Gerarchia della struttura delle proteine

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1 Si indica con CONFORMAZIONE la disposizione tridimensionale degli atomi di una molecola, cioè la loro organizzazione spaziale. Gerarchia della struttura delle proteine struttura primaria: sequenza degli aminoacidi struttura secondaria: le proteine tendono ad assumere conformazioni locali particolari molto comuni, come alfa-eliche e foglietti beta struttura terziaria: la struttura tridimensionale della proteina. la struttura quaternaria: determinata dal fatto che molte proteine sono costituite da più subunità.

2 La struttura secondaria Paul e Corey i pionieri dello studio della struttura secondaria delle proteine proposero che le catene polipeptidiche si presentano preferibilmente nella conformazione che consente la massima possibilità di legami idrogeno tra gli aminoacidi vicini. Furono proposte due conformazioni α-eliche e foglietti β Gran parte del core di una proteina comprende delle strutture secondarie regolari, α-eliche e foglietti β, ripiegate in una configurazione tridimensionale. In queste strutture secondarie si formano in modo regolare dei ponti idrogeno tra aminoacidi adiacenti, e gli aminoacidi hanno simili angoli psi e phi. La formazione di queste strutture neutralizza i gruppi polari (C=O e NH) di ciascun aminoacido. Le strutture secondarie sono fortemente impacchettate nel core proteico in un ambiente ibrofobico. Le parti di catena polipeptidica prive di strutture particolari, possono formare cerniere, giri, anse o estensioni digitiformi.

3 α-eliche: il più abbondante tipo di struttura secondaria nelle proteine L elica presenta 3,6 aminoacidi per giro, con i ponti idrogeno che si formano tra aminoacidi distanti 4 residui. La lunghezza media è 10 aminoacidi (3 giri) o 10 Å, ma varia da 5 a 40 aminoacidi. L elica è di norma destrorsa, ma raramente possono trovarsi corte eliche di 3-5 amino acidi sinistrorse.

4 La posizione più comune delle α-eliche è nella superficie del core proteico, dove costituiscono un interfaccia con l ambiente acquoso circostante. Il lato rivolto verso l interno tende ad avere amino acidi idrofobici, viceversa quello verso l esterno. Ogni 3 su 4 aminoacidi lungo la catena tenderanno ad essere idrofobici, distribuzione facilmente individuabile. Il contenuto in aminoacidi può essere utile per la predizione di una α-elica. Regioni : più ricche in A, E, L e M tendono a formare una α-elica più povere in P, G, Y e S La prolina destabilizza o rompe le α- eliche, ma può essere presente in eliche lunghe, dove crea una curvatura.

5 Foglietti β: conformazione a zig-zag. Sono formati mediante ponti idrogeno tra 5-10 aminoacidi consecutivi (in media) di una porzione della catena polipeptidica con altri 5-10 aminoacidi presenti in un altra regione della proteina. Ciascuna porzione può avere la stessa direzione: foglietti β paralleli; la direzione opposta: foglietti β antiparalleli. Le regioni interagenti possono essere adiacenti (separate da un breve loop anche di soli 2 aminoacidi) o lontane, con altre strutture secondarie nel mezzo.

6 La struttura terziaria E la struttura tridimensionale della proteina. Il ripiegamento (folding) delle proteine consente il loro corretto funzionamento. Le proteine svolgono la maggior parte delle funzioni molecolari biologiche: metaboliche, strutturali, di regolazione, di difesa immunitaria, ed altro. La comprensione della struttura delle proteine è fondamentale per capirne il funzionamento. Teoricamente alcuni dei legami possono ruotare rendendo possibile un numero pressoché infinito di conformazioni è estremamente difficile predire con metodi computazionali la struttura proteica, anche se oggi si comincia ad avere qualche promettente risultato. Le strutture proteiche sono determinate sperimentalmente mediante diffrazione ai raggi X, oppure mediante NMR.

