Amminoacidi e proteine - Schemi riassuntivi di Biochimica

UNO SGUARDO ALLA STRUTTURA DELLE PROTEINE

La disposizione spaziale degli atomi di una proteina o di una porzione di una

proteina, è dette conformazione. Le conformazioni possibili di una proteina, o di un

segmento di una proteina, corrispondono a tutte le strutture che la proteina può

assumere senza rottura di legami covalenti. Per esempio variazioni di

conformazionali si verificano per rotazione intorno ai legami singoli.

Nel contesto della struttura delle proteine, la può essere definita come la

stabilità

tendenza a mantenere una conformazione nativa, ossia quando una proteina si

trova in uno dei loro stati conformazionali funzionali.

Le interazioni chimiche che stabilizzano la conformazione nativa comprendono:

- Legami covalenti ponti disolfuro



- Legami non covalenti legami idrogeno e interazioni idrofobiche e ioniche



I legami covalenti hanno un ruolo importante nel determinare la conformazione del

polipeptide. Gli atomi di Cα di residui amminoacidici adiacenti sono separati da 3

legami covalenti che si susseguono in questo modo: Cα – C – N – Cα. Alcuni studi

hanno dimostrato che il legame peptidico C – N è un po’ più corto del legame C – N

delle ammine primarie e che gli atomi che fanno parte del legame peptidico sono

complanari. Queste osservazioni indicavano l’esistenza di una risonanza o di una

parziale condivisione di due coppie di elettroni tra l’O carbonilico e l’N ammidico.

L’O ha una carica parziale negativa e l’N ha una carica parziale positiva, generando

così un piccolo dipolo elettrico.

I sei atomi del gruppo peptidico giacciono sullo stesso piano e l’atomo di O del

gruppo carbonilico è in posizione trans rispetto all’atomo di H legato all’N ammidico.

Da queste osservazioni Pauling e Corey conclusero che i legami C – N, a causa del

loro parziale carattere di doppio legame, non possono ruotare liberamente; è invece

permessa la tra i legami N – Cα e Cα – C.

rotazione

La rigidità del legame peptidico limita considerevolmente il numero delle

conformazioni che la catena polipeptidica può assumere.

La conformazione del polipeptide è definita da tre angoli diedrici (angoli di torsione)

chiamati φ (phi), ψ (psi) e ώ (omega), che riflettono la rotazione intorno a ciascuno

dei tre legami che si ripetono nello scheletro del peptide.

L’angolo che si instaura tra questi due piani è quello che dobbiamo misurar per

ottenere la conformazione di una proteina.

In linea di principio φ e ψ possono avere qualsiasi valore compreso tra -180° e

+180°, ma molti valori non sono permessi a causa degli impedimenti sterici tra gli

atomi dello scheletro carbonioso e le catene laterali degli amminoacidi. Per questo

motivo la conformazione in cui gli angoli φ e ψ hanno un valore = 0° non è

permessa. I valori permessi di φ e ψ sono riportati nel grafico di Ramachandran.

Grafico di Ramachandran per la L-Ala

STRUTTURA SECONDARIA

L’espressione struttura secondaria si riferisce a un segmento polipeptidico della

proteina e descrive l’organizzazione spaziale della catena principale.

Una struttura secondaria regolare si ha quando ogni angolo diedro φ e ψ rimane

invariato all’interno di un segmento.

Puling e Corey erano ben consapevoli dell’importanza dei legami idrogeno

nell’orientamento dei gruppi chimici polari, come i gruppi C O ed N – H del legame

═

peptidico.

Nel 1948 il modello sviluppato da Pauling e approvato da Corey rappresentava la più

semplice organizzazione regolare che una catena polipeptidica può assumere

massimizzando l’utilizzo di legami idrogeno interni. Era una struttura elicoidale che

Pauling e Corey chiamarono In questa struttura lo scheletro carbonioso

α-elica.

polipeptidico si avvolge strettamente intorno a un asse immaginario che attraversa

longitudinalmente la parte esterna della spirale, mentre i gruppi R dei residui

amminoacidici sporgono al di fuori dello scheletro elicoidale.

Ogni giro dell’elica ontiene 3,6 residui. I segmenti di α-elica nelle proteine spesso si

discostano leggermente da questi valori e possono variare anche all’interno di un

singolo segmento. Si formano così lievi torsioni o ripiegamenti rispetto l’asse

dell’elica. Pauling e Corey considerarono entrambe le varianti destrorsa e sinistrorsa

dell’α-elica. La successiva delucidazione della struttura tridimensionale della

mioglobina e di altre proteine mostrò che l’α-elica destrorsa costituitsce la forma più

comune presente. Le α-eliche sinistrorse estese sono teoricamente meno stabili e

non sono state osservate nelle proteine.

La struttura è stabilizzata da legami 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’α-elica ciascun legame peptidico partecipa alla formazione di legami idrogeno.

Ciascun giro dell’α-elica è collegato ai giri adiacenti da tre o quattro legami idrogeno,

che conferiscono una buona stabilità all’intera struttura. All’estremità di un

segmento ad α-elica ci sono sempre tre o quattro gruppi carbonilici ammidici o

cruppi amminici che non possono prendere parte alla configurazione ad α-elica o

alla formazione di legami idrogeno. Questi gruppi possono formare legami idrogeno

con l’acqua, oppure con altre parti della proteina in cui incontrano altri gruppi in

grado di creare legami idrogeno.

