Aminoacidi e proteine

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1 Prof. Giorgio Sartor Aminoacidi e proteine Copyright by Giorgio Sartor. Versione mar 2012 All rights reserved. Le cellule V gsartor Aminoacidi e proteine -2-

2 Aminoacidi Gli α-aminoacidi (AA) sono molecole che presentano almeno due gruppi funzionali, il gruppo C e il gruppo 2 Legati al carbonio α 2 3 V gsartor Aminoacidi e proteine - 3- Aminoacidi Gli AA differiscono tra loro per il gruppo I mammiferi utilizzano 20 AA diversi il cui gruppo ha diverse proprietà polari e/o acidobase: alifatico (sei) aromatico (tre) idrossilato (due) o contenente zolfo (due) acido e derivati (quattro) basico (tre) apolare (otto) neutro polare (cinque) ionizzabile (sette) V gsartor Aminoacidi e proteine - 4-

3 Aminoacidi alifatici Gli AA alifatici sono sei: 3 C 3 C C Glicina GlyG Alanina Ala A Valina ValV 3 C C C C 3 2 Leucina Leu L Isoleucina IleI Prolina Pro P V gsartor Aminoacidi e proteine - 5- Aminoacidi aromatici Gli AA aromatici sono tre: Fenilalanina Phe F 2 Tirosina Tyr Y 2 2 Triptofano Trp W V gsartor Aminoacidi e proteine - 6-

4 Aminoacidi idrossilati Gli AA idrossilati sono due: 3 C 2 2 Serina Ser S Treonina Thr T V gsartor Aminoacidi e proteine - 7- Aminoacidi contenenti zolfo Gli AA contenenti zolfo sono due: S C 3 S 2 2 Cisteina Cys C Metionina Met M V gsartor Aminoacidi e proteine - 8-

5 Aminoacidi acidi (e derivati) Gli AA acidi sono due (e due le amidi): Acido aspartico Asp D 2 Acido glutamico Glu E Asparagina Asn Glutamina GlnQ V gsartor Aminoacidi e proteine - 9- Aminoacidi basici Gli AA basici sono tre: Lisina Lys K Arginina Arg 2 Istidina is 2 V gsartor Aminoacidi e proteine

6 Proprietà acido-base degli AA La presenza dei due gruppi funzionali C e 3 rende gli AA simili, nel loro comportamento acido-base, ad acidi biprotici A 2. A 2 A A K a ' K a '' Carica 1 Catione Carica 0 Anfoione Carica -1 Anione V gsartor Aminoacidi e proteine Proprietà acido-base degli AA V gsartor Aminoacidi e proteine

7 Proprietà acido-base degli AA Si definisce pi (punto isoelettrico) il valore di p al quale l AA ha carica netta 0, nel caso di un AA con catena laterale neutra è dato da: pi 1 = (pka '( α C) pka ''( α -3 2 ) ) V gsartor Aminoacidi e proteine Proprietà acido-base degli AA acidi In presenza un gruppo acido oltre ai due gruppi funzionali C e 3 gli AA si comportano come acidi triprotici A 3. A 3 A 2 A - A -- C 3 C 3 -C 3 -C 2 Carica 1 Catione K a ' Carica 0 Anfoione K a '' Carica -1 Anione K a ''' Carica -2 Dianione V gsartor Aminoacidi e proteine

8 Proprietà acido-base degli AA acidi Il pi di un AA acido è dato dalla media dei due valori minori di pk a : 1 pi = (pka '( α C) pka ''(-C) 2 ) V gsartor Aminoacidi e proteine Proprietà acido-base degli AA basici In presenza un gruppo basico oltre ai due gruppi funzionali C e 3 gli AA si comportano come acidi triprotici A 3. 3 A 3 A 2 A (C 2 ) 4 3 (C 2 ) (C 2 ) A - (C 2 ) Carica 2 Dicatione K a ' Carica 1 Catione K a '' Carica 0 Anfoione K a ''' Carica -1 Anione V gsartor Aminoacidi e proteine

