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Classificazione dell’Architettura Proteica
struttura Primaria
struttura Secondaria
Super-secondaria
Domini
struttura Terziaria: folding
struttura Quaternaria
Proteine globulariProteine globulari• Il ripiegamento della catena su se stessa, ossia la disposizione nello spazio della catena, definisce la struttura terziaria •Le catene polipeptidiche sono ripiegate in forme compatte e sferoidali con elevata densità di impaccamento (simile a un cristallo)
enzimi, proteine di trasporto, recettori, immunoglobuline,sono proteine globulari
Aspetti dello “stato nativo”:
-struttura 3D ben definita-temperatura di fusione-punto isoelettrico (PI)-funzione caratteristica
Recettori di “segnali”
SH3 domains- bind phospho-Tyr tail of associated kinase
Musacchio et al., Nature, Vol 359, Pages 851-855
Extracellular receptor for recognizing small molecule
Signal is transmitted through the cell membrane
Cytoplasmic portion of receptor can activate secondary molecules
Nelle proteine globulari gli aminoacidi sono distribuiti spazialmente in base alla loro polarità
• residui non polari: Val, Leu, Ile, Met, Phe quasi sempre nell’interno
• residui polari carichi: Arg, His, Lys, Asp, Glu quasi sempre sulla superficie esterna se all’interno hanno ruoli chimici specifici
• residui polari non carichi Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr, Trp sono spesso sulla superficie o all’interno coinvolti in legami a H, che riducono la polarità
MioglobinaMioglobinaAA polariAA idrofobici
sezione
Esempio di presenza all’interno di aminoacidi polari:coordinazione di Zn2+ da parte di His
enzima che catalizza negli eritrociti, la reazione: CO2 +H2O H+ + HCO3
- His
Anidrasi carbonica umana
Domini: Domini: regione della proteina strutturalmente compattaregione della proteina strutturalmente compatta e ripiegata localmentee ripiegata localmente
• polipeptidi lunghi (più di 200 AA) tendono a formare domini (di circa 100-200 AA)• spesso i domini svolgono funzioni differenziate • un dato dominio può essere riscontrato in proteine diverse
Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi
Definizioni utili
omologo : un gene correlato a un secondo gene da discendenza da comune sequenza di DNA ancenstrale
Se due sequenze hanno più del 25% di identità di sequenza si considerano omologhe
Polimorfismo: differenti sequenze funzionali esistono per un dato tipo di proteina entro una popolazione
La struttura 3D è più conservata della struttura primaria
Amino acidi chimicamente simili possono occupare la stessa posizione in una sequenza senza distorsioni della struttura tridimensionale
Proteine con sequenze anche molto diverse possono avere la stessa struttura (base della GENOMICA STRUTTURALE)
Hon WC et al., Cell 89:887-95 “Structureof an enzyme required for aminoglycoside antibiotic resistance reveals homology to eukaryotic protein kinases.”
Struttura quaternaria: proteine multimericheStruttura quaternaria: proteine multimeriche• Proteine grosse (>100kD) sono in genere costituite da varie subunità
• Le subunità (protomeri) si associano in maniera specifica
• Le subunità possono essere identiche o diverse
• Vantaggi biologici
• le interazioni inter-catene sono dello stesso tipo di quelle che stabilizzano la struttura terziaria : ponti salini ponti disolfuro legami a H, forze di van der Waals, interazioni idrofobiche, stacking tra anelli aromatici
Tipico di molti enzimi del
metabolismo
omo-multimerisubunità proteiche si aggregano a dare l’unità completa
chaperonin
Interazioni tra le subunità nell’ alcol-deidrogenasi
• due tratti formano un β-sheet antiparallelo
• Stacking tra His e Tyr
Interazioni eterotipiche proteina-proteinaInterazioni eterotipiche proteina-proteina
• Associazioni tra proteine diverse• sono possibili interazioni anche tra dieci unità• forze non covalenti tra superfici complementari
Interazione tra BTPI e tripsina
BTPI: inibitore pancreatico dellatripsina bovina, legandosi impediscel’idrolisi dei peptidi
La catena laterale di una Lys occupa la tasca catalitica
Ripiegamento delle proteine: fattori che lo determinanoRipiegamento delle proteine: fattori che lo determinano
E’ la struttura primaria delle proteine che determina la strutturatridimensionale: le proteine si ripiegano spontaneamente in condizioni fisiologiche nella conformazione corretta, senza ausiliodi “stampi”, in processi a tappe specificate dalla sequenza primaria
denaturazione: perdita del ripiegamento nativo struttura ad avvolgimento casuale (random coil)
