Riassunto esame Biochimica, Prof. Cappiello Mario, libro consigliato I principi di Biochimica, Lenhinger

7. STRUTTURA SECONDARIA DELLE PROTEINE:

L’espressione “struttura secondaria” si riferisce alla disposizione spaziale di residui amminoacidici adiacenti in un

segmento di polipeptidi.

La struttura secondaria descrive l’organizzazione spaziale della catena principale, senza tener conto della

conformazione delle catene laterali o della relazione con altri segmenti della proteina.

È data cioè dall’interazione tra C=O e N-H, ovvero i gruppi che determinano la rotazione attorno al legame peptidico.

Linus Pauling è stato il primo a indagare su queste strutture delle proteine.

•  

Una struttura secondaria regolare si ha quando ogni angolo diedro e rimane invariato all’interno di un

segmento e può essere:

− -elica

− Foglietto-

•  

Una struttura secondaria random si ha quando gli angoli diedri e variano all’interno di un segmento in

maniera casuale.

Nelle proteine globulari, che hanno una struttura globulare compatta, alcuni residui amminoacidici si trovano in

ripiegamenti o anse, dove la catena polipeptidica inverte la sua direzione. Questi ripiegamenti collegano tratti

-elica 

successivi di e conformazione (ripiegamenti antiparalleli e paralleli).

-elica

Struttura secondaria ad

-elica   =-57.8° =-47°

L’arrangiamento elicoidale forma una struttura ad i cui angoli e teorici sono e

(corrisponde ad una buca di potenziale di Ramachandran).

In questa struttura lo scheletro carbonioso polipeptidico si avvolge strettamente intorno a un asse immaginario che

attraversa longitudinalmente la parte centrale della spirale, mentre i gruppi R dei residui amminoacidici sporgono al

di fuori dello scheletro elicoidale e sono disponibili per ulteriori interazioni (struttura terziaria).

L’-elica è la struttura che si forma più facilmente perché tra i gruppi NH e C=O si formano dei legami che

conferiscono una ulteriore stabilizzazione.

La struttura infatti è stabilizzata dai legami a idrogeno che si formano tra l’atomo di H legato all’N elettronegativo di

un legame peptidico e l’atomo di O carbonilico del quarto amminoacido successivo nella direzione dell’estremità

amminica.

Nell’-elica ciascun legame peptidico, eccetto quelli vicino all’estremità dell’elica, partecipa alla formazione di

legami a idrogeno. -eliche

L’-elica può essere destrorsa o sinistrorsa ma le sinistrorse sono teoricamente meno stabili e non sono

osservate nelle proteine mentre le α-eliche destrorse sono più stabili e presentano una buca di potenziale più

profonda.

Ricordiamo che la polimericità della molecola proteica permette che ci siano interazioni che stabilizzano le coppie di

angoli a bassa energia.

Vi è una peculiarità che ha a che fare con la prolina, che è particolare poiché la sua catena laterale si chiude sull’N

amminico, che può comunque formare il legame peptidico, ma una volta inserita una prolina in una sequenza di

amminoacidi, l’angolo Ψ è sempre libero di ruotare, ma l’angolo ϕ no perché è bloccato dal ciclo.

Per questo motivo quando c’è una prolina, l’α-elica è destabilizzata, interrotta, perciò da quel punto in poi c’è un

tratto che non riesce a organizzarsi in una spira.

La presenza della prolina influenza la struttura proteica:

- Quando la prolina è in posizione trans la catena amminoacidica è distesa per un tratto ma poi continua.

- Quando la prolina è in cis la catena si ripiega e l’α-elica si ripiega su sé stessa, ma cio non deve succedere

quindi ci sono degli enzimi detti prolina-racemasi che rilevano eventuali posizioni cis della prolina e le

convertono in trans. La prolina:

Non può formare legami idrogeno

Non c’è possibilità di rotazione

intorno al legame C -N

α



L’ -elica destrorsa:

• è la più frequente struttura elicoidale nelle proteine globulari (~ un terzo dei residui);

• è al centro di una buca di potenziale nel grafico di Ramachandran;

• ha i dipoli per il legame perfettamente allineati;

• presenta il raggio ottimale per favorire le interazioni van der Waal attraverso l’asse;

• presenta le catene laterali ben disposte per minimizzare l’ingombro sterico.



Fattori che influenzano la formazione di -elica: -elica:

1. Propensione di un amminoacido a formare una dipende dalle proprietà del gruppo R e dal modo in cui

 .

influenzano la capacità degli atomi dello scheletro peptidico di formare i caratteristici angoli e

− -eliche.

L’alanina è l’amminoacido che tende più degli altri a formare

2. Presenza di interazioni tra gruppi R carichi: le interazioni tra catene laterali possono stabilizzare o destabilizzare

-elica.

la struttura ad Ad esempio:

− -elica

se un polipeptide ha una lunga catena di glutammato (poliglutammato), non formerà a pH=7 perché i

gruppi carbossilici carichi negativamente di residui di glutammato adiacenti si respingono l’un l’altro.

− -

se vi sono molti residui di lisina (polilisina) e/o arginina (poliarginina) adiacenti, il polipeptide non formerà

elica a pH=7 perché i gruppi R sono deprotonati e, carichi positivamente, si respingono l’un l’altro.

