Chimica Biologica A.A α-elica foglietto β reverse turn

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1 Chimica Biologica A.A α-elica foglietto β reverse turn

2 Str. Secondaria sperimentalmente osservata: Si distinguono fondamentalmente tre tipi di strutture secondarie: α elica foglietto β reverse turn - circa il % degli amminoacidi 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 la conformazione chiamata loop o random coil, struttura non ripetitiva né regolare, spesso priva di legami idrogeno tra gli amminoacidi che la compongono

3 Str. Secondaria sperimentalmente osservata: α elica - struttura secondaria più frequentemente adottata dalla catena polipeptidica delle proteine (~32-38% degli amminoacidi delle proteine globulari di struttura 3D nota) - una α elica destrorsa è caratterizzata da: (φ, ψ) = (-57, -47 ) n = 3.6 residui per giro p = 5.4 Å d = 1.5 Å - le α eliche di tipo sinistrorso molto rare e limitate a pochi amminoacidi e sono caratterizzate da valori (φ, ψ) = (+57, +47 ) e da stessi valori per n e p rispetto a quelle destrorse ( ma n negativo).

4 α elica - legami a H fra il gruppo carbonilico dell amminoacido n e il gruppo amminico dell amminoacido n+4. (distanza N O quasi ottimale, di 2.8 Å) - legami a H unidirezionali paralleli all asse dell elica - tutti i gruppi NH e CO saranno legati da legami a H, eccetto i primi 3 gruppi NH e gli ultimi 3 gruppi CO alle estremità dell elica - ottimizzazione interazioni di van der Waals fra gli atomi lungo l intero asse dell elica C-term N-term struttura fortemente impaccata dell α elica (schematizzata come cilindro pieno)

5 α elica - catene laterali rivolte verso l esterno e verso l estremità N-term dell elica (struttura ad albero di Natale ) minimizzazione interferenze steriche con catena polipeptidica principale e catene laterali - una α elica sinistrorsa si trova raramente nelle proteine (3-5 amminoacidi) perché le catene laterali interferirebbero stericamente con la catena principale

6 α elica - all α elica è associato un macrodipolo - tutti gli n dipoli associati all unità peptidica sono allineati lungo l asse dell elica (momento di dipolo totale ~ n 3.5 Debye) se q = carica agli estremi del macrodipolo e n d è la lunghezza del dipolo (d = 1.5 Å) n 3.5 Debye = n d q q = 3.5 Debye/1.5 Å = 3.5 ( Cm)/ m = = 3.5 ( ) / ( ) = e - ~ 0.5 e - parziale carica positiva e negativa rispettivamente alle estremità N- e C-terminali dell α elica tale distribuzione di carica può attrarre ligandi di carica opposta.

7 Propensione ad α-elica Ciascuno dei 20 amminoacidi mostra una specifica propensione, o meno, per assumere conformazione in α elica. Ala, Glu, Leu, Met: buoni iniziatori di α eliche Gly, Tyr, Ser: deboli iniziatori di α eliche Pro: impossibile la formazione del legame a H con il gruppo CO. La prolina si adatta bene nel primo giro dell α elica, mentre se si trova in qualunque altra posizione nell elica di solito produce una significativa distorsione dell asse dell elica dalla linearità (circa 25 ).

8 Propensione ad α-elica Le α eliche possono essere: - completamente esposte al solvente - completamente sepolte nel cuore della proteina - sulla parte esterna della superficie proteica (un lato affacciato sul solvente e l altro all interno idrofobico della proteina) tendenza delle catene laterali a cambiare da idrofobiche a idrofiliche con una periodicità di 3-4 residui.

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

10 Altri tipi di elica

11 Str. Secondaria sperimentalmente osservata: foglietto β - struttura secondaria assai frequentemente nella catena polipeptidica delle proteine (~20-28% degli a.a. delle proteine globulari di struttura 3D nota) L unità costituente i foglietti β èil filamento β (β-strand), lungo in media da 5 a 10 a.a., con la catena polipeptidica quasi completamente estesa Il filamento β si può considerare un tipo speciale di elica, con n = 2 residui per giro e una traslazione d = 3.4 Å per amminoacido

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13 Foglietto-β I foglietti β nelle proteine globulari sono costituiti da 2 a 15 filamenti β abbinati lateralmente, con un valor medio di 6 I filamenti β sono allineati uno vicino all altro, in modo tale che si possano formare legami a H tra i gruppi CO di un filamento e i gruppi NH del filamento β adiacente e viceversa

