Struttura delle proteine

Struttura delle proteine I II III Copyright 2001-2015 by Giorgio Sartor. All rights reserved. Versione 1.2.1 oct 2015 Proteine Biomolecole, macromolecole Piùdel 50% del peso secco di una cellula sono proteine Polimeri lineari di aminoacidi Possono essere trattate come stringhe Macchine molecolari Enzimi Proteine contrattili Actina, miosina Proteine strutturali Tropocollagene, cheratina Effettori Insulina, egf Difesa Immunoglubuline Recettori CD4, ACh Repressori Jun, Fos Chaperonine GroEL Immagazinamento Ferritina v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 2

TRASDUZIE DEL SEGALE: comunicazione extracellulare v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 3 TRASDUZIE DEL SEGALE: comunicazione intracellulare Protein chinasi L attivazione dei recettori di superficie provoca variazioni del grado di fosforilazione di alcune proteine attraverso l attivazione di chinasi. Le chinasi possono far parte del recettore, essere nel citosol, o associate alla membrana plasmatica. Ci sono due tipi di chinasi quelle che fosforilano la tirosina, e quelle che agiscono sulla serina o sulla treonina. L attivitàcatalitica delle chinasi viene modulata da fosforilazioni, dal legame diretto ad altre proteine, da variazioni della concentrazione di secondi messaggeri. All attivitàdelle chinasi si contrappone l attivitàdelle fosfatasi, che rimuovono i gruppi fosfato da specifiche proteine substrato. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 4

TRASDUZIE DEL SEGALE: comunicazione intracellulare Proteine segnale intracellulari Proteine che legano il GTP e agiscono come interruttori molecolari nelle vie metaboliche nelle vie della trasduzione del segnale. Esistono due classi con attivitàgtp-asica: la proteine G trimericheche sono direttamente accoppiate ad alcuni recettori, e le proteine monomericheras. In tutti e due i tipi di proteine, sono presenti regioni che promuovono l attività di specifiche proteine effettrici per interazione diretta proteina-proteina.idomini si trovano nella loro conformazione attiva soltanto quando la switch protein è legata al GTP. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 5 Sequenza AA del dominio di legame del DA contenente Zn ++ del recettore dei glucocorticoidi. gni ione di Zn ++ èlegato a 4 residui di cisteina. Uno di questi stabilizza l elica di riconoscimento (in giallo) che fornisce siti di legame ai DA sequenza specifici mentre nella altra regione contenente Zn ++ èpresente un loop(in viola) implicato nella formazione del dimero. Sequenza nucleotidica della regione del DA legante i glucocorticoidi v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 6

Sequenza AA del dominio di legame del DA contenente Zndel recettore dei glucocorticoidi. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 7 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 8

Recettori accoppiati a protein G e loro effettori v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 9 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 10

v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 11 Fig. 1. Comparison of the inactive Gαβγ heterotrimer and the Gαi/q-GRK2-Gβγ complex. V M Tesmer et al. Science 2005;310:1686-1690 v. 1.2.1 by AAAS gsartor 2015 Published M01 - Struttura delle proteine 12

v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine Struttura delle proteine I fondamentali 13

Proteina v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 15 Aminoacidi Gli α-aminoacidi (AA) sono molecole che presentano almeno due gruppi funzionali, il gruppo C e il gruppo 2 Legati al carbonio α R R 2 3 + v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 16

Aminoacidi Gli AA differiscono tra loro per il gruppo R I mammiferi utilizzano 20 AA diversi il cui gruppo R ha diverse proprietà polari e/o acidobase: R alifatico (sei) R aromatico (tre) R idrossilato(due) R contenente zolfo (due) R acido e derivati (quattro) R basico (tre) o R idrofobico (sette) R polare (otto) R carico (quattro) glicina v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 17 Aminoacidi Gli AA differiscono tra loro per il gruppo R I mammiferi utilizzano 20 AA diversi il cui gruppo R ha diverse proprietà polari e/o acidobase: R alifatico (sei) R aromatico (tre) R idrossilato(due) o R contenente zolfo (due) R acido e derivati (quattro) R basico (tre) R idrofobico (sette) R polare (otto) R carico (quattro) glicina v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 18

