LEZIONE DEL 21/03/2017 Struttura terziaria: foglietti β, α-eliche uniti tra loro - la proteina acquisisce la onformazione privilegiata (il falding)

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1 LEZIONE DEL 21/03/2017 Struttura terziaria: foglietti β, α-eliche uniti tra loro - la proteina acquisisce la onformazione privilegiata (il falding) Una s. terziaria mi dà le percentuali di: - random coil - foglietti β - α-eliche - β-turn - strutture non riconducibili alle prime 4 (non si ha una struttura secondaria ben definita) La terziaria si compone per avvicinamento/allontanamento di pezzi di strutture secondarie che vanno alla ricerca del minimo di energia libera. Si fanno dei legami: - idrogeno - più ne formo in una catena 1

2 amminoacidica, più essa è stabile. Per rompere la struttura, per destabilizzare il sistema, aumento l'energia. [Ricordiamo che la conformazione della proteina mi sarà data in base agli atomi e ai residui amminoacidici.] Tutti i sistemi tendono al minimo di entalpia (energia) e al massimo di entropia (disordine). Una proteina tenderebbe ad esplodere nel solvengte - però al contributo entropico si contrappone quello entalpico. Una cellula combatte continuamente per mantenere la propria struttura, combatte avvalendosi di un potenziale chimico. Un legame chimico tra due catene laterali ionizzate, data una certa disposizione spaziale della proteina. Affinché una cellula possa replicarsi uguale a sé stessa, essa deve partire dalla stessa sequenza di amminoacidi che ha generato lei medesima. La forma della proteina dipende dalla sua struttura chimica. Il codice genetico agisce sulla sequenza amminoacidica; una mutazione implica infatti una variazione di uno o più amminoacidi nella sequenza, compromettendo la funzione della proteina. Le proteine si formano nei ribosomi, dove arriva l'informazione; il trna porta l'amminoacido e lo lega alla catena che si sta creando. Quando il pezzo di catena esce, inizialmente non ha conformazione, successivamente assume una struttura secondaria - generata l'intera catena la proteina assume la struttura terziaria. La formazione delle proteine è dunque un processo post-traduzionale - dopo, nell'ambiente giusto, assume la struttura terziaria (un processo automatico che avviene per minimizzazione di energia). DIAGRAMMA DI RAMACHANDRAM I più suggestivi che ho trovato: 2

3 Es. l'alfa elica destrorsa ha angoli di -60,-60. Le strutture secondarie hanno una forte quantità di legami idrogeno. Ci sono zone di angoli svavoriti (sfavorite dal punto di vista sterico). Le zone verdi sono teoriche. Le zone a puntini sono sperimentali. Le ultime due insieme mi danno la premessa per la formazione di eliche destrorse e foglietti beta. Ci sono alcuni residui sparsi, non compresi tra questi - dei legami proibiti (tipo la coppia 0,0, 3

4 che di solito non funziona, ma con la Glicina sì). Molte zone puntate o corrispondono all'intervento di proline, o glicine, che interrompono le strutture permesse - conferiscono anche la varietà proteica (altrimenti le conformazioni particolari sarebbero molto più limitate). Formate le eliche, già due interagiscono tra loro in interazioni dipolo-dipolo. Stanno in posizione antiparallela in modo da minimizzare l'energia libera e massimizzare le interazioni elettrostatiche. Foglietto beta. I legami idrogeno tra pezzi antiparalleli della stessa proteina - sono dovuti ai ripiegamenti, che si fanno o col random coil, o con angoli proibiti. Il materiale più resistente al mondo, a parità di rapporti di peso, è la ragnatela. Estrarre e riprodurre con facilità su larga scala la proteina che conferisce resistenza alla ragnatela sarebbe ideale. Di questo si occupa la biomimetica, un ramo della tecnologia che studia anche altre tra le soluzioni efficienti che la natura ha trovato per strutturarsi. Per la ragnatela: si va a vedere il codice genetico delle cellule del ragno, si estrae la proteina, si innesta nel batterio Escherichia Coli che la riproduce. La proteina estratta dalla ragnatela ha sia resistenza che elasticità, ha un'alta tensione di ritorno. Essa è formata da tratti di alfa elica con strutture a guscio e da foglietti beta intorno - i primi conferiscono l'elasticità, i secondi la rigidità. Esistono sequenze di amminoacidi particolari che si strutturano a filamento ritorto, a piegamento fisso. Cheratina - una proteina negli esseri viventi superiori sviluppatasi per proteggere, per conferire agli esseri una barriera verso l'esterno. 4

