Corso di Laurea in Farmacia BIOCHIMICA Insegnamento di

Corso di Laurea in Farmacia
Insegnamento di
BIOCHIMICA
Angela Chambery
Lezione 7
La struttura delle proteine
Concetti chiave:
• La struttura terziaria di una proteina descrive il ripiegamento dei suoi elementi strutturali
secondari e specifica la posizione nello spazio di ogni atomo della molecola inclusi quelli
delle catene laterali.
• I residui non polari si trovano all'interno delle proteine, mentre i residui polari sono
principalmente localizzati all'esterno.
• La struttura terziaria di una proteina è costituita da elementi della struttura secondaria che
si combinano formando motivi e domini.
• La struttura di una proteina è stata maggiormente conservata nel tempo rispetto alla sua
sequenza.
• Alcune proteine contengono subunità multiple (struttura quaternaria) solitamente
disposte in modo simmetrico.
STRUTTURA TERZIARIA
La struttura terziaria rappresenta un livello di organizzazione superiore e si riferisce
all’organizzazione nello spazio della catena proteica nella sua completezza,
comprendendo cioè sia le regioni di catena ordinate in strutture periodiche che quelle
prive di regolarità, e si definiscono le forze che collegano queste regioni in un’unica
architettura. In pratica, la struttura terziaria definisce le coordinate spaziali di tutti gli
atomi del polipeptide.
Carbossipeptidasi A
PDBid 3CPA
Distribuzione delle catene laterali nel citocromo c
La localizzazione delle catene laterali varia in base alla polarità
Residui idrofilici
Residui idrofobici
STRUTTURA TERZIARIA
Il termine struttura terziaria riguarda in genere le proteine globulari, dato che la
costruzione di una proteina fibrosa prevede lo sviluppo preferenziale della struttura in
una sola dimensione nello spazio realizzandosi mediante la ripetizione regolare di un
certo motivo strutturale.
Le strutture supersecondarie: i motivi strutturali
Le proteine globulari sono costituite da combinazioni di più segmenti di catena ordinati
in strutture secondarie (motivi) particolarmente frequenti nella proteine. Tra queste,
quelle più frequenti sono:
• Motivo βαβ:
βαβ un’ α elica unisce due filamenti paralleli di un foglietto β
• Forcina β: filamenti antiparalleli connessi da ripiegamenti inversi
• Motivo αα: due α eliche antiparallele in successione
Motivo βαβ
Forcina β
Motivo αα
Le strutture supersecondarie: i motivi strutturali
• Motivo a chiave greca: una forcina β si ripiega per dare origine ad un foglietto β
antiparallelo a quattro catene
La classificazione delle proteine: le proteine delle classi α, β e α/β
Citocromo b562
PDBid 256B
Frammento di immunoglobulina umana Lattato deidrogenasi di pescecane
PDBid 7FAB
PDBid 6LDH
Proteine della classe α
Proteine della classe β
Proteine della classe αβ
Topologia delle proteine: i barili β a 8 filamenti
Proteina che lega
il retinolo umana
PDBid 1RBP
Peptide-N4-(N-acetil-β
β-D-glucosamminil)
asparagina amidasi
PDBid 1PNG
Trioso fosfato
isomerasi
PDBid 1TIM
Domini
I motivi generalmente si combinano a formare strutture globulari compatte, chiamate
domini. Una proteina può essere costituita da uno o più domini.
I domini sono definiti come una catena polipeptidica o parte di essa che si ripiega
indipendentemente in una struttura stabile. I domini possono essere strutturali o
funzionali.
Le proteine globulari risultano spesso costituite di più domini strutturali, regioni
tridimensionali della proteina dotate di autonomia strutturale, nel senso che la loro
struttura si definisce autonomamente rispetto al resto della proteina.
I domini funzionali sono entità funzionali autonome alle quali competono funzioni
specifiche della proteina.
Una proteina a due domini: la GAPDH
Le catene polipeptidiche possono ripiegarsi in due o più strutture globulari che
conferiscono alle molecole un aspetto plurilobato.
