Lezione (1) XI- 14 Struttura proteine

Dipartimento
Di Scienze
Della Vita
STRUTTURA DELLE PROTEINE
LE PROTEINE possono assumere 4 LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE
STRUTTURA PRIMARIA
STRUTTURA SECONDARIA
STRUTTURA TERZIARIA
STRUTTURA QUATERNARIA
SEQUENZA degli amminoacidi
Ripiegamento locale dello
scheletro polipeptidico
Ripiegamento complessivo
3D
Associazione di
più catene
polipeptidiche
AMMINOACIDI
I. Amminoacidi
A. Strutture (scrittura)
B. Proprietà acido-basiche
1. Acidità e basicità degli -gruppi
2. acidità e basicità dei gruppi laterali
3. Punto isoelettrico
II. Polipeptidi e proteine
A. Struttura primaria
1. Analisi degli amminoacidi
2. Determinazione della sequenza
3. Struttura secondaria, terziaria e quaternaria
AMMINOACIDI
Tutti gli amminoacidi hanno la stessa struttura generale.
La catena laterale (gruppo R) differenzia gli amminoacidi.

+
3
Amminoacido
AMMINOACIDI
Amminoacidi
con catena
laterale
apolare
NON-POLAR
AMINO
ACIDS
AMMINOACIDI
AmminoacidiPOLAR
con catena
laterale POLARE,
AMINO
ACIDS
priva di carica netta
Amminoacidi con catena laterale
POLARE, con carica netta negativa
Amminoacidi con catena laterale
POLARE, con carica netta positiva
AMMINOACIDI
I. Amminoacidi
A. Strutture (scrittura)
B. Proprietà acido-basiche
1. Acidità e basicità degli -gruppi
2. acidità e basicità dei gruppi laterali
3. Punto isoelettrico
II. Polipeptidi e proteine
A. Struttura primaria
1. Analisi degli amminoacidi
2. Determinazione della sequenza
3. Struttura secondaria, terziaria e quaternaria
AMMINOACIDI
Zwitterioni
Gli amminoacidi esistono come ioni
dipolari.
-COOH perde H+, -NH2 acquista H+
La struttura dipende dal pH
AMMINOACIDI
Struttura e pH
AMMINOACIDI
Punto isoelettrico
pH al quale gli amminoacidi esistono
(elettricamente neutri)
Depende dal tipo di catena laterale
Per gli amminoacidi acidi: pI ~3
Per gli amminoacidi basici: pI ~9
Per gli amminoacidi neutri: il pI è
debolmente acido (5-6)
AMMINOACIDI
I. Amminoacidi
A. Strutture (scrittura)
B. Proprietà acido-basiche
1. Acidità e basicità degli -gruppi
2. acidità e basicità dei gruppi laterali
3. Punto isoelettrico
II. Polipeptidi e proteine
A. Struttura primaria
1. Analisi degli amminoacidi
2. Determinazione della sequenza
3. Struttura secondaria, terziaria e quaternaria
POLIPEPTIDI
Struttura primaria
O
H3N
+
O
O
-
CH C O + H3N
R
+
peptide bond
O
CH C O
-
enzyme
-H2O
R'
H3N
+
CH C NH CH C O
R
R'
a dipeptide
N-terminus
O
H3N
+
O
O
CH C NH CH C NH CH2 C O
CH3
CH2
OH
ala-ser-gly
(a tripeptide)
C-terminus
-
-
LEGAME PEPTIDICO
Il legame peptidico è un un legame ammidico
ed ha un parziale carattere di doppio lagame;
Le ammidi sono molto stabili e neutre.
NATURA PLANARE DEL LEGAME PEPTIDICO
I quattro atomi del legame peptidico giacciono nello stesso
piano e così
pure i C  dei due amminoacidi che lo formano.
LE PROTEINE: STRUTTURA PRIMARIA
La struttura primaria delle proteine consiste nella successione (sequenza) nella catena
polimerica di una proteina, degli amminoacidi che la costituiscono.
AMMINOACIDO
Legami peptidici
Parziale carattere di doppio legame
LE PROTEINE: STRUTTURA PRIMARIA
La struttura primaria delle proteine si può rappresentare come una successione di piani
 La disposizione della catena carboniosa (scheletro peptidico) di una proteina
e delle catene laterali rappresenta la conformazione della proteina.
