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1 materiale didattico disponibile su tozzini/didattica.html Sommario Proteine Funzioni principali Legame peptidico Struttura primaria Struttura secondaria Struttura terziaria Struttura quaternaria

2 Proteins = finely structured biomolecules highly specialized for functional roles Size: 1-10 nm, atoms Functions: Catalysis (enzymes) Regulatory Structural Protection GFP HIV protease Energetics Structure Hetero-polymers whose monomers are amino-acids (polypeptides) Hierarchic organization: Primary, secondary, tertiary and quaternary structures

3 Traduzione sintesi proteica Il ribosoma usa l informazione contenuta in mrna per polimerizzare gli amminoacidi nella giusta sequenza 1. Attivazione: trna lega allo specifico amminoacido, formando l amminoacil-trna 2. Iniziazione: mrna lega alla subunità piccola al codone di start Viene legato il primo trna nel sito P e la subunità grande 3. Elongazione: viene legato il secondo trna nel sito A e inizia il ciclo formazione legame peptidico scorrimento dell mrna rilascio del trna usato legame del trna successivo il ciclo finisce al codone di stop, che lega un trna vuoto Energia necessaria ATP + 2GTP legame peptidico AMP+2GDP(+4Pi) attivazione + elongazione = diverse decine di kcal/aa

4 Legame peptidico kcal/mole L ammino acido è uno zwitterione Il legame peptidico è metastabile Il polipepdide è direzionale!! ω=180 ω ω=0 Il legame peptidico ha due forme di risonanza ed è planare e rigido Ø trans ~99.9%, cis ~0.1% X-Pro Ø cis fino a 40%

5 Str primaria: La sequenza amminoacidica R = residuo amminoacidico (cantena laterale)

6 Proprietà chimico-fisiche

7 Scale di drofobicità Kyte-Doo Hopp- Cornette Eisenberg Rose Janin Engelman (GES) Woods Ala Cys Asp Glu Phe Gly His Ile Lys Leu Met Asn Pro Gln Arg Ser Thr Val Trp Tyr Lys Asp Glu Gln Ser Pro Arg Ala Trp Met Leu Gly His Thr Tyr Val Phe Ile Cys Rose: percentuale dell area dell aminoacido mediamente nascosta al solvente in proteine globulari ~ Misura di accessibilità dell amminoacido nella proteina Altre scale si basano sulla probabilità della presenza all AA in eliche transmembrana

8 Diagramma di Venn e strutture 3D degli AA Chiralità dovuta al Cα Gli amminoacidi compaiono solo con chiralità L!

9 Struttura e funzione degli Proteine Il legame peptidico è planare e rigido Gli unici gradi di libertà conformazionali per lo scheletro della proteina sono gli angoli diedri φ and ψ Mappa di Ramachandran Struttura della catena polipeptidica

10 La mappa di Ramachandran generico è uno strumento per descrivere la conformazione dello scheletro proteico struttura secondaria eliche destrorse eliche sinistrorse strutture estese dipende dal tipo di amminoacido la catena laterale influisce sulla propensità dell amminoacido a formare diverse strutture secondarie la struttura primaria determina la struttura secondaria glicina prolina pre-prolina

11 Struttura secondaria In generale, le eliche destrorse sono piú probabili di quelle sinistrorse la chiralità dei singoli amminoacidi influisce sulla chiralità della struttura secondaria Gly: R=H Eccezione: l unico aminoacido achirale, la glicina, ha la mappa di Ramachandran simmetrica!

12 Strutture secondarie Secondary structure ω (deg) φ (deg) ψ (deg) Cα-Cα (Å) Cα-Cα-Cα θ (deg) Cα-Cα-Cα-Cα α (deg) extended anti-parallel sheet β-strand parallel sheet flat ribbon helix helix helix α-helix α-helix π-helix π-helix π-helix membered ring membered ring turn ω deg φ deg I ψ deg Cα-Cα (Å) θ deg , 88 α deg 48 5-membered ring left handed α-helix collagen triple helix Polyproline II II III V Polyproline II Polyproline II Polyproline II VIa VIb , 81 81,

13 Eliche Stabilizzate da legami C=O H-N (i)-(i+n) Sono polarizzate! (dip del leg pep ~3.5D) Almost flat (ribbon) similar to a strand Weakly stable 2.2,7 helix 3,10 helix α-helix (3.6,13) π-helix (4.4,16) Pro I Pro II Gly II Collagen helicity, pep bond right, trans right (left), trans right (left), trans left, cis left (right), trans Triple left, H-bonds (i)-(i+n) n=2 n=3 n=4 n=5 - - trans inter-helices φ+ψ ~ (deg) (+105) -125 (+125) (-70) +100 rise (Å) (1.5) res/giro Pitch (passo) (Å)