Aminoacidi alifatici Gli AA alifatici sono sei: 3 C 3 C C 3 2 2 2 Glicina GlyG Alanina Ala A Valina ValV 3 C C 3 2 3 C C 3 2 Leucina Leu L Isoleucina IleI Prolina Pro P v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 19 Aminoacidi aromatici Gli AA aromatici sono tre: Fenilalanina PheF 2 Tirosina TyrY 2 2 Triptofano TrpW v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 20

Aminoacidi idrossilati Gli AA idrossilatisono due: 3 C 2 2 Serina SerS Treonina ThrT v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 21 Aminoacidi contenenti zolfo Gli AA contenenti zolfo sono due: S C 3 S 2 2 Cisteina CysC Metionina MetM v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 22

Aminoacidi acidi (e derivati) Gli AA acidi sono due (e due le amidi): Acido aspartico Asp D 2 Acido glutamico GluE 2 2 2 2 2 Asparagina Asn Glutamina GlnQ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 23 Aminoacidi basici Gli AA basici sono tre: 2 2 2 Lisina LysK Arginina Arg R 2 Istidina is 2 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 24

Proprietà acido-base degli AA La presenza dei due gruppi funzionali C e 3 + rende gli AA simili, nel loro comportamento acido-base, ad acidi biprotici A 2 +. A 2 + A + + A - + + + + R 3 + R 3 + R 2 K a ' + K a '' + Carica +1 Catione Carica 0 Anfoione Carica -1 Anione v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 25 Proprietà acido-base degli AA v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 26

Proprietà acido-base degli AA Si definisce pi (punto isoelettrico) il valore di p al quale l AA ha carica netta 0, nel caso di un AA con catena laterale neutra èdato da: pi 1 = (pka '( α C) + pka ''( α -3 2 + ) ) v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 27 Proprietà acido-base degli AA acidi In presenza un gruppo acido oltre ai due gruppi funzionali C e 3 + gli AA si comportano come acidi triproticia 3 +. A 3 + A 2 + + A - + + + + + A -- + + C 3 + C 3 + -C 3 + -C 2 + + + Carica +1 Catione K a ' Carica 0 Anfoione K a '' Carica -1 Anione K a ''' Carica -2 Dianione v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 28

Proprietà acido-base degli AA acidi Il pi di un AA acido è dato dalla media dei due valori minori di pk a : 1 pi = (pka '( α C) + pka ''(R-C) 2 ) v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 29 Proprietà acido-base degli AA basici In presenza un gruppo basico oltre ai due gruppi funzionali C e 3 + gli AA si comportano come acidi triproticia 3 ++. 3 + A ++ 3 A + + 2 + + + A + + (C 2 ) 4 3 + (C 2 ) 4 3 + 3 + (C 2 ) 4 3 + 2 + A - + + (C 2 ) 4 2 2 + + + Carica +2 Dicatione K a ' Carica +1 Catione K a '' Carica 0 Anfoione K a ''' Carica -1 Anione v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 30

Proprietà acido-base degli AA basici Mentre il di un AA basico è dato dalla media dei due valori maggiori di pk a : pi 1 = (pka '' + + pka ''' + ( α 3 ) ( ε 3 2 ) ) v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 31 Proprietà acido-base degli AA apolari AA pk a pk a pi Gly 2.3 9.6 6.0 Ala 2.3 9.7 6.0 Val 2.3 9.6 6.0 Leu 2.4 9.6 6.0 Ile 2.4 9.7 6.1 Pro 2.0 10.6 6.3 Phe 1.8 9.1 5.5 Met 2.3 9.2 5.8 Ser 2.2 9.2 5.7 Thr 2.6 10.4 6.5 Trp 2.4 9.4 5.9 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 32

