struttura delle proteine
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riassunto della struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria delle proteineTRANSCRIPT
I QUATTRO LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE STRUTTURALE DELLE PROTEINE
STRUTTURA PRIMARIA : LEGAME PEPTIDICO
Il legame peptidico rappresenta la vera UNITA’ RIPETITIVA dellaproteina, presente cioè con una struttura identica in ogni sequenza
Nel legame peptidico, il legame singolo C–N (O=C–NH) hacaratteristiche di doppio legame (lunghezza intermedia),risultando in un ibrido di risonanza: la libera rotazione C–Nè impedita, quindi il legame peptidico costituisce unastruttura planare rigida.
C’è invece libertà di rotazione tra Ca – C=O (angolo Y(psi)) come tra Ca – NH (angolo f (phi)).
Dato che il legame peptidico è rigido, la conformazione della catenaamminoacidica è definita completamente quando f e y sono fissatiper ciascun residuo della catena. Tuttavia, un residuo non può avereuna qualunque coppia di valori di f e y, perché certe combinazioninon sono possibili a causa di impedimenti sterici
Grafico di RamachandranPossibili strutture assumibili in funzione degli angoli diedri tra due amminoacidi
Grafico di RamachandranPossibili strutture assumibili in funzione degli angoli diedri tra due amminoacidi
STRUTTURA SECONDARIA
E’ data dal ripiegamento dellacatena polipeptidica
La struttura secondaria analizza i rapportitra amminoacidi vicini nella struttura primaria(un residuo rispetto ad un altro distante tre-
quattro residui, nell’ a elica) ma anchedistanti (nel foglietto )
E’ la struttura primaria che determina il tipo diripiegamento e pertanto la struttura secondaria èessa stessa dipendente dalla sequenza dei codoni
La struttura secondaria è l’organizzazione tridimensionale di segmenti definiti
della catena amminoacidica
STRUTTURA SECONDARIALa struttura secondaria descrive la formazione di legami idrogeno
tra i gruppi CO e NH dello scheletro polipeptidico
3 tipi principali : Alfa-elicaFoglietto-beta (beta-sheet)Ripiegamento-beta (beta-turn)
Proteina ad a-eliche Proteina a foglietti b
turn turn
a
STRUTTURA SECONDARIA
Struttura ad a elica
È la più semplice organizzazione tridimensionaleche una catena polipeptidica può assumere
Lo scheletro carbonioso è avvoltointorno all’asse centrale, lasciando igruppi laterali R proiettati versol’esterno. I legami H puntano nellastessa direzione
E’ un’elica che, girandoattorno ad un asse centrale,assume una struttura globalea bastoncino.
Si forma quando un certo numero dicoppie successive di angoli diedrici (ψ eϕ) hanno valori compresi fra -60° e -50°.
In questo modo i piani peptidici sidispongono in maniera elicoidale intornoad un asse longitudinale.
…generalmente
destrogira…..
