L’Organizzazione Strutturale delle Proteine:

dalla Termodinamica alla Bioinformatica

Prof. Mauro Fasanomauro.fasano@uninsubria.it

Proteine

• Composti polimerici formati per condensazione di aminoacidi

• La traduzione funzionale del messaggio codificato all’interno della cellula

I sistemi viventi seguono una logica molecolare

• Una cellula è un sistema isotermo di molecole, in grado di autoassemblarsi e autoperpetuarsi, che estrae energia libera e materiali grezzi dal suo ambiente.

• Nella cellula avvengono reazioni chimiche regolate da catalizzatori che essa stessa produce.

• La cellula mantiene il suo stato stazionario di non-equilibrio rispetto all’ambiente attraverso il massimo risparmio energetico.

I sistemi viventi seguono una logica molecolare

• L’autoreplicazione è consentita da un sistema che contiene l’informazione codificata in modo lineare ed in grado di ripararsi. L’informazione lineare è sufficiente a definire una struttura tridimensionale che determina la funzione biologica.

• La struttura tridimensionale delle biomolecole e dei complessi supramolecolari è stabilizzata dalla sinergia di interazioni deboli (non covalenti) che agiscono in modo cooperativo.

Un semplice dipeptide

Ci sono venti aminoacidi diversi

Ci sono venti aminoacidi diversi

Ci sono venti aminoacidi diversi

Ci sono venti aminoacidi diversi

Ci sono venti aminoacidi diversi

Ci sono venti aminoacidi diversi

Una proteina è una combinazione di N aminoacidi presi tra 20 possibili?

• NO! Una proteina è caratterizzata da una precisa forma nello spazio che ne garantisce la funzione (Folding)

La struttura di una proteina può essere descritta attraverso quattro

livelli di organizzazione

Primo livello: la sequenza(struttura primaria) formata da

legami covalenti

Phe-Leu-Ser-Cys-Pro-Gly

FLSCPG

Secondo livello: l’organizzazionenello spazio dello scheletro della

catena attraverso legami idrogeno

Che cos’è il legame idrogeno?!?

Legame idrogeno

Quale conformazione dello scheletro permette di ottenere il maggior numero

di legami idrogeno?

Due conformazioni prevalenti:α-elica e foglietto β

Quale delle due?

• Alcuni aminoacidi preferiscono assumere una delle due strutture

• Alcuni aminoacidi non possono assumere una delle due strutture

• Abbiamo considerato solo lo scheletro!!

Terzo livello: l’interazionenello spazio di elementi di struttura secondaria attraverso legami non

covalenti

• Interazioni elettrostatiche• Interazioni dipolari• Forze di dispersione• Effetto idrofobico• Unica eccezione covalente:

il ponte disolfuro

Energie di legame

• Covalente > 300 kJ/mol

• Non covalente:– ioniche 80 - 90 – legame idrogeno 20– dipolo-dipolo 8 - 10– London < 1

L’effetto idrofobico

Formazione di un clatrato

-Debole contributo entalpico intramolecolare favorevole -Debole contributo entropico intramolecolare sfavorevole -Forte contributo entropico intermolecolare favorevole

Quindi...

Quarto livello: catene polipeptidiche autonomamente strutturate

interagiscono tra loro a formare un’unica supramolecola

L’interazione tra le subunità in una struttura quaternaria riduce la libertà

conformazionale di ciascuna subunità

Si formano così interruttori molecolari (trasportatori, recettori, enzimi, ecc.) REGOLAZIONE!!

Esempio: il recettore del GABA

Possiamo prevedere la struttura di una proteina?

• Calcolare ab initio: NO, troppi gradi di libertà

• Allora: Apprendere dall’evidenza.

È possibile determinare sperimentalmente la struttura delle proteine attraverso metodi fisici (risonanza magnetica nucleare e diffrazione dei raggi X in cristalli singoli)

Similarità di struttura e similarità di sequenza

Coppie di proteine con struttura simile

Coppie di proteine con struttura diversa

Similarità di sequenza e omologia TRYI_DROME : ENTK_PIG/8 : THRB_BOVIN : KLK1_MOUSE : CTRA_BOVIN : CTR1_ANOGA : CTRL_HALRU :

