CAP.6 Voet Voet.Pratt CAP.5 GARRETT CAP.3 DEVLIN. Le proteine: struttura tridimensionale

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1 CAP.6 Voet Voet.Pratt CAP.5 GARRETT CAP.3 DEVLIN Le proteine: struttura tridimensionale

2 Il nostro sistema vita è basato su una rete di interazioni molecolari Molecular network system in a cell (From ExPASy Biochemical Pathways;

3 Proteine hanno un ruolo chiave nei sistemi viventi Tre es. di attività proteiche Catalizzatore: Tutte le reazioni nei sistemi viventi sono catalizzate da enzimi. Trasporto: Alcune proteine trasportano sostanze come ossigeno ioni ecc Comunicazione: ORMONI. Haemoglobin carries oxygen Alcohol dehydrogenase oxidizes alcohols to aldehydes or ketones Insulin controls the amount of sugar in the blood

4 Gli amminoacidi

5 Non-polar Polar noncharged Charged acidic Charge d basic

6 Le proteine Fondamentali in ogni organismo, hanno molteplici ruoli: Componenti strutturali (collagene, tessuto connettivo, citoscheletro, pelle) Trasportatori (emoglobina, albumina) Trasmettitori di messaggi (ormoni peptidici) Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi) Difesa contro i patogeni (immunoglobuline) Controllo e regolazione dell espressione genica (istoni) Deposito di materiale (ferritina) Proteine dei sistemi contrattili (miosina)

7 I 20 amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine sono uniti l uno all altro da legami peptidici. La sequenza lineare degli amminoacidi legati contiene l informazione necessaria a generare una proteina con una forma tridimensionale esclusiva. La struttura di una proteina è complessa: organizzazione in 4 livelli gerarchici (struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria).

8 Gli amminoacidi possono unirsi tra loro con legami peptidici Estremità amminica Il ripetersi di questa reazione dà luogo a polipeptidi e proteine.

9 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

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11 CONFIGURAZIONE LEGAME PEPTIDICO

12 Il legame peptidico è rigido e planare Gli atomi di Ca di amminoacidi adiacenti sono separati da tre legami covalenti: Ca C N Ca PROPRIETA DEL LEGAME PEPTIDICO I 6 atomi del gruppo peptidico giacciono sullo stesso piano l ossigeno legato al carbonio del gruppo carbonilico e l atomo di idrogeno legato all azoto amminico, si trovano in trans. L ossigeno carbonilico ha una parziale carica negativa e l azoto amminico ha una parziale carica positiva ciò genera un parziale dipolo elettrico. I legami ammidici C-N hanno un parziale carattere di doppio legame per effetto della risonanza non possono ruotare liberamente. La rotazione è permessa solo attorno ai legami N-Ca e Ca-C.

13 Il legame peptidico è rigido e planare e sono di 180 quando il polipeptide è nella conformazione complanare estesa e tutti i gruppi peptidici sono sullo stesso piano. e possono assumere tutti i valori compresi tra -180 e +180, ma molti valori risultano proibiti per interferenze steriche tra gli atomi dello scheletro del polipeptide e quelli delle catene laterali.

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15 Caratteristiche del legame peptidico Ha il carattere di un doppio legame parziale (è più corto di un legame singolo). E rigido e planare (non è possibile la rotazione attorno al legame tra il carbonio carbonilico e l azoto del legame peptidico). In genere è un legame di tipo trans, a causa di interferenze steriche tra i gruppi -R (i legami tra un Ca e un gruppo a-amminico o a-carbossilico possono ruotare!) I gruppi -C=O ed -NH del legame peptidico non hanno una carica elettrica (a differenza del gruppo a-amminico all estremità N-terminale ed a- carbossilico al C-terminale) ma sono polari e partecipano alla formazione di legami a idrogeno.

16 Denominazione dei peptidi L unione di più amminoacidi mediante legami peptidici produce una catena denominata polipeptide. Per convenzione, l estremità amminica libera della catena peptidica (estremità N) si scrive a sinistra mentre quella carbossilica libera (estremità C) si scrive a destra. Le sequenze di amminoacidi si leggono sempre dall estremità N all estremità C del peptide.

