Struttura e funzione degli Proteine

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Sommario

Proteine❖ Funzioni principali❖ Legame peptidico❖ Struttura primaria❖ Struttura secondaria❖ Struttura terziaria❖ Struttura quaternaria

Struttura e funzione degli Proteine

Proteins = finely structured biomolecules highly specialized for functional roles

❖ Size: 1 - 10 nm, 103-104 atoms❖Functions:

๏Catalysis (enzymes)๏Regulatory๏Structural๏Protection๏Energetics

❖Structure๏Hetero-polymers whose monomers are amino-acids (polypeptides)๏Hierarchic organization: Primary, secondary, tertiary and quaternary structures

GFP HIV protease

Struttura e funzione degli Proteine

Traduzione → sintesi proteicaIl ribosoma usa l’informazione

contenuta in mRNA per polimerizzare gli amminoacidi nella giusta sequenza

1. Attivazione: tRNA lega allo specifico amminoacido, formando l’amminoacil-tRNA

2. Iniziazione: mRNA lega alla subunità piccola al codone di start Viene legato il primo tRNA nel sito P e la subunità grande

3. Elongazione: viene legato il secondo tRNA nel sito A e inizia il ciclo ❖formazione legame peptidico scorrimento dell’mRNA ❖rilascio del tRNA “usato”❖legame del tRNA successivo ❖il ciclo finisce al codone di stop, che lega un tRNA “vuoto”

Energia necessariaATP + 2GTP→legame peptidico→AMP+2GDP(+4Pi)attivazione + elongazione = diverse decine di kcal/aa

Struttura e funzione degli Proteine Legame peptidico

❖L’ammino acido è uno zwitterione❖Il legame peptidico è metastabile❖Il polipepdide è direzionale!!

+ 2.4 kcal/mole

Øcis fino a 40%

X-Pro

Øtrans ~99.9%, cis ~0.1%

Il legame peptidico ha due forme di risonanza ed è planare e rigido

ωω=180 ω=0

Struttura e funzione degli Proteine Str primaria: La sequenza amminoacidica

R = residuo amminoacidico (cantena laterale)

Struttura e funzione degli Proteine Proprietà chimico-fisiche

Struttura e funzione degli Proteine Scale di drofobicità Kyte-Doo Hopp- Cornette Eisenberg Rose Janin Engelman (GES) Woods

Ala 1.80 -0.50 0.20 0.62 0.74 0.30 1.60Cys 2.50 -1.00 4.10 0.29 0.91 0.90 2.00Asp -3.50 3.00 -3.10 -0.90 0.62 -0.60 -9.20 Glu -3.50 3.00 -1.80 -0.74 0.62 -0.70 -8.20Phe 2.80 -2.50 4.40 1.19 0.88 0.50 3.70Gly -0.40 0.00 0.00 0.48 0.72 0.30 1.00His -3.20 -0.50 0.50 -0.40 0.78 -0.10 -3.00Ile 4.50 -1.80 4.80 1.38 0.88 0.70 3.10Lys -3.90 3.00 -3.10 -1.50 0.52 -1.80 -8.80Leu 3.80 -1.80 5.70 1.06 0.85 0.50 2.80Met 1.90 -1.30 4.20 0.64 0.85 0.40 3.40Asn -3.50 0.20 -0.50 -0.78 0.63 -0.50 -4.80Pro -1.60 0.00 -2.20 0.12 0.64 -0.30 -0.20Gln -3.50 0.20 -2.80 -0.85 0.62 -0.70 -4.10Arg -4.50 3.00 1.40 -2.53 0.64 -1.40 -12.3Ser -0.80 0.30 -0.50 -0.18 0.66 -0.10 0.60Thr -0.70 -0.40 -1.90 -0.05 0.70 -0.20 1.20Val 4.20 -1.50 4.70 1.08 0.86 0.60 2.60Trp -0.90 -3.40 1.00 0.81 0.85 0.30 1.90Tyr -1.30 -2.30 3.20 0.26 0.76 -0.40 -0.70

Rose: percentuale dell’area dell’aminoacido mediamente nascosta al solvente in proteine globulari ~ Misura di accessibilità dell’amminoacido nella proteina

Altre scale si basano sulla probabilità della presenza all’AA in eliche transmembrana

Lys

Ser

ProArg

AspGluGln Thr Tyr

Cys

PheIle

ValTrpMetLeu

His

Ala

Gly

Struttura e funzione degli Proteine

Diagramma di Venn e strutture 3D degli AA Chiralità dovuta al Cα

Gli amminoacidi compaiono solo con chiralità L!