IIGGSDQLIRNAPWQVSIQISAR----HECGGVIYSKEIIITAGHCLHER-SVTLMKV-----RVGA---QNHNYGG-TLVPVAAY--KVHEQFDSRFLH---IVGGNDSREGAWPWVVALYYNG----QLLCGASLVSRDWLVSAAHCVYG----RNLEPSKWKAILG--LHMTSNLTSPQIVTRLIDEIVINPHYNRRRKD---IVEGQDAEVGLSPWQVMLFRKSPQE--LLCGASLISDRWVLTAAHCLLYPPWDKNFTVDDLLVRIGK-HSRTRYERKVEKISMLDK-IYIHPRYNWKEN----IVGGFNCEKNSQPWQVAVYRFT----KYQCGGILLNVNWVLTAAHCHND-----KYQV-----WLGK-NNFLEDEPSAQHRLVSK--AIPHPDFNMSLLNEHTIVNGEEAVPGSWPWQVSLQDKTG---FHFCGGSLINENWVVTAAHCGVT----TSDVV-----VAGEFDQGSSSEK-IQKLKIAK--VFKNSKYNSLTIN---VVGGEVAKNGSAPYQVSLQVPGWG---HNCGGSLLNDRWVLTAAHCLVG-HAPGDLMV-----LVGT---NSLKEGG-ELLKVDK--LLYHSRYNLPRFH---IVGGSNAAAGEFPWQGSLQVRSGTSWFHICGCVLYTTSKALTAAHCLSN--SASSYRL--G---FGMLR-MNNVDGTEQYSSVTS--YTNHPNYNGNAAG---

: 84 : 90 : 95 : 86 : 85 : 85 : 90

TRYI_DROME : ENTK_PIG/8 : THRB_BOVIN : KLK1_MOUSE : CTRA_BOVIN : CTR1_ANOGA : CTRL_HALRU :

--------YDIAVLRLSTP-LTFGLSTRAINLAS---TSP--SGGTTVTVTGWGH----TDNG---ALSDSLQKAQLQIIDRGECASQKFGYGAD-FVGEETI--------SDIAMMHLEFK-VNYTDYIQPICLPE---ENQVFPPGRICSIAGWGK---VIYQG---SPADILQEADVPLLSNEKCQQQMP-EYN---ITENMM------LDRDIALLKLKRP-IELSDYIHPVCLPDKQTAAKLLHAGFKGRVTGWGNRRETWTTSVAEVQPSVLQVVNLPLVERPVCKAS---TRIR--ITDNMFPQPEDDYSNDLMLLRLKKP-ADITDVVKPIDLPT---EEP--KLGSTCLASGWGS---ITPVKY--EYPDELQCVNLKLLPNEDCAKA---HIEK--VTDDML--------NDITLLKLSTA-ASFSQTVSAVCLPS---ASDDFAAGTTCVTTGWGL---TRYTNA--NTPDRLQQASLPLLSNTNCKKY---WGTK--IKDAMI--------NDIGLVRLEQP-VQFSELVQSVEYSE-----KAVPANATVRLTGWGR---TSANG---PSPTLLQSLNVVTLSNEDCNKK---GGDPGYTDVGHL------YPNDIAVLRLTSSMDTSSSAVGPSVWLL---------VERLCRTNMYDQR--MGKTQWRWQHPNNLQKVDMTVLTNSDCSSRWSGISGAT-VNSGHI

: 165 : 171 : 186 : 173 : 166 : 165 : 175

TRYI_DROME : ENTK_PIG/8 : THRB_BOVIN : KLK1_MOUSE : CTRA_BOVIN : CTR1_ANOGA : CTRL_HALRU :

CAAS----TD-ADACTGDSGGPLVASSQ------LVGIVSWG-YRCADDNYPGVYADVAILRPWICAGYE--EGG-IDSCQGDSGGPLMCLEN--NRWLLAGVTSFG-YQCALPNRPGVYARVPKFTEWICAGYKPGEGKRGDACEGDSGGPFVMKSPYNNRWYQMGIVSWG-EGCDRDGKYGFYTHVFRLKKWICAGDM--DGG-KDTCAGDSGGPLICDGV------LQGITSWGPSPCGKPNVPGIYTRVLNFNTWICAGA----SG-VSSCMGDSGGPLVCKKN--GAWTLVGIVSWG-SSTCSTSTPGVYARVTALVNWVCTLTK---TG-EGACNGDSGGPLVYEGK------LVGVVNFG-VPCALG-YPDGFARVSYYHDWVCIFE----SG-RSACSGDSGGPLVCGNT------LTGITSWGISSCSGS-YPSVYTRVSSFYNWV

: 218 : 230 : 250 : 229 : 223 : 218 : 228

L’evoluzione molecolare di proteine omologhe garantisce la conservazione dei residui essenziali per il mantenimento della funzione (e quindi della struttura).

Per approfondire...

• Elementi essenziali di chimica della Vita: http://busto.dipbsf.uninsubria.it/cns/fasano/Edu/SV1.htm

• Un buon testo a livello di laurea triennale:Voet, Voet, Pratt. Fondamenti di Biochimica. Zanichelli

Qualcosa in più sugli aspetti bioinformatici:http://busto.dipbsf.uninsubria.it/corso/