Elementi di regolarità della struttura proteica a livello

primario1. Ogni unità strutturale fondamentale (residuo amminoacidico) è

costituita dai piani su cui giacciono gli atomi CO e NH.

2. La configurazione del legame peptidico termodinamicamente più favorita è la “trans”, tranne nel caso in cui un residuo di Prolina si colloca nella estremità C-terminale

3. I gradi di libertà rotazionale in corrispondenza degli angoli , e sono limitati da considerazioni steriche dovute alle catene laterali amminoacidiche.

4. Ponti disolfuro e legami con metalli impongono ulteriori vincoli alla struttura proteica.

La struttura tridimensionale

1. Il “nucleo” proteico è idrofobico

2. Le cavità proteiche sono rare

3. Elementi strutturali (strutture secondarie)

Elementi di regolarità della struttura proteica: le strutture

secondarie

elica alfa(alpha-helix)

foglietto beta(beta-sheet)

Aspetti termodinamici, vincoli strutturali, relazioni funzionali???

L’alfa elicaè presente nelle proteine quando una stringa di residui consecutivi presentano TUTTI coppie {,} compresi tra

{-60 e -50}

1. L’elica alfa ha proprietà ottiche

La coppia di {,} dell’alfa elica comporta conseguenze strutturali

essenziali nella stabilità e nella funzione proteica

2. La formazione di un legame idrogeno tra tutti gli NH e i CO compresi nella struttura.

4. La dimensione dell’elica è costante

5. La sua struttura è compatta.

3. Un numero ben preciso di residui aminoacidici per giro (3,6). n=3,6 residui

A cilindro

1,5 Å

6. Nelle alfa eliche le catene laterali sono disposte verso l’esterno

~3,6 Å

7

6

5 1

4

3

2

Creste

scanalatura

A nastro

8. La rappresentazione mediante “Helical Wheel” permette di evidenziare specificità chimiche sulla superficie dell’alfa elica

7. Le proprietà biochimiche della superficie delle alfa eliche sono dettate dalla contiguità di residui amminoacidici distanti in sequenza

9. Le strutture ad alfa-elica in genere si trovano sulla superficie della molecola proteica, con il “lato” idrofilico all’esterno

C ramificato C ramificato e con sostituenti in grado di formare legami H

NO

NO

SI

Eccezioni

Troppo flessibile

Troppo rigido

C NON ramificato e con sostituenti NON in grado di formare legami H

10. Nelle alfa eliche si trovano di preferenza solo determinati aminoacidi

Le alfa eliche sono strutture dipolari

11. Le alfa eliche sono elementi strutturali in grado di interagire fra di loro, preferenzialmente in modo antiparallelo

12. Gruppi o sostituenti carichi si trovano all’estremità delle eliche

Le regole di associazione nei domini ad alfa elica

1. Quando due alfa-eliche interagiscono fra loro, le catene laterali all’interfaccia sono nascoste al solvente.

2. Le due aree di interfaccia sono complementari.

3. La superficie di un’alfa elica fitta sull’altra secondo il modello del “scanalature e creste”.

1

24

7

Cresta inclinata di 26° rispetto all’asse dell’elica; l’angolo atteso

fra due eliche associate è 52°

4n-ridgeL’angolo atteso fra due eliche

associate è 50° nel modello 3n.

3n-ridge

Il modello“dei nodi nella cavità”

8°

“knobs in holes”

Esiste un ordine superiore al secondario?

“Anatomia e Tassonomia delle Strutture Proteiche”Richardson, Adv.Prot.Chem. 34, 167-339, 1981)

I diagrammi topologici (TOP)http://www3.ebi.ac.uk/tops/

• I TOPs diagram (“cartoons”) indicano l’ordine con cui gli elementi di struttura secondaria (SSE) si susseguono nella struttura 3D rispetto alla struttura 1D.

• I TOPs forniscono una migliore proiezione della struttura tridimensionale di una proteina in due dimensioni.

• Analizzare le relazione topologiche delle proteine a struttura nota può portare alla conoscenza delle REGOLE DI ASSOCIAZIONE tra elementi di struttura secondaria

I motivi strutturali(motifs, folds, protein patterns)

• E’ stato osservato che frequentemente nella struttura di proteine si trovano SEMPLICI COMBINAZIONI di POCHI SSEs, definite inizialmente come strutture supersecondarie.

• Ad oggi le proteine note sono catalogate in circa 1000 motifs, che costituiscono le unità fondamentali di un nuovo livello strutturale (SCOP).

• Analizzare in dettaglio le modalità con cui elementi di struttura secondaria si organizzando in strutture terziarie in proteine a struttura e funzione nota può determinazione in silico delle funzioni proteiche.

Le strutture a dominio alfa

Proteine globulariMioglobina

Domini specifici N-terminale del repressore 434

Proteine fibroseCheratina, fibrinogeno,..

Proteine di membranaPori proteici

202 folds

Il motivo -loop-Coppia di alfa eliche connessa da un loop

I vincoli strutturali dei motivi -loop- leganti il calcio

Una conformazione in grado di realizzare

l’”impalcatura” (scaffold) idonea

Una sequenza “consensus” in grado di assicurarne la “funzionalità”

elica E elica F

V K K A F A I I D Q D K S G F I E E D E L K L F L Q N F

F K E A F S L F D K D G D G T I T T K E L G T V M R S L

L A D C F R I F D K N A D G F I D I E E L G E I L R A T

Le sequenze consensus sono utilizzate per la predizione di similitudini strutturali e funzionali

2 alfa eliche superavvolte(coiled-coil)

n=3,5

a b c d e f g

Met Lys Gln Leu Glu Asp Lys

Val Glu Glu Leu Leu Ser Lys

Asn Tyr His Leu Glu Asn Glu

Val Ala Arg Leu Lys Lys Leu

a

a

d

d

ad

la regola dell’eptamero

FibrinogenoCollettineSpectrinaDistrofinaMiosina

Il motivo “leucine zipper”

“knobs in holes”ogni catena laterale nella regione idrofobica di una delle due eliche può entrare in contatto con quattro catene laterali della seconda elica

Fascio di 4 alfa-eliche

intra- o inter-molecolare

Fascio di 4 alfa-eliche con assi antiparalleli……

up and down

…..con il sito di riconoscimento del ligando costituito all’interno

delle quattro alfa-eliche

Ripiegamento Globinicocore: 6 helices; folded leaf, partly opened

Domini ad alfa eliche multiple

La proteina delta del cristallino

Le funzioni delle strutture supersecondarie ad alfa elica

1. Due eliche connesse da un loop – centri di legame per metalli

2. Due eliche superavvolte – moduli di dimerizzazione

3. Il fascio a 4 eliche – siti catalitici o recettoriali

4. Ripiegamento globinico – legame con eme

5. Altro (domini a numero elevato di alfa eliche)

Una proteina ad alfa elica ex-novo

• 79 aa non omologa a nessuna proteina conosciuta.

• 4 eliche a sequenza diversa.

• Eliche formate da 4 giri e collegate da un minor numero di residui possibili.

• Un ponte disolfuro.

• Scelta della sequenza amminoacidica guidata da considerazioni diverse (biosintesi, propensità, idrofobicità, univoca).

FELIX the helix