Biologia strutturale e della cellula - analisi della struttura delle proteine

Biologia strutturale: proteine

L’ipotesi termodinamica sulla struttura delle proteine afferma che: la struttura nativa di una proteina è determinata esclusivamente dalla sequenza amminoacidica e rappresenta lo stato conformazionale a più bassa energia in condizioni native (questa è la definizione di Christian Anfinsen, premio Nobel per la chimica nel 1972).

Le proteine sono macromolecole biologiche costituite da amminoacidi.

Ogni amminoacido è identificato da una lettera (o da tre lettere).

Gli amminoacidi hanno particolari caratteristiche chimico-fisiche.

Strutture degli amminoacidi

Gli amminoacidi hanno una funzione amminica (che è protonata) e una funzione carbossilica (che è deprotonata). A pH=1 (a pH acidi) la funzione carbossilica è protonata e quindi si hanno amminoacidi in forma protonata, con carica netta positiva (+1).

A pH basici entrambe le funzioni sono deprotonate, perciò si hanno amminoacidi con carica netta negativa (-1).

A pH fisiologico gli amminoacidi (e quindi le proteine) sono in forma zwitterionica, ovvero hanno carica netta pari a zero.

La maggior parte degli amminoacidi (tranne la glicina) ha un centro chirale sul carbonio alfa; alcuni amminoacidi (come la treonina e l’isoleucina) hanno più centri chirali.

Laterale dell’amminoacido: è la parte dell’amminoacido responsabile delle caratteristiche Catena dell’amminoacido stesso chimico-fisiche.

[Gli AA polari possiedono dei momenti di dipolo permanenti in virtù della presenza di eteroatomi (ossigeno e azoto)].

Catene laterali degli amminoacidi

In base alle caratteristiche delle catene laterali, gli amminoacidi si suddividono in: Acidi, Basici, Neutri non polari, Neutri polari. Gli amminoacidi hanno una nomenclatura monolettera o a 3 lettere. R (catena laterale) + -Cα COOH N [Pag 136 Alberts] ₃ H₁.