• aumento della temperatura• pH non fisiologico• alcuni solventi organici (alcoli, urea)
fattori denaturanti
denaturazione della ribonucleasi (RNasi A)(enzima digestivo che catalizza l’idrolisi di acidi nucleici)
condizioni denaturanticon urea
e 2-mercaptoetanolo
condizioni rinaturantirimozione urea (dialisi)
ossigeno a pH=8 La proteina “ conosce”la propria conformazionefavorita
Temperatura di fusione Tm
Transizione brusca: la struttura nativa viene persa in modo cooperativo:qualsiasi parziale perdita della struttura destabilizza la struttura restante
T
Termodinamica del ripiegamento
In condizioni fisiologiche il ripiegamento è un processo favorito ∆G = ∆H-T∆S < 0 bilancio di molti fattori
• Entropia conformazionale: diminuzione di entropia nel ripiegamento (termine sfavorevole)
• Entalpia dovuta alle interazioni intramolecolari: 1. interazione carica-carica (ponti salini)2. legami a H3. Interazioni deboli
4. Perdita di interazioni con l’acqua
• Effetto idrofobico: minimizza lo svantaggio entropico della strutturazione delle molecole d’acqua
Termini favorevoli
Termine sfavorevole
Risultato netto ∆G < 0 (relativamente piccolo, risultato di termini opposti)
Protein (parameters at 25o C = 298 K)
∆G (kJ/mol) ∆H (kJ/mol) ∆S (kJ/K•mol)Lysozyme -62 -220 -0.530Cytochrome c -44 -52 -0.027
Per la maggior parte delle proteine l’energia libera, favorevole per la formazione della configurazione nativa, deriva dalla differenza tra valore grandi di entalpia e di contributi entropici (T ∆S).
Dinamica del ripiegamentoDinamica del ripiegamento
•Il processo di ripiegamento è rapido (msec-sec)
•Il processo non è casuale:
Stadi del ripiegamento1. NucleazioneNucleazione: formazione di elementi di
struttura secondaria
2. Unità ripiegate condensano per formare nuclei più grandi
3. Aggiustamenti che portano alla struttura terziaria compatta
4. Eventuali subunità si associano
una proteina di circa 100 AA puo’ assumere circa 10100 conformazioni: per visitarle tutte impiegherebbe 1087secondi!!!!
Frequenza relativa egli aminoacidi
Per una proteina esiste più di un camminodi ripiegamento: profilo energetico a imbuto
Predizione della struttura secondariaPredizione della struttura secondaria Approccio empirico Approccio empirico
Le proteine non correttamente ripiegatevengono normalmente degradate dalla cellulaIn alcuni casi danno luogo a patologieex: BSE, malattie da prioni
PrPCPrPSc
In vivo il ripiegamento e l’assemblaggio multimerico può essere assistitoda proteine -CHAPERON MOLECOLARI (accompagnatrici molecolari)
• accompagnano le proteine nel ripiegamento• proteggono da aggregazioni o aiutano a trovare la conformazione • alcune proteine catalizzano il riarrangiamento dei ponti S-S
Dinamica delle proteineDinamica delle proteine
• Le proteine ripiegate sono soggette a diversi tipi di moti dovuti alle fluttuazioni di energia per interazione con l’ambiente
• Le fluttuazioni hanno importanti significati funzionali
Tipi di movimenti Ampiezza (nm) Tempo (s)
1. Vibrazioni ed oscillazioni di atomi e gruppi 0.2 10-15-10-12
2. Movimenti concertati di gruppi (catene laterali 0.2-1 10-12-10-8
elementi di struttura secondaria)
3. Movimenti di interi domini, aperture di 1-10 10-8-10-3
cavità indotte
Movimento “respiratorio”della mioglobina che permette di rilasciare l’ossigeno legato
Istantanee calcolateogni 10-12s nellamioglobina e inun’ α-elica
Inibitore della tripsina:
intervallo di conformazionicompatibili con i dati di struttura NMR(dinamica in soluzione)Berndt et al. J. Mol. Biol.,227,757
Calmodulina: enzima regolatore che segnala il livello del Ca2+
libera e legata a un peptide in alfa-elica
movimento indotto da Ca2+,che espone residui idrofobici Met che si legano alle eliche anfifiliche delle proteinebersaglio
Introduction to Molecular Biophysics
Instructor: Dr. Satish NairOffice hours: After class or by appointment
TA: Sujoy Mukherjee(office hours:
Comert Kural(office hours:
Primary structure determines all higher levels of structure
The information necessary to ensure the native fold is encoded in the primary structure.
In general, proteins are self-folding (exceptions include folding of proteins in vivo with the help of molecular chaperones).
Homology:For a small peptide of about 200 residues, there are 20200 possible permutations of primary structures can exist. In fact, only a small fraction of such permutations are found in Nature (throughout evolution).
The corollary: two proteins of similar amino acids cannot have evolved independently.
Hence, similarity in amino acid structure implies a common ancestry. Such related proteins are called homologs.