9 Proprietà acido-base degli AA basici Mentre il di un AA basico è dato dalla media dei due valori maggiori di pk a : pi 1 = (pka '' pka ''' ( α 3 ) ( ε 3 2 ) ) V gsartor Aminoacidi e proteine Proprietà acido-base degli AA apolari AA pk a pk a pi Gly Ala Val Leu Ile Pro Phe Met Ser Thr Trp V gsartor Aminoacidi e proteine

10 Proprietà acido-base degli AA polari AA pk a pk a pk a pi Cys Tyr Asp Asn Glu Gln is Lys Arg V gsartor Aminoacidi e proteine Proprietà acido-base degli AA polari AA pk a pk a pk a pi Cys Tyr Asp Asn Glu Gln is Lys Arg V gsartor Aminoacidi e proteine

11 Istidina is is presenta un valore di pi vicino al p fisiologico a causa della stabilizzazione per risonanza del catione imidazolico. 3 pk a = V gsartor Aminoacidi e proteine Aminoacidi modificati Modificazioni post-traduzionali 4-idrossiprolina -fosfoserina P 3 -fosfotirosina P 3 -Acetillisina 3 C 3 V gsartor Aminoacidi e proteine

12 Isomeria ottica Tutti gli AA (esclusa la glicina) possiedono almeno un atomo di carbonio asimmetrico, il C α. C α 2 V gsartor Aminoacidi e proteine Isomeria ottica Quindi possono esistere due isomeri D ed L 3 C 3 3 C 3 D-Alanina. In natura gli AA sono in forma L. L-Alanina V gsartor Aminoacidi e proteine

13 Isomeria ottica Per quanto riguarda la configurazione assoluta degli L-AA 18 sono S e uno (la cisteina). 2 C 3 3 C C S 2 V gsartor Aminoacidi e proteine Isomeria ottica Per quanto riguarda la configurazione assoluta degli L-AA 18 sono S e uno (la cisteina). 2 C 2 S SC 2 C 2 V gsartor Aminoacidi e proteine

14 Il legame peptidico CC Cα 1 Cα 2 2 AA 1 AA 2 (aminoterminale) (carbossiterminale) Gli AA si legano tra loro con un legame tra il gruppo carbossilico di un AA e il gruppo aminico dell AA successivo. V gsartor Aminoacidi e proteine Il legame peptidico CC 2 AA 1 AA 2 (aminoterminale) (carbossiterminale) Gli AA si legano tra loro con un legame tra il gruppo carbossilico di un AA e il gruppo aminico dell AA successivo. V gsartor Aminoacidi e proteine

15 Il legame peptidico Il legame peptidico ha caratteristiche elettroniche che ne regolano la geometria... Cα 1 Cα 2 Cα 1 Cα 2 δ Cα 2 Cα 1 δ V gsartor Aminoacidi e proteine Angoli diedri Angolo diedro A-B-C-D () orario (-) antiorario V gsartor Aminoacidi e proteine

16 Cα 1 φ (phi) C --Cα-C ψ(psi) -Cα-C - ω (omega) Cα-C --Cα C corrisponde al C=0 Cα 1 Angoli diedri ψ 1 ψ 1 ω 1 φ 1 ω 1 φ 1 * Cα 2 V gsartor Aminoacidi e proteine ψ 2 * Cα 2 ψ 2 ω 2 ω 2 φ φ φ 2 Cα 3 φ 2 Cα 3 Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà geometriche: I legami hanno lunghezze: C α -C 1.52Å C= 1.23Å C- 1.33Å -C α 1.45Å Il legame ωgeneralmente trans (180 ) Cα 1 ψ ω φ * Cα 2 V gsartor Aminoacidi e proteine

17 Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà geometriche: on vi è libera rotazione intorno al legame C- Vi è libera rotazione solo intorno ai legami φ e ψ. Cα 1 ψ ω Cα C 32 φ V gsartor Aminoacidi e proteine Il legame peptidico V gsartor Aminoacidi e proteine

