Struttura e funzione degli Proteine materiale didattico disponibile su

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
HIV protease
GFP
๏Energetics
❖Structure
๏Hetero-polymers whose monomers are amino-acids
(polypeptides)
๏Hierarchic organization: Primary, secondary, tertiary and
quaternary structures
Struttura e funzione degli Proteine
Traduzione → sintesi proteica
Il 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 necessaria
ATP + 2GTP→legame peptidico→AMP+2GDP(+4Pi)
attivazione + elongazione = diverse decine di kcal/aa
Struttura e funzione degli Proteine
Legame peptidico
+ 2.4 kcal/mole
❖L’ammino acido è uno zwitterione
❖Il legame peptidico è metastabile
❖Il polipepdide è direzionale!!
ω=180
ω
Il legame peptidico ha due
forme di risonanza ed è
planare e rigido
ω=0
X-Pro
Øtrans ~99.9%, cis ~0.1%
Øcis fino a 40%
Struttura e funzione degli Proteine Str primaria: La sequenza amminoacidica
R = residuo amminoacidico (cantena laterale)
Struttura e funzione degli Proteine
Proprietà chimico-fisiche
Scale di drofobicità
Struttura e funzione degli Proteine
Kyte-Doo Hopp- Cornette Eisenberg Rose Janin Engelman (GES)
Woods
Ala 1.80
Cys 2.50
Asp -3.50
Glu -3.50
Phe 2.80
Gly -0.40
His -3.20
Ile 4.50
Lys -3.90
Leu 3.80
Met 1.90
Asn -3.50
Pro -1.60
Gln -3.50
Arg -4.50
Ser -0.80
Thr -0.70
Val 4.20
Trp -0.90
Tyr -1.30
-0.50
-1.00
3.00
3.00
-2.50
0.00
-0.50
-1.80
3.00
-1.80
-1.30
0.20
0.00
0.20
3.00
0.30
-0.40
-1.50
-3.40
-2.30
0.20
4.10
-3.10
-1.80
4.40
0.00
0.50
4.80
-3.10
5.70
4.20
-0.50
-2.20
-2.80
1.40
-0.50
-1.90
4.70
1.00
3.20
0.62
0.29
-0.90
-0.74
1.19
0.48
-0.40
1.38
-1.50
1.06
0.64
-0.78
0.12
-0.85
-2.53
-0.18
-0.05
1.08
0.81
0.26
0.74
0.91
0.62
0.62
0.88
0.72
0.78
0.88
0.52
0.85
0.85
0.63
0.64
0.62
0.64
0.66
0.70
0.86
0.85
0.76
0.30
0.90
-0.60
-0.70
0.50
0.30
-0.10
0.70
-1.80
0.50
0.40
-0.50
-0.30
-0.70
-1.40
-0.10
-0.20
0.60
0.30
-0.40
1.60
2.00
-9.20
-8.20
3.70
1.00
-3.00
3.10
-8.80
2.80
3.40
-4.80
-0.20
-4.10
-12.3
0.60
1.20
2.60
1.90
-0.70
Ser
Gly
Asp
Glu
Gln
Lys
Ala
Thr
Trp
Met
Leu
His
Tyr
Val Cys
Phe
Ile
Pro
Arg
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
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
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 della catena
polipeptidica
Struttura e funzione degli Proteine La mappa di Ramachandran
generico
❖è uno strumento per descrivere la
conformazione dello scheletro proteico ⇒
struttura secondaria
eliche 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
glicina
prolina
pre-prolina
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
Gly: R=H
Eccezione: l’unico
aminoacido achirale,
la glicina, ha la
mappa di
Ramachandran
simmetrica!
Strutture secondarie
Struttura e funzione degli Proteine
Secondary
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
-30
0
3.8
90,
88
48
II
180
-60
80
120
0
3.8
88
108
1
III
180
-60
-30
3.8
88
68
V
180
-80
80
80
-80
3.8
98
-63
VIa
180
0
-60
-90
120
0
3.8
2.4
123,
81
-50
VIb
180
0
-120
-60
120
0
3.8
2.4
81,
89
-25
Struttura e funzione degli Proteine
Eliche
Sono polarizzate!
Stabilizzate da legami
C=O⋅⋅⋅H-N (i)-(i+n)
(dip del leg pep ~3.5D)
Almost flat
(ribbon) similar to
a strand
Weakly stable
2.2,7 helix
3,10 helix
α-helix (3.6,13)
π-helix (4.4,16)
Pro I
Pro II Gly II
Collagen
right, trans
right (left), trans
right (left), trans
left, cis
left (right), trans
n=3
n=4
n=5
-
-
Triple left,
trans
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
Pitch (passo) (Å)
6.0
5.4
4.7
6.3
9.3
helicity, pep bond
H-bonds (i)-(i+n)
n=2
2.9
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
Loops and turns – 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…)
Rotameri delle 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
Ala
Arg
Asp
Asn
Cys
Glu
Gln
Gly
His
Ile
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp
Tyr
Val
P(a)
142
98
101
67
70
151
111
57
100
108
121
114
145
113
57
77
83
108
69
106
P(b)
83
93
54
89
119
037
110
75
87
160
130
74
105
138
55
75
119
137
147
170
P(turn) f(i)
66
0.06
95
0.070
146 0.147
156 0.161
119 0.149
74
0.056
98
0.074
156 0.102
95
0.140
47
0.043
59
0.061
101 0.055
60
0.068
60
0.059
152 0.102
143 0.120
96 0.086
96 0.077
114 0.082
50 0.062
f(i+1)
0.076
0.106
0.110
0.083
0.050
0.060
0.098
0.085
0.047
0.034
0.025
0.115
0.082
0.041
0.301
0.139
0.108
0.013
0.065
0.048
f(i+2) f(i+3)
0.035 0.058
0.099 0.085
0.179 0.081
0.191 0.091
0.117 0.128
0.077 0.064
0.037 0.098
0.190 0.152
0.093 0.054
0.013 0.056
0.036 0.070
0.072 0.095
0.014 0.055
0.065 0.065
0.034 0.068
0.125 0.106
0.065 0.079
0.064 0.167
0.114 0.125
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 betasheet. 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(bsheet) > 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 value
p(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(bsheet), 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 proteina
Stabilizzate 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
“panini”-beta
Eliche-beta
Fasci di eliche
Barilotti-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
Nucleosoma (proteine+DNA)
emoglobina tetramero
Ribosoma (prot+RNA)
Cerniera di leucina
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