Chimotripsina Una proteina globulare Glicina Un amminoacido
- In teoria un numero enorme di differenti catene polipeptidiche potrebbe essere sintetizzato con i 20 amminoacidi standard. 20 4 = 160.000 differenti peptidi con 4 amminoacidi 20 300 differenti proteine con 300 amminoacidi - Solo un numero limitato delle possibili catene polipeptidiche può assumere una singola conformazione tridimensionale stabile. - Le proteine che non hanno una conformazione stabile non sono utili e vengono eliminate dalla selezione naturale - Le proteine sono state costruite in un modo così preciso che il cambio di pochi atomi di un amminoacido può talvolta distruggere la struttura di una proteina e comprometterne la funzione.
Diversi conformeri della molecola dell etano
Livelli di struttura nell architettura delle proteine Struttura primaria: Struttura secondaria: Sequenza degli amminoacidi e posizione dei ponti disolfuro. Insieme dei legami covalenti. Disposizione nello spazio dei residui amminoacidici adiacenti nella sequenza lineare. Disposizioni particolarmente stabili dei residui amminoacidici che danno origine a organizzazioni ricorrenti Tipiche e più comuni strutture secondarie: α elica, foglietto β, ripiegamento β Struttura secondaria di una proteina = distribuzione di α eliche, foglietti β e turns lungo la catena proteica.
Livelli di struttura nell architettura delle proteine (b) Struttura terziaria: Disposizione nello spazio dei residui amminoacidici lontani tra loro nella sequenza lineare. Descrive tutti gli aspetti del ripiegamento tridimensionale di un polipeptide Struttura quaternaria: In proteine con più di una catena polipeptidica (subunità) si riferisce alla distribuzione nello spazio di queste subunità e alla natura dei contatti che esistono tra loro.
Le interazioni chimiche che stabilizzano la conformazione di una proteina sono: Ponti disolfuro (nelle proteine extracellulari) Legami non covalenti: Legami idrogeno Interazioni ioniche Interazioni di van der Waals Interazioni idrofobiche La conformazione di una proteina con la minore energia libera (cioè la più stabile) è generalmente quella con il maggior numero di interazioni deboli
Il ripiegamento (o folding) delle proteine 1) I residui idrofobici devono essere localizzati all interno della proteina, lontano dal contatto con l acqua. 2) Il numero di legami idrogeno deve essere massimo.
Il ripiegamento (o folding) delle proteine (b) La maggior parte della variazione di energia libera che si ha durante il folding di una proteina è dovuta all aumento di entropia della soluzione acquosa. Si ha aumento dell entropia dell acqua quando le catene laterali degli amminoacidi idrofobici tendono a raggrupparsi all interno della proteina Si ha aumento dell entropia dell acqua quando si generano legami idrogeno intramolecolari o interazioni ioniche tra gruppi carichi della molecola
Il numero di molecole d acqua negli strati ordinati è proporzionale all area superficiale del soluto idrofobico
Interazioni idrofobiche Molecole non polari in un ambiente acquoso tendono a raggrupparsi. L aggreagazione delle molecole non polari in acqua porta ad un aumento dell entropia del sistema dovuto alla riduzione della superficie esposta al solvente ed alla conseguente riduzione delle molecole d acqua negli strati ordinati. Queste associazioni di molecole non polari in ambiente acquoso sono dette Interazioni (o attrazioni) idrofobiche
Molecole non polari in una soluzione acquosa vengono tenute insieme non tanto perché hanno affinità tra loro ma per ridurre la superficie esposta all acqua.
Il ripiegamento (o folding) ) delle proteine (c) La scomparsa degli strati di molecole di acqua altamente ordinate rappresenta la forza entropica trainante che guida l avvolgimento di una proteina
IL legame amidico C-N in un peptide (1,32 Å) ha una lunghezza intermedia tra quella di un singolo legame C-N (1,49 Å) e di un doppio legame C=N (1,27 Å) (Pauling and Corey, 1930) Nel legame peptidico vi è parziale ridistribuzione delle 2 coppie di elettroni tra l atomo di ossigeno carbonilico e l atomo di azoto amidico. Il legame C-N ha caratteristiche parziali di doppio legame ed è pertanto rigido. L idrogeno del gruppo aminico sostituito è quasi sempre trans (opposto) rispetto all ossigeno del gruppo carbonilico.
Il legame peptidico
Legami peptidici trans e cis La forma trans è fortemente favorita perché nella forma cis vi sono impedimenti sterici.