17 Polarità del legame peptidico

18 peptidi, polipeptidi e proteine gli aminoacici sono uniti tra loro da legami peptidici energia di legame 100 Kcal/mol non vengono rotti con l ebollizione, ma solo con l azione prolungata di acidi o basi concentrate gli enzimi proteolitici sono in grado di rompere tali legami esistono sequenze lunghe da pochi aminoacidi a migliaia di aminoacidi con peso molecolare da 5 a 1000 KDalton (1 Dalton = 1/12 massa 12 C) # aminoacidi peptide (oligopeptide) <20 polipeptide <60 proteina >60

19 -glutamil cisteinil glicina Glutatione(GSH) SH CH 2 O = C NH C C NH CH 2 CH 2 CH 2 H C NH 2 COOH H O COOH Struttura chimica

20 La STRUTTURA Proteica determina la FUNZIONE La Funzione di una Proteina è determinata dai suoi 4 livelli di struttura Primaria- Sequenza amminoacidi Secondaria- Strutture locali stabilizzate da leg.h Terziaria Struttura 3D stabilizzata da leg. deboli Quaternaria Struttura risultante dalla combinazione di più catene polipeptidiche e gruppi prostetici.

21 I singoli amminoacidi in una catena peptidica sono chiamati residui amminoacidici. In genere le proteine sono composte da residui amminoacidi. La struttura primaria di una proteina è definita dalla sequenza lineare dei residui amminoacidici.

22 proteine: struttura primaria riguarda la sequenza lineare degli aminoacidi struttura covalente (legami peptidici).sequenza di 2: 20 x 20 = 202 = 400 dipeptidi diversi.sequenza di 3: 20 x 20 x 20 = 203 = 8000 tripeptidi diversi.sequenza di 100: = 1.27x10130 peptidi diversi Di tutte queste possibili forme, l evoluzione ha scelto solo alcune, che rappresentano il risultato di una precisa selezione mirata ad ottimizzare la funzione della proteina

23 La peculiare sequenza amminoacidica di una catena polipeptidica rappresenta la struttura primaria Lisozima

24 Struttura primaria La sequenza degli aminoacidi di una proteina si chiama struttura primaria. Nelle proteine, gli amminoacidi sono uniti covalentemente con legami peptidici. I legami peptidici sono legami ammidici tra il gruppo a- carbossilico (-COOH) di un amminoacido ed il gruppo a-amminico (-NH 2 ) dell amminoacido successivo. Durante la formazione del legame peptidico viene eliminata una molecola di acqua (reazione di condensazione).

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27 Per funzionare una proteina deve assumere una struttura tridimensionale precisa collagene mioglobina

28 Struttura secondaria Si riferisce alla conformazione locale della catena polipeptidica. E determinata da interazioni di tipo legame a idrogeno fra l ossigeno di un gruppo carbonilico del legame peptidico e l idrogeno del gruppo ammidico di un altro legame peptidico. Esistono due tipi di strutture secondarie: l a-elica ed il foglietto b.

29 proteine: struttura secondaria strutture dovute ad interazioni locali di tipo ponte-h a-elica ponte-h ogni 3,6 aminoacidi Il legame H si instaura tra l H dell azoto amidico e l O del gruppo carbonilico residui esterni alla spirale b-foglietto legami idrogeno fra aminoacidi di catene diverse foglietto piegato

30 La Struttura Secondaria Studi ai raggi X. Ipotesi di Pauling: la catena polipeptidica si avvolge su se stessa per formare un ELICA! Tenuta rigida da legami ad idrogeno α- elica

31 La Struttura Secondaria L' α-elica ha un passo di 5.4 Å e ogni spira dell'elica è costituita da 3.6 residui amminoacidici. L'eccezionale stabilità di questa conformazione dipende dal fatto che tutti gli NH e i C=O dei gruppi peptidici sono impegnati in legami a ponte di idrogeno. L'α-elica è il risultato del ripiegamento probabilmente più "naturale" che una catena peptidica possa assumere.