Gliceraldeide-3-fosfato
deidrogenasi
PDBid 1GD1
Una proteina con quattro domini funzionali: il Fattore IX
La struttura delle proteine
Concetti chiave:
• La cristallografia a raggi X e la spettroscopia NMR sono utilizzate per stabilire la posizione
degli atomi nelle proteine.
• La struttura di una proteina è stata maggiormente conservata nel tempo rispetto alla sua
sequenza.
• Nelle banche dati bioinformatiche sono depositate le coordinate delle strutture
macromolecolari. I programmi informatici rendono possibile la visualizzazione delle proteine
e la comparazione delle loro caratteristiche strutturali.
Cristallografia a raggi X
La cristallografia a raggi X è una tecnica che permette di determinare la struttura
tridimensionale delle proteine. Le lunghezze d’onda dei raggi X e le distanze tra gli
atomi nei legami covalenti sono in entrambi i casi di 1.5 Å.
Azzurrina
Pseudomonas aeruginosa
Flavodossina
Desulfovibrio vulgaris
Rubredossina
Clostridium pasteurianum
Cristallografia a raggi X
Il cristallo della molecola viene esposto al fasci di raggi X e lo schema di diffrazione
risultante dalle posizioni degli atomi che si ripetono in modo regolare nel cristallo viene
registrato. Le intensità dei massimi di diffrazione (macchie scure) sono impiegate per
costruire attraverso funzioni matematiche un’immagine della struttura 3D della
struttura del cristallo.
Fotografia di diffrazione ai
raggi X della mioglobina
Cristallografia a raggi X
I raggi X interagiscono quasi esclusivamente con gli elettroni. Si ottiene dunque una
mappa di densità elettronica dell’oggetto in studio.
Cristallografia a raggi X
Una mappa di densità elettronica deve essere interpretata in termini di posizione dei
suoi atomi. L’accuratezza della determinazione dipende dal limite di risoluzione del
cristallo. La struttura primaria della proteina deve essere nota consentendo di adattare
la sequenza dei residui amminoacidici sulla mappa di densità elettronica.
Mappe di densità elettronica della dichetopiperazina
Una risoluzione maggiore migliora la qualità della mappa di densità elettronica
Risonanza magnetica nucleare
L’NMR si basa sull’osservazione che un protone posto in un campo magnetico risuona
in modo sensibile all’ambiente elettronico vicino e alle interazioni con i nuclei che lo
circondano. La spettroscopia per effetto nucleare Overhauser (NOESY) è in grado di
stabilire le distanze interatomiche tra protoni anche distanti nella sequenza proteica
ma con localizzazione spaziale ravvicinata nello spazio
Risonanza magnetica nucleare
Poiché le misurazioni delle distanze interatomiche sono imprecise non è possibile
dedurre una struttura unica ma un insieme di strutture strettamente correlate.
La struttura è più conservata della sequenza amminoacidica
Proteine con sequenze conservate adottano analoghe conformazioni dello scheletro
covalente. I citocromi c (trasportatori di elettroni) di specie eucariotiche differenti
hanno sequenza e struttura 3D altamente conservata.
I citocromi tipo c dei procarioti svolgono la stessa funzione e, pur mostrando un basso
grado di omologia di sequenza, hanno conformazioni ai raggi X sono chiaramente affini.
Nel corso dell’evoluzione sono stati preferenzialmente conservati gli elementi
strutturali e funzionali essenziali delle proteine più che la loro sequenza
amminoacidica.
Gli strumenti bioinformatici di Internet
Struttura quaternaria
Quando una proteina risulta costituita da più catene polipeptidiche (proteine
oligomeriche), l’organizzazione nello spazio di queste catene, dette subunità,
rappresenta un ulteriore livello di complessità strutturale cui si dà il nome di struttura
quaternaria.
Le unità identiche di una proteina oligomerica (protomeri) possono essere assimilati
ai domini strutturali di una proteina monomerica.
Le forze che mantengono un struttura quaternaria sono le stesse che stabilizzano la
struttura terziaria delle proteine.
Struttura quaternaria
Deossiemoglobina
PDBid 2DHB
Vantaggi della struttura quaternaria
Le proteine costituite da protomeri identici rappresentano un risparmio in termini di
materiale genomico da impegnare nella programmazione di grosse strutture proteiche.
