Macromolecole Biologiche. La struttura secondaria (I)

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1 La struttura secondaria (I)

2 La struttura secondaria Struttura primaria PRPLVALLDGRDETVEMPILKDVATVAFCDAQSTQEIHE Struttura secondaria

3 La struttura secondaria Le strutture secondarie sono disposizioni regolari della catena polipeptidica principale, che vengono classificate senza fare riferimento al tipo di catena laterale degli aminoacidi. Esse sono stabilizzate da legami idrogeno fra il gruppo aminico e il gruppo carbonilico della catena principale. La regolarità della conformazione risulta dalla regolarità della struttura atomica della catena polipeptidica, ed è evidenziata dai valori degli angoli diedri (φ, ψ) di ciascun gruppo peptidico.

4 La struttura secondaria Si distinguono fondamentalmente tre tipi di strutture secondarie: foglietto β reverse turn Circa il % degli aminoacidi delle proteine globulari assume la conformazione regolare tipica di uno dei tre tipi di struttura secondaria. I segmenti di catena polipeptidica che non sono in, foglietto β o turn, assumono la conformazione chiamata loop o random coil, struttura non ripetitiva né regolare, spesso priva di legami idrogeno tra gli aminoacidi che la compongono.

5 Eliche Se la catena polipeptidica modifica la propria conformazione esattamente della stessa quantità per ciascun aminoacido, essa assume per definizione una conformazione elicoidale. Un elica può essere specificata indicando i valori degli angoli diedri (φ, ψ), oppure può essere caratterizzata da: n, numero (non necessariamente intero) di unità peptidiche per giro di elica p (passo), la distanza per giro di cui l elica aumenta lungo il suo asse d = p/n, la distanza per unità peptidica di cui l elica aumenta lungo il suo asse. Un elica ha una sua chiralità, cioè può essere destrorsa o sinistrorsa (n positivo o negativo). Per verificarla si usa le regola della mano destra.

6 Eliche

7 L è la struttura secondaria più frequentemente adottata dalla catena polipeptidica delle proteine: circa il % degli aminoacidi delle proteine globulari di struttura tridimensionale nota assume la conformazione one ad α elica. Fu descritta per la prima volta nel 1951 da Linus Pauling e Robert Corey (California Institute of Technology), che ipotizzarono una struttura stabile ed energeticamente favorita nelle proteine, sulla base di parametri geometrici accurati per l unitl unità peptidica dedotti dall analisi analisi cristallografica di strutture di piccole molecole. La previsione di Pauling e Corey ricevette molto presto il supporto sperimentale dalla determinazione della struttura tridimensionale e della mioglobina (John Kendrew,, 1960) e dell emoglobina emoglobina (Max Perutz,, 1961), due proteine i cui elementi di struttura secondaria sono α eliche.

8 Un destrorsa è caratterizzata da: (φ, ψ) ) = (-57( 57, -47 ), corrispondenti al quadrante in basso a sinistra del plot di Ramachandran; n = 3.6 residui per giro p = 5.4 Å d = 1.5 Å Esistono anche α eliche di tipo sinistrorso (quadrante in alto a destra del plot di Ramachandran), molto rare e limitate a pochi aminoacidi. Esse sono caratterizzate da valori (φ,( ψ) ) = (+57,, +47 ) ) e da stessi valori per n e p (n negativo).