Legami X-Pro cis e trans Le energie di queste due forme sono paragonabili perchè impedimenti sterici sono presenti in entrambe le configurazioni La prolina può partecipare anche a legami peptidici di tipo cis
Tipiche distanze di legame in una unità peptidica
I legami peptidici sono strutture rigide e planari
Gruppo peptidico (rigido)
Ciascuna unità peptidica può ruotare intorno a 2 legami N - Cα e Cα - C L angolo di rotazione intorno al legame N - Cα = φ (phi) L angolo di rotazione intorno al legame Cα C = ψ (psi) φ e ψ possono teoricamente assumere tutti i valori compresi tra -180 e + 180
C è libertà di rotazione intorno ai legami che uniscono i gruppi peptidici agli atomi di carbonio α.
Catena principale (Scheletro covalente) Catena laterale
Piano amidico Carbonio α Gruppo laterale Piano amidico
Per convenzione, gli angoli φ e ψ sono definiti pari a 0 o quando i due legami peptidici che fiancheggiano un atomo di carbonio α sono sullo stesso piano e nella posizione qui mostrata. In una proteina questa conformazione non è consentita per le sovrapposizioni steriche tra l atomo di ossigeno carbonilico e l atomo di idrogeno α-amminico
Interferenze steriche tra due gruppi peptidici adiacenti. Una rotazione può portare a una conformazione in cui l atomo di idrogeno amidico e l atomo di ossigeno carbonilico del residuo successivo sono più vicini delle loro distanze di van der Waals
B) Visione lungo il legame tra l atomo di azoto e il carbonio α che mostra come si misura φ C) Visione lungo il legame tra il carbonio α e il cabonio carbonilico che mostra come si misura ψ Una rotazione in senso orario intorno a ciascun legame del gruppo più lontano in una visione frontale come quelle qui mostrate, corrisponde a un valore positivo; una rotazione in senso antiorario corrisponde a un valore negativo
Un residuo di una catena polipeptidica non può avere qualunque coppia di valori degli gli angoli φ e ψ, perché certe combinazioni non sono possibili per interferenze steriche tra gli atomi dello scheletro del polipeptide e quelli delle catene laterali. I valori permessi di questi angoli possono essere riportati in un grafico in cui ψ viene analizzato in funzione di φ, un indagine che va sotto il nome di grafico di Ramachandran.
Un grafico di Ramachandran per residui di L-alanina - Conformazioni ulteriori sono possibili per la glicina (in rosso) perché la sua catena laterale è piccola (H).
α-elica Nella struttura ad α-elica lo scheletro del polipeptide è avvolto intorno all asse longitudinale della molecola e le catene laterali dei residui amminoacidici sporgono verso l esterno
α-elica L α elica è stabilizzata da legami idrogeno che si formano tra il gruppo C = O di un residuo n ed il gruppo N-H del residuo n+4 Tutti i gruppi C = O ed N-H, eccetto il primo N-H ed il primo C=O, sono impiegati in legami idrogeno Sono presenti 3,6 residui per giro.
I piani dei legami peptidici rigidi sono paralleli all asse dell elica. α elica
= catene laterali R
Modello spaziale dell α elica, in cui si può osservare come sono ammassati gli atomi
C C N N
L avvitamento dell elica è più comunemente destrorso con angoli φ e ψ compresi tra -60 0 e -50 0.
L avvolgimento dell α elica consente la formazione di interazioni tra la catena laterale di un amminoacido e quella del residuo distante 3 (a volte 4) residui in entrambe le direzioni dell elica. Spesso gli amminoacidi carichi positivamente si trovano distanziati di 3 residui da amminoacidi carichi negativamente, in modo da formare interazioni ioniche. Due amminoacidi aromatici possono anch essi essere distanziati di 3 residui in modo da generare un interazione idrofobica.
Elica affossata nella molecola Elica parzialmente esposta al solvente Elica completamente esposta al solvente = residuo idrofobico = residuo polare = residuo carico
Residuo di prolina impegnato in un legame peptidico La presenza di un residuo di prolina limita la formazione di un α-elica 1) L atomo di azoto imminico di un residuo di prolina fa parte di un anello rigido e quindi non è possibile rotazione intorno al legame N - Cα (φ). 2) L atomo di azoto di un residuo di prolina coinvolto in un legame peptidico non ha l atomo di idrogeno sostituente che è necessario per generare un legame idrogeno con altri residui.
