Chimica 2 #5 PDF - Struttura secondaria e terziaria

Chimica 2 #5 – De Curtis – Struttura secondaria e terziaria Pag. 1 a 4 Chimica 2 #5 Struttura secondaria e terziaria (introduzione) Prof. Ivan Matteo De Curtis– 15/12/2023– Autore: Aurora...

Chimica 2 #5 – De Curtis – Struttura secondaria e terziaria Pag. 1 a 4 Chimica 2 #5 Struttura secondaria e terziaria (introduzione) Prof. Ivan Matteo De Curtis– 15/12/2023– Autore: Aurora Domenichelli – Reviewer: Francesca Ferraro – linea Verde 2029 Struttura α-elica La struttura ad α-elica fu la prima ad essere scoperta da Pauling negli anni 50. In questo modello la catena polipeptidica principale si avvolge in un’elica che generalmente è destrorsa con una sequenza di amminoacidi che a livello del carbonio alpha hanno diedri di -60 e -50, relativamente costanti poiché potrebbero modificarsi dall’interazione con altre strutture secondarie. I legami a ponti idrogeno tra il gruppo il gruppo CO di un residuo x con l’NH del carbonio x+4. La struttura destrorsa è quella favorita in quanto ci sono i residui laterali (nella foto in verde) sono rivolti verso l’esterno, nei rari casi in cui abbiamo α-eliche levogire (sinistrorse), quest’ultime sono molte brevi e caratterizzate da residui amminoacidi con catene laterali piccole (come accade con l’amminoacido glicina) rivolte verso l’interno. Caso particolare di struttura α-elica: elica anfipatica o anfifilica. L’elica è sempre destrogira ed ha un lato idrofobico e l’altro idrofilo poiché i gruppi laterali dei residui amminoacidi disposti tutti da un solo lato hanno una carica, di conseguenza, rendono quel lato della struttura positivo, negativo o misto. Le proteina con questa struttura si trovano spesso nelle membrane in quanto sono immerse nell’ambiente idrofobico della membrana e la porzione idrofila entra in contatto con l’ambiente estero, permettendo il passaggio di molecole come gli ioni. L’unico dei 20 amminoacidi che non è presente nell’ α-elica è la prolina, in quanto gli angoli diedri fissi della prolina sono lontani dagli angoli standard presenti nella struttura α-elica. Dunque, la presenza della prolina induce un ripiegamento destabilizzante in una α-elica interrompendo la struttura stessa. Anche nei foglietti beta la prolina entra male. Struttura β La struttura β è diffusa come l’α-elica. L’unità costituente della struttura β è il filamento β definito pieghettato, che rappresenta il filamento proteico quasi completamente stirato, dove i residui laterali sono in posizione trans (la glicina invece essendo piccola la possiamo trovare anche in posizione cis). La struttura non esiste con un singolo filamento ma con almeno due filamenti poiché definita dai legami idrogeno che si instaurano con una certa regolarità e in maniera alternata tra il gruppo CO di un filamento e il gruppo NH dell’altro filamento. Tramite queste interazioni si vengono a creare coppie di angoli diedri (φ, ψ) con valori di -119° e 113°, rappresentati in una zona definita del grafico di Ramachandran. Ogni filamento è formato da 5-10 amminoacidi e solitamente nelle proteine globulari si hanno foglietti β da 2-15 filamenti. Abbiamo due tipi di strutture β: Chimica 2 #5 – De Curtis – Struttura secondaria e terziaria Pag. 2 a 4 - Foglietti β paralleli: entrambi i filamenti hanno l’N- terminale a sinistra e il C terminale a destra. - Foglietti β antiparalleli: i filamenti hanno direzioni opposte; uno va da N-terminale a C-terminale e l’altra va da N-terminale a C- terminale al contrario. Questa struttura è termodinamicamente più stabile perché i ponti ad idrogeno si istaurano tra molecole più vicine, quindi, serve una maggiore energia per rompere il legame. Spesso i filamento β antiparalleli sono separati da anse o loops. Spesso si possono avere anche filamenti β misti nei quali alcuni sono accoppiati in modo parallelo e altri in modo antiparallelo, affiancandole si formano i foglietti pieghettati. Di solito i foglietti beta sono più resistenti delle alfa eliche, un esempio di questo è la struttura β barrel. Una proteina con questa struttura è la GFP (green fluorescent protein), isolata dalla medusa “Aequorea victoria”. La struttura della GFP è caratterizzata da 15 foglietti beta anti paralleli che si chiudono su loro stessi tramite legame idrogeno proteggendo una sequenza di amminoacidi modificati che sono il centro reattivo. Quando gli elettroni di questi amminoacidi modificati sono colpiti da un raggio invisibile ad alta energia (raggio ultravioletto), vengono eccitati e saltano a livelli maggiori di energia, quando torna alla base questi elettroni emettono una certa quantità di energia tramite un raggio visibile con energia più bassa. Dunque, la fluorescenza consiste tra uno scambio di energia tra un raggio invisibile - elettrone eccitato - elettrone stato fondamentale - raggio