Proprietà acido-base degli AA polari AA pk a pk a pk a R pi Cys 1.7 10.8 8.3 5.0 Tyr 2.2 9.1 10.1 5.7 Asp 2.1 9.8 3.9 3.0 Asn 2.0 8.8-5.4 Glu 2.2 9.7 4.3 3.2 Gln 2.0 9.1-5.7 is 1.8 9.2 6.0 7.6 Lys 2.2 9.0 10.5 9.8 Arg 2.2 9.0 12.5 10.8 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 33 Proprietà acido-base degli AA polari AA pk a pk a pk a R pi Cys 1.7 10.8 8.3 5.0 Tyr 2.2 9.1 10.1 5.7 Asp 2.1 9.8 3.9 3.0 Asn 2.0 8.8-5.4 Glu 2.2 9.7 4.3 3.2 Gln 2.0 9.1-5.7 is 1.8 9.2 6.0 7.6 Lys 2.2 9.0 10.5 9.8 Arg 2.2 9.0 12.5 10.8 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 34

Istidina is is presenta un valore di pi vicino al p fisiologico a causa della stabilizzazione per risonanza del catione imidazolico. + 3 + pk a = 6.0 3 + + + + 3 + v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 35 Aminoacidi Gli AA differiscono tra loro per il gruppo R I mammiferi utilizzano 20 AA diversi il cui gruppo R ha diverse proprietà polari e/o acidobase: R alifatico (sei) R aromatico (tre) R idrossilato(due) o R contenente zolfo (due) R acido e derivati (quattro) R basico (tre) R idrofobico (sette) R polare (otto) R carico (quattro) glicina v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 36

Aminoacidi idrofobici 3 C 3 C C 3 3 C 2 2 2 C 3 2 Alanina Ala A Valina ValV Fenilalanina PheF Leucina Leu L 3 C C 3 2 C 3 S 2 Isoleucina IleI Prolina Pro P Metionina MetM v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 37 Aminoacidi polari 2 3 C 2 2 2 Serina SerS Treonina ThrT Istidina is Tirosina TyrY S 2 2 2 2 2 2 Cisteina CysC Asparagina Asn Glutamina GlnQ Triptofano TrpW v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 38

Aminoacidi carichi 2 2 3 + 2 Acido aspartico Asp D Acido glutamico GluE Lisina LysK 2 2 + 2 + 2 Arginina Arg R 2 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 39 + 2 + Istidina is Aminoacidi modificati Modificazioni post-traduzionali 4-idrossiprolina -fosfoserina P 3 + -fosfotirosina P 3 + -Acetillisina 3 C 3 + v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 40

Isomeria ottica Tutti gli AA (esclusa la glicina) possiedono almeno un atomo di carbonio asimmetrico, il C α. R C α 2 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 41 Isomeria ottica Quindi possono esistere due isomeri D ed L 3 + C 3 3 + C 3 D-Alanina L-Alanina In natura gli AA sono fondamentalmente in forma L, gli aminoacidi D si trovano in batteri. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 42

Isomeria ottica Per quanto riguarda la configurazione assoluta degli L-AA 18 sono S e uno (la cisteina) R. 2 C 3 3 C C S 2 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 43 Isomeria ottica Per quanto riguarda la configurazione assoluta degli L-AA 18 sono S e uno (la cisteina) R. 2 C 2 S SC 2 C R 2 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 44

STRUTTURA Gerarchia di strutture v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 46

Struttura primaria Si definisce la struttura primaria di un peptide o di una proteina la sequenza a partire dall AA aminoterminale(il primo) all AA carbossiterminale(l ultimo). + 3 -G-A-S-T-A-A-K-W-K-C - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 + 3 -Gly-Ala-Ser-Thr-Ala-Ala-Lys-Trp-Lys-C - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 47 Il legame peptidico CC Cα 1 Cα 2 2 R R AA 1 AA 2 (aminoterminale) (carbossiterminale) Gli AA si legano tra loro con un legame tra il gruppo carbossilico di un AA e il gruppo aminico dell AA successivo. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 48