In ogni legame peptidico esiste un piccolo dipolo elettrico I dipoli si sommano attraverso i legami idrogeno presenti nell elica e quindi il dipolo aumenta con la lunghezza dell elica In quattro amminoacidi alle due estremità di un elica non partecipano completamente alla formazione di legami idrogeno. Le cariche parziali negative e positive del dipolo delle eliche risiedono sui gruppi N-H e C=O dei legami peptidici, vicino all estremità ammino- e carbossi-terminale dell elica. Amminoacidi carichi negativamente sono spesso presenti vicino all estremità amminoterminale di un elica, dove possono generare interazioni stabilizzanti con la carica positiva del dipolo dell elica. Residui carichi positivamente nella stessa posizione sono destabilizzanti. Il contrario accade all estremità carbossi-terminale.
Tre modi differenti di rappresentare una α-elica: a) modello a palle e bastoncini; b) modello a nastro; c) modello a cilindro
La ferritina: una proteina che serve per accumulare il ferro, ha una struttura costituita prevalentemente da α-eliche.
Conformazione β E la conformazione più estesa delle catene polipeptidiche. Lo scheletro della catena polipaptidica è esteso con un andamento a zig-zag
Conformazione β Si formano legami igrogeno tra i gruppi C=O di un filamento e i gruppi N-H di un filamento adiacente.
Conformazione β Catene adiacenti di una struttura β possono avere direzioni opposte (foglietto β antiparallelo): C N N C Coppie di legami idrogeno ravvicinate si alternano a coppie a maggiore distanza. I legami idrogeno sono perpendicolari alla direzione dei filamenti.
Conformazione β Catene adiacenti di una struttura β possono avere la stessa direzione (foglietto β parallelo): N C N C Le coppie di legami idrogeno si presentano regolarmente distanziate e non sono perpendicolari alla direzione dei filamenti.
Foglietto β di tipo misto:
I gruppi R di residui amminoacidici adiacenti sporgono al di fuori della struttura a zig-zag, alternativamente da una parte o dall altra del piano La catena principale forma tutti i legami idrogeno possibili tranne nel caso dei due filamenti esterni che, trovandosi ai due lati del foglietto, sono affiancati da un solo filamento β.
A) Foglietti β antiparalleli B) Foglietti β paralleli
Modi differenti di rappresentare una struttura β: a) Un modello a palle e bastoncini
b) Un modello schematico b) Rotazione di 90 o della rappresentazione schematica per mettere in evidenza la torsione dei diversi filamenti β.
La struttura di una proteina che lega gli acidi grassi, costituita quasi esclusivamente da foglietti β
La fibroina della seta La fibroina della seta è costituita da strati di foglietti β antiparalleli ricchi di residui di Alanina e Glicina. Catene laterali di Alanina Catene laterali di Glicina Le catene laterali piccole di questi residui consentono un avvicinamento perfetto degli strati di foglietti. Sequenza (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala) n
Fotografia colorata al microscopio elettronico di fili di fibroina che escono dalla filiera di un ragno
Ripiegamento β (β turn) Nelle proteine globulari, circa un terzo dei residui sono presenti in ripiegamenti o anse a livello dei quali la catena polipeptidica modifica la sua direzione I ripiegamenti che uniscono due segmenti consecutivi di un foglietto β antiparallelo sono detti ripiegamenti β. La struttura è un ripiegamento di circa 180 o, che comprende 4 residui amminoacidici La struttura è stabilizzata da un legame idrogeno tra il gruppo carbonilico del primo amminoacido (i) e il gruppo amminico del quarto residuo (i+3). Il secondo e il quarto legame peptidico non partecipano alla formazione di legami.
Ripiegamento β
Ripiegamento β (β turn) Nei ripiegamenti β sono spesso presenti residui di Glicina e di Prolina. Glicina : amminoacido piccolo e flessibile Prolina : il legame peptidico con l azoto imminico della prolina assume facilmente la configurazione cis, una forma che si adatta bene ad un cambio di direzione molto stretto.
Legami X-Pro cis e trans Le energie di queste due forme sono paragonabili perchè impedimenti sterici sono presenti in entrambe le configurazioni La prolina può partecipare anche a legami peptidici di tipo cis
la configurazione cis si adatta bene ad un cambio di direzione molto stretto.
Gly
Loop (Anse) sulla superficie di una proteina I β turn sono frequentemente localizzati sulla superficie delle proteine dove i gruppi peptidici dei due residui centrali della struttura possono formare legami idrogeno con le molecole di acqua Una parte di una molecola di un anticorpo. Sono evidenziati i loop sulla superficie che sono coinvolti nell interazione con altre molecole
I valori degli angoli φ e ψ per tutti gli amminoacidi, eccetto le glicine nell enzima piruvato chinasi da coniglio
Probabilità relative della presenza di un dato amminoacido nei tre tipi più comuni di struttura secondaria