1. Glicina (Gly, G): non possiede catene laterali, è un amminoacido non polare. Molecola chirale, il suo gruppo laterale è un atomo di idrogeno (il Cα è legato covalentemente ad un atomo di H, che costituisce la catena laterale della glicina). [Il Cα non è chirale].
2. Alanina (Ala, A): è un amminoacido non polare. È una molecola chirale, un amminoacido molto piccolo, il suo gruppo laterale è un metile (la catena laterale è costituita da un metile: CH₃).
3. Valina (Val, V): amminoacido non polare (poiché la sua catena laterale non è polare). Molecola chirale, la sua catena laterale è un isopropile, ovvero è costituita da tre atomi di C saturi (ibridati sp₃), ciascuno dei quali è legato ad atomi di H. [Il Cβ è un CH legato a due metili]. È un amminoacido ramificato.
4. Leucina (Leu, L): catena laterale non polare. Molecola chirale, la sua catena laterale è costituita da quattro atomi di C, ossia è un isobutile (è una catena ramificata, poiché l’atomo di Cγ si ramifica legandosi a CH₃). È il principale degli amminoacidi ramificati in quanto l’ultimo carbonio si ramifica, come isoleucina e valina. Molecola chirale.
5. Isoleucina (Ile, I): catena laterale non polare. Molecola chirale [il Cβ si lega ad un metile e un etile (CH₂-CH₃)], la sua catena laterale è un sec-butile. È un amminoacido ramificato. L’isoleucina è costituita da 2 atomi di C saturi, così come la leucina.
6. Prolina (Pro, P): catena laterale non polare, costituita da un anello saturo e ciclico. Cα, Cβ, Cγ, Cδ fanno parte di un ciclo saturo contenente un atomo di N (questo è legato con un legame ammidico all’N amminico dell’amminoacido stesso). È l’unica ad avere il gruppo amminico secondario dato che il suo gruppo laterale si chiude formando una struttura ciclica; quest’azoto sull’atomo di azoto non possiede idrogeni.
7. Fenilalanina (Phe, F): catena laterale non polare. Molecola chirale, nella catena laterale vi è un fenile; il Cβ è un CH₂ a ponte tra il Cα e il benzene. [Gli atomi di C del benzene sono coplanari con l’anello, perché gli atomi di C sono ibridati sp₂].
8. Metionina (Met, M): catena laterale non polare. Molecola chirale, nella catena laterale vi è un butile che presenta un atomo di S (zolfo) al posto di un CH₂. È l’unico amminoacido (insieme alla cisteina) a contenere zolfo.
9. Triptofano (Trp, W): catena laterale non polari. Molecola chirale e poco polare (è un amminoacido aromatico), nella catena laterale vi è un indolo (anello a 5 atomi contenente N, condensato con un fenile).
10. Cisteina (Cys, C): amminoacido polare. Molecola chirale, nella catena laterale vi è un SH legato al Cβ. –SH, –S-S–. Due gruppi posti in ambiente ossidante possono legarsi tramite un ponte disolfuro perdendo una molecola d’acqua. Legami come questo tipo permettono a due unità di cisteina poste in punti diversi della catena polipeptidica di legarsi tra loro, plasmando in maniera decisiva le strutture terziarie e quaternaria della proteina.
11. Serina (Ser, S): catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella catena laterale vi è un ossidrile (il Cβ è un CH₂ legato ad un OH).
12. Treonina (Thr, T): catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella catena laterale vi è un gruppo ossidrile, ma la treonina ha un atomo di C un più rispetto alla serina.
13. Tirosina (Tyr, Y): catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, la sua catena laterale è come quella della fenilalanina, ma ha un gruppo OH in posizione para.
14. Asparagina (Asn, N): catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella catena laterale vi è una funzione ammidica: O NH₂ δ:Cγ [Vi sono 2 posizioni O e NH₂].
15. Glutammina (Gln, Q): catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella catena laterale vi è un gruppo carbossiammide (ovvero vi è la funzione ammidica).
16. Istidina (His, H): catena laterale basica. Molecola chirale, il suo gruppo laterale reca un anello imidazolico, che dona all’amminoacido un pKa di 6.04; l’istidina risente molto del pH del mezzo in cui si trova, poiché entrambi gli azoti possono protonare, dando origine alla forma protonata (con carica netta +1).
17. Lisina (Lys, K): catena laterale basica. Molecola chirale, il suo gruppo laterale reca un gruppo amminico che le conferisce la basicità, con pKa di 9.2. La catena laterale della lisina è costituita da una catena butilica, seguita da un azoto (è un’ammina primaria, che è protonata a pH fisiologico). [Ha un elevato numero di diedri].
18. Arginina (Arg, R): catena laterale basica. La basicità le è conferita dal gruppo guanidinico (o guanidile) che è fortemente basico, con pKa di 12.5. È una molecola chirale e la sua catena laterale ha 3 unità metileniche, un NH legato al gruppo guanidinico (costituito dal Cz legato a 2 NH₂, di cui un NH₂ è protonato). [Gli atomi del gruppo guanidinico sono planari].
19. Acido aspartico (Asp, D): catena laterale acida. Molecola chirale, il suo gruppo laterale reca un gruppo carbossile (o carbossilato) che gli conferisce il comportamento acido, pKa di 3.9.
20. Acido glutammico (Glu, E): catena laterale acida. Molecola chirale, il suo gruppo laterale reca un gruppo carbossile che gli conferisce il comportamento acido, pKa di 4.25.

A pH fisiologico si trova insieme all’aspartato (o acido aspartico), deprotonato in quanto possono subire uno shift della loro costante protonandosi e deprotonandosi.

[Lisina e arginina hanno un pKa alto (pari a 9 o 11 o 15), perciò sono protonate a pH fisiologico].

[L’istidina ha un pKa vicino al pH fisiologico, quindi può essere in forma carica o neutra a pH fisiologico].

Superficie accessibile al solvente

Superficie accessibile al solvente: è un descrittore, un indice numerico, che può descrivere proprietà chimico/fisiche delle molecole (in particolare descrive la forma e le dimensioni delle molecole) perciò è un indice di forma e dimensione (poiché tanto maggiore è la superficie accessibile al solvente, tanto maggiore sarà la dimensione dell’amminoacido).

Definizione: è il luogo dei punti generati da una sfera di raggio pari a 1,4 Å (che è una molecola di acqua), ruotante sulla superficie di Van der Waals di una molecola.

[La superficie di Van der Waals è la superficie di una molecola].

[Quindi: la superficie accessibile al solvente è il luogo dei punti dato da una molecola di acqua (una sfera di raggio 1,4 Å), che ruota sulla superficie di Van der Waals].