7 Struttura quaternaria L emoglobina, un esempio di proteina formata da più subunità.

8 DUE PAROLE SUI DOMINI PROTEICI Molte proteine, specialmente quelle di grandi dimensioni sono formate da più domini distinti, Queste regioni compatte semi-indipendenti possono avere delle funzioni distinte, per esempio legare cofattori, e spesso sono collegate al resto della proteina da una porzione di catena polipepetidica che serve da cerniera. In molti casi domini distinti di una proteina sono codificati da esoni distinti e a volte proteine formate da più di un dominio si sono evolute per fusione di geni che codificavano per proteine ancestrali diverse e quindi i domini in questo caso possono derivare dalla fusione di proteine differenti. Questo fatto è risultato estremante importante nell evoluzione degli eucarioti.

9 I L D N A Fino al 1944 si pensava che l'informazione biologica fosse conservata nelle proteine. Si sapeva che il DNA è costituito da 4 diverse basi, ma si pensava che avesse una funzione strutturale. Avery, McLeod e McCarty scoprirono che il DNA del batterio Pneumococcus contiene l'informazione per conferire ai batteri la patogenicità. Il 25 Aprile del 1953, sulla rivista "Nature" furono pubblicati diversi lavori storici: in primo luogo quello di Watson e Crick che proposero la struttura a doppia elica del DNA, per cui due filamenti antiparalleli di DNA si appaiano a formare una doppia elica. Le A stanno appaiate con le T e le G con le C. Nello stesso fascicolo di "Nature" furono anche pubblicati altri lavori tra i quali sopratutto il quello di Rosalind Franklin che fu la persona che produsse i dati di diffrazione ai raggi X del DNA, che portarono alla determinazione della struttura a doppia elica.

10 Acidi nucleici (DNA e RNA) Sono dei polimeri (catene) di nucleotidi legati tra loro da legami fosfodiesterici Ogni nucleotide è formato da una unità di zucchero (ribosio( (RNA) o deossiribosio (DNA): ribosio mancante di un gruppo OH), da un gruppo fosfato e dalla presenza di una delle 4 possibili differenti basi basi chiamate Adenina, Citosina, Guanina e Timina (Uracile nell RNA), abbreviate con le loro iniziali: A, C, G, T (o U); Le differenti combinazioni delle successione delle basi rappresentano il codice genetico che codifica per le proteine. (questo concetto verrà ripreso più avanti) Oltre alle regioni codificanti le proteine, nel DNA esistono anche molte altre regioni con funzioni di regolazione (vedremo più avanti)

11 STRUTTURA DEI COMPONENTI DEL DNA Struttura chimica dell adenosina 5 -monofosfato (AMP), un nucleotide presente nell RNA. Tutti I nucleotidi sono costituiti da uno-due o tre gruppi fosfato (AMP-ADP-ATP) legati all idrossile 5 di uno zucchero pentoso, il cui carbonio 1 è legato ad una base organica. Per convenzione gli atomi di carbonio dello zucchero sono numerati con l apice. (b)struttura dello zucchero ribosio (RNA) (acido ribonucleico) e desossiribosio (DNA-acido desossiribonucleico), I pentosi degli acidi nucleici.

12 PURINE E PIRIMIDINE Le basi che compongono il DNA sono composti eterociclici (formati da due tipi di atomi differenti: N e C). Adenina e guanina sono purine, e contengono una coppia di anelli fusi tra loro, citosia, timina ed uracile (presente nell RNA al posto della T) sono pirimidine e sono composte da un solo anello.

13 LA STRUTTURA DEL DNA Nelle catene di DNA le basi sono unite mediante legami fosfodiesterici in cui un gruppo fosfato fa da ponte chimico tra due atomi di ossigeno legati agli atomi di carbonio posti in posizione 3' e 5' del deossiribosio. Nucleotide trifosfato (ATP) Struttura e sintesi del DNA La figura illustra l'aggiunta di una base ad un filamento di DNA. Questa operazione è generalmente svolta dall'enzima DNA-polimerasi.

14 Direzionalità del DNA La catena di DNA ha una direzione. Le sequenze sono generalmente scritte in direzione 5'-3', facendo riferimento agli atomi di carbonio del deossiribosio. La sequenza in figura viene quindi scritta come segue: 5'-ACG-3' C A G Ecc.ecc.

