidi nei filamenti β allineati vanno tutti nella stessa direzione (sempre N-term C-term) esi parla di foglietto β parallelo.

36 Foglietto β antiparallelo Angoli diedri (φ, ψ) =(-139, 135 ). Coppie di legami idrogeno poco spaziate si alternano a coppie largamente spaziate. Tali legami idrogeno sono paralleli fra loro e perpendicolari alla direzione dei filamenti β. Idipoli associati alle unità peptidiche costituenti un filamento β si annullano.

37 Foglietto β parallelo Angoli diedri (φ, ψ) =(-119, 113 ). Coppie di legami idrogeno uniformemente spaziati, non sono paralleli fra loro né perpendicolari alla direzione dei filamenti β. I dipoli associati alle unità peptidiche costituenti un filamento β si annullano. I foglietti β paralleli sono meno frequenti di quelli antiparalleli.

38 Foglietto β misto I filamenti β si possono anche combinare aformare un foglietto β misto, con alcune coppie di filamenti antiparalleli ed altre paralleli. I foglietti β misti sono meno frequenti di dei foglietti β antiparalleli e paralleli.

39 Reverse turn Le proteine globulari hanno una forma compatta, dovuta a numerose inversioni della direzione della catena polipeptidica che le compone. Molte di queste inversioni sono dovute alla presenza di un comune elemento strutturale, chiamato reverse turn. Gli aminoacidi coinvolti nella formazione dei reverse turn si trovano generalmente sulla superficie delle proteine e hanno natura polare e/o carica. Esistono vari tipi di reverse turn, a seconda del numero di aminoacidi che li costituiscono e degli elementi di struttura secondaria che collegano: β β-turn γ-turn Ω-loop

40 β-turn Tipo I Angoli diedri (φ, ψ) 2 = (-60, -30 ) Angoli diedri (φ, ψ) 3 = (-90, 0 ) 3 4 I β-turn di tipo I si possono considerare un breve tratto distorto di elica Nei β-turn di tipo I l aminoacido laminoacidoin posizione 2 spesso è Pro, poiché facilmente può assumere la conformazione voluta. Essi sono circa 2-3 volte più frequenti di quelli di tipo II. 2 1

41 Kinemages: Bchl_prot / Porin β-turn Tipo II Angoli diedri (φ, ψ) 2 = (-60, 120 ) Angoli diedri (φ, ψ) 3 = (90, 0 ) I β-turnditipoiidifferisconoda quelli di tipo I per un flip di 180 dell unità peptidica che collega gli 2 aminoacidi in posizione 2 e 3. 1 Nei β-turnditipoiil aminoacido in posizione 2 spesso è Pro, poiché facilmente può assumere laconformazione voluta, mentre l aminoacido in posizione 3 spesso è una Gly, per evitare che l atomo di carbonio della catena laterale sia troppo vicino all atomo di ossigeno dell aminoacido in posizione

42 Fibroina della seta L analisi della sequenza delle fibrine della seta ha mostrato la presenza di un motivo comune: domini variabili alle estremità N- e C-terminali terminali, affiancati da ampie regioni (fino a 800 aminoacidi) caratterizzate dalla ripetizione del motivo (-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala) n. Questi tratti ripetitivi di catena polipeptidica formano foglietti β,in cui gli aminoacidi Gly si trovano su un lato del foglietto β e Ala/Ser sull altro lato.

43 La struttura tt supersecondaria

44 La struttura supersecondaria Elementi di struttura secondaria si combinano a costituire aggregati locali con geometria specifica, che definiscono la struttura supersecondaria (o motivi). Alcuni di questi motivi si possono associare ad una particolare funzione, come ad esempio il legame del DNA, mentre altri non hanno una funzione biologica specifica, ma sono semplicemente parte di organizzazioni strutturali più ampie e complesse. I principali i motivi i individuati id nelle proteine ti sono: - motivi α - motivi β - motivi α/β

45 Motivi α Nonostante siano le strutture secondarie più frequenti nelle proteine, le α eliche isolate non sono stabili in soluzione. Nelle strutture terziarie delle proteine le α eliche si impaccano in modo adiacente una all altra attraverso interazioni tra le catene laterali idrofobiche. I principali i motivi i α sono: - α-loop-α α - EF hand

46 Motivi α: α-loop-α Il motivo α più semplice consiste di 2 α eliche antiparallele collegate da una regione di loop, chiamato α hairpin. La più breve connessione fra 2 α eliche coinvolge 2aminoacidi, di cui il secondo è sempre Gly, orientati perpendicolarmente agli assi delle eliche. Le eliche risultano cosi antparallele, e sono stabilizzate dall interazione dei loro macrodipoli. N C