18 Il legame peptidico L angolo ω tende ad essere planare Trans(180 ) o Cis(0 ) a causa della delocalizzazione degli elettroni π. Trans è molto più favorito di Cis: Solo 116 su angoli ω in 154 strutture (0.36%) sono Cis (Stewart et al. 1990). Alcune coppie di AA sono però più spesso Cis: Tyr-Pro (25%), Ser-Pro (11%), X-Pro (6.5%) Questo permette la flessibilità dello scheletro della proteina attraverso gli angoli φ e ψ con la limitazione dell ingombro sterico. ψ Trans Cα 1 Cα ω ψ ω φ φ Cα 2 Cα 2 Cis V gsartor Aminoacidi e proteine Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà geometriche: È planare. Cα 1 ψ ω φ Cα C 32 V gsartor Aminoacidi e proteine

19 Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà elettriche: Cα 2 È dipolare. Cα V gsartor Aminoacidi e proteine Angoli φ ω ψ V gsartor Aminoacidi e proteine

20 Angolo χ 2 * 3 C χ 1 χ 5 χ 4 χ 3 χ 2 C 3 * V gsartor Aminoacidi e proteine Peptidi e proteine I peptidi e le proteine sono polimeri di AA legati tra loro da un legame peptidico. Fino a 20 AA il polimero è un peptide. C V gsartor Aminoacidi e proteine

21 Struttura primaria Si definisce la struttura primaria di un peptide o di una proteina la sequenza a partire dall AA aminoterminale (il primo) all AA carbossiterminale (l ultimo). 3 -G-A-S-T-A-A-K-W-K-C Gly-Ala-Ser-Thr-Ala-Ala-Lys-Trp-Lys-C V gsartor Aminoacidi e proteine Protein folding ipiegamento V gsartor Aminoacidi e proteine

22 Distanze: X- Legame idrogeno X Y X donatore; Y accettore 1.1Å (110 pm) Y Å ( pm) in Å (197 pm) Angolo: da 46 ( 2 -F) a 180 (C-F) Energia: da 1 2 kj mol 1 a kj mol 1 (in F 2- ); 21 kj mol 1 (in 2 ) V gsartor Aminoacidi e proteine δ δ δ C 3 δ δ δ V gsartor Aminoacidi e proteine

23 Struttura secondaria La struttura II delle proteine dipende dalla formazione di legami idrogeno tra atomi di ossigeno di un legame peptidico e atomi di azoto di un altro legame peptidico. La formazione dei legami tra atomi avviene a causa: della possibilità di rotazione intorno ai legami che coinvolgono il Cα della distribuzione delle cariche nel legame peptidico che rende l atomo di ossigeno carbonilico con carica parziale negativa e l atomo di idrogeno con parziale carica positiva, ciò rende la condivisione di un atomo di idrogeno tra l ossigeno e l azoto. Cα 1...Cα n δ δ δ Cα 2... δ Cα n 1 V gsartor Aminoacidi e proteine Struttura secondaria La formazione dei legami tra atomi avviene a causa della possibilità di rotazione intorno al legame tra il Cα e l atomo di azoto che lo precede (angolo φ) ed intorno ai legami tra il Cα e l atomo di carbonio (carbonilico) che lo segue (angolo ψ). 3 φ ψ C- V gsartor Aminoacidi e proteine

24 Struttura secondaria 3 φ ψ C- 3 φ ψ C- V gsartor Aminoacidi e proteine Struttura secondaria 3 C C- V gsartor Aminoacidi e proteine

25 Struttura secondaria Poiché non tutte gli angoli di rotazione sono possibili a causa degli ingombri sterici, esistono dei minimi di energia conformazionale che corrispondono a particolari coppie di angoli φ e ψ ed alla formazione di legami con, in alcuni casi, precise periodicità: Esistono diverse strutture II: Eliche Strutture β ipiegamenti (Turns) V gsartor Aminoacidi e proteine Angolo φ negativo Angolo ψ negativo umero di residui per giro = 3.6 Passo dell elica = 5.4 Å 1.5 Å per residuo α-elica V gsartor Aminoacidi e proteine

26 α-elica V gsartor Aminoacidi e proteine Distorsioni α-elica Contatti con altre strutture secondarie; Distribuzione del solvente asimmetrica; Presenza nella sequenza di Pro V gsartor Aminoacidi e proteine

27 Elica 3 10 Tre aminoacidi per giro. Il legame forma un ciclo di dieci atomi V gsartor Aminoacidi e proteine β-sheet e β-strand L angolo φ è negativo e ψ è positivo. Le strutture β sono caratterizzate dalla formazione di legami idrogeno tra catene adiacenti e non necessariamente orientate nello stesso verso. V gsartor Aminoacidi e proteine

