Classificazione dell Architettura Proteica

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1 Classificazione dell Architettura Proteica struttura Primaria struttura Secondaria Super-secondaria Domini struttura Terziaria: folding struttura Quaternaria

2 Proteine globulari Il ripiegamento della catena su se stessa, ossia la disposizione nello spazio della catena, definisce la struttura terziaria Le catene polipeptidiche sono ripiegate in forme compatte e sferoidali con elevata densità di impaccamento (simile a un cristallo) enzimi, proteine di trasporto, recettori, immunoglobuline, sono proteine globulari

3 Aspetti dello stato nativo : -struttura 3D ben definita -temperatura di fusione -punto isoelettrico (PI) -funzione caratteristica

4 Enzimi: papaina proteasi serinica

5 Trasportatori: Potassium channel Doyle et al., Science, Vol 280, Issue 5360, Pages 69-77

6 Recettori di segnali Extracellular receptor for recognizing small molecule Signal is transmitted through the cell membrane Cytoplasmic portion of receptor can activate secondary molecules SH3 domains- bind phospho-tyr tail of associated kinase Musacchio et al., Nature, Vol 359, Pages

7 Nelle proteine globulari gli aminoacidi sono distribuiti spazialmente in base alla loro polarità residui non polari: Val, Leu, Ile, Met, Phe quasi sempre nell interno residui polari carichi: Arg, His, Lys, Asp, Glu quasi sempre sulla superficie esterna se all interno hanno ruoli chimici specifici sezione residui polari non carichi Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr, Trp sono spesso sulla superficie o all interno coinvolti in legami a H, che riducono la polarità AA polari AA idrofobici Mioglobina

8 Esempio di presenza all interno di aminoacidi polari: coordinazione di Zn2+ da parte di His Anidrasi carbonica umana His enzima che catalizza negli eritrociti, la reazione: CO2 +H2O H+ + HCO3-

9 Domini: regione della proteina strutturalmente compatta e ripiegata localmente polipeptidi lunghi (più di 200 AA) tendono a formare domini (di circa AA) spesso i domini svolgono funzioni differenziate un dato dominio può essere riscontrato in proteine diverse Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

10 Definizioni utili omologo : un gene correlato a un secondo gene da discendenza da comune sequenza di DNA ancenstrale Se due sequenze hanno più del 25% di identità di sequenza si considerano omologhe Polimorfismo: differenti sequenze funzionali esistono per un dato tipo di proteina entro una popolazione La struttura 3D è più conservata della struttura primaria Amino acidi chimicamente simili possono occupare la stessa posizione in una sequenza senza distorsioni della struttura tridimensionale

11 Proteine con sequenze anche molto diverse possono avere la stessa struttura (base della GENOMICA STRUTTURALE) Hon WC et al., Cell 89: Structure of an enzyme required for aminoglycoside antibiotic resistance reveals homology to eukaryotic protein kinases.

12 Struttura quaternaria: proteine multimeriche Proteine grosse (>100kD) sono in genere costituite da varie subunità Le subunità (protomeri) si associano in maniera specifica Le subunità possono essere identiche o diverse Vantaggi biologici le interazioni inter-catene sono dello stesso tipo di quelle che stabilizzano la struttura terziaria : ponti salini ponti disolfuro legami a H, forze di van der Waals, interazioni idrofobiche, stacking tra anelli aromatici

13 etero-multimeri diverse subunità proteiche si aggregano a dare l unità completa

14 omo-multimeri subunità proteiche si aggregano a dare l unità completa Tipico di molti enzimi del metabolismo chaperonin

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16 Interazioni tra le subunità nell alcol-deidrogenasi due tratti formano un β-sheet antiparallelo Stacking tra His e Tyr

17 Interazioni eterotipiche proteina-proteina Associazioni tra proteine diverse sono possibili interazioni anche tra dieci unità forze non covalenti tra superfici complementari Interazione tra BTPI e tripsina BTPI: inibitore pancreatico della tripsina bovina, legandosi impedisce l idrolisi dei peptidi La catena laterale di una Lys occupa la tasca catalitica

18 Ripiegamento delle proteine: fattori che lo determinano E la struttura primaria delle proteine che determina la struttura tridimensionale: le proteine si ripiegano spontaneamente in condizioni fisiologiche nella conformazione corretta, senza ausilio di stampi, in processi a tappe specificate dalla sequenza primaria denaturazione: perdita del ripiegamento nativo struttura ad avvolgimento casuale (random coil) fattori denaturanti aumento della temperatura ph non fisiologico alcuni solventi organici (alcoli, urea)

