Il legame peptidico. Il legame che ne risulta è il legame peptidico. Nelle cellule il legame viene creato nei ribosomi, catalizzato da enzimi.

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1 Il legame peptidico

2 Il legame peptidico La polimerizzazione di AA viene raggiunta per eliminazione di una molecola d acqua tra il gruppo carbossilico di un AA e il gruppo amminico del successivo. Il legame che ne risulta è il legame peptidico. Nelle cellule il legame viene creato nei ribosomi, catalizzato da enzimi.

3 Il legame peptidico La catena ha una direzione!! Leu-encefalina Ex. La Leu-encefalina, un oppiode che regola la percezione del dolore. Il peptide inverso non riesce a svolgere la stessa funzione

4 I POLIPEPTIDI SONO MOLECOLE METASTABILI L idrolisi del legame peptidico è termodinamicamente favorita rispetto alla formazione del legame (condensazione G0=+10kJmol-1) transpeptidazione Il legame peptidico si forma mediante spostamento nucleofilico del trna del sito n da parte del gruppo amminico nel sito successivo. G0 < 0 L IDROLISI E RAPIDA SOLO IN PRESENZA DI CATALIZZATORI acidi forti HCl 6M enzimi proteolitici o proteasi

5 Chimica del legame peptidico legame peptidico 40% di doppio legame config. Planare: massima sovrapposizione orbitali π La linea rossa formata da -Cα-C-N- Cαcostituisce il backbone della catena peptidica

6 Momento di dipolo Introduction to Molecular Biophysics Cα O C Cα O δ- Cα C N H N Cα H µ= 3.5 Debye µ= Z*d Z= carica in eccesso d= separazione tra cariche in eccesso 1 Debye = esu.cm δ+

7 La conformazione trans è la conformazione preferita Pro:cis e trans equivalenti

8 Una catena polipetidica è costituita da una catena principale con struttura ripetitiva e da catene laterali variabili Ri, Lo scheletro di una proteina è una sequenza di gruppi peptidici planari e rigidi legati Cα, C, O, N, H, Cα: individuano un piano

9 La struttura primaria delle proteine Le proteine sono polipeptidi (lunghi) a sequenza aminoacidica definita: struttura primaria La struttura primaria è il livello strutturale fondamentale su cui sono basati i livelli superiori di organizzazione

10 struttura primaria residuo Nella sequenza l estremità N-terminale è scritta a sinistra, la C-terminale a destra Struttura primaria dell insulina bovina: la prima proteina ad essere sequenziata (1953) 51 residui

11 Ogni proteina è unica in una data specie di organismo. Similitudini nella struttura primaria sono presenti evoluzione molecolare (proteine omologhe) Le proteine evolvono per modifiche della sequenza primaria: Numero delle differenze in amminoacidi tra le sequenze di Citocromo C

12 Albero filogenetico che decrive le relazioni evoluzionistiche tra alcuni organismi come derivate dall analisi di sequenza del citocromo c

13 Strutture tridimensionali delle proteine La struttura tridimensionale permette alla proteina di svolgere il proprio ruolo biologico Livelli di struttura: struttura primaria struttura secondaria struttura terziaria struttura quaternaria

14 Primary structure Tertiary structure Secondary structure Quaternary structure

15 Le conformazioni dello scheletro polipeptidico possono essere descritti dai loro angoli di torsione (rotazione) ϕ e ψ ϕ angolo intorno al legame N - Cα ψ angolo intorno al legame Cα- C non tutti i valori sono permessi alcune coppie di valori sono più probabili

16 I residui di Gly hanno una elevata libertà conformazionale diagramma di Ramachandran per i residui di Gly Distribuzione degli angoli per circa 1000 residui in 8 proteine

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18 conformazioni impossibili: quelle in cui le distanze interatomiche tra atomi non legati è inferiore ai raggi di van der Waals diagramma di Ramachandran mappa delle conformazioni permesse

19 Le combinazioni di angoli accettabili rappresentano sottoclassi di strutture

20 α-elica ha gli angoli permessi nella mappa di Ramachandran ha una disposizione di legami a H favorevole Elica destrorsa: φ= -57o ψ =-47o legami a H 2.8Å N-H--O=C p = 5.4Å n = 3.6 Le catene laterali puntano verso l esterno

21 C-terminale Le eliche sono la forma più abbondante di struttura secondaria riscontrata nelle proteine globulari: 32-38% dei residui

22 Nell α-elica il legame a H chiude un ansa formata da 13 atomi: α-elica (3.613) L α-elica è un elemento strutturale di moltissime proteine, sia globulari che fibrose In media circa 12 residui, > 3 giri

23 Dipolo dell elica Momenti di dipolo orientati tutti paralleli momento di dipolo netto risultante n X 3.5 Debye (n= numero di residui) This is equivalent to unit charge at the end of the helix.

24 Interactions with side chains in α-helices Introduction to Molecular Biophysics Side chains point out towards solution although they are tilted towards the amino terminus of the alpha helix. Side chains with branched amino acids (Val, Ile, Thr) are restricted in their conformations. Polar side chains (Ser, Asp, Asn) can hydrogen bond to the backbone peptide groups and interfere with hydrogen bonding of the alpha helix.

