Gerarchia della struttura delle proteine

struttura terziaria:la strutturatridimensionaledella proteina.

struttura primaria:sequenza degli aminoacidi

struttura secondaria:le proteine tendono ad assumere conformazionilocali particolari molto comuni,come alfa-eliche e foglietti beta

la struttura quaternaria:determinata dal fatto chemolte proteine sonocostituite da più subunità.

Si indica con CONFORMAZIONE la disposizione tridimensionale degli atomi di una molecola, cioè la loro organizzazione spaziale.

Gran parte del core di una proteina comprende delle strutture secondarie regolari, α-eliche e foglietti β, ripiegate in una configurazione tridimensionale.

In queste strutture secondarie si formano in modo regolare dei ponti idrogeno traaminoacidi adiacenti, e gli aminoacidi hanno simili angoli psi e phi.

La formazione di queste strutture neutralizza i gruppi polari (C=O e NH) di ciascun aminoacido.

Le strutture secondarie sono fortemente impacchettate nel core proteico in un ambiente ibrofobico.

La struttura secondaria

Paul e Corey i pionieri dello studio della struttura secondaria delle proteine proposero che le catene polipeptidiche si presentano preferibilmente nella conformazione che consente la massima possibilità di legami idrogeno tra gli aminoacidi vicini.Furono proposte due conformazioni α-eliche e foglietti β

Le parti di catena polipeptidica prive di strutture particolari, possono formare cerniere, giri, anse o estensioni digitiformi.

α-eliche:il più abbondante tipo di struttura secondaria nelle proteine

L’elica presenta 3,6 aminoacidiper giro, con i ponti idrogenoche si formano tra aminoacididistanti 4 residui.La lunghezza media è 10 aminoacidi(3 giri) o 10 Å, ma varia da 5 a 40aminoacidi.L’elica è di norma destrorsa, ma raramentepossono trovarsi corte eliche di 3-5 aminoacidi sinistrorse.

La posizione più comune delle α-eliche è nellasuperficie del core proteico, dove costituisconoun interfaccia con l’ambiente acquoso circostante.Il lato rivolto verso l’interno tende ad avere aminoacidi idrofobici, viceversa quello verso l’esterno.

Ogni 3 su 4 aminoacidi lungo la catena tenderanno adessere idrofobici, distribuzione facilmente individuabile.

Il contenuto in aminoacidi può essere utile per la predizione di una α-elica. Regioni : più ricche in A, E, L e M

tendono a formare una α-elica più povere in P, G, Y e S

La prolina destabilizza o rompe le α- eliche, ma può essere presente in eliche lunghe, dove crea una curvatura.

Foglietti β: conformazione a zig-zag.Sono formati mediante ponti idrogenotra 5-10 aminoacidi consecutivi (in media)di una porzione della catena polipeptidicacon altri 5-10 aminoacidi presenti inun’altra regione della proteina.

Ciascuna porzione può averela stessa direzione:foglietti β paralleli; la direzione opposta:foglietti β antiparalleli.

Le regioni interagenti possono essere adiacenti(separate da un breve loop anche di soli 2 aminoacidi)o lontane, con altre strutture secondarie nel mezzo.

La struttura terziaria

E’ la struttura tridimensionale della proteina.Il ripiegamento (folding) delle proteine consente il loro corretto funzionamento.

Le proteine svolgono la maggior parte delle funzionimolecolari biologiche: metaboliche, strutturali,di regolazione, di difesa immunitaria, ed altro.La comprensione della struttura delle proteine è fondamentale per capirne il funzionamento.

Teoricamente alcuni dei legami possono ruotare rendendo possibile un numero pressochéinfinito di conformazioni ⇒ è estremamente difficile predire con metodi computazionalila struttura proteica, anche se oggi si comincia ad avere qualche promettente risultato.Le strutture proteiche sono determinate sperimentalmente mediante diffrazione ai raggi X,oppure mediante NMR.

L’emoglobina, un esempio di proteina formata da più subunità.

Struttura quaternaria

DUE PAROLE SUI DOMINI PROTEICIDUE PAROLE SUI DOMINI PROTEICIMolte proteine, specialmente quelle di grandi dimensioni sono Molte proteine, specialmente quelle di grandi dimensioni sono

formate da più domini distinti,formate da più domini distinti,Queste regioni compatte semi-indipendenti possono avere delle Queste regioni compatte semi-indipendenti possono avere delle

funzioni distinte, per esempio legare cofattori, e spesso sono funzioni distinte, per esempio legare cofattori, e spesso sono collegate al resto della proteina da una porzione di catena collegate al resto della proteina da una porzione di catena polipepetidica che serve da cerniera.polipepetidica che serve da cerniera.