La disponibilità di oligomeri costituiti di subunità identiche consente di regolare
finemente la loro funzione biologica (es. attività catalitica) mediante interazioni
specifiche tra le subunità.
Le proteine costituite da subunità diverse offrono il vantaggio di integrare più
funzioni diverse in un’unica struttura proteica.
La disponibilità nel genoma di un organismo superiore di geni codificanti vari tipi di
subunità diverse di uno stesso enzima oligomerico, consente all’organismo di esprimere
nei vari tessuti e organi il tipo di subunità di volta in volta più adatto, modulando
l’attività dell’enzima e adattandola alle diverse necessità. Tali oligomeri sono detti
isoenzimi (es. Lattato Deidrogenasi).
Vantaggi della struttura quaternaria: la lattato deidrogenasi
La lattato deidrogenasi è un tetramero cioè un oligomero formato da quattro
protomeri che può costruirsi con due tipi di subunità: H (Heart) ed M (Muscle) per dare
cinque forme tetrameriche H4, H3M, H2M2, HM3, M4. Tale enzima catalizza
l’interconversione tra lattato e piruvato:
H
H
H
H
H
H
H
H
H
M
M
M
M
H
M
M
M
M
M
M
Nel tessuto muscolare predomina l’isoenzima M4 che, avendo maggiore affinità per
il piruvato, catalizza di preferenza la reazione nella direzione piruvato→ lattato.
Nel cuore predomina l’isoenzima H4, con affinità maggiore per il lattato e catalizza la
reazione nella direzione lattato→ piruvato.
La struttura delle proteine
Concetti chiave:
• La stabilità delle proteine dipende principalmente dagli effetti idrofobici e,
secondariamente, dalle interazioni elettrostatiche.
• Le strutture delle proteine sono flessibili e possono comprendere regioni non ripiegate.
Stabilità ed effetto idrofobico
Le strutture delle proteine sono stabilizzate in primo luogo dagli effetti idrofobici. I residui
polari sono quasi tutti disposti sulla superficie del globulo proteico, mentre quelli apolari
puntano quasi tutti verso l’interno, a costituire quello che viene chiamato nucleo
idrofobico della proteina.
IL SISTEMA PROTEINA-SOLVENTE
L’effetto idrofobico fa sì che le sostanze apolari riducano al
minimo i loro contatti con l’acqua e rappresenta l’elemento
preponderante nella stabilità della struttura nativa di una
proteina. L’aggregazione delle catene laterali apolari
all’interno della proteina è favorita dall’incremento di
entropia delle molecole di acqua che altrimenti
formerebbero “gabbie” ordinate intorno ai gruppi idrofobici.
Grafico dell'indice idropatico del chimotripsinogeno di bovino
Un indice idropatico positivo denota una regione idrofobica (regioni interne della
proteina) del polipeptide mentre un valore negativo denota una zona idrofilica (zone
esterne della proteina).
La struttura delle proteine è stabilizzata da diverse forze
La struttura terziaria di una proteina è tenuta insieme da:
FORZE NON COVALENTI: LEGAMI A IDROGENO, INTERAZIONI IDROFOBICHE, FORZE
DI VAN DER WAALS, LEGAMI IONICI
FORZE COVALENTI: PONTI DISOLFURICI TRA CISTEINE ANCHE LONTANE NELLA
SEQUENZA AMMINOACIDICA
Appaiamenti ionici nell'emoglobina
STRUTTURA TERZIARIA
I PONTI DISOLFURICI SI FORMANO PER OSSIDAZIONE DELLE CATENE LATERALI DI DUE CISTEINE
Ribonucleasi A pancreatica
Tasche idrofobiche
Residui polari possono essere presenti all’interno di una proteina e stabilire ponti a
idrogeno. E’ anche frequente che la superficie di una proteina globulare si ripieghi in alcuni
punti, generando fessure o cavità ricche di residui apolari formando le tasche idrofobiche
che rispondono a precise esigenze funzionali (es. siti catalitici degli enzimi).