47 Motivi α: α-loop loop-α α Un particolare motivo α-loop-α è caratteristico di alcune proteine che riconoscono e legano specifiche zone di DNA. (noto anche come motivo HTH) In particolare, una di queste 2 eliche si va ad inserire nel solco maggiore del DNA, e riconosce le basi nucleotidiche, mentre l altra interagisce con i gruppi fosfatof dll delloscheletro hlt desossiribosio-fosfato. Kinemage... Exercises/E19

48 Motivi α: EF hand Il secondo motivo α è specifico per il legame del calcio ed è presente in proteine che legano il calcio quali parvalbumina, calmodulina e troponina C, che regolano l attività cellulare. Questo particolare motivo, trovato per la prima volta nella parvalbumina, viene chiamato EF hand. Il loop fra le 2 eliche lega lo ione Ca 2+

49 Motivi β: β-hairpin Il motivo β più semplice è quello costituito da 2 filamenti β antiparalleli adiacenti collegati da un tratto di loop. Questo motivo, chiamato β-hairpin o unità β β, ricorre molto frequentemente nelle strutture β antiparallele, come motivo isolato o come parte di un foglietto β più complesso. La lunghezza dl del tratto di loop tra i filamenti β èvariabile, ma di solito è costituito da 2-5 aminoacidi (v. reverse-turns, come elementi di struttura secondaria). A questo motivo β non è associata nessuna funzione specifica.

50 Motivi α/β: Cross over connection Alla base dei motivi α/β sta il modo in cui 2 filamenti β paralleli vengono collegati. Due filamenti β paralleli adiacenti di solito sono connessi da un α elica, che collega l estremità C-terminale del primo filamento β con l estremità N- terminale del secondo filamento β, in modo tale che l asse dell elica li sia parallelo ai filamenti β. Questo motivo β-α-β viene chiamato cross-over connection.

51 Motivi α/β: Cross over connection La cross over connection consiste di di due filamenti β paralleli, un α elica e due loop (che possono variare notevolmente in lunghezza). L α elica si impacca con i 2 filamenti β, riparando dal solvente gli aminoacidi idrofobici dei filamenti β. La cross over connection può essere considerata come un largo giro di superelica, a partire dal primo filamento β, attraverso la connessione, fino al secondo filamento β. La cross over connection può essere di tipo destrorso () (a) osinistrorso i (b). Quasi tutte le proteine presentano una cross over connection destrorsa.

52 I domini I motivi generalmente si combinano a formare strutture globulari compatte, chiamate domini. Una proteina può essere costituita da uno o più domini. I domini sono definiti come parte di una catena polipeptidica p p (o al limite l intera catena caso particolare) che si ripiega indipendentemente in una struttura stabile. I domini possono essere unità funzionali; spesso a domini diversi di una proteina sono associate funzioni diverse.

53 I domini Le proteine possono essere costituite da un singolo dominio o da molti (anche diverse dozzine).

54 I domini Michael Levitt and Cyrus Chothia, sulla base di semplici considerazioni sulla connessione dei motivi, hanno classificato i domini in 3 gruppi principali, a seconda delle strutture secondarie e dei motivi coinvolti nella loro formazione: - domini α:α helical bundle, globin-fold. - domini β:up-and-down, chiave greca, jelly roll, β-helix - domini α/β : α/β barrel barrel, α/β open sheet, fold a ferro di cavallo - domini piccoli, contenenti metalli o ponti S-S

55 Domini α: α helical bundle L α helical bundle è costituito da 4 α eliche disposte in modo tale che i loro assi siano reciprocamente quasi paralleli. Le catene laterali idrofobiche degli aminoacidi di ciascuna α elica sono orientate verso l interno dell α helical bundle, mentre le catene laterali idrofiliche degli aminoacidi sono rivolte verso l esterno. Le catene laterali idrofobiche ri olte erso Le catene laterali idrofobiche rivolte verso l interno dell α helical bundle sono così strettamente impaccate che non c è spazio per molecole d acqua.

56 Domini α: α helical bundle L α helical bundle è un tipo di dominio che ricorre in svariate proteine (mioemeritrina, citocromo c' e b 562, ferritina, proteina del capside del virus del mosaico del tabacco). In questi casi le α eliche sequenzialmente vicine sono sempre antiparallele.

57 Domini α: α helical bundle L α helical bundle si può anche formare con arrangiamenti topologici delle α eliche diversi, come nel caso dell ormone umano della crescita. In questo caso, l α helical bundle è formato da 2 coppie di eliche parallele che sono disposte in modo antiparallelo nell α helical bundle. L impaccamento antiparallelo delle α eliche conferisce loro maggiore stabilità in quanto i macrodipoli associati a ciascuna α elica si annullano a vicenda.