• Esso serve per quantificare il grado di esposizione al solvente di un amminoacido.
• Questo indice si modifica in base alla forma dell’amminoacido. Al variare della forma (della catena laterale) dell’amminoacido, cambia anche l’indice (che è la superficie accessibile al solvente), il quale dipende dalla composizione (cioè dalla dimensione) atomica della catena laterale e dalla sua forma.
• Questo indice, perciò, serve per descrivere le caratteristiche chimico/fisiche degli amminoacidi.
• Gli amminoacidi che risiedono nel core proteico sono detti “nascosti” in quanto hanno superficie accessibile al solvente pari a zero.
• Le strutture ripiegate avranno indice di superficie minore rispetto a quelle lineari.

La superficie in qualche modo correla con l’idrofobicità.

[La leucina è l’amminoacido più abbondante in natura, mentre la cisteina è quello meno abbondante].

Descrizione tridimensionale delle strutture delle proteine

I gradi di libertà delle proteine sono:

• Distanza di legame: distanza tra atomi legati covalentemente.
• Angoli di legame: angolo piano tra tre atomi legati a coppie, l’angolo tra due legami che condividono lo stesso atomo centrale.
• Angolo diedro (anche detto torsionale): è il più importante tra i gradi di libertà; al variare dell’angolo diedro, cambia la conformazione della molecola.

L’angolo diedro (il diedro) è definito da 4 atomi e 3 legami; ogni legame tra coppie di atomi è rappresentato da un vettore (pertanto abbiamo tre vettori non collineari).

L’angolo diedro è definito da 2 coppie di legami (ovvero 2 coppie di vettori), l’angolo tra 2 piani, [i vettori b1 e b2 definiscono un piano, mentre i vettori b2 e b3 definiscono un altro piano].

Legame torsionale: legame attorno al quale avviene la torsione, che induce il cambiamento dell’angolo diedro; il legame torsionale è il legame centrale, tra l’atomo 2 e 3.

Al variare del diedro, varia l’angolo tra i 2 piani.

Quando il diedro è a zero, i piani sono colineari e gli atomi 1 e 4 sono eclissati (sono dallo stesso lato): questa è la situazione di massima vicinanza nello spazio tra gli atomi 1 e 4 [ma generalmente, dal punto di vista energetico, vi sono repulsioni steriche che impediscono tale posizione].

[Tuttavia è sempre e solo un atomo a variare di posizione].

Quando la distanza tra gli atomi 1 e 4 è massima:

• I piani sono lo stesso colineari.
• Il diedro è di 180°.
• I 2 atomi (l’atomo 1 e l’atomo 4) sono sfalsati tra loro.

[Al variare del torsionale varia la posizione reciproca dell’atomo numero 4 rispetto all’atomo numero 1].

[La fenilalanina possiede solo due angoli diedri].

Quindi: ⇒ Diedro angolo tra 2 piani; parlando di atomi, i 2 piani sono definiti da 3 vettori non colineari, cioè da 4 atomi legati a coppie tra loro con legami covalenti (il primo piano è definito dal primo e dal secondo legame, mentre il secondo piano è definito dal secondo e terzo legame).

I diedri definiscono i legami di libertà delle proteine.

⇒ Torsionale legame singolo attorno al quale avviene la torsione, che fa cambiare il diedro.

[Esso è sempre il legame centrale che lega i 4 atomi consecutivi, che costituiscono il diedro].

Le catene laterali degli amminoacidi hanno uno o più torsionali o diedri (che variano da amminoacido ad amminoacido).

I diedri della catena laterale vengono indicati con la lettera greca χ (“chi”).

χ1: è il primo diedro della catena laterale; se lo definiamo come torsionale è il legame Cα-Cβ. Gli atomi che definiscono questo diedro sono l’azoto amminico (l’N dell’amminoacido, che è sempre l’atomo numero uno), il carbonio alfa, il carbonio beta e il carbonio gamma.

[χ1 è definito da NH, Cα, Cβ, Cγ].

χ2: legame torsionale Cβ-Cγ, gli atomi che lo definiscono sono il carbonio alfa, beta, gamma e delta.

χ3: legame torsionale tra il Cγ e il Cδ.

Ecc…

Qualsiasi legame semplice (singolo) può essere torsionale.

⇒ Backbone è lo scheletro degli amminoacidi della proteina, ovvero è la catena polipeptidica.

In natura, certi diedri tentano di assumere determinati valori, poiché quei valori corrispondono a situazioni energeticamente più stabili. ⇒ [In natura ciò che è più probabile è anche più stabile energeticamente: maggiore probabilità, minore energia].

Ogni atomo ha le sue coordinate x-y-z (coordinate cartesiane), che determinano la sua posizione nello spazio.

