Biochimica - Proteine

LIVELLI STRUTTURALI DELLE PROTEINE

Il primo livello strutturale corrisponde alla struttura

primaria, quindi la sequenza amminoacidica, partendo

dall’estremità ammino terminale alla carbossi terminale;

quando andiamo ad effettuare un sequenziamento è

necessario sapere l’ordine degli aa presenti, perché la

sequenza è determinante per la struttura 3D della

proteina, quindi detta le leggi per la corretta

conformazione (struttura nativa) con funzione biologica.

I metodi di sequenziamento ci consentono di conoscere la sequenza amminoacidica di una proteina

(la primaria). Quando andiamo a sequenziare una proteina, per identificarla e conoscere le

caratteristiche, è molto semplice studiarne il gene di riferimento; è anche possibile evidenziare le

differenze evolutive tra una specie e l’altra attraverso questa modalità.

Prima di arrivare a parlare della struttura 3D delle proteine, quindi dei livelli gerarchici (partendo

dalla struttura primaria alla quaternaria), parliamo di conformazione nativa di una proteina

(disposizione spaziale degli atomi di una proteina che rappresenta quella termodinamicamente più

stabile), che rappresenta la forma più stabile della proteina, questo perchè abbiamo un maggior

numero di interazioni debol, che nella struttura finale rappresenta il maggior numero di interazioni

che quella proteina può fare 8strettamente legata alla natura degli aa che compongono quella

proteina).

Le conformazioni possibili sono quelle che una molecola può assumere senza avere la rottura dei

legami, perché abbiamo libertà di rotazione attorno ai legammi singoli, che consente

un’acquisizione di un minor ingrombrosterico delle catene laterali e il maggior numero di 14

BIOCHIMICA

interazioni deboli, quelle stabilizzano di più le conformazioni native sono le interazioni

idrofobiche, perché consentono, soprattutto alle proteine globulari, che hanno al centro gli aa che

perché si segregano rispetto all’ambiente esterno acquoso, questo

hanno catene laterali idrofobiche,

per problemi di natura entropica, perché l’entropia diminuisce quando l’acqua si pone intorno ad

una struttura di natura idrofobica. Per evitare questa struttura ordinata delle molecole di acqua

attorno a quelle di natura indrofobica, e di conseguenza aumentare l’entropia del sistema, le

molecole idrofobiche tendono ad interagire fra di loro, evitando il contatto con l’ambiente acquoso.

Queste interazioni idrofobiche sono quelle che caratterizzano il core della proteina globulare (parte

centrale idrofobica).

LEGAME PEPTIDICO

Si tratta di un legame che otteniamo per condensazione tra gruppo amminico e carbossilico di due

aa presenti nella sequenza in maniera contigua.

Quando fu studiato per la prima volta il legame peptidico da Linus Pauling si accorse che la

all’interno del legame peptidico non era uguale alla distanza di legame

distanza di legame tra C-N

di una comune ammina, ma risultava più corto. Notò inoltre che all’interno di una catena

polipeptidica non c’era libertà di rotazione a livello del legame peptidico.

Sulla base di queste osservazioni Pauling ipotizzò che il legame peptidico potesse avere proprietà di

parziale doppio legame causato da una risonanza degli elettroni di N sul carbonio adiacente e

ulteriori elettroni che vengono attirati dall’ossigeno, andando a determinare una parziale carica

questo spiega l’impossibilità di rotazione.

positiva su N e una parziale carica negativa su O;

Inoltre osservò che gli atomi tra un C alpha e l’altro C alpha successivo giacevano sullo stesso

piano.

Gli unici punti in cui è possibili avere libertà di rotazione sono a livello del legame C-C e Calpha-N,

l’angolo di torsione prende il nome di angolo diedro.

LEZIONE 7 Prima di parlare di struttura 3D è necessario

prendere in esame la geometria del legame

covalente che caratterizza i polimeri

costituiti da aa, ovvero quello che viene

chiamato legame peptidico. È un legame

carbo-ammidico formato dalla

condensazione del gruppo carbossilico di

un aa con il gruppo amminico dell’altro. Attraverso l’eliminazione di una molecola di H2O è

possbile formare un legame stabile, che inizialmente si accorsero che inspiegabilmente risultava di

dimensioni minori rispetto ad un normale legame singolo, quindi una via di mezzo tra un legame

singolo e uno doppio.

La spiegazione di questo è stata data successivamente quando si è iniziato a studiare queste strutture

tramite la cristallografia a raggi x, e fu spiegato per la presenza di formule di risonanza a carico del

legame peptidico. Sopra l’atomo di N abbiamo una coppia di non legame che può essere

delocalizzata a livello del legame peptidico, mentre il doppio legame del C carbossilico con

l’ossigeno viene ulteriolmente delocalizzato intorno all’atomo di O (questo perché abbiamo una

netta differenza di elettronegatività tra O e C). In questo modo si formano delle cariche parziali, una

positiva attorno all’atomo di N e una negativa attorno all’O, che consentono di considerare questo

legame come uno che ha parziali caratteristiche di doppio legame. 15

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Da questa caratterizzazione del legame peptidico ne deriva il fatto che i 6 atomi che si trovano a

condividere il legame peptidico, quindi gli atomi coinvolti in primis (C e N) e H (legato all’azoto),

O (legato al C) e due C alpha (dei due aa adiacenti) giacciono tutti sullo stesso piano.