In molti casi domini distinti di una proteina sono codificati da In molti casi domini distinti di una proteina sono codificati da ‘‘esoniesoni‘ distinti e a volte proteine formate da più di un dominio si ‘ distinti e a volte proteine formate da più di un dominio si sono evolute per fusione di geni che codificavano per proteine sono evolute per fusione di geni che codificavano per proteine ancestrali diverse e quindi i domini in questo caso possono ancestrali diverse e quindi i domini in questo caso possono derivare dalla “fusione” di proteine differenti.derivare dalla “fusione” di proteine differenti.

Questo fatto è risultato estremante importante nell’evoluzione Questo fatto è risultato estremante importante nell’evoluzione degli eucarioti.degli eucarioti.

I L D N AI L D N A Fino al 1944 si pensava che l'informazione biologica fosse conservata nelle Fino al 1944 si pensava che l'informazione biologica fosse conservata nelle

proteine. Si sapeva che il DNA è costituito da 4 diverse basi, ma si pensava proteine. Si sapeva che il DNA è costituito da 4 diverse basi, ma si pensava che avesse una funzione strutturale. che avesse una funzione strutturale.

Avery, McLeod e McCarty scoprirono che il DNA del batterio Avery, McLeod e McCarty scoprirono che il DNA del batterio PneumococcusPneumococcus contiene l'informazione per conferire ai batteri la patogenicità. contiene l'informazione per conferire ai batteri la patogenicità.

Il 25 Aprile del 1953, sulla rivista "Nature" furono pubblicati diversi lavori storici: Il 25 Aprile del 1953, sulla rivista "Nature" furono pubblicati diversi lavori storici: in primo luogo quello di in primo luogo quello di Watson e CrickWatson e Crick che proposero la struttura a doppia che proposero la struttura a doppia elica del DNA, per cui due filamenti antiparalleli di DNA si appaiano a elica del DNA, per cui due filamenti antiparalleli di DNA si appaiano a formare una doppia elica. Le A stanno appaiate con le T e le G con le C. formare una doppia elica. Le A stanno appaiate con le T e le G con le C.

Nello stesso fascicolo di "Nature" furono anche pubblicati altri lavori tra i quali Nello stesso fascicolo di "Nature" furono anche pubblicati altri lavori tra i quali sopratutto il quello di sopratutto il quello di Rosalind FranklinRosalind Franklin che fu la persona che produsse i che fu la persona che produsse i dati di diffrazione ai raggi X del DNA, che portarono alla determinazione dati di diffrazione ai raggi X del DNA, che portarono alla determinazione della struttura a doppia elica.della struttura a doppia elica.

Acidi nucleici (DNA e RNA)Sono dei polimeri (catene) di Sono dei polimeri (catene) di nucleotidinucleotidi legati tra loro da legati tra loro da legami fosfodiestericilegami fosfodiesterici

Ogni Ogni nucleotidenucleotide è formato da una unità di zucchero ( è formato da una unità di zucchero (ribosioribosio (RNA) o (RNA) o deossiribosiodeossiribosio (DNA): (DNA): ribosio mancante di un gruppo OH), da un ribosio mancante di un gruppo OH), da un gruppo fosfatogruppo fosfato e e dalla presenza di una delle 4 possibili differenti ‘dalla presenza di una delle 4 possibili differenti ‘basibasi’ chiamate ’ chiamate Adenina, Citosina, Adenina, Citosina, Guanina e TiminaGuanina e Timina ( (UracileUracile nell’RNA), abbreviate con le loro iniziali: A, C, G, T nell’RNA), abbreviate con le loro iniziali: A, C, G, T (o U); (o U);

Le differenti combinazioni delle successione delle basi Le differenti combinazioni delle successione delle basi rappresentano il codice genetico che codifica per le proteine. rappresentano il codice genetico che codifica per le proteine. (questo concetto verrà ripreso più avanti)(questo concetto verrà ripreso più avanti)

Oltre alle regioni codificanti le proteine, nel DNA esistono anche molte altre regioni Oltre alle regioni codificanti le proteine, nel DNA esistono anche molte altre regioni con funzioni di regolazione (vedremo più avanti)con funzioni di regolazione (vedremo più avanti)

STRUTTURA DEI COMPONENTI DEL DNASTRUTTURA DEI COMPONENTI DEL DNA

Struttura chimica dell’adenosina 5’-monofosfato (AMP), un nucleotide presente nell’RNA. Tutti I nucleotidi sono costituiti da uno-due o tre gruppi fosfato (AMP-ADP-ATP) legati all’idrossile 5’ di uno zucchero pentoso, il cui carbonio 1’ è legato ad una base organica. Per convenzione gli atomi di carbonio dello zucchero sono numerati con l’apice “ ’ ”.