visibile con energia minore. Reverse turns Rientrano nelle strutture secondarie anche i reverse turns, cioè delle inversioni dell’andamento della catena polipeptidica. È importante sottolineare la differenza tra i loop e i reverse turns: il primo non ha caratteristiche definite né legami idrogeno, mentre il secondo ha caratteristiche precise e dipende dai legami idrogeno. Esistono diversi tipi di reverse turns, i più frequenti sono il β-turn e il γ- turn. Nei β-turn abbiamo 4 amminoacidi tra cui la prolina legata alla glicina e il legame a idrogeno si istaura tra il gruppo CO dell’primo amminoacido con il gruppo NH della prolina. I γ-turn invece ha 3 amminoacidi, tra cui la prolina che rende contribuisce a rafforzare il ripiegamento della catena polipeptidica. Struttura supersecondaria o motivi Non sono nient’altro che l’assemblaggio di strutture secondarie dello stesso tipo o di tipologie diverse, per ottenere il folding finale della proteina. Chimica 2 #5 – De Curtis – Struttura secondaria e terziaria Pag. 3 a 4 Le tipologie più comuni sono: - Motivo alfa - loop - alfa (o uncino alfa) Questo motivo è definito da due alfa eliche antiparallele collegato da un loop, chiamato alfa hairpin La connessione più breve fra 2 alfa eliche è di 2 amminoacidi, di cui il secondo è una Gly - Beta- hairpin Questo motivo è definito da due filamenti beta antiparalleli adiacenti collegati da un loop breve. Questa struttura è molto frequente nelle strutture beta antiparallele, come motivo isolato o come parte di un foglietto beta più complesso. La lunghezza del loop tra i filamenti beta di solito è di 2-5 amminoacidi. - Beta - alfa – beta Questo motivo è definito da due filamenti beta paralleli adiacenti connessi con un’alfa elica, che collega l’estremità c- terminale del primo filamento beta con l’estremità n - terminale del secondo filamento beta. - Coiled Coil Questo motivo è formato da due o più alfa eliche, spesso di catene polipeptidiche diverse, interrotte da brevi loop e che si superavvolgono insieme. Alcune delle proteine che presentano questa struttura sono: - La miosina La miosina è una proteina motore costituita da due alfa eliche di catene polipeptidiche diverse (dimero) che formano una lunga coda e una testa globulare con attività enzimatica. Infatti la testa si muove grazie all’atp e si muove sull’actina permettendo le contrazioni muscolari. - La cheratina La cheratina è una proteina fibrosa formata da strutture di coiled-coil che si appaiano una all’altra. La cheratina serve a rendere resistente la cellula, infatti ne troviamo in abbondanza nella pelle. Un’altra struttura particolare è quella del collagene, di cui ne esistono di vari tipi. Il collagene di tipo 1, che rappresenta circa il 25% delle proteine del nostro organismo, è presente in tutti gli organi che abbiamo e la sua funzione è di dare resistenza meccanica ai nostri tessuti. Il collagene ha una struttura quaternaria: è un polipeptide molto lungo (300nm) formato da 3 eliche, Chimica 2 #5 – De Curtis – Struttura secondaria e terziaria Pag. 4 a 4 ricche di glicina e prolina, di 3 catene polipeptidiche differenti che si appaiano tra di loro. Il polipeptide (formato da 3 eliche) si associa a altre triple eliche che a loro volta si associano ad altri gruppetti formando così delle macrostrutture che prendono il nome di fibre di collagene. Per le proteine con molti amminoacidi possiamo usare anche programmi di predizione della struttura su cui però non si può fare completo affidamento. Ad esempio, nella sequenza amminoacidica sopra riportata i ricercati avevano predetto di avere 2 alfa eliche terminali e 2 beta foglietto antiparalleli. Poi tramite la costruzione di un cristallo e la cristallografia hanno visto la struttura atomica della proteina definendo il folding. Notiamo come le due alpha eliche si differenziano da quelle predette di un paio di basi; invece, le due beta sono state predette molto bene. Quindi la predizione era corretta ma poi è stata la cristallografia a confermare ciò. L a funzione di questa proteina è di inibire la tripsina e si trova nell’ambiente extracellulare, poiché se la proteina si trovasse all’interno della cellula che produce tripsina, la cellula si auto digerirebbe. Questa proteina è piccola, guardando dalla struttura tridimensionale abbiamo la posizione dei singoli atomi e sappiamo dove sono i residui amminoacidici e possiamo calcolare gli angoli di torsione di ogni Calpha della proteina. Nel grafico di Ramachandran possiamo vedere i diversi angoli di torsione che troviamo nelle strutture che compongono la proteina. La zona bianca è quella in cui è meno probabile che ci siano angoli di torsione, ma comunque nel grafico ne troviamo alcuni poiché la struttura tridimensionale della proteina impone delle forze sulle strutture beta che influenzano gli angoli diedri.