…con un giro (passo)
di elica lungo
0,56 nm
Ci sono3,6 amminoacidi per giro
…tenuta assiemeda
legami idrogenotra ilC =O
di un legame peptidicoe l’N-H
del legame peptidicodel
IV amminoacido successivo
Legami H intracatena
L’alfa elica “vista” dall’alto
Lo spazio internoè quasi nullo, non contiene
molecole d’acquaed è quindiidrofobico
All’esternosono
proiettati gliR polari
La prolina NON può formare l’elicaL’N non ha infatti alcun H
disponibile per fare ponti idrogeno, e fa parte di un anello rigido (il legame N-Ca è bloccato)
CaCa
(6% dei legami peptidici)
Non tutti gli amminoacidi sono compatibili con l’alfa elica
Gly è troppo piccola(di fatto è raramente presente)
Ser, Asp e Aspn: formano troppi legami H
Ile ed il Trp sono troppo ingombranti
Glu e Lys sono carichi (a pH 7)
Ala, invece, forma spontaneamente l’elica
Pro : anello rigido, no ponti H
Queste informazioni valgono nel caso in cui molti di
questi a.a. siano vicini. Altrimenti (eccetto la Pro e Gly)
li troviamo a formare l’alfa elica
STRUTTURA SECONDARIA
Foglietto o lamina
si formano legami H intercatena tra filamenti di almeno 5-10 residui amminoacidici, organizzati in modo che lo scheletro covalente risulti in un andamento a zig-zag; i legami si possono formare anche intracatena tra residui distanti tra di loro nella sequenza primaria
(Pauling e Corey)
…..anche in questo caso i legami H intercorrono
tra ilC O e l’N-H
di due legami peptidici;
ma, diversamente che nell’alfa elica, i legami H
sono intercatena(tra a.a. distanti nella sequenza)
Nel foglietto beta, i gruppi R giacciono sopra e sotto il piano del legame peptidico
Disposizione dei foglietti
antiparallela
parallela
è la più stabile, perché ……
l’H del legame Hè in linea con O e N
I valori tipici per un foglietto sono ϕ = -120° e ψ = 105° nel fogliettoparallelo oppure ϕ = -135° e ψ = 140° nel foglietto antiparallelo
L’intervallo dei valori che possono essere assunti dagli angoli ϕ o ψ èmolto ristretto
Quali a.a. favoriscono la struttura beta?
STRUTTURA SECONDARIA
Ripiegamento ( turn)
Si trova in ripiegamenti o anse,dove la catena polipeptica cambia direzione
Collega tratti successivi in a eliche o in foglietto ,Es. collegamento di foglietti antiparalleli
Ripiegamento bÈ un ripiegamento a 180° di una sequenza di 4 residui
Si forma un legame H tra il C=O del primo e NH del quarto residuo, il secondo e terzo residuo non partecipano attivamente
Pro in posizione 2 (tipo I) Gly in posizione 3 (tipo II)(Pro in cofigurazione cis)
L’alfa elica e la struttura beta possono combinarsi tra di loro per dare origine a motivi proteici
(fanno parte della struttura III)
Tuttavia ci sono proteine a SOLA struttura II. Qual è la loro funzione?
Di per sé, la struttura secondaria è rigida, prevalentementeidrofobica,
e spesso forma macro-aggregati fibrillari;
proprietà ideali per unafunzione strutturale (collagene, cheratine etc)
Tipica delle proteine FIBROSE : struttura lineare con conformazione a filamento (prevalenza di un tipo di struttura secondaria)
Il motivo dell’elica superavvolta nelle proteine:motivo coiled coil proposto da Pauling nel 1953
Fascio di a eliche che si superavvolgono tra di loro
Es. miosina, a-cheratina
MiosinaLa regione C-term (coda) della miosina (filamento spesso) del muscolo
è formata da due alfa eliche avvolte
La regione N-term (testa) ha invece struttura globulare (III) e ha funzione enzimatica,
(idrolisi di ATP)
che, in presenza di Ca2+, porta allo scorrimento dei filamenti spessisu quelli sottili di F-actina (formata da mononomeri globulari diG-actina) e quindi alla contrazione
Struttura coiled coil= regione superavvolta
Alfa cheratine (filamenti intermedi del citoscheletro)(nei capelli, lana, pelo, unghie, zoccoli, corna, artigli, starti esterni della pelle, etc.)
Due catene di a-cheratina con la stessa direzionalità (2 a-eliche) si avvolgono su stesse per dare origine ad una struttura coiled coil
Andamento elicoidale del superavvolgimentoè sinistrorso
Passo dell’elica di 5.15-5.2 Å anziché 5,4 Å
Strutture avvolte coiled coil generano protofilamenti e protofibrille
Ponti S-S trasversaliintercatena possonotenere compattee superavvoltele alfa eliche.
