Appunti biochimica

–C=O –N-H

I legami e sono pressoché paralleli, e in effetti gli atomi C, O, N, H sono praticamente complanari.

È possibile soltanto una piccola torsione attorno al legame C-N, poiché il legame peptidico presenta un carattere di

doppio legame. Esso può essere considerato un ibrido di risonanza di due forme limite:

Il gruppo di atomi attorno al legame peptidico può esistere in due conformazioni, trans e cis. La conformazione trans è

atomi di carbonio α adiacenti possono

favorita, poiché in quella cis le ingombranti catene laterali R legate agli

interferire.

Struttura secondaria

La maggior parte delle proteine è dotata di ulteriori livelli di organizzazione strutturale.

La struttura secondaria delle proteine è il ripiegamento della catena principale per formare una struttura ripetitiva

regolare. Qualsiasi struttura di questo tipo dovrebbe possedere dei requisiti:

1. Le lunghezze e gli angoli di legame dovrebbero essere distorti il meno possibile.

2. Due atomi non dovrebbero avvicinarsi tra loro più di quanto sia loro consentito dai rispettivi raggi di Van der

Waals.

3. Il gruppo ammidico dovrebbe rimanere planare e nella configurazione trans. Di conseguenza, la rotazione

solo attorno ai due legami adiacenti al carbonio α di ciascun residuo aminoacidico.

sarebbe possibile

4. Dovrebbero essere presenti alcuni tipi di legame non covalente per stabilizzare i ripiegamenti regolari.

…. O=C

Formazione di legami idrogeno tra i protoni ammidici e gli atomi di ossigeno carbonilici N-H

sono l’α e il foglietto β.

Le due strutture più comuni elica

Esistono due altre eliche polipeptidiche non molto comuni, l’elica γ e l’elica π. Quella π non è mai stata osservata ,

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forse perché contiene una cavità centrale troppo ampia per permettere interazioni di Van der Waals ma troppo piccola

per ammettere molecole d’acqua dall’effetto potenzialmente stabilizzante.

Possibili elementi della struttura secondaria

δ’α elica è una struttura elicoidale formata da una singola catena polipeptidica. In essa, ogni ossigeno carbonilico forma

un legame idrogeno con il protone amidico del quarto residuo aminoacidico successivo. Poiché i legami idrogeno

gli atomi coinvolti nell’interazione devono giacere nelle eliche su una linea retta.

tendono a essere lineari,

Questo modello di elica si ripete esattamente ogni 18 residui, ovvero 5 giri con 3,6 residui per giro.

Il foglietto β è una struttura a foglietto formata da catene adiacenti. I legami idrogeno si formano tra le catene, ciò può

realizzarsi in due modi: le catene possono disporsi parallelamente , con lo stesso orientamento NC, formando cosi il

foglietto β parallelo, oppure possono disporsi in modo antiparallelo.

I grafici di Ramachandran

Ogni residuo aminoacidico di una catena polipeptidica possiede solo due legami entro la catena principale attorno ai

quali è possibile una rotazione: il legame tra l’azoto e il carbonio α, e il legame tra il carbonio α e l’ossigeno

ϕ e Ψ, possono essere variati e dare così diverse strutture.

carbonilico. Questi angoli di rotazione, La loro rotazione

positiva è in senso orario, guardando dal carbonio α in entrambi le direzioni.

Si può così descrivere la conformazione di ogni aminoacido nella catena principale di una proteina specificando questi

ϕ e Ψ come coordinate di una mappa.

due angoli Mappe di questo tipo sono dette grafici di Ramachandran.

Una delle caratteristiche più utili di queste mappe è che esse ci consentono di descrivere in modo molto semplice quali

strutture secondarie siano possibili e quali no. Ciascun punto sulla mappa corrisponde a una coppia di valori degli

ϕ e Ψ e quindi a una struttura secondaria ipotizzabile.

angoli Tuttavia, per molte coppie di valori di questi due angoli,

alcuni atomi nella catena si avvicinerebbero molto di più di quanto lo consentano i loro raggi di Van der Waals. Tali

conformazioni sono stericamente non ammesse. δ’α elica sinistrorsa giace

Le coppie di angoli ammesse giacciono entro le aree circondate o in loro prossimità.

all’interno di una regione permessa, ma in realtà essa non è favorita quanto la forma destrorsa. Ciò è dovuto dalla sua

maggiore interferenza sterica tra le catene laterali e la catena principale.

Le linee che attraversano il grafico corrispondono ai valori di n (residui per giro). Ogni struttura secondaria giace su

queste linee. Particolarmente importanti sono la linea corrispondente al nastro piatto (n=2) e i punti corrispondenti agli

anelli chiusi (n=5). δ’attraversamento di queste linee coincide con il cambio di direzione della struttura. Se fossero state

considerate catene laterali più ingombranti, le regioni permesse sarebbero state più ristrette o viceversa.

Principi di dicroismo circolare come tecnica per studiare la struttura secondaria

Tecniche che prevedono l’utilizzo della luce polarizzata. δa luce può essere polarizzata in vari modi.