14 Strutture estese β-nastro (strand, φ,ψ ~180), stabilizzato da legami C=O H-N inter-nastro β-foglietti (sheets) La struttura del foglietto è ondulata

15 Loops and turns catene laterali Regioni poco strutturate in cui lo scheletro della proteina cambia direzione Solitamente collegano tra loro regioni strutturate Possono avere diverse lunghezze e sono di molti tipi diversi (ϒ,α,β,π differiscono per la lontananza lungo la catena di donatore e accettore dei legami a idrogeno; tipi I e II differiscono per l orientazione del residuo al vertice ) Rotameri delle catene laterali La struttura dello scheletro non esaurisce tutte le possibili conformazioni strutturali Gli amminoacidi con legami rotabili (quasi tutti tranne Ala, Gly, Pro e pochi altri) hanno diversi rotameri, corrispondenti ai diversi angoli diedri di rotazione intorno a questi legami I rotameri sono selezionati dall ingombro sterico che trovano nella struttura proteica globale

16 Propensione α-β La propensione a formare strutture estese o elicoidali (chiamata propensione αβ) dipende dal tipo di amminoacido: residui grandi e/o aromatici e/o ramificati preferiscono strutture estese amminoacidi piccoli o carichi preferiscono strutture elicali prolina e glicina sono terminatori di eliche o foglietti ma formano le eliche di collagene Entro certi limiti questo consente di predire la struttura secondaria a partire dalla sequenza Esistono diversi algoritmi, tutti evoluti a partire da quello di Chou-Fasman basato su una tabella di probabilità di formazione continuazione di strutture secondarie Name P(a) P(b) P(turn) f(i) f(i+1) f(i+2) f(i+3) Ala Arg Asp Asn Cys Glu Gln Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val Assign all of the residues in the peptide the appropriate set of parameters. 2. Scan through the peptide and identify regions where 4 out of 6 contiguous residues have P(a-helix) > 100. That region is declared an alpha-helix. Extend the helix in both directions until a set of four contiguous residues that have an average P(a-helix) < 100 is reached. That is declared the end of the helix. If the segment defined by this procedure is longer than 5 residues and the average P (a-helix) > P(b-sheet) for that segment, the segment can be assigned as a helix. 3. Repeat this procedure to locate all of the helical regions in the sequence. 4. Scan through the peptide and identify a region where 3 out of 5 of the residues have a value of P(b-sheet) > 100. That region is declared as a betasheet. Extend the sheet in both directions until a set of four contiguous residues that have an average P(b-sheet) < 100 is reached. That is declared the end of the beta-sheet. Any segment of the region located by this procedure is assigned as a beta-sheet if the average P(b-sheet) > 105 and the average P(bsheet) > P(a-helix) for that region. 5. Any region containing overlapping alpha-helical and beta-sheet assignments are taken to be helical if the average P(a-helix) > P(b-sheet) for that region. It is a beta sheet if the average P(b-sheet) > P(a-helix) for that region. 6. To identify a bend at residue number j, calculate the following value p(t) = f(j)f(j+1)f(j+2)f(j+3) where the f(j+1) value for the j+1 residue is used, the f(j+2) value for the j+2 residue is used and the f(j+3) value for the j+3 residue is used. If: (1) p(t) > ; (2) the average value for P(turn) > 1.00 in the tetrapeptide; and (3) the averages for the tetrapeptide obey the inequality P(a-helix) < P(turn) > P(bsheet), then a beta-turn is predicted at that location.

17 Strutture supersecondarie Stabilizzate principalmente da Legami a idrogeno Interazioni idrofobiche

18 Strutture terziarie Combinazione di strutture (super) secondarie nella struttura finale della proteina Stabilizzate da: Legami a idrogeno (anche con le catene laterali, anche mediati da molecole di acqua) Interazioni idrofobiche Ponti disolfuro Ponti salini e interazioni elettrostatiche

19 Struttura e funzione degli Proteine Strutture terziarie panini -beta Eliche-beta Fasci di eliche Barilotti-beta Strutture miste alfa-beta

20 Struttura e funzione degli Proteine Strutture quaternarie Singole catene proteiche ripiegate in strutture terziare si assemblano per formare elementi funzionali piú grandi HIV-1pr dimero Nucleosoma (proteine+dna) emoglobina tetramero Ribosoma (prot+rna) Cerniera di leucina Virus

21 Riassunto La struttura delle proteine è organizzata gerarchicamente come quella degli acidi nucleici Gli amminoacidi sono in numero maggiore, chimicamente e strutturalmente piú vari dei nucleotidi le strutture delle proteine sono piú versatili e complesse di quelle degli acidi nucleici Le potenzialità funzionali delle proteine sono maggiori di quelle degli acidi nucleici Se un mondo RNA-only è mai esistito, sicuramente aveva minori potenzialità evolutive di quello attuale