14 Foglietto-β foglietto-β antiparallelo foglietto-β parallelo (φ, ψ) = (-139, 135 ) (φ, ψ) = (-119, 113 ).

15 Foglietto-β foglietto-β misto I filamenti β si possono anche combinare a formare un foglietto β misto, con alcune coppie di filamenti antiparalleli ed altre paralleli I foglietti β misti sono meno frequenti dei foglietti β paralleli ed antiparalleli

16 Foglietto-β I foglietti β formati da un certo numero di filamenti β sono pieghettati (pleated) Le catene laterali degli puntano alternativamente sopra e sotto il foglietto β. Spesso un lato del foglietto β può presentare tutte catene laterali polari e l altro tutte non polari

17 Foglietto-β - i foglietti β antiparalleli sono più stabili di quelli paralleli: i legami-h hanno nei primi una geometria più favorevole - i foglietti β non hanno momento dipolare - tutti i foglietti β osservati (paralleli, antiparalleli e misti) presentano una torsione (twist) destrorsa (fino a 30 ) di ciascun filamento β che li compone compromesso tra l ottimizzazione dell energia conformazionale delle catene polipeptidiche costituenti i filamenti β e il mantenimento della geometria dei legami idrogeno

18 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 amminoacidi 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 amminoacidi che li costituiscono e degli elementi di struttura secondaria che collegano: β-turn γ-turn Ω-loop

19 Reverse turn β-turn E il tipo di turn più comune per collegare due filamenti β antiparalleli adiacenti. In questo caso sono due gli amminoacidi non coinvolti nei legami idrogeno tra i filamenti β Ogni β-turn è caratterizzato da un legame idrogeno fra il gruppo CO dell aminoacido 1 e il gruppo NH dell amminoacido 4, anche se spesso si osservano deviazioni (fino a 30 ) da questa conformazione ideale che impediscono la formazione di questo legame idrogeno Spesso in posizione 1 si trovano gli amminoacidi Asn, Asp, Ser e Cys, le cui catene laterali possono formare legami idrogeno con il gruppo NH dell amminoacido in posizione 3 Esistono 3 tipi di β-turn: tipo I, tipo II e tipo III

20 Struttura Proteine Reverse turn 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 3 10 Nei β-turn di tipo I l amminoacido in posizione 2 spesso è Pro, poiché facilmente può assumere la conformazione voluta 2 1 Essi sono circa 2-3 volte più frequenti di quelli di tipo II

21 Struttura Proteine Reverse turn β-turn: Tipo II Angoli diedri (φ, ψ) 2 = (-60, 120 ) Angoli diedri (φ, ψ) 3 = (90, 0 ) I β-turn di tipo II differiscono da quelli di tipo I per un flip di 180 dell unità peptidica che collega gli 2 amminoacidi in posizione 2 e 3 1 Nei β-turn di tipo II l amminoacido in posizione 2 spesso è Pro, poiché facilmente può assumere la conformazione voluta, mentre l amminoacido 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 amminoacido in posizione 2 3 4

22 Struttura Proteine γ-turn Reverse turn - si osserva quando solo un amminoacido non è coinvolto nei legami idrogeno caratteristici del foglietto β - legame a H fra il gruppo CO dell amminoacido i e il gruppo NH dell amminoacido i+2 - inusuali valori degli angoli diedri per l amminoacido i+1 (φ = 75, ψ = -65 ) i+1 - spesso Pro in posizione 2 (i+1) (γ-turn inverso φ = -75, ψ = 65 )

23 Struttura Proteine Ω-loop (Ansa Ω) Reverse turn Quasi tutte le proteine globulari con un numero di amminoacidi superiore a 60 contengono uno o più loop lunghi da 6 a 16 amminoacidi, le cui estremità distano meno di 10 Å - Ω-loop (forma della lettera greca omega) - forma compatta e non disordinata poiché le catene laterali degli amminoacidi che li compongono tendono a riempire le loro cavità interne, rendendoli piuttosto stabili - spesso localizzati sulla superficie delle proteine e possono avere un importante ruolo nel riconoscimento dei processi biologici

24 Struttura Proteine Random coil (loop) Le regioni della catena polipeptidica che non assumono alcun tipo di struttura secondaria - struttura irregolare nel senso che le coppie (φ, ψ) degli amminoacidi che li compongono assumono valori tra i più svariati e non costanti - generalmente flessibili e possono adottare diverse conformazioni: per questo motivo molto spesso sono difficili da rilevare sperimentalmente Per esempio: estremità N- e C-terminali, zone particolarmente ricche di amminoacidi carichi (Lys in particolare) - oltre ad avere la funzione di collegare elementi di struttura secondaria, possono anche partecipare alla formazione di siti di legame e di siti attivi negli enzimi, per cui possono essere disordinati in assenza della molecola specifica e ordinati in presenza della molecola che legano