28 Diversi tipi di β-sheet I legami che si formano dipendono dall orientazione relativa delle catene V gsartor Aminoacidi e proteine Urato ossidasi Catecolo -Metiltransferasi V gsartor Aminoacidi e proteine

29 Diversi tipi di β-sheet I legami che si formano dipendono dall orientazione relativa delle catene V gsartor Aminoacidi e proteine amachandran plot Alanina Glicina MI MAX Scala di probabilità V gsartor Aminoacidi e proteine

30 β-sheet e β-strand amachandran plot ψ α-elica sinistrorsa Si può rappresentare la distribuzione degli angoli φeψ in una qualunque proteina mettendo in grafico gli angoli. α-elica destrorsa φ V gsartor Aminoacidi e proteine amachandran plot ψ Si può rappresentare la distribuzione degli angoli φeψ in una qualunque proteina mettendo in grafico gli angoli. φ V gsartor Aminoacidi e proteine

31 Turns I turns sono strutture composte di pochi AA, In genere fungono da collegamento tra eliche o strands. everse Turns β -hairpin Turns V gsartor Aminoacidi e proteine everse Turns i 1 Tipo II ψ i 2 Tipo I i 1 i 2 sempre glicina φ V gsartor Aminoacidi e proteine

32 β -hairpin Turns Un tipo di turn che interviene tra due β- strand antiparallele. β -hairpin V gsartor Aminoacidi e proteine β -hairpin Turns esiduo 1 ψ esiduo 2 Tipo II Tipo I esiduo 2 esiduo 1 φ V gsartor Aminoacidi e proteine

33 Struttura terziaria Superstruttura secondaria V gsartor Aminoacidi e proteine Motivi (Motifs) Si dicono motivi (motifs) semplici combinazioni di elementi di struttura secondaria arrangiati geometricamente; Spesso, ma non sempre, ai motivi sono associate particolari funzioni o attività V gsartor Aminoacidi e proteine

34 Alcuni motivi Four helix bundle elix-loop-helix Coiled coil V gsartor Aminoacidi e proteine Funzionalità Aspartato ATP Asparagina sintasi EC AMP 2 3 Mg 3 2 PPi Glutamina 3 3 Glutamato ATP Aspartil-tA sintasi EC AMP t-a Asp Mg 3 ta L-Aspartil-tA Asp 3 Aspartato PPi Asparagina V gsartor Aminoacidi e proteine

35 Asparagina sintasi EC AS V gsartor Aminoacidi e proteine Aspartil-tA sintasi EC ATP binding 1B8A V gsartor Aminoacidi e proteine

36 Similitudine strutturale 1B8A 12AS V gsartor Aminoacidi e proteine Calcium binding motif D-x-[DS]-{ILVFYW}-[DESTG]-[DQGK]-{GP} -[LIVMC]-[DEQSTAGC]-x(2)-[DE]-[LIVMFYW] V gsartor Aminoacidi e proteine

37 eme-binding motif [FY]-[LIVMK]-x(2)--P-[GA]-G [ è il ligando assiale del gruppo eme] V gsartor Aminoacidi e proteine Trypsin active site signatures [DSTAGC]-[GSTAPIMVQ]-x(2)-G-[DE]-S-G- [GS]-[SAPV]-[LIVMFYW]- [LIVMFYSTAQ] (serine signature) [LIVM]-[ST]-A-[STAG]--C (histidine signature) V gsartor Aminoacidi e proteine

38 Struttura terziaria ipiegamento (Folding) che porta alla formazione di strutture tridimensionali. I legami che sono coinvolti nella stabilizzazione della struttura III sono legami tra catene laterali Legami Van del Vaals Idrofobici Coppia ionica -S-S- V gsartor Aminoacidi e proteine Legami È un legame tra le catene laterali di due aminoacidi vicini... 3 o con il mezzo C- C- 3 C- 3 V gsartor Aminoacidi e proteine