58 Domini α: α helical bundle Le α eliche che costituiscono l α helical bundle si impaccano con la modalità cresta-solco. solco Le creste e i solchi sono costituiti dalle catene laterali di aminoacidi separati da 3-4 residui (fig. c e b rispettivamente). La geometria dei solchi e delle creste di un α elica dipende dalla geometria dell elica ma anche dalla sua sequenza aminoacidica.

59 Domini α: Globin fold Un altro impaccamento tipico delle α eliche è quello osservato nel globin fold, caratteristico di emoglobine, mioglobine e ficocianine. Il globin fold è costituito da 8 α eliche, indicate con le lettere A-H, collegate da loop piuttosto corti, in modo da disporsi a formare la tasca del sito attivo, che in mioglobina e emoglobina, ospita il gruppo eme. La lunghezza delle α eliche varia considerevolmente: da 7 aminoacidi per l elica C a 28 aminoacidi per l elica lelicah. Le α eliche sono disposte in direzioni diverse, in modo tale che α eliche adiacenti in sequenza non lo sono nella struttura, con l eccezione delle eliche G e H.

60 Domini i β Nonostante l elevato numero di possibili disposizioni di filamenti β (a costituire foglietti β antiparalleli) connessi da tratti di loop, i domini β più frequentemente osservati sono solo 3: - up and down - chiave greca - jelly roll In generale, i filamenti β sono disposti in modo tale da formare 2 foglietti β impaccati uno con l altro, a formare un core idrofobico. Un discorso a parte meritano i domini a β elica, una struttura β recentemente scoperta.

61 Domini β: Up and down La topologia più semplice per foglietti β antiparalleli li è chiamata up and down: in essa i filamenti β adiacenti sono collegati da regioni di loop (β-hairpin). Spesso l ultimo filamento β è collegato al primo da legami idrogeno, a formare un barile (β barrel) di 8 filamentii β, comenel caso delle proteine che legano il retinolo o acidi grassi. I ti i ll d i fil ti β In questi casi, nelle sequenze dei filamenti β catene laterali idrofobiche si alternano a catene laterali polari e cariche idrofiliche, in modo tale da formare il core idrofobico all interno del barile e da interagire esternamente con il solvente.

62 Kinemage Exercises/Ig-fold Domini β: Chiave greca Se si vogliono collegare 8 filamenti β antiparalleli con una topologia diversa da quella up and down, ci sono solo 2 alternative: collegare il filamento β n a quello n+3 oppure a quello n- 3. I due casi rappresentano le 2 possibili mani, cioè 2 opposte sceltechirali:intuttelestrutturedi proteine finora note si è trovata sempre e solo la topologia a chiave greca indicata in fig. a, quella destrorsa.

63 Domini β: Chiave greca Il motivo base è costituito da 4 filamenti β: 3 presentano topologia up and down e sono collegati da β-turns, seguiti da una connessione più lunga al quarto filamento β, che è adiacente al primo. Esempi di topologia a chiave greca si osservano nelle superossido dismutasi a Cu,Zn, nei domini delle immunoglobuline e nella proteina γ cristallino.

64 Domini β: Jelly roll Un altra topologia caratteristica dei filamenti β antiparalleli è chiamata jelly roll. Consideriamo una stringa costituita da 8 filamenti β antiparalleli, collegati a 2 a 2 da legami idrogeno (coppie 1-8, 2-7, 3-6 e 4-5). Se si avvolge questa stringa intorno ad un cilindro, in modo tale che i filamenti β si trovino sulla superficie del barile mentre le regioni di loop alle 2 estremità, si ottiene la topologia jelly roll.

65 Domini β: β elica Nel 1993 fu scoperta una nuova, inaspettata, struttura di tipo β, la β elica. La β elica, che non è correlabile alle altre strutture β, fu osservata per la prima volta nella struttura dell enzima batterico pectato liasi. Successivamente, sono state determinate altre strutture proteiche contenenti β eliche (tra cui proteinasi batteriche extracellulari e la proteina tailspike del batteriofago P22). Nella β elica la catena polipeptidica si avvolge a formare un ampia elica, costituita da brevi filamenti β uniti fra loro da regioni di loop. Esistono 2tipidiβ elica: - β elica a 2 foglietti β - β elica a 3 foglietti β

66 Domini β: β elica a2 foglietti β La β elica a 2 foglietti β è la forma di β elica più semplice, osservata nelle proteinasi extracellulari batteriche. Ciascun giro di elica comprende 2 filamenti β e 2 regioni di loop. Questa unità strutturale si ripete piu volte a formare una struttura elicoidale destrorsa costituita da 2 foglietti β paralleli costituiti ciascuno da 3 filamenti β, con un core idrofobico in mezzo. L unità strutturale base della β elica a 2 foglietti β è costituita da 18 aminoacidi, 3 in ciascun filamento β e 6inciascunloop.Questaunità base è caratterizzata dalla sequenza consenso: (Gly-Gly-X-Gly-X-Asp-X-U-X) X X X) 2 [X: qualsiasi aminoacido; U: idrofobico, spesso Leu]

67 Domini β: β elica a3 foglietti β Una β elica più complessa è presente nella pectato liasi e nella proteina tailspike del batteriofago P22. Nelle β eliche a 3 foglietti β ciascun giro di elica è formata da 3 segmenti β (ciascuno costituito da 3 a 5 aminoacidi) collegati da 3 loop. La β elica quindi è costituita i da 3 foglietti β paralleli, che formano i lati di un prisma. La sezione della β elica, però, non è triangolare, a causa della disposizione dei foglietti β.