Il legame peptidico CC 2 R R AA 1 AA 2 (aminoterminale) (carbossiterminale) Gli AA si legano tra loro con un legame tra il gruppo carbossilico di un AA e il gruppo aminico dell AA successivo. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 49 Il legame peptidico Il legame peptidico ha caratteristiche elettroniche che ne regolano la geometria... Cα 1 Cα 2 Cα 1 + Cα 2 δ Cα 2 Cα 1 δ + v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 50

Angoli diedri Angolo diedro A-B-C-D (+) orario (-) antiorario v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 51 Angoli diedri Cα 1 ψ 1 C ω 1 φ 1 Cα * 2 ψ 2 C R ω 2 φ φ 2 Cα 3 φ (phi) C --Cα-C ψ(psi) -Cα-C - ω (omega) Cα-C --Cα Cα 1 ψ 1 C ω 1 Cα 2 φ1 ψ 2 C R ω 2 φ φ 2 Cα 3 ψ Cα 1 1 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 52 C ω 1 Cα * 2 φ1 ψ 2 C R ω 2 φ φ 2 Cα 3

Angoli diedri Cα C Cα C ψ Cα C Cα C ω Cα C Cα C φ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 53 Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà geometriche: I legami hanno lunghezze: C α -C1.52Å C=1.23Å C- 1.33Å -C α 1.45Å Il legame ωgeneralmente trans (180 ) Cα 1 ψ ω φ * Cα 2 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 54

Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà geometriche: on vi èlibera rotazione intorno al legame C- Vi èlibera rotazione solo intorno ai legami φ e ψ. Cα 1 ψ ω Cα C 32 φ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 55 Il legame peptidico v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 56

Il legame peptidico L angolo ωtende ad essere planare Trans(180 )o Cis(0 )a causa della delocalizzazione degli elettroni π. Transèpiùfavorito di Cis: Solo 116 su 32539 angoli in 154 strutture (0.36%) sono Cis (Stewart et al. 1990). Alcune coppie di AA sono però spesso Cis: Tyr-Pro(25%), Ser-Pro (11%), X-Pro (6.5%) Questo permette la flessibilitàdello scheletro della proteina attraverso gli angoli φe ψcon la limitazione dell ingombro sterico. Trans 121.1 123.2 ψ Cα 1 ψ Cα 1 115.6 119.5 ω 121.9 ω φ φ 118.2 119.5 121.9 118.2 Cα 2 Cα 2 Cis v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 57 Prolina Cis: Tyr-Pro(25%), Ser-Pro(11%), X-Pro (6.5%) ψ ω δ Cα 1 φ γ C Cα 2 β v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 58

Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà geometriche: Èplanare. Cα 1 ψ ω φ Cα C 32 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura Aminoacidi delle e proteine 59 Il legame peptidico A causa della distribuzione degli elettroni il legame peptidico ha specifiche proprietà elettriche: - 0.42 + 0.42 - Cα 2 Èdipolare. Cα 1-0.20 + + 0.20 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 60

φ ω ψ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 61 χ 2 2 + * 3 C χ 1 χ 5 χ 4 χ 3 χ 2 C 3 * v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 62

Peptidi e proteine I peptidi e le proteine sono polimeri di AA legati tra loro da un legame peptidico. Fino a 20 AA il polimero èun peptide. C v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 63 Protein folding Ripiegamento v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 64

Fattori che influenzano la stabilità e l attività delle proteine Interazioni non covalenti Legami idrogeno (donatore/accettore) Legami ionici Forze di Van derwaals Altri legami Interazioni covalenti Ponti disolfuro v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 65 Interazioni non-covalenti Legame idrogeno C= e : Legame peptidico -C=. - C= : Glu, Asp, Gln, Asn : Lys, Arg, Gln, Asn, is : Ser, Thr, Glu, Asp, Tyr v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 66