32 La Struttura Secondaria L' α-elica presente nelle proteine è quasi sempre destrogira (l'andamento è quello della filettatura di una vite tradizionale).

33 La Struttura Secondaria Perché è destrogira? È dovuto al fatto che gli amminoacidi proteici sono tutti nella configurazione "L" e in un'elica sinistrorsa i gruppi laterali R risulterebbero troppo vicini ai gruppi C=O, destabilizzando l'elica.

34 La Struttura Secondaria Le catene laterali R dei residui amminoacidici sono tutte rivolte verso l'esterno dell'elica. Procedendo dall azoto terminale, tutti i gruppi carbonilici sono rivolti verso il basso. Sono legati con legami ad idrogeno a gruppi N-H che di trovano avanti lungo la catena.

35 Struttura secondaria (a-elica) E una struttura in cui la catena polipeptidica è avvolta a spirale. Le catene laterali degli amminoacidi (-R) si protendono verso l esterno rispetto all asse della spirale. L a-elica è stabilizzata da legami idrogeno intracatena che si formano tra l ossigeno carbonilico di un legame peptidico e l idrogeno ammidico di un legame peptidico situato a 4 residui di distanza sulla catena. La prolina interrompe l a-elica!!! Gli amminoacidi con catene laterali (-R ) voluminose o cariche possono interferire con la formazione dell a-elica.

36 The (right-handed) α-helix The CO group of residue i is hydrogen bonded to the NH group of residue (i+4) Each residue is related to the next one by a rise of 1.5 Å along the helix axis and a rotation of 100 (so each turn is 3.6 residues)

37 Struttura secondaria: alfa elica Legame idrogeno Le proprietà idrofobiche o idrofiliche di una alfa-elica dipendono dalle catene laterali degli aa

38 Propensione degli a.a per α-elica Ala Arg Lys Leu Met Trp Phe Ser Gln Glu Cys Ile Tyr Asp Val Thr Asn His Gly 0 Pro ~3

39 Diagramma ( Plot ) di Ramachandran I valori delle coppie degli angoli diedrici (φ, ψ) permesse per gli amminoacidi sono riportate in un diagramma chiamato plot di Ramachandran, dal nome del fisico indiano G.N. Ramachandranche per primo (fine anni 60) calcolò le regioni stericamente permesse. Ramachandran e colleghi usarono il modello che schematizza gli atomi come sfere rigide e fissa le geometrie dei legami. Misure più precise del plot di Ramachandran risultano dal calcolo delle energie relative a ciascuna conformazione, permettendo una certa flessibilità per i contatti di van der Waals e per gli angoli di legame, e calcolando i contributi di tutte le interazioni favorevoli e non.

40 RamachandranPlot

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42 VARIAZIONE DELL αelica π elica: La catena è meno avvolta infatti il leg H avviene ogni residue n elica: La catena è più avvolta infatti il leg H avviene ogni residue n+3 Ambedue le eliche sono presenti in strutture solvatate e sono rare

43 Esempio di proteina composta da alfa eliche (BattericidaAntibiotico prodotto da batteri intestinali)

44 Struttura secondaria (foglietto b) E una struttura ripiegata, formata da 2 o più catene polipeptidiche (filamenti) quasi completamente distese. I legami a idrogeno sono intercatena e perpendicolari allo scheletro del peptide. Tutti i componenti di un legame peptidico partecipano alla formazione di legami a idrogeno. Tali legami si realizzano tra l ossigeno di un gruppo carbonilico di un legame peptidico e l idrogeno del gruppo ammidico di un altro legame peptidico appartenente ad un filamento diverso.

45 Struttura secondaria: foglietto beta

46 Struttura secondaria (foglietto b) I polipeptidi che formano un foglietto b possono disporsi in modo parallelo o antiparallelo. Un foglietto b può essere formato anche da una singola catena polipeptidica ripiegata su se stessa: in tal caso i legami a H sono legami intracatena. La superficie dei foglietti b è pieghettata.