15 APPAIAMENTO TRA LE BASI Due eliche singole di DNA si appaiano tra loro per formare una doppia elica in cui le basi di un filamento si appaiano a quelle dell altro tramite legami ad idrogeno. La regola per l appaiamento delle basi è: A-T adenina si appaia con timina, C-G citosina si appaia con guanina, Questo fa sì che, nota la sequenza di un elica è data anche quella dell altra elica.

16 STRUTTURA DEL DNA Modello a spazi pieni del DNA B, la forma più comune nelle cellule. Lo zucchero ed i residui fosfato (grigio) in ciascun filamento formano lo scheletro (backbone), che è tracciato da una linea rossa che mostra la struttura ad elica della molecola. Le basi si proiettano all interno, ma sono accessibili tramite due solchi (grooves) detti major and minor grooves; una coppia di basi di filamenti opposti nel solco maggiore sono evidenziati in grigio e blu. I legami idrogeno tra le basi sono al centro della struttura.

17 Diagramma a bastoncini della struttura chimica del DNA Osservare: - lo scheletro di gruppi fosfato (anelli degli zuccheri in verde) - coppie di basi appaiate (blu e rosso) - legami ad idrogeno tra le basi che coinvolgono gruppi chimici ben definiti (line tratteggiate). - Lo scheletro va in direzioni opposte nelle due eliche e le estremità 5 e 3 sono così definite in base all orientamento degli atomi di carbonio 5 e 3 degli zuccheri. - Ciascuna coppia di basi ha una purina (A) o (G) ed una pirimidina (T) o (C) legate da legami idrogeno. Non sono mostrati gli atomi di idrogeno. [Part (a) courtesy of A. Rich; part (b) from R. E. Dickerson, 1983, Sci. Am. 249 (6):94.]

18 DENATURAZIONE E RINATURAZIONE DEL DNA Una delle proprietà più importanti del DNA è la capacità di denaturarsi (in condizioni di temperatura e di ph adatte) e poi di rinaturarsi in condizioni appropriate. Anche in miscele complesse di doppie eliche (aventi sequenze differenti) un filamento è in grado in condizioni opportune di rinaturarsi con un filamenti avente sequenza complementare. Questa proprietà sta alla base di molte tecniche di biologia molecolare ed ingegneria genetica quali: PCR, Southern blot, Northern blot, Microarrays (che vedremo verso la fine del corso).

19 STRUTTURE SECONDARIE DEL DNA Negli acidi nucleici appaiamento tra basi complementari può avvenire anche entro lo stesso filamento (purchè le basi siano sufficientemente distanti). Questo sta alla base della struttura di molecole quali trna ed rrna importanti nella sintesi delle proteine.

20 REPLICAZIONE DELL INFORMAZIONE GENETICA La doppia elica di DNA ha permesso di spiegare il meccanismo di replicazione dell'informazione genetica che consiste nella replicazione della doppia elica. Le due eliche di partenza si separano e viene sintetizzata l'elica complementare a ciascuno dei due filamenti originari. Ogni nuova base viene copiata mediante un meccanismo di appaiamento tra basi complementari.. Si ottengono due doppie eliche identiche alla doppia elica originale. La duplicazione è detta semiconservativa perché ogni doppia elica figlia conserva un filamento dell'elica originaria e un filamento sintetizzato ex novo. Ulteriori informazioni sul DNA possono essere trovate all indirizzo: un museo interattivo sul DNA

21 La direzionalità delle molecole: DNA Una rappresentazione in formato testo di una doppia elica di DNA 5' nncgatgctagtagttgtacgcann -> 3 OH HO-3 <- nngctacgatcatcaacatgcgtnn - 5' Quando la sequenza indica una singola elica lunga alcuni nucleotidi, si parla di OLIGONUCLEOTIDE 5 -CGATGCCACCAAGTTGTACGCA-> 3 OH Il DNA può essere costituito da catene lunghissime di basi, anche di centinaia di milioni nei cromosomi umani!!!