(b)Struttura dello zucchero ribosio (RNA) (acido ribonucleico) e desossiribosio (DNA-acido desossiribonucleico), I pentosi degli acidi nucleici.

PURINE E PIRIMIDINEPURINE E PIRIMIDINE

Le basi che compongono il Le basi che compongono il DNA sono composti DNA sono composti eterociclici (formati da due eterociclici (formati da due tipi di atomi differenti: N e tipi di atomi differenti: N e C).C).

Adenina e guanina sono Adenina e guanina sono purine, e contengono una purine, e contengono una coppia di anelli fusi tra loro, coppia di anelli fusi tra loro, citosia, timina ed uracile citosia, timina ed uracile (presente nell’RNA al posto (presente nell’RNA al posto della T) sono pirimidine e della T) sono pirimidine e sono composte da un solo sono composte da un solo anello.anello.

LA STRUTTURA DEL DNALA STRUTTURA DEL DNA Nelle catene di DNA le basi sono unite mediante Nelle catene di DNA le basi sono unite mediante legami fosfodiestericilegami fosfodiesterici

in cui un gruppo fosfato fa da ponte chimico tra due atomi di ossigeno in cui un gruppo fosfato fa da ponte chimico tra due atomi di ossigeno legati agli atomi di carbonio posti in posizione 3' e 5' del deossiribosio.legati agli atomi di carbonio posti in posizione 3' e 5' del deossiribosio.

Struttura e sintesi del DNA

Nucleotide trifosfato (ATP)

La figura illustra l'aggiunta di una base ad un filamento di DNA. Questa operazione è La figura illustra l'aggiunta di una base ad un filamento di DNA. Questa operazione è generalmente svolta dall'enzima DNA-polimerasi.generalmente svolta dall'enzima DNA-polimerasi.

Direzionalità del DNA

La catena di DNA ha una direzione.Le sequenze sono generalmente scritte in direzione 5'-3', facendo riferimento agli atomi di carbonio del deossiribosio.La sequenza in figura viene quindi scritta come segue:

5'-ACG-3'

Ecc.ecc.

A

C

G

APPAIAMENTO TRA LE BASIAPPAIAMENTO TRA LE BASI

Due eliche singole di DNA si appaiano tra loro per formare una doppia elica Due eliche singole di DNA si appaiano tra loro per formare una doppia elica in cui le basi di un filamento si appaiano a quelle dell’altro tramite legami ad in cui le basi di un filamento si appaiano a quelle dell’altro tramite legami ad idrogeno. La “regola” per l’appaiamento delle basi è:idrogeno. La “regola” per l’appaiamento delle basi è:

A-T adenina si appaia con timina,A-T adenina si appaia con timina, C-G citosina si appaia con guanina,C-G citosina si appaia con guanina,Questo fa sì che, nota la sequenza di un’elica è data anche quella dell’altra elica.Questo fa sì che, nota la sequenza di un’elica è data anche quella dell’altra elica.

STRUTTURA DEL DNASTRUTTURA DEL DNA

Lo zucchero ed i residui fosfato Lo zucchero ed i residui fosfato (grigio) in ciascun filamento formano (grigio) in ciascun filamento formano lo scheletro (backbone), che è tracciato lo scheletro (backbone), che è tracciato da una linea rossa che mostra la da una linea rossa che mostra la struttura ad elica della molecola. struttura ad elica della molecola. Le basi si proiettano all’interno, ma Le basi si proiettano all’interno, ma sono accessibili tramite due solchi sono accessibili tramite due solchi (grooves) detti major and minor (grooves) detti major and minor grooves; una coppia di basi di grooves; una coppia di basi di filamenti opposti nel solco maggiore filamenti opposti nel solco maggiore sono evidenziati in grigio e blu. I sono evidenziati in grigio e blu. I legami idrogeno tra le basi sono al legami idrogeno tra le basi sono al centro della struttura.centro della struttura.

Modello a spazi pieni del DNA B, la forma più comune nelle cellule.Modello a spazi pieni del DNA B, la forma più comune nelle cellule.

Osservare:Osservare:- lo scheletro di gruppi fosfato (anelli degli lo scheletro di gruppi fosfato (anelli degli

zuccheri in verde)zuccheri in verde)- coppie di basi appaiate (blu e rosso)coppie di basi appaiate (blu e rosso)- legami ad idrogeno tra le basi che coinvolgono legami ad idrogeno tra le basi che coinvolgono

gruppi chimici ben definiti (line tratteggiate).gruppi chimici ben definiti (line tratteggiate).- Lo scheletro va in direzioni opposte nelle due Lo scheletro va in direzioni opposte nelle due

eliche e le estremità 5’ e 3’ sono così definite in eliche e le estremità 5’ e 3’ sono così definite in base all’orientamento degli atomi di carbonio 5’ base all’orientamento degli atomi di carbonio 5’ e 3’ degli zuccheri.e 3’ degli zuccheri.