Interazioni non-covalenti Legami ionici C - --- + 3 C - : Glu, Asp pka< 5 3+ : Lys, Arg pka> 10 Forze di Van derwaals Di natura elettrostatica, corta distanza Interazioni dipolo-dipolo, ione-dipolo etc. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 67 Interazioni non-covalenti Energia: 0.4-400 kj mole -1 Dipendono dalla carica e dal momento dipolare Dipendono dalla distanza e dalla costante dielettrica del mezzo D = 80 ( 2 ) D = 2-4 (proteina) v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 68

Legame idrogeno C 3 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 69 Legame idrogeno v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 70

Struttura secondaria La struttura II delle proteine dipende dalla formazione di legami idrogeno tra atomi di ossigeno di un legame peptidico e atomi di azoto di un altro legame peptidico. La formazione dei legami tra atomi avviene a causa: della possibilità di rotazione intorno ai legami che coinvolgono il Cα della distribuzione delle cariche nel legame peptidico che rende l atomo di ossigeno carbonilico con carica parziale negativa e l atomo di idrogeno con parziale carica positiva, ciò rende la condivisione di un atomo di idrogeno tra l ossigeno e l azoto. Cα 1...Cα n δ δ + δ Cα 2... δ + Cα n +1 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 71 Struttura secondaria La formazione dei legami tra atomi avviene a causa della possibilitàdi rotazione intorno al legame tra il Cα e l atomo di azoto che lo precede (angolo φ) ed intorno ai legami tra il Cα e l atomo di carbonio (carbonilico) che lo segue (angolo ψ). R 3 + R φ ψ C- R v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 72

v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 73 Struttura secondaria 3 + R R R C- R C- 3 + R R ψ φ ψ φ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 74 Struttura secondaria 3 + R R R C R R R C-

Struttura secondaria Poiché non tutte gli angoli di rotazione sono possibili a causa degli ingombri sterici, esistono dei minimi di energia conformazionale che corrispondono a particolari coppie di angoli φ e ψ ed alla formazione di legami con, in alcuni casi, precise periodicità: Esistono diverse strutture II: Eliche Strutture β Ripiegamenti (Turns) v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 75 ELICE

Geometria dell α-elica Angoli φ e ψnegativi (-60 e -50 ) umero di residui per giro = 3.6 Passo dell elica = 5.4 Å 1.5 Åper residuo v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 77 α-elica v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 78

Eliche A: α-elica ideale B: α-elica destrorsa C: α-elica sinistrorsa v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 79 Mano Destra Mano Sinistra v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 80

Ramachandran plot Alanina Glicina MI MAX Scala di probabilità v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 81 β-sheet e β-strand Ramachandran plot ψ α-elica sinistrorsa Si può rappresentare la distribuzione degli angoli φe ψ in una qualunque proteina mettendo in grafico gli angoli. α-elica destrorsa φ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 82

Ramachandran plot Si può rappresentare la distribuzione degli angoli φe ψ in una qualunque proteina mettendo in grafico gli angoli. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 83 AA preferiti delle α-eliche v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 84

Caratteristiche Lunghezza media: 10 residui (3 giri di elica) Intervallo: da 4 a 40 residui Comunemente localizzata sulla superficie con un lato esposto l latro verso l interno Le eliche transmembranasono fatte quasi completamente da AA idrofobici v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 85 Aminoacidi e α-elica 3 C Buoni: 2 2 3 C C 3 2 C 3 S 2 Alanina Ala A Acido glutamico GluE Leucina Leu L Metionina MetM Cattivi: 2 2 2 Prolina Pro P Glicina GlyG Tirosina TyrY Serina SerS v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 86