Struttura e funzione degli Proteine Struttura della catena polipeptidica

Il legame peptidico è planare e rigido⇒Gli unici gradi di libertà conformazionali per lo scheletro della proteina sono gli angoli diedri φ and ψ⇒Mappa di Ramachandran

Struttura e funzione degli Proteine

generico

glicina prolina pre-prolina

La mappa di Ramachandran

❖è uno strumento per descrivere la conformazione dello scheletro proteico ⇒ struttura secondariaeliche destrorse eliche sinistrorse strutture estese❖dipende dal tipo di amminoacido

⇒la catena laterale influisce sulla propensità dell’amminoacido a formare diverse strutture secondarie⇒la struttura primaria determina la struttura secondaria

Struttura e funzione degli Proteine Struttura secondaria

In generale, le eliche destrorse sono piú probabili di quelle sinistrorse ⇒ la chiralità dei singoli amminoacidi influisce sulla chiralità della struttura secondaria

Eccezione: l’unico aminoacido achirale, la glicina, ha la mappa di Ramachandran simmetrica!

Gly: R=H

Struttura e funzione degli ProteineSecondary structure

ω (deg)

φ (deg)

ψ (deg)

Cα-Cα (Å)

Cα-Cα-Cα θ (deg)

Cα-Cα-Cα-Cα α (deg)

extended 180 180 180 3.8 146 180

anti-parallel sheet 180 -139 135 3.8 131 179

β-strand 180 -120 120 3.8 121 178

parallel sheet 180 -120 113 3.8 119 177

flat ribbon 180 -78 59 3.8 92 163

3-10 helix 180 -49 -26 3.8 84 85

3-10 helix 180 -49 -29 3.8 85 81

3-10 helix 180 -60 -30 3.8 88 68

α-helix 180 -57 -47 3.8 92 52

α-helix 180 -65 -40 3.8 92 51

π-helix 180 -30 -90 3.8 100 34

π-helix 180 -57 -70 3.8 99 27

π-helix 180 -57 -80 3.8 102 17

6-membered ring 180 180 0 3.8 115 0

5-membered ring 180 -75 -75 3.8 105 0

5-membered ring 180 -60 -105 3.8 108 0

left handed α-helix 180 57 47 3.8 92 -52

collagen triple helix 180 -51 153 3.8 117 -77

Polyproline II 180 -71 150 3.8 117 -106

Polyproline II 180 -71 145 3.8 117 -107

Polyproline II 180 -79 150 3.8 121 -109

Polyproline II 180 -75 145 3.8 119 -109

turn ω deg

φ deg

ψ deg

Cα-Cα (Å)

θ deg

α deg

I 180 -60-90

-300

3.8 90,88

48

II 180 -6080

1200

3.8 88108

1

III 180 -60 -30 3.8 88 68

V 180 -8080

80-80

3.8 98 -63

VIa 1800

-60-90

1200

3.82.4

123,81

-50

VIb 1800

-120-60

1200

3.82.4

81,89

-25

Strutture secondarie

Struttura e funzione degli Proteine

2.2,7 helix 3,10 helix α-helix (3.6,13) π-helix (4.4,16) Pro I Pro II Gly II Collagen

helicity, pep bond right, trans right (left), trans right (left), trans left, cis left (right), trans Triple left, transH-bonds (i)-(i+n) n=2 n=3 n=4 n=5 - - inter-helices

φ+ψ ~ (deg) -75 -105 (+105) -125 (+125) +85 +70 (-70) +100

rise (Å) 2.0 1.5 1.15 (1.5) 3.3 3.1

res/giro 3.0 3.6 4.1 1.9 3 2.9

Pitch (passo) (Å) 6.0 5.4 4.7 6.3 9.3

Eliche

Sono polarizzate!

(dip del leg pep ~3.5D)

Stabilizzate da legami C=O⋅⋅⋅H-N (i)-(i+n)

Almost flat (ribbon) similar to a strandWeakly stable

Struttura e funzione degli Proteine Strutture estese

β-nastro (strand, φ,ψ ~180), stabilizzato da legami C=O⋅⋅⋅H-N inter-nastro

β-foglietti (sheets)

La struttura del foglietto è ondulata

Struttura e funzione degli Proteine

Rotameri delle catene laterali

❖Regioni poco strutturate in cui lo scheletro della proteina cambia direzione❖Solitamente collegano tra loro regioni strutturate❖Possono avere diverse lunghezze e sono di molti tipi diversi (ϒ,α,β,π differiscono per la lontananza lungo la catena di donatore e accettore dei legami a idrogeno; tipi I e II differiscono per l’orientazione del residuo al vertice…)

Loops and turns – catene laterali

❖La struttura dello scheletro non esaurisce tutte le possibili conformazioni strutturali❖Gli amminoacidi con legami rotabili (quasi tutti tranne Ala, Gly, Pro e pochi altri) hanno diversi rotameri, corrispondenti ai diversi angoli diedri di rotazione intorno a questi legami❖I rotameri sono selezionati dall’ingombro sterico che trovano nella struttura proteica globale

Struttura e funzione degli Proteine Propensione α-β

❖La propensione a formare strutture estese o elicoidali (chiamata propensione αβ) dipende dal tipo di amminoacido:

๏residui grandi e/o aromatici e/o ramificati preferiscono strutture estese๏amminoacidi piccoli o carichi preferiscono strutture elicali ๏prolina e glicina sono “terminatori” di eliche o foglietti ma formano le eliche di collagene