- Ciascuna coppia di basi ha una purina (A) o (G) Ciascuna coppia di basi ha una purina (A) o (G) ed una pirimidina (T) o (C) legate da legami ed una pirimidina (T) o (C) legate da legami idrogeno. Non sono mostrati gli atomi di idrogeno. Non sono mostrati gli atomi di idrogeno.idrogeno.

[Part (a) courtesy of A. Rich; part (b) from R. E. [Part (a) courtesy of A. Rich; part (b) from R. E. Dickerson, 1983, Dickerson, 1983, Sci. Am. Sci. Am. 249 249 (6):94.](6):94.]

Diagramma a bastoncini della struttura chimica del DNADiagramma a bastoncini della struttura chimica del DNA

DENATURAZIONE E RINATURAZIONE DEL DNADENATURAZIONE E RINATURAZIONE DEL DNA

Una delle proprietà più importanti del DNA è la capacità di denaturarsi (in Una delle proprietà più importanti del DNA è la capacità di denaturarsi (in condizioni di temperatura e di pH adatte) e poi di rinaturarsi in condizioni condizioni di temperatura e di pH adatte) e poi di rinaturarsi in condizioni appropriate.appropriate.

Anche in miscele complesse di doppie eliche (aventi sequenze differenti) Anche in miscele complesse di doppie eliche (aventi sequenze differenti) un un filamento è in grado in condizioni opportune di rinaturarsi con un filamenti filamento è in grado in condizioni opportune di rinaturarsi con un filamenti avente sequenza complementareavente sequenza complementare..

Questa proprietà sta alla base di molte tecniche di biologia molecolare ed Questa proprietà sta alla base di molte tecniche di biologia molecolare ed ingegneria genetica quali: PCR, Southern blot, Northern blot, Microarrays ingegneria genetica quali: PCR, Southern blot, Northern blot, Microarrays (che vedremo verso la fine del corso). (che vedremo verso la fine del corso).

STRUTTURE SECONDARIE DEL DNASTRUTTURE SECONDARIE DEL DNA

Negli acidi nucleici appaiamento tra basi complementari può avvenire Negli acidi nucleici appaiamento tra basi complementari può avvenire anche entro lo stesso filamento (purchè le basi siano sufficientemente anche entro lo stesso filamento (purchè le basi siano sufficientemente distanti).distanti).

Questo sta alla base della struttura di molecole quali tRNA ed rRNA Questo sta alla base della struttura di molecole quali tRNA ed rRNA importanti nella sintesi delle proteine.importanti nella sintesi delle proteine.

Le due eliche di partenza si separano e viene sintetizzata l'elica complementare a ciascuno dei due filamenti originari. Ogni nuova base viene copiata mediante un meccanismo di appaiamento tra basi complementari..Si ottengono due doppie elicheidentiche alla doppia elica originale.

La duplicazione è detta semiconservativaperché ogni doppia elica “figlia” conserva un filamento dell'elicaoriginaria e un filamento sintetizzato ex novo.

La doppia elica di DNA ha permesso di spiegare il meccanismo di replicazionedell'informazione genetica che consiste nella replicazione della doppia elica.

REPLICAZIONE DELL’INFORMAZIONE GENETICAREPLICAZIONE DELL’INFORMAZIONE GENETICA

Ulteriori informazioni sul DNA possono essere trovate all’ indirizzo:Ulteriori informazioni sul DNA possono essere trovate all’ indirizzo:http://www.dnalc.org/:http://www.dnalc.org/: un museo interattivo sul DNA un museo interattivo sul DNA

La direzionalità delle molecole: DNA

5' nnCGATGCTAGTAGTTGTACGCAnn -> 3‘OH ||||||||||||||||||||| HO-3‘<- nnGCTACGATCATCAACATGCGTnn - 5'

Una rappresentazione in formato testo di una doppia elica di DNA

Quando la sequenza indica una singola elica lunga alcuni nucleotidi, si parla di OLIGONUCLEOTIDE

5‘-CGATGCCACCAAGTTGTACGCA-> 3‘OH

Il DNA può essere costituito da catene lunghissime di basi, anche di centinaia di Il DNA può essere costituito da catene lunghissime di basi, anche di centinaia di milioni nei cromosomi umani!!!milioni nei cromosomi umani!!!