25 Interactions with side chains in α-helices Introduction to Molecular Biophysics Proline residue is not compatible with the alpha helix conformation Since there is no backbone NH group for hydrogen bonding, Pro interferes with hydrogen bonding pattern of the alpha helix (break 2 H bonds). Also causes packing constraints because of cyclic side chain. In long helices, proline residues can be accommodated by local distortions in the helical geometry. Proline residues induce distortions of around 20 degrees in the direction of the helix axis.

26 Altri tipi di eliche nei polipeptidi p =6.0 Å L elica 310 e π (4,416) sono osservate in brevi tratti in prossimità di α-elica interferenze steriche 4.416

27 Helical distortions: left handed alpha helix Left handed alpha helices: theoretically possible by steric considerations and the backbone torsion angles would have the same magnitude (but opposite sign) of right-handed helices. However, the side chains of a left-handed alpha helix would be too close to the backbone so the right-handed conformation is more favored energetically. Comparison between the three theoretically possible helical geometries.

28 L elica 310 e π (4,416) sono osservate in brevi tratti in prossimità di α-elica: interferenze steriche

29 Strutture Beta L unità di base del foglietto beta è il filamento beta (beta strand), che consiste di un polipeptide completamente esteso.

30 Il foglietto beta (Beta Sheet) Legami a H tra filamenti beta adiacenti stabilizzano la struttura Anti parallelo Parallelo I momenti di dipolo solo allineati

31 Strutture β Minimo di 2 catene (antiparallelo!),minimo 5 catene (parallelo!) massimo di 15, valore medio 6 lunghezza media 6 residui, max. 15 Ripiegamento del foglietto che ottimizza i legami a H

32 Le catene laterali stanno alternativamente sopra e sotto il piano della catena beta Nel foglietto β-parallelo ogni residuo è in legame a H con altri due

33 Beta Sheet I residui distano 7.0 Å lungo il filamento ma solo 4.5 Å tra filamenti adiacenti

34 Le catene dei foglietti β si indicano con frecce orientate verso l estremità C-terminale Le catene dei foglietti β tendono ad avvolgersi

35 Curvature destrorse delle Strutture β Il beta sheet Ideale è planare. Nelle proteine i beta sheets hanno una curvatura destrorsa probabilmente a causa della interazione tra backbone e le catene laterali Curvatura destorsa Carbossipeptidasi A Trioso fosfato isomerasi β- barrel

36 Impacchettamento di Beta Sheets Coppie di beta sheets possono esssere circa allineati o ortogonali A causa della corta distanza tra filamenti (4.5 Å), non è possibile creare patterns di intercalazione (eccetto per casi come la seta).

37 The Greek Key Motif Quattro β-strands antiparalleli adiacenti sono arrangiati frequentemente a chiave Greca La connessione tra beta strands con loops corti è semplice

38 Come sono connessi i β strands paralleli? Le due estremità connesse sono da parti opposte del beta-sheet cioè la catena deve attraversare il foglietto per connetterle La connessione è spesso effettuata da tratti di alfa elica (motivo beta- alfa-beta)

39 Struttura Beta Alfa Beta Uno strato esterno di alfa eliche che si impaccano contro uno strato (core) di beta sheets paralleli la subunità beta-alfa-beta-alfa-beta spesso presenti in proteine che legano nucleotidi è detta Rossman Fold

40 Il barile Alfa Beta Una sequenza di otto beta-alfa Il primo beta strand si lega in legami a H con l ultimo chiudendo la struttura a barile. Osservato per la prima volta nella TIM (TIM fold) I residui del beta barrel sono idrofobici. Quelli in un lato si impaccano contro l alfa elica, quelli dal lato opposto costituiscono il cuore centrale del barile.

41 Struttura Super-secondaria - Arrangiamento di unità di struttura secondaria Rossman fold struttura alpha/beta (nucleotide binding). Alpha/Beta barrel (o TIM barrel).

42 Ripiegamenti e gomiti Spesso Gly Spesso Pro

43 Strutture non ripetitive le strutture regolari α-elica e β -sheet rappresentano in media la metà di una struttura proteica le rimanenti zone possono assumere forme a coil, loop etc.. alcuni tratti possono di fatto essere disordinati (random coil) Ω-loop nel Cyt c AA:40-54 Ruolo dei loop nel riconoscimento biologico

44 The helical wheel Introduction to Molecular Biophysics L amfipaticità di un alfa elica può essere rappresentata mediante una rappresentazione a ruota Rappresentazione utile per vedere le interazioni TRA alfa eliche Ci vogliono 3,5 residui per fare un giro completo attorno ad un alfa-elica. Ci sono quindi 7 diverse posizioni nella ruota (coperte in due giri)

45 Associazione di α eliche: coiled coils Introduction to Molecular Biophysics Una ripetizione di 7 residui (eptade abcdefg) con residui non polari alle posizioni a e d Il coiled coil è uno schema usato spesso per controllare le oligomerizzazioni Ex. Leucine Zipper Coiled Coil

46 La ripetizione dell eptade porta a supercoil la ripetizione porta a una riga Introduction to Molecular Biophysics idrofobica lungo l elica (linea verde, a e d in rosso). Il twisting permette di massimizzare l interazione nell avvolgimento con una seconda elica Ci sono in realtà più di 3.5 residui per giro (3.6) questo porta a una inclinazione della striscia idrofobica dei residui a,d. per questo le eliche si incrociano a circa 30.

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48 Associazioni di α eliche: coiled coils Introduction to Molecular Biophysics

49 Alfa-elica Beta-sheet Coiled-coil Leucine -zipper