19 denaturazione della ribonucleasi (RNasi A) (enzima digestivo che catalizza l idrolisi di acidi nucleici) condizioni denaturanti con urea e 2-mercaptoetanolo condizioni rinaturanti rimozione urea (dialisi) ossigeno a ph=8 La proteina conosce la propria conformazione favorita

20 Temperatura di fusione Tm Transizione brusca: la struttura nativa viene persa in modo cooperativo: qualsiasi parziale perdita della struttura destabilizza la struttura restante T

21 Termodinamica del ripiegamento In condizioni fisiologiche il ripiegamento è un processo favorito G = H-T S < 0 bilancio di molti fattori Entropia conformazionale: diminuzione di entropia nel ripiegamento (termine sfavorevole) Entalpia dovuta alle interazioni intramolecolari: 1. interazione carica-carica (ponti salini) Termini favorevoli 2. legami a H 3. Interazioni deboli Termine sfavorevole 4. Perdita di interazioni con l acqua Effetto idrofobico: minimizza lo svantaggio entropico della strutturazione delle molecole d acqua Risultato netto G < 0 (relativamente piccolo, risultato di termini opposti)

22 Protein (parameters at 25o C = 298 K) G (kj/mol) H (kj/mol) S (kj/k mol) Lysozyme Cytochrome c Per la maggior parte delle proteine l energia libera, favorevole per la formazione della configurazione nativa, deriva dalla differenza tra valore grandi di entalpia e di contributi entropici (T S).

23 Dinamica del ripiegamento Il processo di ripiegamento è rapido (msec-sec) Il processo non è casuale: una proteina di circa 100 AA puo assumere circa conformazioni: per visitarle tutte impiegherebbe 1087secondi!!!! Stadi del ripiegamento 1. Nucleazione: Nucleazione formazione di elementi di struttura secondaria 2. Unità ripiegate condensano per formare nuclei più grandi 3. Aggiustamenti che portano alla struttura terziaria compatta 4. Eventuali subunità si associano

24 Per una proteina esiste più di un cammino di ripiegamento: profilo energetico a imbuto Predizione della struttura secondaria Approccio empirico Frequenza relativa egli aminoacidi

25 PrPC PrPSc Le proteine non correttamente ripiegate vengono normalmente degradate dalla cellula In alcuni casi danno luogo a patologie ex: BSE, malattie da prioni

26 In vivo il ripiegamento e l assemblaggio multimerico può essere assistito da proteine -CHAPERON MOLECOLARI (accompagnatrici molecolari) accompagnano le proteine nel ripiegamento proteggono da aggregazioni o aiutano a trovare la conformazione alcune proteine catalizzano il riarrangiamento dei ponti S-S

27 Dinamica delle proteine Le proteine ripiegate sono soggette a diversi tipi di moti dovuti alle fluttuazioni di energia per interazione con l ambiente Le fluttuazioni hanno importanti significati funzionali Tipi di movimenti Ampiezza (nm) Tempo (s) 1. Vibrazioni ed oscillazioni di atomi e gruppi Movimenti concertati di gruppi (catene laterali elementi di struttura secondaria) Movimenti di interi domini, aperture di cavità indotte

28 Movimento respiratorio della mioglobina che permette di rilasciare l ossigeno legato Istantanee calcolate ogni 10-12s nella mioglobina e in un α-elica

29 Inibitore della tripsina: intervallo di conformazioni compatibili con i dati di struttura NMR (dinamica in soluzione) Berndt et al. J. Mol. Biol.,227,757

30 Calmodulina: enzima regolatore che segnala il livello del Ca2+ libera e legata a un peptide in alfa-elica movimento indotto da Ca2+, che espone residui idrofobici Met che si legano alle eliche anfifiliche delle proteine bersaglio

31 Introduction to Molecular Biophysics

32 Introduction to Molecular Biophysics Instructor: Dr. Satish Nair Office hours: After class or by appointment TA: Sujoy Mukherjee (office hours: Comert Kural (office hours:

33 Primary structure determines all higher levels of structure The information necessary to ensure the native fold is encoded in the primary structure. In general, proteins are self-folding (exceptions include folding of proteins in vivo with the help of molecular chaperones). Homology: For a small peptide of about 200 residues, there are possible permutations of primary structures can exist. In fact, only a small fraction of such permutations are found in Nature (throughout evolution). The corollary: two proteins of similar amino acids cannot have evolved independently. Hence, similarity in amino acid structure implies a common ancestry. Such related proteins are called homologs.