NELLA CONFORMAZIONE DI UNA PROTEINA IDENTIFICHIAMO:
STRUTTURE PERIODICHE
che sono alla base della
STRUTTURA SECONDARIA
Sono caratterizzate da paradigmi
strutturali altamente ordinati e
ripetitivi dello scheletro peptidico.
STRUTTURE NON PERIODICHE: non si ripetono con regolarità.
Struttura secondaria
-elica 3,613
Struttura secondaria
Struttura beta
Struttura secondaria: anse beta
LA STRUTTURA ad -ELICA
 Fu la prima ad essere identificata tra le
strutture regolari che lo scheletro
peptidico può assumere nelle proteine.
 Fu scoperta da L. Pauling.
 E’ il tipo di struttura secondaria più
frequente e quindi, probabilmente,
anche la più stabile.
LA STRUTTURA AD -ELICA
 Questo tipo di struttura secondaria si forma quando lo scheletro peptidico si
avvolge ad elica con un passo di 5,4 Å in senso destrorso, con angoli  e  che si
susseguono con valori, pari a circa -60° e – 45/-50°, rispettivamente.
 L’elica è mantenuta da legami a idrogeno tra l’ossigeno carbonilico di un gruppo
peptidico e l’azoto ammidico di un altro gruppo, 4 residui più avanti nella catena:
Legame a idrogeno
Legame idrogeno
 Un giro dell’elica comprende 3,6 residui amminoacidici e il ciclo formato formato
dal legame a idrogeno comprende 13 atomi.
Da qui la notazione (3,613) per questa elica.
Per ogni residuo l’ -ELICA progredisce di 1,5Å.
RAPPRESENTAZIONE DELLA STRUTTURA
ad -ELICA
4. I gruppi R si orientano verso l’esterno dell’elica, che così assume l’aspetto di un
cilindro al cui interno corrono i legami a idrogeno, e dalla cui superficie sporgono le
catene laterali dei residui amminoacidici.
L’analisi di numerose proteine di cui è nota la struttura ha consentito di classificare gli
amminoacidi proteici in varie classi in relazione alla loro capacità ad interferire con la
conformazione ad -elica:
RESIDUI FAVORENTI
RESIDUI INDIFFERENTI
RESIDUI DESTABILIZZANTI
FAVORISCONO LA
STRUTTURA
AD A-ELICA
NON SEMBRANO
INFLUENZARE
L’ELICA
INTERROMPONO
L’ELICA
La destabilizzazione dell’elica può anche essere provocata dall’adiacenza di
residui con catene laterali alifatiche ramificate (Thr, Val, Ile, gli ultimi due
capaci di interazioni idrofobiche), o ionizzate, con carica dello stesso segno
(Glu-, Asp- e Lys+, Arg+)
La conformazione ad -elica è presente, anche se in misura più o meno rilevante,
nella maggioranza delle proteine globulari.
In alcune il suo contributo alla struttura della proteina risulta rilevante, come nella
mioglobina e nella emoglobina, dove costituisce il 75% della struttura.
Mioglobina
Emoglobina
-cheratina
È inoltre presente anche in proteine fibrose, come l’-cheratina, dove due lunghi cilindri di
-elica si avvolgono l’uno sull’altro in senso sinistrorso realizzando una superelica.
Tripla elica del collagene
-Tre catene polipeptidiche
avvolte ad elica in senso
sinistrorso
LA STRUTTURA AD -ELICA:
il grafico di Ramachandran
LA STRUTTURA 
PUO’ ANCHE ESSERE INDICATA COME:
1. Nella STRUTTURA  la catena risulta più estesa di quella organizzata ad
-elica, con una distanza tra residui adiacenti pari a 3.3 Å, rispetto al valore
di 1,5 Å dell’-elica;
7, 04Å.
STRUTTURA A LAMINE, A STRATI PIEGHETTATI O A FOGLIETTO
RIPIEGATO perché essendo la struttura costituita da due o più catene
affiancate, il suo motivo dominante risulta quello di un piano che si piega su se
stesso seguendo lo zig-zag dei piani peptidici che si susseguono.
Come l’-elica, è stabilizzata da legami a idrogeno tra l’azoto ammidico e
l’ossigeno carbonilico di tutti i gruppi peptidici dei tratti di catena organizzati in
tale struttura, di due distinte catene o di segmenti anche distanti della stessa
catena (intercatena).