A seconda del numero,il proto-filamentoe la microfibrillasaranno più omeno rigidi(poco nella lana;di piùnel capello; moltonel becco e negli artigli)
Ponti disolfuro stabilizzano le singole a-eliche di cheratina
La “ permanente”
Lamine antiparallele rappresentano la principale struttura delle fibre della seta: la fibroina
Lunghi tratti di glicina, alanina e serina impilati
aa con catene laterali piccole:consentono una perfetta sovrapposizione dei foglietti
La struttura è flessibile, anche se non si può allungare, perché i foglietti sono tenuti insieme da interazioni deboli, a differenza che nella a-cheratina dove le eliche sono unite da ponti disolfuro
Alcune proteine fibrose hanno struttura a foglietto
Struttura a triplice elica allungata
Un altro esempio di proteina fibrosa:il collagene
Struttura secondaria unica: = -51°e Y=+153°Completamente distinta dalla struttura ad a-elica
COLLAGEN0
Unità strutturale
triplice elicadel tropocollageno
NON sono a eliche, ma eliche allungatecon passo di 0.92 nm (invece dei
0.56 nm dell’alfa elica)
Ciò è dovuto alla presenza della piccola Gly(nelle introflessioni) e della rigida Pro (nelle
estroflessioni) che provocano il“rilassamento” di ciascuna catena cui si possono associare le altre
catene attraverso legami H
Nella triplice elica non ci sono legami H intracatena, ma intercatena
tra l’-NH peptidico della Gly e il -COpeptidico di a.a. delle altre catene
La triplice elica risulta quindi compatta, idrofobica ed insolubile, adatta a formare fibre
Organizzazione “sovra”molecolare del tropocollagene
Un’ elica singola U n a t r i p l i c e e l i c a
I residui di Gly (in rosso) si adattano ai punti di contatto tra le eliche
Più unità di tropocollageno sidispongono – testa coda –in modo parallelo ma con unaleggera «sfalsatura» che renderagione delle striature trasversali
che si osservano al microscopioelettronico
Fibre di collageno
Ne collageno dei vertebrati è presente:Gly (35%),
Lys e idrossiLys (11%)Ala (11%)
Pro ed idrossiPro (21%)
Sono assenti:Cys e Trp
Il collageno contiene anche legami covalenti trasversali tra le catene laterali di Lys e His.
Tendono ad aumentare con l’età
La sequenza amminoacidica del collageno è costituita da un’unità tripeptidica ripetuta Gly-X-Y, dove X è spesso Pro e Y è spesso 4-Hyp
OH OH
OH
4-idrossi prolina
OH
3-idrossi prolina
I residui di idrossilisina possono essere glicosilati: La glicosilazione aumenta con l’età
Oltre alle proteine fibrose con funzione strutturale, le strutture secondarie possono anche formare proteine
integrali di membrana con una funzione più dinamica(recettori, canali, porine, trasportatori, etc)
ORGANIZZAZIONE STRUTTURALE DELLE PROTEINE
Il ripiegamento (folding) della catena polipetidica
Dalla struttura secondaria alla struttura terziaria
Quando la proteina si avvolge su stessa, gli amminoacidi che sono lontani possono interagire tra di loro
Con il calore, il pH o con la forza ionica si rompono i legami H della struttura II e pertanto si perde
la funzione della proteina
Denaturazione delle proteine: un fatto“sperimentale” ma anche un processo fisiologico
La perdita della struttura tridimensionale viene detta DENATURAZIONE
- tiene conto delle relazioni a lungo raggio nella sequenza amminoacidica
- È definita dalle interazioni tra le catene laterali degli amminoacidi lontani tra di loro
STRUTTURA TERZIARIA
= DISPOSIZIONE NELLO SPAZIO DEGLI ATOMI DI UNA PROTEINA
La struttura terziaria rappresenta la conformazione tridimensionale degli atomi che compongono una proteina di sequenza definita
(585 aa, 64.5 kDa)Albumina
Struttura terziaria delle proteine
Proteine GLOBULARI : catene ripiegate con conformazione sferoidale (combinazioni multiple di strutture secondarie)