47 b Sheet Stabilizzata da legami H intercatena tra N-H & C=O 2 Orientamenti Parallel Leg.H obbligui; meno stabile Anti-parallel Leg.H perpendicolari; più stabile

48 b-sheet and Ramachandran Plot

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51 Turn Structures la maggior parte delle proteine sono, con forma globulare La direzione di un α elica e foglietto β deve essere invertito o piegato per dare la forma globulare. α elica e foglietti β sono intervallati da loops Loops hanno lunghezze diverse e forme irregolari. Loops che collegano due foglietti β antiparalleli sono chiamati hairpin loops Short hairpin sono chiamati turns Turns sono il terzo tipo della "classical struttura secondaria

52 TURNS Circa 1/3 dei residui totali di una proteina globulare sono strutturati in Turns che servono per invertire la direzione di una catena polipeptidica. Tre tipi di turns sono chiamati I, II, and III : ogni tipo ha un leg.h tra il C=O di un residuo i e l NH di i+3. Tipo III è semplicemente un giro dell 3 10helix

53 TURNS Poichè i turns nello scheletro proteico hanno molti gruppi capaci di formare leg.h, quindi essendo polari, si trovano vicino la superficie esterna delle proteine. Proline è molto frequente nei turns Glycine è inoltre molto commune nei turns poichè con l assenza del gruppo R causa poco ingombro sterico. I turns sono spesso localizzati nei siti attivi degli enzimi o nei siti di legame.

54 Turn Structures

55 Loop structures

56 3. Super secondary structure & motif Super secondary & motif: Secondary structures organized in specific geometric arrangements b-hairpins: the most simple super secondary structure 4.2. b-corners 4.3. Helix hairpins 4.4. The a-a corner 4.5. Helix-turn-helix 4.6. b-a-b motifs Combination of basic secondary structures Details:

57 3.1. b-hairpins

58 3.2. b-corners

59 3.3. Helix hairpins

60 3.4. The a-a corner

61 3.5. Helix-turn-helix

62 3.6. b-a-b motifs

63 Ramachandran plot and Secondary Structure

64 Oltre la struttura secondaria Superstrutturesecondarie (motivi):piccole, discrete, aggregati di strutture secondarie b foglietto helix-loop-helix bab Domini: Unità strutturali indipendenti b barrel four-helix bundle *Domini e motivi qualche volta sonointercambiabili

65 Common motifs

66 Supersecondary structure: Crossovers in b-a-b-motifs Left handed Right handed

67 EF Hand Si compone di due alfa eliche perpendicolari di 10 a 12 residui separate da regione loop di 12 residui. Forma un sito legante il Ca (helix-loop-helix). Gli ioni calcio interagiscono con residui contenuti all'interno della regione di loop. Ciascuno dei 12 residui nella regione di loop è importante per il coordinare il Ca. Nella maggior parte delle proteine EF-mano il residuo alla posizione 12 è un glutammato. Il glutammato con entrambi i suoi ossigeni della catena laterale lega il calcio. Calmodulin, recoverin : Regulatory proteins Calbindin, parvalbumin: Structural proteins

68 EF Fold Found in Calcium binding proteins such as Calmodulin

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70 Helix Turn Helix Motif Si compone di due a eliche e una breve catena di aminoacidi estesa tra di loro. Elica carbossi-terminale si inserisce nel solco maggiore del DNA. Questo motivo si trova nelle proteine che legano il DNA, tra cui l repressore, repressore triptofano, proteine cataboliti attivatore (PAC),

71 Leucine Zipper

72 Rossman Fold The beta-alpha-beta-alpha-beta subunit Often present in nucleotide-binding proteins

73 Diversi livelli della struttura delle proteine NH 2 Lysine Histidine Valine Arginine Alanine COOH STRUTTURA TERZIARIA

74 STRUTTURA TERZIARIA: La disposizione spaziale di tutti i residui amminoacidici, dopo avvolgimenti nelle 3 strutture secondarie, in super strutture secondarie ed in Domini. La struttura Terziaria corrisponde alla : CONFORMAZIONE BIOLOGICAMENTE ATTIVA