LA STRUTTURA 
DUE CATENE ORDINATE NELLA STRUTTURA beta POSSONO ESSERE
DISPOSTE IN:
DIREZIONE PARALLELA
Le due catene hanno la stessa polarità
H2NCOOH
DIREZIONE ANTIPARALLELA
Le due catene hanno polarità opposta
H2NCOOH una catena e
COOH  H2N quella adiacente
LA STRUTTURA : Il grafico di Ramachandran
LE INVERSIONI DI CATENA
 Nelle proteine globulari la catena polipeptidica può invertire bruscamente la sua
direzione, ripiegando su se stessa, in vari modi. Nella maggioranza dei casi il
ripiegamento è stabilizzato da un legame a idrogeno tra il carbonile peptidico
dell’ultimo residuo prima del ripiegamento e l’azoto peptidico del quarto residuo
che segue.
 Le inversioni di catena si trovano sulla superficie delle proteine, per cui
contengono spesso residui idrofilici. Esse sono determinanti nella costruzione dei
siti di riconoscimento proteina-proteina.
LE STRUTTURE SUPERSECONDARIE
 Alcuni schemi strutturali costruiti con più segmenti di catena ordinati in strutture
secondarie sono particolarmente frequenti nella proteine. Tra queste, quelle più frequenti
sono:
SUPERELICA DI -ELICHE
 Si forma quando due catene di -elica si avvolgono l’una sull’altra in senso
sinistrorso. È stata osservata in proteine fibrose e globulari. La sua particolare
stabilità deriva dall’accurato reciproco incastrarsi dei gruppi R dell’una e dell’altra
elica lungo la linea di contatto tra le due eliche.
UNITA’ X
 La notazione  indica una catena ordinata con struttura  mentre x può essere:
1. un tratto di catena non ordinata (c);
2. un cilindro di -elica ();
3. una catena appartenente ad una distinta struttura  ().
La struttura costituita di due unità  consecutive (), nota come
avvolgimento di Rossman, è stata osservata in un notevole numero di proteine
enzimatiche.
LE PROTEINE: STRUTTURA TERZIARIA
 Il termine struttura terziaria riguarda in genere le proteine globulari, dato
che la costruzione di una proteina fibrosa prevede lo sviluppo preferenziale
della struttura in una sola dimensione nello spazio realizzandosi mediante la
ripetizione regolare di un certo motivo strutturale.
LE PROTEINE: STRUTTURA TERZIARIA
La struttura terziaria di una proteina è tenuta insieme da:
FORZE NON
COVALENTI
FORZE
COVALENTI
LEGAMI A IDROGENO
INTERAZIONI IDROFOBICHE
FORZE DI WAN DER WAALS
LEGAMI IONICI
PONTI DISOLFURICI TRA
CISTEINE ANCHE LONTANE
NELLA SEQUENZA
AMMINOACIDICA
STRUTTURA TERZIARIA: I PONTI DISOLFURICI
I PONTI DISOLFURICI SI FORMANO PER OSSIDAZIONE delle
CATENE LATERALI DI DUE CISTEINE
- Controllo Cinetico: Proteina disolfuro Isomerasi (PDI)
Segue controllo Cinetico
- Prolina Isomerasi (PI)
Configurazione cis-trans a livello di sequenze X-Pro
- Chaperonine
Controllo termodinamico
LE PROTEINE: STRUTTURA TERZIARIA
 Un altro contributo alla struttura terziaria viene dal fatto che i residui polari
sono quasi tutti disposti sulla superficie del globulo proteico, mentre quelli apolari
puntano quasi tutti verso l’interno, a costituire quello che viene chiamato nucleo
idrofobico della proteina.
 Residui polari possono essere presenti all’interno di una proteina e stabilire
ponti a idrogeno.
 E’ anche frequente che la superficie di una proteina globulare si ripieghi in
alcuni punti, generando fessure o cavità ricche di residui apolari formando le
tasche idrofobiche che rispondono a precise esigenze funzionali (es. siti catalitici
degli enzimi).