9 Un è caratterizzata da legami idrogeno fra il gruppo carbonilico dell aminoacido n e il gruppo aminico dell aminoacido n+4. Tali legami idrogeno sono forti e con una distanza N O O quasi ottimale, di 2.8 Å. C-term I gruppi NH e CO sono paralleli alla direzione (dall estremit estremità N-terminale terminale a quella C-terminale) C dell asse dell elica, elica, per cui tutti i legami idrogeno hanno la stessa direzione. Tutti i gruppi NH e CO (ogni quarto aminoacido) saranno legati da legami idrogeno, eccetto i primi 3 gruppi NH e gli ultimi 3 gruppi CO alle estremità dell elica. elica. N-term

10 Le catene laterali degli aminoacidi che appartengono ad un destrorsa sono rivolte verso l esterno l esterno e verso l estremitl estremità N-terminale dell elica. elica. In questo modo si evitano interferenze steriche con la catena polipeptidica principale e tra le catene laterali stesse. Un α elica sinistrorsa si trova molto raramente nelle proteine (solo brevi tratti di 3-55 aminoacidi) perché le catene laterali interferirebbero stericamente con la catena principale.

11 Nelle proteine globulari si trovano α eliche di varia lunghezza, da 4-54 aminoacidi fino a più di 40. In media un è lunga 12 residui, che corrispondono a 3 giri di elica e ad una lunghezza di 18 Å. L è una struttura energeticamente favorita, non solo per i legami idrogeno quasi ideali che la stabilizzano, ma anche per le interazioni di van der Waals che si realizzano fra gli atomi lungo l intero l asse dell elica. elica. Tali interazioni sono possibili per la struttura fortemente impaccata dell α elica. Un viene quindi schematizzata come un cilindro pieno al suo interno.

12 All è associato un macrodipolo. Ad ogni unità peptidica è associato un dipolo; nell questi dipoli sono tutti allineati lungo l asse dell elica. I dipoli associati a ciascuna unità peptidica si sommano e un costituita da n aminoacidi avrà un momento di dipolo complessivo pari a n 3.5 Debye.

13 Un momento di dipolo di 3.5 Debye corrisponde ad un unit unità di carica di 0.5 separata da 1.5 Å (che corrisponde proprio al parametro geometrico d dell ). L effetto effetto complessivo è un macrodipolo con parziale carica positiva e negativa rispettivamente alle estremità N- e C-terminali C dell. Il valore di questo momento di dipolo corrisponde a circa unità di carica localizzate su ciascuna estremità dell elica. elica.

14 La presenza di tale distribuzione di carica può attrarre ligandi di carica opposta. In particolare, all estremit estremità N-terminale terminale dell α elica spesso si trovano gruppi fosfato, mentre all estremit estremità C-terminale gruppi carichi positivamente, anche se più raramente. Il gruppo fosfato viene ulteriormente stabilizzato dai legami idrogeno che si possono formare con i gruppi NH liberi dell.

15 Ulteriore fonte di stabilità per l α l elica è il capping box,, prevalentemente osservato all estremit estremità N-terminale dell elica. elica. All estremit estremità N-terminale terminale dell elica elica ci sono 3 gruppi NH liberi, che non formano legami idrogeno con gruppi CO, perché non esiste un giro precedente dell elica elica che fornisca i partner necessari. In questo caso i partner necessari per formare legami idrogeno vengono v forniti ai 3 gruppi NH liberi dalle catene laterali di aminoacidi polari (Ser, Thr,, Asp, Asn) ) che, in casi favorevoli, precedono l estremitl estremità dell. Tali legami idrogeno ricorrono quindi fra un elemento della catena polipeptidica principale e uno della catena laterale.

16 La catena laterale dell aminoacido che precede l inizio l dell elica elica forma un legame idrogeno con il gruppo NH della catena principale del terzo aminoacido appartenente all elica e, analogamente, la catena laterale del terzo aminoacido dell elica elica forma un legame idrogeno con il gruppo NH della catena principale dell aminoacido che precede l inizio l dell elica. elica. In questo modo vengono soddisfatte quasi tutte le potenzialità di formare legami idrogeno degli aminoacidi che compongono le 2 estremità dell. Ulteriori partner per legami idrogeno vengono forniti per esempio da molecole d acqua. d