1) legami NON covalenti-legami ionici-interazioni idrofobiche-legami ad idrogeno-interazioni di van der Waals
2) Legami covalenti-ponti disolfuro S-Stra residui di cisteina(in alcune proteineextracellulari)
La struttura III è stabilizzata da:
Avviene a seguito dell’ossidazione dei gruppi SH di due Cys vicinali (non necessariamente contigue)
Durante il ripiegamento le proteine formano spesso ponti disolfuro non presenti nelle proteine native, che poi si trasformano in quelli corretti mediante interscambio di ponti disolfuro
PDI : Protein disolfuro isomerasi
Le proteine possono essere classificate in due gruppi principali:
-Proteine fibrose : le catene polipeptidiche sono disposte in lunghi fasci o foglietti
-Proteine globulari: le catene polipeptidiche sono ripiegateed assumono forme globulari o sferiche
Insolubili in acquaHanno di solito struttura secondariaTipiche dei tessuti connettivi Ruolo strutturale
Solubili in acquaHanno struttura terziariaProteine cellulariEnzimi e proteine regolatrici
La catena polipeptidica si ripieganelle regioni dovenon c’è struttura II
Dalla sequenza amino acidica si può predirrefacilmente dove ci saranno i ripiegamenti (random coil),
Favoriscono il ripiegamento:Pro
Glu / Lys vicinaliTrp vicinali
La struttura globulare origina se la struttura II si ripiega:
l’interno diventa idrofobico mentre all’esterno sono esposti a.a. polari che rendono solubile la proteina.
MOTIVO (o struttura supersecondaria o ripiegamento)
Avvolgimento polipeptidico caratteristico formato da uno o più elementi di struttura secondaria e da elementi di connessione
DOMINI
Nelle proteine più grandi, specie in quelle globulari, si riconoscono delle porzioni, definite domini, con specificità strutturale e funzionale
I domini sono unità strutturali indipendenti ognuna delle quali ha le caratteristiche di una piccola proteina globulare
Combinando strutture II diverse (a elica, foglietto e random coil)
è possibile creare diverse forme nello spazio
Diverse strutture funzionali
Fare molte proteine diverse
In realtà ci sono domini strutturali comuni
Esempio: gliceraldeide 3 fosfato deidrogenasi
Ripiegamento di Rossman:lega il dinucleotide NAD+
Dominio che lega la gliceraldeide 3 fosfato
Structural classification of proteins (SCOP)
Le strutture delle proteine sono divise in 4 classi principali:
tutto atutto
a/a +
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop
Proteine con somiglianze significative nella struttura primaria/terziaria e nella funzione sono raggruppate in una stessa FAMIGLIA di PROTEINE
Proteine “tutte alfa”
Proteine “tutte beta”
Proteine “alfa/beta”(con strutture a e alternate)
Proteine “alfa + beta”(con strutture a e distanziate)
Le proteine si ripiegano spontaneamente nella loro conformazione nativa in condizioni fisiologiche
E’ la struttura primaria delle proteine a determinarne la struttura
3-D
1950: C. AnfinsenRIBONUCLEASI
Trattamento con agenti denaturanti
Avvolgimento casuale,proteina ridottaNo attività enzimatica
Se rimossi: la ribonucleasiriacquistava l’attività enzimatica
Simulazione al computer di una via di ripiegamento di un dominio di 36 amminoacidi della villina
In realtà molte proteine necessitano di un “aiuto” per il correttoripiegamento in vivo
I chaperoni molecolari sono delle proteine specializzate
Ripiegamento “assistito”
Hsp70 : si legano a regioni di polipepetidi non ripiegate e ricche di residui idrofobici impediscono aggregazioni improprie
Chaperonine : complessi proteici sofisticati necessari per il ripiegamento di alcune proteine cellulari che non si organizzano spontaneamenteIn E. coli sistema GroEL/GroES
I difetti di ripiegamento delle proteine danno origine a numerose patologie