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76 Struttura terziaria: struttura tridimensionale dell intero polipeptide che deriva dall interazione fra le catene laterali di aa anche distanti nella sequenza primaria

77 Struttura terziaria La struttura terziaria è la conformazione tridimensionale, avvolta, di una proteina. La struttura primaria di una catena polipeptidica determina la sua struttura terziaria. Quando una proteina si avvolge su se stessa, gli AA che si trovano in regioni lontane della sequenza polipeptidica possono ugualmente interagire tra loro.

78 La Struttura Terziaria La struttura terziaria è la conformazione tridimensionale assunta da una proteina. È stabilizzata da legami non covalenti come ponti idrogeno, interazioni idrofobiche tra amminoacidi non polari e legami ionici. È indispensabile per la sua attività biologica.

79 La Struttura Terziaria Stabilizata anche da legami covalenti, sotto forma di ponti disolfuro fra due cisteine. Le interazioni che si instaurano a livello tridimensionale coinvolgono amminoacidi non necessariamente vicini nella struttura primaria.

80 Principi della struttura proteica: La terziaria rappresenta la struttura 3D R apolari verso l interno (eccetto in proteine integrali di membrana) R polari verso l esterno (solvatati da H2O) primary structure ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY

81 La struttura terziaria è stabilizzata da 4 tipi di interazioni Interazioni idrofobiche: gli amminoacidi con catene laterali non polari tendono a localizzarsi all interno della molecola dove si associano con altri residui idrofobici. Interazioni ioniche: i gruppi con carica negativa (-COO - ) possono interagire con gruppi carichi positivamente (-NH 3+ ) Legami a idrogeno Legami disolfuro

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83 Legame disolfuro E un legame covalente che deriva dalla ossidazione del gruppo sulfidrilico (-SH) di due residui di cisteina con formazione di un residuo di cistina. Le due cisteine possono essere molto lontane nella stessa catena polipeptidica o appartenere a due diverse catene. Essendo legami covalenti, i legami disolfuro concorrono a stabilizzare la struttura delle proteine impedendone la denaturazione nell ambiente extracellulare.

84 ossidazione

85 La Formazione del ponte disolfuro è un ossidazione, la rottura è riduzione. Denatured inactive ribonuclease

86 Proteine: Fibrose Insolubili in acqua Utilizzate per tessuti connettivi Seta, collagene, cheratina Proteine globulari Solubili in acqua Usate per proteine cellulari Hanno un struttura complessa tridimensionale Struttura terziaria di proteine

87 Struttura terziaria (i domini) Le catene polipeptidiche formate da più di 200 amminoacidi in genere comprendono 2 o più domini, piccole unità compatte. I domini sono le unità strutturali e funzionali di una proteina. Ciascun dominio è una regione globulare, compatta, che si forma per la combinazione di più elementi strutturali secondari (a-eliche, foglietti b, sequenze non ripetitive). Strutturalmente, ciascun dominio è indipendente da altri domini della stessa catena polipeptidica. La struttura terziaria riguarda sia il ripiegamento di ciascun dominio sia la disposizione reciproca finale dei domini di un polipeptide.

88 Struttura terziaria di una proteina chinasi dominio proteico:parte di una catena polipeptidica che si può ripiegare indipendentemente in una struttura compatta stabile 2 domini con funzioni regolatorie Src 2 domini con funzioni catalitiche

89 Quaternary structure of multidomain proteins

90 Denaturazione e rinaturazione di una proteina RNasi nativa RNasi denaturata RNasi nativa La sequenza aminoacidica contiene tutta l informazione necessaria a specificare la forma tridimensionale di una proteina

91 Quando le interazioni vengono meno, in presenza di elevate temperature, di ph non ottimale o di detergenti, la struttura tridimensionale viene persa, così la proteina va incontro a denaturazione, perdendo la sua attività biologica. La Struttura Terziaria La denaturazione a volte è un processo reversibile, e, allontanando l'agente denaturante, la proteina riprende spontaneamente la sua conformazione tridimensionale (che è dettata dalla struttura primaria).