17 Nella parte C-terminale delle α eliche che presentano l aminoacido l glicina si osservano due motivi capping. - motivo di Schellman: : caratterizzato da un legame idrogeno fra il gruppo NH del terzo aminoacido che segue la fine dell elica elica e il gruppo CO del terzultimo aminoacido dell elica, elica, e da un altro legame idrogeno fra il gruppo NH del secondo aminoacido che segue la fine dell elica elica e il gruppo CO del penultimo aminoacido dell elica; elica; - motivo alpha-l: : caratterizzato da un legame idrogeno tra il gruppo NH del secondo aminoacido che segue la fine dell elica elica e il gruppo CO del terzultimo aminoacido dell elica. elica. In entrambi i motivi di capping il secondo aminoacido dopo la fine dell elica elica deve adottare una conformazione elicoidale sinistrorsa: ciò favorisce grandemente la presenza della Gly in questa posizione, anche se talvolta si trovano anche aminoacidi con catene laterali più lunghe.

18 Ciascuno dei 20 aminoacidi mostra una specifica propensione, o meno, per assumere conformazione in. Ala, Glu, Leu, Met: buoni iniziatori di α eliche Gly, Tyr, Ser: deboli iniziatori di α eliche Pro: merita un discorso a parte. L ultimo atomo della catena laterale è legato covalentemente all atomo N della catena principale, impedendo la formazione del legame idrogeno con il gruppo CO. La prolina si adatta bene nel primo giro dell, mentre se si trova in qualunque altra posizione nell elica di solito produce una significativa distorsione dell asse dell elica dalla linearità (circa 25 ). Tali distorsioni comunque, sono presenti nelle α eliche e non sempre necessariamente dovute alla presenza di una prolina.

19 Le α eliche possono essere sia completamente esposte al solvente o completamente sepolte nel cuore della proteina. Spesso, però, esse si trovano sulla parte esterna delle proteine,, con un lato che si affaccia sul solvente e l altro l che si affaccia verso l interno l idrofobico della proteina. Si osserva quindi la tendenza delle catene laterali a cambiare da idrofobiche a idrofiliche con una periodicità di residui.

20 Altri tipi di elica Variazioni dell, in cui la catena polipeptidica è avvolta più o meno strettamente, con legami idrogeno fra coppie di aminoacidi (n n+3) o (n n+5), sono chiamate elica 3 10 ed elica π. Entrambe queste conformazioni si trovano ai limiti della regione permessa per le strutture elicoidali destrorse nel plot di Ramachandran: Elica 3 10 : (φ, ψ) = (-49, -26 ) Elica π: (φ, ψ) = (-57, -70 ) Elica 3 10 ed elica π ricorrono poco frequentemente nelle proteine. In particolare, le eliche 3 10 possono essere presenti alle estremità delle α eliche, come segmenti molto corti (3-4 aminoacidi).

21 Altri tipi di elica

22 Elica 3 10 L elica 3 10 deve il suo nome al numero di aminoacidi per giro (3) e al numero di atomi (10) compresi fra un donatore ed un accettore di legame idrogeno. Secondo questa nomenclatura, l sarebbe un elica Le eliche 3 10 sono meno favorite delle α eliche: - gli atomi della catena principale sono troppo strettamente impaccati, portando ad interazioni di van der Waals repulsive; - i legami idrogeno non sono lineari; - i dipoli delle unità peptidiche deviano di circa 30 rispetto all asse dell elica; - la posizione delle catene laterali (allineate) porta ad interferenze steriche.

23 Elica π L elica π (o elica ) è avvolta meno strettamente dell e poiché gli atomi della catena principale lungo l asse dell elica sono lontani, non sono in contatto di van der Waals. L elica π si può schematizzare come un cilindro cavo. La cavità in corrispondenza dell asse dell elica non è però tale da consentire l entrata di molecole d acqua che potrebbero stabilizzare l elica. Ciò rende l elica π una struttura poco favorita dal punto di vista energetico ed estremamente poco diffusa nelle proteine.