❖Entro certi limiti questo consente di predire la struttura secondaria a partire dalla sequenza❖Esistono diversi algoritmi, tutti evoluti a partire da quello di Chou-Fasman basato su una tabella di probabilità di formazione continuazione di strutture secondarie

Name P(a) P(b) P(turn) f(i) f(i+1) f(i+2) f(i+3)Ala 142 83 66 0.06 0.076 0.035 0.058Arg 98 93 95 0.070 0.106 0.099 0.085Asp 101 54 146 0.147 0.110 0.179 0.081Asn 67 89 156 0.161 0.083 0.191 0.091Cys 70 119 119 0.149 0.050 0.117 0.128Glu 151 037 74 0.056 0.060 0.077 0.064Gln 111 110 98 0.074 0.098 0.037 0.098Gly 57 75 156 0.102 0.085 0.190 0.152His 100 87 95 0.140 0.047 0.093 0.054Ile 108 160 47 0.043 0.034 0.013 0.056Leu 121 130 59 0.061 0.025 0.036 0.070Lys 114 74 101 0.055 0.115 0.072 0.095Met 145 105 60 0.068 0.082 0.014 0.055Phe 113 138 60 0.059 0.041 0.065 0.065Pro 57 55 152 0.102 0.301 0.034 0.068Ser 77 75 143 0.120 0.139 0.125 0.106Thr 83 119 96 0.086 0.108 0.065 0.079Trp 108 137 96 0.077 0.013 0.064 0.167Tyr 69 147 114 0.082 0.065 0.114 0.125Val 106 170 50 0.062 0.048 0.028 0.053

1. Assign all of the residues in the peptide the appropriate set of parameters. 2. Scan through the peptide and identify regions where 4 out of 6 contiguous residues have P(a-helix) > 100. That region is declared an alpha-helix. Extend the helix in both directions until a set of four contiguous residues that have an average P(a-helix) < 100 is reached. That is declared the end of the helix. If the segment defined by this procedure is longer than 5 residues and the average P(a-helix) > P(b-sheet) for that segment, the segment can be assigned as a helix. 3. Repeat this procedure to locate all of the helical regions in the sequence. 4. Scan through the peptide and identify a region where 3 out of 5 of the residues have a value of P(b-sheet) > 100. That region is declared as a beta-sheet. Extend the sheet in both directions until a set of four contiguous residues that have an average P(b-sheet) < 100 is reached. That is declared the end of the beta-sheet. Any segment of the region located by this procedure is assigned as a beta-sheet if the average P(b-sheet) > 105 and the average P(b-sheet) > P(a-helix) for that region. 5. Any region containing overlapping alpha-helical and beta-sheet assignments are taken to be helical if the average P(a-helix) > P(b-sheet) for that region. It is a beta sheet if the average P(b-sheet) > P(a-helix) for that region. 6. To identify a bend at residue number j, calculate the following valuep(t) = f(j)f(j+1)f(j+2)f(j+3) where the f(j+1) value for the j+1 residue is used, the f(j+2) value for the j+2 residue is used and the f(j+3) value for the j+3 residue is used. If: (1) p(t) > 0.000075; (2) the average value for P(turn) > 1.00 in the tetrapeptide; and (3) the averages for the tetrapeptide obey the inequality P(a-helix) < P(turn) > P(b-

sheet), then a beta-turn is predicted at that location.

Struttura e funzione degli Proteine Strutture supersecondarie

Stabilizzate principalmente da❖Legami a idrogeno ❖Interazioni idrofobiche

Struttura e funzione degli Proteine Strutture terziarie

Combinazione di strutture (super) secondarie nella struttura finale della proteinaStabilizzate da:❖Legami a idrogeno (anche con le catene laterali, anche mediati da molecole di acqua)❖Interazioni idrofobiche ❖Ponti disolfuro❖Ponti salini e interazioni elettrostatiche

Struttura e funzione degli Proteine Strutture terziarie

Fasci di eliche Barilotti-beta

“panini”-betaEliche-beta

Strutture miste alfa-beta

Struttura e funzione degli Proteine Strutture quaternarie

Singole catene proteiche ripiegate in strutture terziare si assemblano per formare elementi funzionali piú grandi

HIV-1pr dimero emoglobina tetramero Cerniera di leucina

Nucleosoma (proteine+DNA) Ribosoma (prot+RNA) Virus

Struttura e funzione degli Proteine Riassunto

❖La struttura delle proteine è organizzata gerarchicamente come quella degli acidi nucleici❖Gli amminoacidi sono in numero maggiore, chimicamente e strutturalmente piú vari dei nucleotidi ⇒ le strutture delle proteine sono piú versatili e complesse di quelle degli acidi nucleici❖Le potenzialità funzionali delle proteine sono maggiori di quelle degli acidi nucleici❖Se un mondo RNA-only è mai esistito, sicuramente aveva minori potenzialità evolutive di quello attuale