STRUTTURA TERZIARIA: TERMODINAMICA
LEGAMI NON
COVALENTI
- LEGAMI A IDROGENO
- FORZE DI WAN DER WAALS
- LEGAMI IONICI
FORZE NON
COVALENTI
INTERAZIONI IDROFOBICHE
E
COVALENTI
- PONTI DISOLFURICI
CONTRIBUTO
ENTALPICO
CONTRIBUTO
ENTROPICO
 G =  H - T S
STRUTTURA TERZIARIA:
I DOMINI STRUTTURALI
 Le proteine globulari risultano spesso costituite di più domini strutturali,
regioni tridimensionali della proteina dotate di autonomia strutturale, nel senso
che la loro struttura si definisce autonomamente rispetto al resto della proteina.
I DOMINI STRUTTURALI SONO STRUTTURE COMPATTE,
COLLEGATE TRA LORO DA BREVI E FLESSIBILI
SEGMENTI DI CATENA PROTEICA
STRUTTURA TERZIARIA:
I DOMINI FUNZIONALI
 In molte proteine i domini strutturali costituiscono domini funzionali.
I DOMINI FUNZIONALI SONO ENTITA’ FUNZIONALI
AUTONOME ALLE QUALI COMPETONO FUNZIONI
SPECIFICHE DELLA PROTEINA.
DOMINI FUNZIONALI CON FUNZIONI IDENTICHE O
SIMILI SONO COSTITUITI DA DOMINI STRUTTURALI
OMOLOGHI, LE CUI SEQUENZE AMMINOACIDICHE
SONO OMOLOGHE, E CIOE’ EVOLUTIVAMENTE
CORRELATE.
LE PROTEINE: STRUTTURA QUATERNARIA
 Quando una proteina risulta costituita da più catene polipetidiche,
l’organizzazione nello spazio di queste catene, dette subunità o protomeri,
rappresenta un ulteriore livello di complessità strutturale cui si dà il nome di
struttura quaternaria.
LE PROTEINE CON STRUTTURA QUATERNARIA SONO ANCHE DETTE PROTEINE
OLIGOMERICHE.
 Le forze che mantengono un struttura quaternaria sono le stesse di cui si è
discusso trattando la struttura terziaria delle proteine.
 I protomeri di una proteina oligomerica possono essere assimilati ai domi
strutturali di una proteina monomerica.
LIVELLI STRUTTURALI
• Struttura primaria
SEQUENZA
• Struttura secondaria
ELICHE E FILAMENTI
• a -elica
• filamento 
• random coil
• Strutt. super-secondarie
MOTIVI
( autonomia strutturale )
• elica-ansa-elica
• foglietto 
• motivo  - a - 
• Struttura terziaria
• domini a
• domini a/
• domini 
DOMINI ( autonomia funzionale )
(fascio di 4 eliche, strutt. ripiegate)
(botte, foglietto  aperto)
(botte, chiave greca, "jelly-roll" )
Motivi STRUTTURALI
RIPIEGAMENTI FOGLIETTI BETA
Motivo a greca
Motivi beta a forcina ed a chiave greca
40%
5
%
25%
5%
25%
Motivi beta-alpha-beta
Motivi beta-alpha-beta
struttura "a botte"
struttura "a foglietto aperto"
Classi strutturali delle proteine
Domini alpha : il "fascio di 4 eliche"
Fasci di quattro eliche spesso compaiono nelle proteine con struttura  a
costruire domini. a) Rappresentazione schematica del dispiegamento della catena
polipeptidica in un dominio costituito da un fascio di quattro eliche. b) Visione
schematica della proiezione di a) su un piano perpendicolare all’asse del fascio.
Domini alpha : il "fascio di 4 eliche"
Due alpha-eliche adiacenti di solito sono disposte in modo antiparallelo l’una
rispetto all’altra. a) Catena polipeptidica della proteina ROP (Cole 1 Repressor Of
Primer) legante l’RNA. b) La molecola della proteina ROP è formata da due
catene polipeptidiche in cui le due -eliche presenti in ciascuna catena sono
disposte a formare un fascio di quattro  -eliche
Domini alpha : il "fascio di 4 eliche"
Le catene polipeptidiche della mioemeritrina e del citocromo
b562 formano entrambe strutture a fascio di quattro eliche; i
loro siti attivi sono localizzati in regioni della molecola simili.