Le strutture delle proteine si conoscono quando è nota la posizione di ogni atomo (che costituisce le proteine stesse) nello spazio.

⇒ Le strutture note sono strutture di cui si conoscono tutte le disposizioni atomiche; sono strutture per le quali è nota la posizione cartesiana degli atomi.

Strutture tridimensionali delle proteine: insieme di posizioni atomiche, determinate sperimentalmente oppure modellate al computer.

⇒ La risoluzione è l’accuratezza con cui viene determinata ogni posizione atomica.

Distribuzione del diedro χ1 nei vari amminoacidi

Per ogni amminoacido, vi sono dei valori più probabili (che corrispondono a situazioni a più bassa energia) del diedro χ1.

Dagli istogrammi possiamo dedurre che:

Valori più probabili del χ1 sono:

• G+ = +60°.
• T = 180°.
• G- = -60°.

[La lettera g si legge gosh].

[Nella valina, il χ1 tende ad assumere valori di 180°; nella fenilalanina, invece, il valore di χ1 più probabile è -60°].

In generale, nei vari amminoacidi, il valore più probabile di χ1 è -60°, poiché a quel valore vengono minimizzate le repulsioni steriche tra gli atomi degli amminoacidi.

Il χ1 è il diedro con meno gradi di libertà, perché in natura tende ad assumere valori discreti, ossia valori determinati che corrispondono a tre conformazioni preferenziali (+60°, 180°, -60°).

Quindi: ci sono valori discreti di χ1, perciò esso non ha molti gradi di libertà (non è libero di cambiare) e il valore più probabile è -60°.

[L’alanina non ha il χ1].

Esso è il diedro che detta il direzionamento della catena laterale rispetto al backbone.

2 Marzo 2012

Syn-pentane interactions

Esistono dei valori di χ1 che sono incompatibili con dei minimi di energia per repulsioni steriche (che sono quello nella posizioni quattro). Generalmente, interazioni che riguardano l’atomo in posizione uno e quello in posizione 5 di una catena pentamerica.

Syn-pentane interactions: posizione 1 e quello in posizione 5 di una catena pentamerica.

Quando vi sono 5 atomi legati covalentemente a coppie, i torsionali centrali (quello tra il C2 e il C3 e quello tra il C3 e il C4) devono assumere determinate combinazioni, affinché non si abbiano repulsioni steriche tra il C1 e il C5 (se vi sono queste repulsioni steriche non si ha stabilità).

Quindi: le Syn-pentane interactions riguardano un sistema di 5 atomi e sono interazioni steriche tra l’atomo in posizione 1 e quello in posizione 5, che possono essere favorevoli o sfavorevoli (quando il C1 e il C5 sono molto vicini).

Considerando i 5 atomi, i diedri più importanti (che sono quelli centrali, che danno origine alle interazioni tra l’atomo numero 1 e l’atomo numero 5) sono:

• χ1: C1, C2, C3, C4.
• χ2: C2, C3, C4, C5.

Questi 2 diedri determinano la distanza tra C1 e C5; alcune combinazioni date dai 2 diedri sono favorevoli, mentre altre sono sfavorevoli (in esse si hanno cattivi contatti tra il C1 e il C5).

[Quindi, le interazioni tra i 2 diedri possono essere buone oppure no].

Se considero le catene laterali degli amminoacidi, esse hanno uno o più diedri e se vi sono 2 diedri, si possono avere le Syn-pentane interactions; i 5 atomi tra i quali si possono avere le Syn-pentane interactions sono N (dell’amminoacido), Cα, Cβ, Cγ, Cδ [N è l’atomo in posizione 1, mentre Cδ è l’atomo in posizione 5] in questo caso:

• χ1: Cα-Cβ (sarebbe il torsionale C2-C3), nel quale il legame torsionale è.
• χ2: Cβ-Cγ (sarebbe il torsionale C3-C4), nel quale il legame torsionale è.

I torsionali centrali, ossia quelli sopra elencati, hanno in tandem delle combinazioni determinate che devono assumere affinché il sistema abbia un minimo di energia, in quanto si possono originare delle repulsioni steriche, che rendono il sistema non stabile (esse fanno sì che il sistema abbia un’energia elevata).

[Affinché si possano avere le Syn-pentane interactions, un amminoacido deve avere una catena laterale con almeno 3 atomi, perché N e Cα appartengono al backbone].

• Queste Syn-pentane interactions sono indipendenti dai torsionali del backbone, ma dipendono dai torsionali della catena laterale (dai diedri χ1 e χ2).

Backbone della caten