Distorsioni α-elica Contatti con altre strutture secondarie; Distribuzione del solvente asimmetrica; Presenza nella sequenza di Pro e Gly v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 87 Elica 3 10 Tre aminoacidi per giro. Il legame forma un ciclo di dieci atomi. ψe φ 49, 26 3 9 10 8 1 2 7 5 2 6 4 3 1 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 88

Elica 3 10 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 89 Elica π La maggioranza delle eliche π ha una lunghezza di sette residui e non ha una regolarità negli angoli diedri ψ e φ. Se si escludono i residui estremi la somma dell angolo ψdi un AA e quello dell angolo φdel residuo successivo è di circa -125. Spesso un residuo di prolina segue l ultimo AA dell elica π. α elica elica π α elica v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 90

Elica π v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 91 Prolina Cis: Tyr-Pro(25%), Ser-Pro(11%), X-Pro (6.5%) ψ ω δ Cα 1 φ γ C Cα 2 β v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 92

Poli-prolina tipo II Gli angoli ψe φsono circa -75, 150 ; Tre residui per giro (360 /120 = 3) Passo circa di 3.1 Å. Struttura tipica di proteine fibrose (collagene, composto principalmente di prolina, idrossiprolina e glicina) Importante per l interazione proteina-proteina e per l interazione tra domini. on ci sono legami idrogeno interni poichél azoto amidicoe l ossigeno sono distanti (circa 3.8 Å) e non correttamente orientati. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 93 Poli-prolina tipo I L elica PPI èmeno densa dell elica PPII poichéil legame ωècis Gli angoli ψe φsono circa -75 e 160, simili ma non uguali a all elica PPII L elica PPI èdestrorsa con 3.3 residui per giro Il passo èpiùcorto rispetto a PPII: circa 1.9 Å. on ci sono legami idrogeno interni poichél azoto amidicoe l ossigeno sono distanti (circa 3.8 Å) e non correttamente orientati. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 94

STRUTTURE β β-sheet e β-strand L angolo φ è negativo e ψ è positivo. Le strutture βsono caratterizzate dalla formazione di legami idrogeno tra catene adiacenti e non necessariamente orientate nello stesso verso. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 96

Diversi tipi di β-sheet I legami che si formano dipendono dall orientazione relativa delle catene v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 97 β-sheet antiparalleli Il foglietto β, al contrario dell αelica, che ècostituita da un unica regione continua, risulta dalla combinazione di piùregioni della catena polipeptidica. Queste regioni, dette filamenti βhanno di solito la lunghezza di 5-10 residui e una conformazione quasi completamente distesa. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 98

β-sheet paralleli v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 99 Urato ossidasi Catecolo -Metiltransferasi v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 100

Diversi tipi di β-sheet I legami che si formano dipendono dall orientazione relativa delle catene v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 101 β-sheet Solo il 20% dei filamenti contenuti nei foglietti βdelle proteine di cui sia nota la struttura presenta un associazione parallela da un lato e antiparallela dall altro. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 102

Ramachandran plot β-sheet e β-strand ψ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 103 φ TURS

Turns I turnssono strutture composte di pochi AA, In genere fungono da collegamento tra eliche o strands. β-hairpin Turns Reverse Turns v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 105 β-hairpin loop Un tipo di loopche interviene tra due β- strand antiparallele. β -hairpin v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 106

β-hairpin loop La struttura della maggior parte delle proteine risulta dalla combinazione di più elementi di struttura secondaria, α eliche e filamenti β, collegati da regioni loop di lunghezza e forma irregolare. Il core idrofobo, stabile, della molecola è costituito da una combinazione di elementi di struttura secondaria, mentre le regioni loop si trovano alla superficie della molecola. I gruppi C =ed della catena principale presenti in questi loop, che in genere tra loro non formano legami a, si trovano esposti al solvente e possono formare legami a con molecole di acqua. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 107 Il ripiegamento βdi tipo I ha nelle proteine una frequenza doppia rispetto al tipo II. Il tipo βii ha sempre una Glyalla terza posizione. Circa il 6% dei legami peptidici in cui e coinvolto l atomo di azoto imminicodella prolina èin configurazione cise molti di questi presenti nei ripiegamenti β. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 108