5 Le alfa eliche a filo ritorto sono dei superavvolgimenti di alfa eliche che sequenzialmente si costruiscono da un avvolgimento doppio, doppio tra doppi, e così via, diventando sempre più resistenti. Si formano legami idrogeno tra superstrutture contigue. Fibroina della seta - filamento naturale prodotto dal bruco di seta. Struttura: alanine e glicine intercalate completamente senza che si imbroglino. 5

6 Collagene - altra proteina fibrosa: tripla elica con angoli leggermente diversi. Lungo i filamenti esterni è elastico e resistente (sul diagramma di Ramachandram si nota la differenza rispetto alle alfa eliche ad esempio). 6

7 Le fibre di collagene (anche artificiali per riparazioni) sono usate nelle articolazioni (tramite tendini e cartilagini accoppio muscoli ed ossa). La ristrutturazione avviene tramite legami esterni (crociati), covalenti tra residui esterni particolari. Proteine globulari - non si tratta più di lunghe catene, ma di quelle che si ripiegano su sé stesse. Dalla struttura secondaria abbiamo i legami disolfuro, ionici, idrogeno - sono importanti per iniziare la strutturazione. I legami idrogeno stabilizzano la struttura terziaria. Il legame carica-dipolo agisce sia all'interno della proteina, sia con l'acqua esterna. Per riepilogare le interazioni, abbiamo: - interazioni coulombiane (dipolo-dipolo, ioniche, ione-dipolo, dipolo indotto - interagisce col dipolo, con la carica e col di - legami quantistici (idrogeno) Il dipolo indotto - la molecola interagisce con l'altro dipolo, con la carica e col dipolo stesso. Ad esempio nell'interazione tra due gruppi laterali di due fenilalanine vi è uno spostamento della nuvola elettronica dell'uno verso l'altro anello - ciò è dovuto alla vicinanza di due molecole polarizzabili. Le componenti degli amminoacidi non implicate nelle strutture complesse sono implicati nei legami deboli 7

8 succitati. Conformazione nativa - la proteina ha assunto la forma nello spazio che ne definisce la funzione. Un'altra interazione che agisce sull'entropia è la INTERAZIONE IDROFOBICA Le sostanze idrofobe non preferiscono stare in soluzione con l'acqua (la tendenza contraria è delle sostanze idrofiliche ovviamente). L'olio ad esempio non si dissolve in acqua perché a livello molecolare non può formare legami idrogeno con l'acqua esterna. Se costringo un'idrofoba a restare in acqua, non ottengo un abbassamento dell'energia del sistema. Non si formano neanche legami tra olio e olio. Dunque, perché si raggruppano (questo è un effetto secondario dell'entropia nell'acqua) le idrofobe tra loro, anche se non legano? Ha a che fare con l'entropia. Vediamo cosa succede se mettiamo varie molecole di benzene in acqua. Inizialmente ciascuna è circondata da varie molecole ordinate di acqua (si crea una cavità di acqua strutturata). Per ridurre la neghentropia dovuta alla quantità di molecole d'acqua ordinate le molecole di benzene tendono ad avvicinarsi tra loro (raggruppamento di molecole idrofobiche). Ci sono dunque legami apparenti tra idrofobe che vengono circondate da una gabbia a superficie, perimetro minimo, rispettivamente gabbie sferiche (spaziali), circolari (planari) - queste ultime minimizzano il numero di molecole d'acqua implicate per attorniare le idrofobe. 8

9 I residui idrofobici, in generale, dei gruppi laterali degli amminoacidi si mettono all'interno della proteina. Si creano le proteine globulari, aventi una struttura apolare, idrofoba interna e una polare, idrofila esterna. L'insieme del processo è duvuto all'aumento dell'energia libera del sistema. Stiamo parlando di un vero sistema vitale: la catena amminoacidica + acqua + sale (che mi stabilizza i legami positivi con Cl - e i negativi con Na + - conferiscono una debole forza ionica; sono necessari solo mmol di sale). ph 6-8: se aumento troppo gli idrogenioni, ionizzo le istidine, perdo la conformazione nativa, la funzionalità della proteina dunque - si verifica una perdita di struttura, una denaturazione. Anche i raggi gamma possono denaturare la proteina distruggendo i legami idrogeno e i ponti disolfuo. Consideriamo la curva renaturazione/denaturazione (due processi chimico-fisici): 9

10 Se espongo la parte idrofobica, se essa è esterna su due molecole di due proteine, queste ultime si attaccano tra loro. Se mantengo la denaturazione entro un certo livello (non aumento in eccesso la temperatura), posso manipolarla per esperimenti e tornare allo stato iniziale tramite renaturazione dovuta a raffreddamento. Due casi di denaturazione irreversibile: estrazione completa a caldo di proteine denaturate (ricotta); denaturazione su pelle (bruciature). 10