92 Struttura quaternaria delle proteine Molte proteine NON sono un unica catena polipeptidica Sono combinazione di oggetti Aggregati di proteine (globulari o fibrose) Ci possono essere parecchie unità identiche Molte proteine inglobano un gruppo non proteico che viene utilizzato per compiere una funzione specifica e viene detto PROSTETICO

93 Struttura quaternaria Molte proteine sono costituite da una sola catena polipeptidica (proteine monomeriche). Alcune proteine sono costituite da 2 o più catene polipeptidiche (subunità) strutturalmente identiche o diverse (proteine multimeriche). L associazione di queste subunità costituisce la struttura quaternaria. Le subunità sono tenute insieme da interazioni non covalenti.

94 Struttura quaternaria: associazione di più catene polipeptidiche

95 Alcune proteine contengono gruppi chimici diversi dagli amminoacidi Molti enzimi contengono solo amminoacidi e nessun altro gruppo chimico PROTEINE SEMPLICI. Altre proteine contengono, oltre agli amminoacidi, gruppi chimici funzionali permanentemente associati PROTEINE CONIUGATE. La parte non amminoacidica viene definita GRUPPO PROSTETICO.

96 proteine: struttura quaternaria associazioni non covalenti di più subunità ( emoglobina 4, aspartato transcarbamilasi 12, virus del mosaico del tabacco >2000) sede dell allosterismo (interazioni fra le subunità con conseguenze funzionali) Modello di enzima allosterico A induce una conformazione con maggiore affinità per S I diminuisce l affinità dell enzima per S

97 Carica e polarità di una catena polipeptidica La composizione in amminoacidi influenza le proprietà chimico-fisiche di una proteina. Proteine ricche in amminoacidi alifatici o aromatici sono relativamente poco solubili in acqua rispetto a quelle ricche in amminoacidi polari. Gli amminoacidi con catena laterale contenente gruppi acidi o basici conferiscono carica elettrica e capacità tampone ad una proteina.

98 In soluzione acquosa le proteine globulari hanno una struttura compatta: le catene laterali idrofobiche si trovano nella parte interna della molecola mentre i gruppi idrofilici in genere si trovano in superficie. In un ambiente non polare (lipidico), per esempio una membrana, la disposizione è opposta: catene laterali idrofiliche all interno, amminoacidi idrofobici sulla superficie della molecola.

99 LE PROTEINE: STRUTTURA QUATERNARIA Quando una proteina risulta costituita da più catene polipetidiche, l organizzazione nello spazio di queste catene, dette subunità o protomeri, rappresenta un ulteriore livello di complessità strutturale cui si dà il nome di struttura quaternaria. LE PROTEINE CON STRUTTURA QUATERNARIA SONO ANCHE DETTE PROTEINE OLIGOMERICHE. Le forze che mantengono un struttura quaternaria sono le stesse di cui si è discusso trattando la struttura terziaria delle proteine. I protomeri di una proteina oligomerica possono essere assimilati ai domini strutturali di una proteina monomerica.

100 I VANTAGGI DELLA STRUTTURA QUATERNARIA Le proteine costituite da protomeri identici rappresentano un risparmio in termini di materiale genomico da impegnare nella programmazione di grosse strutture proteiche. La disponibilità di oligomeri costituiti di subunità identiche consente di regolare finemente la loro funzione biologica (es. attività catalitica) mediante interazioni specifiche tra le subunità. Le proteine costituite da subunità diverse offrono il vantaggio di integrare in un unica struttura proteica più funzioni diverse. La disponibilità nel genoma di un organismo superiore di geni codificanti vari tipi di subunità diverse di uno stesso enzima oligomerico, consente all organismo di esprimere nei vari tessuti e organi il tipo di subunità di volta in volta più adatto, modulando l attività dell enzima e adattandola alle diverse necessità. Tali oligomeri sono dettiisoenzimi (es. Lattato Deidrogenasi).