β-hairpin Turns Residuo 1 ψ Residuo 2 Tipo II Tipo I Residuo 2 Residuo 1 φ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 109 Reverse Turns i + 1 Tipo II ψ i + 2 Tipo I i + 1 i + 2 sempre glicina φ v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 110

Strutture secondarie Struttura Angolo φ (medio) Angolo ψ (medio) Angolo ω α-elica -57-47 180 destrorsa β-sheet -119-139 +113 +135 180 180 parallelo antiparallelo α-elica +57 +47 180 sinistrorsa elica 3 10-49 -26 180 destrorsa elica π -57-80 180 destrorsa Eliche di tipo II -79 +150 180 PPII Poliprolinae poliglicina PPI -83 +158 0 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 111 v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 112

Preferenze degli aminoacidi Strutture ad elica: Met (M) -Ala (A) -Leu(L) -Glu(E) Gln(Q) -Lys (K) Strutture estese: Thr(T) -Ile (I) -Val (V) -Phe(F) -Tyr (Y) Trp(W) Strutture disordinate : Gly(G) -Ser (S) -Pro (P) -Asp () Asp (D) essuna: Cys(C) -is ()-Arg(R) v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 113 Ramachandran plot Alanina Glicina MI MAX Scala di probabilità v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 114

Ramachandran plot Si può rappresentare la distribuzione degli angoli φe ψ in una qualunque proteina mettendo in grafico gli angoli. v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 115 Ramachandran plot v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 116

Ramachandran plot Caso generale Glicina v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 117 Ramachandran plot Caso generale Prolina v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 118

Effetti globali Interazioni a lungo raggio (repulsive o attrattive) tra parti distanti della stessa proteina che possono sovrapporsi a effetti locali: Sequenze di aminoacidi sono in struttura ad elica in una regione e la stessa sequenza è in beta in un altra. Conversione di struttura (elica strand) nella stessa proteina (prioni). v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 119 Ribbon diagrams of P22 Cro (left) and λ Cro (right) illustrating the conserved -terminal DArecognition subdomain (residues 1 33; gray) and the highly divergent C-terminal dimerization subdomain (residues 34-end; red). Anderson W J et al. Protein Engineering, Design and Selection 2011;protein.gzr027 The Author 2011. Published by xford University Press. All rights reserved. For Permissions, v. please 1.2.1 e-mail: gsartor journals.permissions@oup.com 2015 M01 - Struttura delle proteine 120

v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 121 Disordered protein of the Bcl-2 family (green) linked to a cell membrane, which acquires structure by binding to its molecular target, in this case a structured protein (red) belonging to the same family. Protein names are shown. Source: [2] Barrera-Vilarmau, S., bregón, P., de Alba, E. Intrinsic order and disorder in the Bcl-2 member arakiri: Insights into its proapoptotic activity. PLoS E. 6, e21413 (2011). v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 122

Crediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: CAMPE Pamela, ARVEY Richard, FERRIER Denise R. LE BASI DELLABICIMICA [ISB 978-8808-17030-9] Zanichelli ELS David L., CX Michael M. I PRICIPI DIBICIMICA DILEIGER -Zanichelli GARRETT Reginald., GRISAM Charles M. BICIMICAcon aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VET Donald, VET Judith G, PRATT Charlotte W FDAMETI DIBICIMICA [ISB 978-8808-06879-8] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/ Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/ Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/ Rensselaer Polytechnic Institute: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/mbweb/mb1/mb1index.html Il materiale èstato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla rlandinidell Universitàdi Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento. Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/ oppure da http://www. gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione èdi libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor - giorgio.sartor@unibo.it v. 1.2.1 gsartor 2015 M01 - Struttura delle proteine 123