Es. malattie neurodegenerative
Una proteina solubile viene secreta da una cellula con un avvolgimento sbagliato e convertita in una fibra extracellulare insolubile amiloide
Es. proteina amiloide nella malattia di Alzheimer
Formazione di aggregati di proteine con avvolgimenti sbagliati
Es. a-sinucleina nel morbo di Parkinson oppure huntingtina nella corea di Huntington
Ripiegamento (folding)e maturazione delle proteine
(modifiche post-traduzionali)
Proteolisi
Glicosilazione
Molto di frequente, le proteine a struttura IIIhanno incorporato un gruppo
-essenziale per la loro funzionalità biologica –di natura non proteica (gruppo prostetico o coenzima)
PROTEINE CONIUGATE
Parte proteica (apoproteina):-impedisce l’ossidazione irreversibile del Fe2+
-rende possibile un legame reversibile dell’O2 all’eme-modula la funzione del gruppo eme
Eme:-struttura organica ad anello,-contiene un atomo di ferro, sito di legame per l’ossigeno-inserito in una tasca idrofobica della proteina (che impedisce l’ossidazione del Fe2+)
Mioglobina: parte proteica + parte non proteica
153 a.a. 1 eme
struttura compatta: 80% a elica, 20% random coil
assenza di Cys gli a.a. esterni e nelle anse sono polari
(Glu, Asp, Asn, Lys, Arg) gli a.a. interni sono prevalentemente apolari,
con due His (F8/E7) cruciali per legare l’O2
MioglobinaPresente nei muscoli di tutti i mammiferi
8 segmenti maggiori (A-H) ad a elica 7 segmenti non elicoidali
(AB, CD etc) 4 eliche terminano con Pro
Per funzionare correttamente, il Fe deve sempre stare
nello stato ridotto 2+ (II)
Il Fe ha sei legami di coordinazione:
4 con gli N degli anelli pirrolici 2 perpendicolari all’eme, di cui
uno lega l’His prossimale F8l’altro è libero oppure lega l’O2
L’ambiente idrofobico proteico impedisce che avvenga
l’ossidazione irreversibiledel Fe quando lega l’O2
His E7= istidina distale(forma un legame H con l’O2)
His F8= istidina prossimale(5a posizione di coordinazione del Fe)
Val e Phe (aa con catena laterale idrofobica)Mantengono in posizione l’eme
Alcune proteine sono intrinsecamente non strutturateIUP= Intrinsecally Unstructured Proteins
Non possiedono proprietà strutturali uniformiNon possiedono un struttura ripiegata Hanno una conformazione estesa ed elevata flessibilità intramoleclare
Tipica combinazione di aa che conferisce una carica netta e bassa idrofobicità
Alti livelli di E;K;R; G;Q;S e PBassa quantità di I;L;V;W;F;Y;C e N
2% negli Archea4,2 % nei batteri33% negli eucarioti
La % delle proteine che contengono lunghe regioni disordinate aumenta nel corso della evoluzione
Vantaggio: sono più malleabili
possono legare più ligandi adattando la loro strutturaConsentono un’interazione più estesa con altre proteine
Alcune proteine non strutturate ( in giallo e in rosso)legano i loro targets (in azzurro)avvolgendosi
intorno
Struttura quaternaria (IV)
Alcune proteine sono formate da più subunità, cioè da più catene polipeptidiche uguali o diverse tra di loro.
Tali proteine sono dette proteine oligomeriche.
La struttura quaternaria descrive l’assemblaggio delle diverse subunità.
STRUTTURA QUATERNARIA
MIOGLOBINA EMOGLOBINA
Le subunità sono legate con: -interazioni idrofobiche-interazioni elettrostatiche-legami H.
2 subunità tipo a (di 141 a.a.)2 subunità tipo (di 146 a.a.)
1a1
2 a2
Ciascuna subunità ha un gruppo eme
Quindi, invece che una solamolecola come nella mioglobina
Mb + O2 MbO2
l’emoglobina lega quattro molecole di O2Hb + 4O2 Hb(O2)4
L’Emoglobina funziona come un assemblaggio di quattro subunità (e quattro gruppi eme)
Funzionalmente l’Hb opera però più come due metà (a1 1, a2 2),
saldamente accoppiate attraverso legami idrofobici, H e salini
È contenuta negli eritociti