− Anche residui di asparagina, serina e treonina possono destabilizzare l’-elica.

Spesso gli amminoacidi cariche positivamente si trovano a distanza di 3 residui da quelli cariche negativamente,

in modo che possa formarsi un’interazione ionica, stabilizzando l’effetto idrofobico.

3. Ingombro sterico di catene laterali adiacenti: è il caso di isoleucina, asparagina, lisina, serina, treonina.

4. Tendenza a disporsi secondo la conformazione Foglietto-: la presenza di glicina tende a limitare la formazione

-elica:

di la glicina ha una flessibilità conformazionale superiore per cui polipeptidi di poliglicina tendono ad

assumere strutture diverse, come Foglietto-.

5. Impossibilità di rotazione dei legami C-N: presenza di prolina. La presenza di prolina in trans tende a limitare la

-elica,

formazione di distendendo la catena amminoacidica:

− nella prolina l’atomo di N fa parte di un anello rigido e non è possibile alcuna rotazione attorno al legame



C-N (l’angolo non è più libero poiché è bloccato dal ciclo) per cui ogni residuo di prolina induce un

-elica.

ripiegamento destabilizzante in una struttura a

− l’atomo di N della prolina coinvolto in un legame peptidico non ha l’atomo di H necessario per formare un

legame a idrogeno.

6. Interazioni tra residui amminoacidici terminali dell’elica: in ogni legame peptidico esiste un piccolo dipolo

elettrico, questi dipoli si sommano attraverso i legami a idrogeno presenti nell’-elica e quindi il dipolo netto

aumenta con la lunghezza dell’elica.

− Gli aminoacidi carichi negativamente sono spesso presento vicino all’estremità ammino-terminale del

segmento elicoidale dove possono generare interazioni stabilizzanti con la carica positiva del dipolo

dell’elica;

− Gli aminoacidi carichi positivamente sono spesso presento vicino all’estremità carbossi-terminale del

segmento elicoidale dove possono generare interazioni stabilizzanti con la carica negativa del dipolo

dell’elica.

In breve, gli aminoacidi che:

• Permettono la formazione di un’α-elica stabile, sono:

▪ Alanina, leucina, fenilalanina, tirosina, triptofano, cisteina, metionina, istidina, valina, asparagina e

glutammina.

• Destabilizzano l’α-elica, sono:

▪ Isoleucina, lisina, serina, treonina, glutammato, arginina, aspartato glicina

• Rompono l’α-elica, sono:

▪ Prolina: la sua catena laterale si chiude con l’N amminico, che può comunque formare un legame peptidico,



ma una volta inserita la prolina in una catena polipeptidica l’angolo è sempre libero di ruotare mentre



l’angolo è bloccato dal ciclo. Per questo motivo quando c’è una prolina l’α-elica è destabilizzata e

interrotta. Struttura secondaria a foglietto-

La struttura a foglietto beta è la seconda forma più diffusa di struttura secondaria.

- Filamento β: sequenza peptidica di amminoacidi (tipicamente composta da 5-10 amminoacidi) che si

dispone linearmente ed è in grado di instaurare legami idrogeno.

- Formazione del piano: il legame C-N è rigido e questo fa sì che i sei atomi che partecipano al legame

carbaminico giacciano tutti sullo stesso piano.

- Formazione del foglietto: questi piani si dispongono a zig zag con un angolo di circa 120º a causa del legame

chimico tetraedrico che si instaura presso i Cα.

- Interazioni: i gruppi amminici di un filamento formano legame con quelli carbonilici del filamento opposto.

In ogni singolo filamento le catene laterali si dispongono perpendicolarmente al piano del foglietto.

I legami a H si formano tra regioni adiacenti delle catene peptidiche all’interno del foglietto.

Gli amminoacidi aventi residui ingombranti e aromatici (ad esempio tirosina, fenilalanina e triptofano), nonché

alcuni ramificati e non carichi (come treonina, valina e isoleucina) si dispongono solitamente al centro dei foglietti.

Altri tipi particolari di amminoacidi (come la prolina) sono spesso posizionati alle estremità, probabilmente per

evitare associazioni tra diversi foglietti.



La conformazione è definita dalla disposizione degli atomi dello scheletro secondo specifici angoli diedrici:

•  =-139° =+135°

Conformazione antiparallela: e

•  =-119° =+113°.

Conformazione parallela: e 

Le catene polipeptidiche adiacenti di un foglietto possono essere parallele o antiparallele in base all’orientamento

del legame carbo-ammidico NH-CO: ,

➢ Nel foglietto-β antiparallelo ogni segmento, con conformazione decorre in senso inverso rispetto a quelli

adiacenti e hanno orientamento opposto del legame carbo-ammidico NH-CO.

L’interazione tra le catene antiparallele è data da legami H che, all’interno del filamento, sono essenzialmente

rettilinei.

Tali interazioni arrivano fino all’ultimo amminoacido prima del loop che è molto stretto e non destabilizza la

catena. 

- Ripiegamenti : loop più comuni, collegano le estremità di due segmenti adiacenti di un foglietto-β

antiparallelo. La struttura è costituita di un ripiegamento a 180° di una sequenza di

residui, dove il gruppo carbonilico del primo residuo forma