68 Domini β: β elica a 3 foglietti β Due dei foglietti β sono posizionati uno adiacente all altro, come nella β elica a 2 foglietti β, e il terzo foglietto β è quasi perpendicolare agli altri 2. Un loop (a) è corto e quasi sempre formato solo da 2 aminoacidi con conformazione invariante e forma un angolo di circa 120 fra i 2 filamenti β che unisce. Gli altri 2 loop (b,, c) ) sono più lunghi e variano in dimensione e conformazione. I loop lunghi protrudono dai foglietti β e probabilmente formano il sito attivo sulla superficie esterna della proteina. Kinemage Exercises/PecLyC La variabilità in numero e tipo di aminoacidi che costituiscono i 2 loop lunghi impedisce di determinare una sequenza consenso per la β elica a 3 foglietti β.

69 Domini β: β elica a3 foglietti β Il numero di giri di elica nelle β eliche a 3 foglietti β è maggiore di quello trovato nelle β eliche a 2 foglietti β. La pectato liasi consiste di 7 giri di β elica (d = 4.86 Å), è lunga 34 Å e ha un diametro di Å, mentre la β elica della proteina tailspike del batteriofago P22 è formata da 13 giri.

70 Domini β: β elica sinistrorsa Nel 1995 è stata osservata una β elica sinistrorsa, nella struttura dell enzima enzima UDP-N acetilglucosammina transferasi (LpxA). La β elica sinistrorsa è l unica struttura di tipo β parallelo che puo essere interpretata come una cross-over connection fra i filamenti β paralleli di tipo sinistroso (vedi strutture supersecondarie). Gli enzimi che presentano la β elica sinistrorsa sono caratterizzati dalla ripetizione dell esapeptide: [LIV]-[GAED]-X-X-[STAV]-X

71 Id domini i α/β

72 Domini α/β La cross over connection è l unità costitutiva su cui si basa la topologia di 3 tipi di domini α/β osservati nelle proteine: - α/β barrel - motivi ricchi di Leu (fold a ferro di cavallo) - α/β open sheet

73 Domini α/β Due cross over connections possono essere collegate in 2 modi diversi (tramite un α elica), per formare un foglietto β parallelo di 4 filamenti β. 1) Le α eliche stanno tutte da un lato del foglietto β parallelo. L ultimo filamento β della prima cross over connection è adiacente al primo filamento β della seconda cross over connection. I filamenti β sono nell ordine Impaccamento tipico degli α/β barrel e del fold a ferro di cavallo.

74 Domini α/β 2) Le α eliche stanno sui lati opposti del foglietto β parallelo. I primi filamenti β di ciascuna cross over connection sono adiacenti. I filamenti β sono nell ordine Impaccamento tipico degli α/β open sheet.

75 Domini α/β: α/β barrel Un α/β barrel è costituito da 8 filamenti β paralleli, posizionati in modo tale che il filamento β 8 sia adiacente e faccia legami idrogeno con quello 1. Di solito le cross over connection fra i filamenti β paralleli sono α eliche. In più c è un α elica dopo l ultimo filamento β. Esistono anche α/β barrel costituiti da 10 filamenti β paralleli. L α/β barrel è un tipo di dominio che coinvolge almeno 200 aminoacidi ed è tipico di molti enzimi. E chiamato anche TIM barrel dalla struttura dell enzima trioso fosfato isomerasi, dove fu osservato per la prima volta.

76 Kinemage Exercises/ab_barrel Domini α/β: α/β barrel Nell α/β barrel le catene laterali idrofobiche delle α eliche si impaccano con le catene laterali idrofobiche dei filamenti β. Le interazioni fra le α eliche e i filamenti β coinvolgono principalmente aminoacidi del tipo Val, Ile, Leu, che costituiscono circa il 40% degli aminoacidi che costituiscono i filamenti β del barile. Le altre catene laterali degli aminoacidi (in posizione 1, 3, 5, ) dei filamenti β sono rivolte verso l interno del barile e formano un core idrofobico strettamente impaccato. Tra le catene laterali ci sono anche Arg, Lys e Gln, che presentano un gruppo polare, rivolto verso le 2 estremità del barile, in modo da poter interagire con il solvente esterno.