La struttura delle proteine

Funzioni delle proteine

• Strutturali

• Contrattili

• Trasporto

• Riserva

• Ormonali

• Enzimatiche

• Protezione

……………

Struttura della proteina

Struttura secondaria:

ripiegamento locale della catena polipeptidica con andamento

ripetitivo regolare (si considera la disposizione spaziale dello

scheletro del polipeptide, senza considerare la disposizione delle

catene laterali).

Il legame peptidico

Il gruppo peptidico, come conseguenza

delle interazioni di risonanza, è una

struttura rigida e planare con le

caratteristiche tipiche del doppio legame

Il legame C-N è circa 0.13 Å più corto del legame N-Cα;

mentre il il legame C=O è circa 0.02 Å più lungo di

quello delle aldeidi o dei chetoni.

I due carboni alfa sono in configurazione trans

(unica possibile eccezione Pro)

Per convenzione gli angoli di torsione

φ (N-Cα) e ψ (Cα-C) sono uguali a 180°

quando il polipeptide è nella

conformazione completamente estesa

In linea di principio gli angoli φ e ψ possono assumere qualunque

valore compreso tra -180° e +180°, ma molti di questi valori

sono impediti per problemi di interferenza sterica tra gli atomi

dello scheletro polipeptidico e quelli della catena laterale

Collisione !!!

Struttura secondaria:

ripiegamento locale della catena polipeptidica con andamento

ripetitivo regolare (si considera la disposizione spaziale dello

scheletro del polipeptide, senza considerare la disposizione delle

catene laterali.

Il grafico di Ramachandran

Le zone in verde indicano

indicano gli angoli Ψ e Φ

stericamente consentiti.

= Alfa elica destrorsa

L = Alfa elica sinistrorsa

↑↑ = foglietto b parallelo

↑↓ = foglietto b antiparallelo

C = elica del collagene

L’α elica (Pauling e Corey, 1951)

3,6 residui per giro

Catene laterali verso l’esterno

Passo di 5,4 Å

Legame idrogeno ottimale

(2,8 Å) tra C=O e N-H di

quattro residui successivi

elica vista dall’alto

Il dipolo elettrico di un

legame peptidico viene

trasmesso lungo l’elica

mediante i legami

idrogeno intercatena,

generando un dipolo

complessivo dell’elica

Limitazioni alla formazione di α eliche (condizioni

che alterano la stabilità)

• Repulsione o attrazione elettrostatica tra residui con -R

carichi (consecutivi)

• Dimensione dei gruppi -R adiacenti (ingombro sterico)

• Presenza di prolina (Pro) : ripiegamento destabilizzante,

impossibilità di formare il legame idrogeno con gli altri residui

• Presenza di glicina (Gly) : elevata flessibilità

conformazionale avvolgimenti meno rigidi.

• Interazione tra gli amminoacidi terminali dell'elica :

formazione di un dipolo elettrico (gli aa con R- vicino a N-term,

aa con R+ vicino a C-term)

La conformazione beta delle catene polipeptidiche Pauling e Corey 1951

La conformazione beta delle catene polipeptidiche

Connessioni tra catene adiacenti

nei foglietti β

Rappresentazione schematica della

carbossipeptidasi A

La struttura terziaria e quaternaria delle proteine

Proteine fibrose e proteine globulari

Proteine fibrose

Avvolgimento dell’α-cheratina

(parte centrale)

Ripetizione di seq. Aa :

a-b-c-d-e-f-g, con a e d

non polari e allineati sui

lati delle due eliche.

3,5 residui/giro

passo 5,4 Å

Le due eliche formano

un coiled coil

Diversi livelli di organizzazione della cheratina

Sezione trasversale

di un capello

Cellule morte con fasci

di fibrille di cheratina ad

alto contenuto di S-S

La fibroina della seta

Foglietti b antiparalleli estesi

Ripetizione

(-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-)n

Flessibile ma non estensibile

La tripla elica del collageno

Gly-X-Y spesso X = Pro Y = HyPro Prolil idrossilasi Vitamina C

Vari tipi di catene

(nei mammiferi 30

catene in 19

combinazioni)

Conformazione elicoidale

sinistrorsa con tre residui

circa per giro

Tre catene si avvolgono

l’una sull’altra con

andamento destrorso

Interazioni molecolari nel collagene

I residui Gly sono vicini all’asse dell’elica

Le fibre sono stabilizzate

dalle interazioni

idrofobiche tra le tre

eliche vicine.

Ci sono anche legami

covalenti trasversali.

Questi NON sono ponti

disolfuro, bensì…

… i legami trasversali si formano tra due residui di His e

Lys (innescate dalla lisil ossidasi) e aumentano con l’età.

Conformazioni diverse conferiscono alle proteine

• proprietà diverse

• dimensioni e forme diverse

Proteine globulari

Le eliche e i foglietti possono combinarsi in vari modi

Motivi proteici

Distribuzione delle catene laterali

I polipeptidi di grandi dimensioni si organizzano in domini

G3PD

La struttura quaternaria ha aspetti funzionali rilevanti

Meno informazione genetica Maggiore fedeltà di sintesi Molteplicità dei siti funzionali Migliore possibilità di regolazione

Simmetria nelle proteine oligomeriche

Ripiegamento e stabilità delle proteine

La conformazione nativa di una proteina è quella a

cui si associa la sua funzione biologica.

Il termine stabilità può essere definito come la

tendenza a mantenere la conformazione nativa

In condizioni fisiologiche le proteine sono solo

marginalmente stabili

(G compreso tra 15 e 65 kJ/mole)

Forze che stabilizzano le proteine

• Effetto idrofobico tendenza delle sostanze non polari a minimizzare il

contatto con l’acqua

• Interazioni elettrostatiche ad es. formazione di ponti H, forze di Van der Waals

• Legami chimici trasversali ad es. ponti disolfuro

Profilo di idropaticità

Denaturazione e rinaturazione

delle proteine

I legami disolfuro possono essere rotti da agenti riducenti

Gli agenti caotropici

L’esperimento di Anfinsen (1957)

1 2

3

4

Il paradosso di Levinthal

Come fa una proteina a raggiungere la sua conformazione nativa?

- Proteina di 100 amminoacidi

- Supponiamo almeno 10 diverse conformazioni per aminoacido = 10100 conformazioni possibili

- Se il ripiegamento è casuale e richiede, ad esempio, 10-13 sec per sperimentare ciascuna conformazione possibile, ci vorrebbero 1077 anni per testare tutte le conformazioni possibili alla ricerca della migliore.

L’avvolgimento (folding) delle proteine avviene

attraverso un numero limitato di intermedi

Disolfuro isomerasi

Gli chaperoni molecolari

7 x GroES

7 x GroEL/ATP

7 x GroEL

Consentono il folding all’interno di una cavità,

impedendo l’interazione con altre molecole proteiche

Alcune patologie sono legate ad un errato ripiegamento delle proteine

Proteina del Prione

Nativa aggregata altre proteine

Le proteine sono molecole flessibili

mioglobina