Le uniche fonti di rotazioni della molecola sono caratterizzate dal legame N-C alpha oppure C

alpha-C carbonilico. Questi due angoli prendono il nome di angoli di torsione o diedrici e sono gli

angoli psi e fi. Sono caratteristici angoli di torsione ch econsentono di rappresentare la catena

polipeptidica come una serie di piani che ruotano uno su l’altro e possono variare da -180° a +180°

a seconda della posizione dei sostituenti, infatti:

• l’angolo diedrico è 0, cioè i sostituenti sono tutti dalla stessa

Se la posizione è eclissata,

parte; sarà impossibile da ottenere da un punto di vista termodinamico, perché abbiamo un

maggiore ingombrosterico dei sostituenti

• la posizione è sfalzata (quindi sotituenti in parti opposte), l’angolo diedrico è +-180°;

Se

rappresenta la posizione che troviamo realmente dei sostituenti

L’acquisizione di certi angoli diedrici dipende dalla natura del gruppo R, maggiore è il suo

ingombrosterico e minore saranno le possibilità di diversi angoli diedrici, mentre minore è la catena

laterale e maggiore sarà la mobilità attorno a questi angoli.

LIVELLI STRUTTURALI DELLE PROTEINE

Sono 4 con un grado gerarchico di acquisizione e sono stabilizzate da interazioni diverse, troviamo:

• Struttura primaria, la struttura più semplice data dalla sequenza amminoacidica, ci

fornisce un’informazione anche sulla presenza della posizione dei legami a ponti di-solfuro

(che si instaurano tra due aa cisteina che per ossidazione formano la cistina) e consentono

dei ripiegamenti stabili a livello della struttura 3D della proteina. La struttura primaria è

garantita dalla presenza di legami covalenti di tipo peptidico o legami a ponte di-solfuro

(se sono presenti delle cisteine).

Il legame a ponte di-solfuro caratterizza le proteine dotate di stabilità intrinseca, quelle che

svolgono funzioni nell’ambiente extracellulare.

• è data dalla posizione degli aa all’interno di segmenti

Struttura secondaria, definiti della

catena polipeptidica che hanno una struttura ordinata nello spazio.

Per “ordinata” si intende una ripetizione degli angoli diedri caratteristici di queste strutture.

Esistono però delle proteine che non sono rappresentate nella loro totalità da strutture

secondarie, quindi presentano dei tratti che apparentemente hanno un ordine casuale e

prendono il nome di random coil (o avvolgimento casuale), anche se non è corretto

definirlo “ordine casuale” perché non sappiamo le regole di ripiegamento che caratterizzano

le proteina, perché le catena polipeptidiche non si avvolgono secondo regole casuali, ma

secondo il loro stato più stabile da un punto di vista termodinamico.

Esiste anche un’alta percentuale di proteine con aa contenuti all’interno di strutture

secondarie e in questi casi saranno delle proteine stabili, proprietà conferita dalla presenza di

queste strutture ordinate nello spazio.

La struttura secondaria è stabilizzata dalla presenza di legami a ponte di H all’interno della

struttura stessa.

• cioè la posizione di tutti gli atomi all’interno di una catena

Struttura terziaria,

polipeptidica, dove avremmo l’interazione di strutture secondarie o dei random coil, che

interagiscono tra di loro per dare complessivamente tutta la struttura 3D di una catena

In questo caso avremmo l’interazione di più strutture secondarie oppure

polipeptidica. anche

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di strutture secondarie + random coil.

La struttura terziaria è stabilizzata dalla presenza delle interazioni deboli, quindi di tipo

elettrostatico, idrofobico e di Van der Waals.

Se le proteine sono costituite da una sola catena polipeptidica allora assumeranno questo

tipo di struttura e infatti prende il nome di struttura nativa.

• Struttura quaternaria, fino alla struttura terziaria abbiamo a che fare con strutture a carico

di una catena polipeptidica, ma se la proteina è costituita da più catene polipeptidiche, la

loro modalità di interazione è rappresentata dalla struttura quaternaria, determinando il fatto

che non tutte le proteine saranno caratterizzate da questa struttura, ma solo le proteine

multimeriche, come nel caso dell’emoglobina, e la loro struttura nativa coincide con la

struttura quaternaria.

Questa struttura gerarchica ci fornisce un’idea sull’idea della modalità di acquisizione della struttura

le informazioni necessarie per la corretta struttura nativa sono all’interno della

tridimensionale, tutte

struttura primaria, dove la successione dei singoli aa determina l’acquisizione di una struttura

tridimensionale strettamente associata alla funzione biologica. Ciò vuol dire che le regole di quelle

che sono le regole di avvolgimento delle catene polipeptidiche ci può dare informazioni sostanziali

sulla loro funzione, ma è anche vero che sequenziando una proteina posso fare delle previsioni (con

un certo margine di certezza) riguardo alla struttura 3D, ed è quello che viene fatto nelle comune

banche dati.

STRUTTURE SECONDARIE

Rappresentano la disposizione spaziale degli atomi all’interno della catena