39 Van der Walls È un legame elettrostatico tra le catene laterali di due aminoacidi vicini. 3 C 3 C 3 3 V gsartor Aminoacidi e proteine Interazione idrofobica È un legame elettrostatico tra le catene laterali di due aminoacidi vicini. 3 C- C- C- C- 3 V gsartor Aminoacidi e proteine

40 Coppia ionica È un legame elettrostatico tra le catene laterali di due aminoacidi carichi vicini C- V gsartor Aminoacidi e proteine Ponti disolfuro È un legame tra due cisteine (anche non adiacenti) che prevede l ossidazione del gruppo S. S S S S V gsartor Aminoacidi e proteine

41 Topologia Topologia a chiave greca nella superossido dismutasi(sd) V gsartor Aminoacidi e proteine Stessi elementi diversa topologia V gsartor Aminoacidi e proteine

42 Domini Unità fondamentale del folding È la combinazione di diversi elementi di struttura secondaria e/o motivi, non necessariamente contigui, che sono impaccati in una struttura globulare. Un dominio può ripiegarsi indipendentemente in una struttura tridimensionale stabile con una specifica funzionalità. βbarrel α/β barrel V gsartor Aminoacidi e proteine βbarrel LIPCALIE dorant Binding Protein From asal Mucosa f Pig 1A3Y etinol-binding Protein (bp) From Pig Plasma 1AQB Bovine β-lactoglobulin 1B0 Pheromone binding to rodent urinary protein 1MUP V gsartor Aminoacidi e proteine

43 Alcune Lipocaline 1A3Y 1AQB 1B0 1MUP V gsartor Aminoacidi e proteine Una proteina con domini multipli V gsartor Aminoacidi e proteine

44 Cores delle proteine Il core di una proteina e il motivo comune, strutturalmente conservato che distingue una classe di proteine. Il core è definito come una regione stutturale comune ad un gruppo di sequenze. Proteine con simili funzioni hanno simili cores. Le regioni periferiche (fuori dal core ) possono avere struttura anche molto diversa. V gsartor Aminoacidi e proteine V gsartor Aminoacidi e proteine

45 Struttura quaternaria Proteine formate da più catene polipeptidiche Stechiometria definita Legami ionici ed idrofobici Gli oligomeri sono più stabili delle subunità dissociate Siti attivi si possono formare tra le catene Il legame di ligandi può cambiare la struttura. V gsartor Aminoacidi e proteine Gruppi prostetici Metalli Legati direttamente (Fe, Fe,Zn, Ca, Co, Cu, Mg, Mn ) Attraverso un gruppo eme (Fe, Fe, Mg ) Come complessi con lo zolfo (Fe, Fe ) Biotina Acido lipoico etinale Piridossale V gsartor Aminoacidi e proteine

46 Legati direttamente Cu nell emocianina V gsartor Aminoacidi e proteine Legati direttamente Zn nel zinc finger binding domain V gsartor Aminoacidi e proteine

47 Legati attraverso un gruppo eme Fe nell emoglobina V gsartor Aminoacidi e proteine Come complessi FeS Clusters Fe -S nella citocromo ossidasi V gsartor Aminoacidi e proteine

48 Gruppi prostetici Biotina S L acido lipoico (può essere ossidato o ridotto) 3 C C 3 C 3 Legame amidico S S S S Legame amidico etinale C 3 C 3 Base di Shiff Base di Shiff Piridossale P C 3 V gsartor Aminoacidi e proteine Gruppi prostetici Biotina L acidolipoico (può essere ossidato o ridotto) etinale Piridossale V gsartor Aminoacidi e proteine

49 Crediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: CAMPE Pamela, AVEY ichard, FEIE Denise. LE BASI DELLA BICIMICA [ISB ] Zanichelli ELS David L., CX Michael M. I PICIPI DI BICIMICA DI LEIGE -Zanichelli GAETT eginald., GISAM Charles M. BICIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VET Donald, VET Judith G, PATT Charlotte W FDAMETI DIBICIMICA [ISB ] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Brenda: Protein Data Bank: ensselaer Polytechnic Institute: Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla rlandini dell Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento. Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: oppure da gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a avenna Giorgio Sartor - giorgio.sartor@unibo.it V gsartor Aminoacidi e proteine