Vi sono anche degli elementi che destabilizzano l’α-elica:

1. Una limitazione alla formazione dell’α-elica è rappresentata dai residui di

prolina e glicina.

- Nella prolina, l’atomo di N fa parte di un anello rigido e non è possibile

alcuna rotazione intorno al legame N – Cα.

- La glicina ha una flessibilità conformazionale superiore a tutti gli altri residui.

Quindi i polimeri di glicina tendono ad assumere strutture avvolte

casualmente, molto diverse dall’α-elica.

2. Un altro fattore importante che può modificare la stabilità di un’α-elica è dato

dalla natura dell’amminoacido localizzato all’estremità del segmento del

polipeptide con struttura ad α-elica.

Nel 1951 Pauling e Corey ipotizzarono l’esistenza di un secondo tipo di struttura

ripetitiva, la Nella confermazione β lo scheletro della catena

conformazione β.

polipeptidica si estende in una conformazione a zig-zag.

Il foglietto β appare di forma piatta.

Le catene polipeptidiche adiacenti di un foglietto β possono essere parallele o

antiparallele:

- Parallele i legami peptidici di catene contigue hanno il medesimo



orientamento

- Antiparallele l’orientamento testa-coda dei legami peptidici dei residui di



catene contigue hanno orientamento opposto

Ciò che stabilizza questa struttura sno i legami idrogeno che si instaurano tra regioni

adiacenti delle catene polipeptidiche all’interno del foglietto.

Pur rappresentando strutture molto comuni, le α-eliche e i foglietti β rappresentano

soltanto una parte della struttura tridimensionale assunta da una catena

polipeptidica (31% e 28% rispettivamente).

La porzione rimanente assume disposizioni conformazionali meno riconoscibili come

i e le

coil conformazioni in loop.

Una buona parte delle proteine globulari infatti è composta da frammenti, indicati

spesso come giri, che connettono strutture vicine o adiacenti.

STRUTTURA TERZIARIA

La struttura terziaria rappresenta la conformazione precisa dello scheletro

covalente. In altri termini la struttura terziaria è la disposizione nello spazio di tutti

gli atomi di una proteina.

La struttura terziaria è la conformazone nello spazio che rende biologicamente

attiva una proteina monomerica, mentre per le proteine multimeriche serve la

struttura quaternaria.

Esempi di struttura terziaria sono: motivo βαβ, Hairpin, motivo aa, motivo a chiave

greca, domini a, domini β, ecc.

Stabilizzano questa struttura:

- Interazioni elettrostatiche

- Interazioni idrofobiche

- Interazioni covalenti

INTERAZIONI ELETTROSTATICHE:

1. Coppie ioniche sono forze elettrostatiche determinate dall’interazione tra



catene laterali di carica opposta. Rappresentano interazioni molto forti, ma in

realtà contribuiscono molto poco alla stabilità finale della proteina perché se

ne formano molte poche. Infatti la maggior parte delle catene laterali cariche

è esposta ai solventi, quindi, queste sono fortemente solvatate.

2. Forze di Van der Waals sono interazioni non covalenti tra molecole prive di



carica formale. Sono interazioni deboli, ma partecipano in modo

determinante alla stabilità strutturale della proteina.

3. Legami idrogeno sono legami più fort di quelle di van der Waals. Sono



interazioni elettrostatiche tra gruppi debolmente acidi e gruppi che

presentano dei doppietti elettronici liberi. Sembrerebbero aiutare durante il

folding nativo della proteina.

INTERAZIONI IDROFOBICHE

Queste interazioni rappresentano un determinante molto importante dell struttura

tridimensionale delle proteine e del loro folding, ed avviene perché i residui idrofilici

interagiscono con l’H O, in questo modo la proteina si ripiega “bloccando”

2

all’interno dello scheletro tutti i residui idrofobici.

L’acqua instaurando interazioni con i residui idrofilici (carichi e polari) tiene

impacchettata la proteina.

L’acqua tende a massimizzare i legami idrogeno.

In sostanza le interazioni idrofobiche sono quelle che contribuiscono maggiormente

alla stabilità della proteina, in quanto la presenza di residui non polari favorisce il

folding proteico, perché termodinamicamente spontaneo.

INTERAZIONI COVALENTI

Ad esempio i ponti disolfuro sono legami covalenti che vengono instaurati tra le

catene laterali di due cisteine e che stabilizzano ulteriormente la struttura

tridimensionale della proteina ripiegata. Tali strutture vengono tavolta definite

cistine.

STRUTTURA QUATERNARIA

Alcune proteine contengono due o più catene polipeptidiche distine (ognuna con

una propria struttura teziaria), rappresentano subunità che si assemblano con

geometrie distinte. La disposizione di queste subunità in complessi tridimensionali

prende il nome di struttura quaternaria.

La struttura quaternaria è tipica delle proteine multimeriche; è l’insieme delle

strutture terziarie che sono t