Domini alpha : il "fascio di 4 eliche"
I margini di una a-elica si adattano nei solchi
presenti su un’elica adiacente
Dominio della globina
La molecola dell’emoglobina è costituita da quattro catene
polipeptidiche: due catene  e due catene 
Domini /: la struttura "a botte"
L’enzima triosofosfatoisomerasi è costituito da quattro motivi --
consecutivi sia nella sequenza aminoacidica (a) che nella struttura
tridimensionale (b)
Domini /: la struttura "a botte"
Glicolato ossidasi
Metilmalonilcoenzima A mutasi
Domini /: la struttura "a botte"
Piruvato chinasi
Domini /: la struttura "a botte“: sito attivo
RuBisCo
Ribulosio Bisfosfato carbossilasi
Motivi strutturali ricchi di leucina:
ripiegamento / "a ferro di cavallo”
Inibitore della ribonucleasi
Domini / a foglietto aperto
Domini / a foglietto aperto: sito attivo
Flavodossina
Sito di legame
del coenzima
FMN
Adenilato chinasi
Sito di legame
dell' ATP
Sito di legame
dell' AMP
Esochinasi
Fosfoglicerato mutasi
Domini  : la struttura a "botte testa-coda"
Superossido dismutasi
Domini  : la struttura a "botte testa-coda"
RBP (Proteina legante il retinolo)
Motivo a chiave greca
FUNZIONI delle PROTEINE
-Proteine strutturali
- Proteine di trasporto
- Proteine di protezione difesa
- Proteine di controllo e regolazione
- Proteine catalitiche (enzimi)
- Proteine per il movimento
- Proteine di riserva
1- Proteine strutturali
Il Collagene- sono stati descritti almeno
ventotto tipi di collagene
- Il tipo I rappresenta il 90% del collagene totale
ed entra nella composizione dei principali
tessuti connettivi, come pelle, tendini, ossa e cornea.
-Il tipo IV va a comporre la membrana basale
-La fibra del collagene consiste di 3 catene polipepdiche,
avvolte l’una intorno all’altra a formare una tripla elical’elica del collagene.
-Ognuno di queste tre catene ha, in prevalenza, una
sequenza di 3 AA che si ripetono:
-X-Pro-Gly- oppure -X-Hyp-Glydove X= qualsiasi amminoacido;
Hyp, 3 oppure 4 Idrossiprolina.
1- Proteine strutturali
Gli istoni
2- Proteine di trasporto
Canale ionico
Emoglobina
3- Proteine di protezione e difesa
Anticorpi
3- Proteine di protezione e difesa
Fibrinogeno-> Fibrina
4- Proteine di controllo e regolazione
Insulina
5- Proteine catalitiche
Gli enzimi
6- Proteine di Movimento
Lunghezza
6- Proteine di riserva
Fagiolo: fino al 40% di proteine
Grandezza e forma di proteine
Relazione struttura-funzione
α – cheratina
La proteina alfa-cheratina é presente: nei capelli,
nelle penne degli uccelli, nelle unghie.
Struttura a corda dell’alfa-cheratina
Due catene polipeptidiche (ogni catena ad alfaelica destrorsa) superavvolte sono stabilizzate da
ponti disolfurici, formando il dimero.
Due dimeri si associano testa – coda, generando i
protofilamenti;
i protofilamenti dimerizzano a protofibrille;
l’associazione di 4 di esse forma la Microfibrilla;
le protofibrille sono stabilizzate da ponti
disolfurici.
La permanente è “una operazione di ingegneria biochimica”
-S-S-
-SH HS-
-S-S-
-SH HSRiduzione
-SH HS-
-S-STioli
-S-S-
-SH HS-
HSHSOndulazione
-SH H-S-
-S -S-
-SH
-SH
-SH H-S-
Ossidazione -S-S-SH
-SH
HS-
HS-
L’α – cheratina è presente nella lana.
La lana è estensibile
Fibroina della seta
- Unità polipeptidiche
Ripetitive (59 residui AA);
- Ciascuna contenente
sequenze ripetitive
Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser-Gly-Ala-Ala-Gly(Ser-Gly-Ala-Gly –Ala-Gly)8-Tyr
Ala 32,89%; Gly 48%, Ser 15%
Per la presenza della struttura , la seta e molto meno estensibile
della lana.
Mioglobina
Emoglobina

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