Polarizzazione planare: la variazione del campo elettrico della radiazione ha un orientamento fisso. Mentre la luce non

polarizzata è composta di onde che vibrano su tutti i piani perpendicolari alla direzione dello spostamento, la luce

polarizzata planarmente è costituita da ombre che vibrano su un solo piano.

Polarizzazione circolare: la direzione della polarizzazione ruota con la frequenza della radiazione, mentre il campo

elettrico può ruotare sia in direzione oraria (luce polarizzata circolarmente destra) sia antioraria (luce polarizzata

circolarmente sinistra). una preferenza per l’assorbimento della

Gli amminoacidi e le eliche delle proteine sono asimmetrici, e manifestano

luce polarizzata circolarmente destra o sinistra. Questa differenza di assorbimento viene detta dicroismo circolare.

Uno spettro di dicroismo circolare presenta sia valori positivi sia negativi.

Questa tecnica sebbene sia molto utile, non è molto discriminante perchè non è in grado di fornire informazioni su ciò

che sta accadendo in un particolare punto di una molecola proteica.

Esempi di proteine fibrose con informazioni specifiche della loro architettura

Le proteine fibrose si differenziano dalle proteine globulari per la loro forma filamentosa, ovvero allungata.

La maggior parte di esse riveste ruoli strutturali in cellule e tessuti animali.

Le cheratine

α- e β-cheratine possiedono sequenze aminoacidiche e funzione biologica simili.

δe α-cheratine sono i principali costituenti proteici di capelli e unghie, fanno parte di un gruppo di proteine a filamenti

intermedi che rivestono ruoli strutturali importanti nel nucleo, nel citoplasma e sulla superficie di molti tipi di cellule.

Tutte le proteine di questo gruppo sono prevalentemente di struttura ad α elica.

δe α-cheratine sono costituite da una struttura di lunghe sequenze ad α elica a doppio avvolgimento. Coppie di queste

attorcigliano una sull’altra nella struttura a doppio avvolgimento (coiled

eliche si coil) sinistrorso.

Queste proteine possiedono una catena non polare idrofobica che tende a cercare il suo simile per appiccicarsi assieme.

Nei filamenti intermedi, coppie di “coiled coil” tendono ad associarsi in protofilamenti di quattro catene e due di questi

si impaccano assieme a formare le protofibrille costituite da otto catene.

δe β-cheratine contengono molta più struttura a foglietto β. Esse si trovano per lo più in uccelli e rettili, in strutture

come piume e scaglie.

La fibroina

δa fibroina contiene lunghe sequenze a foglietto β antiparallelo. Questa struttura è formata da ripetizioni multiple della

sequenza e si nota che quasi sempre un residuo su due è costituita da Gly, intercalato da residui di Ala o Ser.

Questo alternarsi permette ai foglietti di assumere una disposizione reciproca impaccandosi uno sull’altro. Come

risultato si ottiene una fibra forte e inestensibile, poiché le catene sono stirate in una misura che corrisponde quasi alla

loro massima lunghezza. Le fibre sono inoltre flessibili, poiché i legami tra i foglietti coinvolgono soltanto interazioni

deboli di Van der Waals tra catene laterali.

Non tutta la fibroina è però costituita da foglietto β. Essa contiene piccole quantità di altri amminoacidi di maggiore

ingombro presenti nelle regioni ripiegate in modo compatto che periodicamente interrompono i segmenti a foglietto β.

Il collagene

Il collagene è la specie proteica più abbondante nella maggior parte dei vertebrati.

δ’unità base è la molecola di tropocollagene, una tripla elica di tre catene polipeptidiche. Le singole catene sono eliche

avvolgono l’una sull’altra in senso destrorso stabilendo legami idrogeno tra di

sinistrorse, però tre di queste catene si

esse. Nella struttura, un residuo ogni tre deve giacere in prossimità del centro della tripla elica, e può essere

esclusivamente la glicina (perché è meno ingombrante). La formazione delle singole eliche è favorita anche dalla

presenza di prolina o idrossiprolina nella molecola del tropocollagene. Gli enzimi che catalizzano la idrossilazione della

prolina necessitano di vitamina C.

La maggior parte dei legami idrogeno tra le catene nella tripla elica si formano tra i protoni ammidici e gli atomi di

–OH dell’idrossiprolina

ossigeno carbonilici, ma anche i gruppi sembrano partecipare alla stabilizzazione della

struttura. Nel collagene si riscontra anche, benché più raramente, l’idrossilazione dei residui di lisina (servono a formare

siti di attacco per i polisaccaridi).

Le singole molecole di tropocollagene si impaccano insieme in modo specifico nella fibra del collagene, che si ritrova

un caratteristico aspetto bandeggiato. Questa struttura è dotata di una resistenza notevole, grazie al legame crociato

delle molecole di tropocollagene le une alle altre inseguito a una reazione che riguarda le catene laterali della lisina.

Esse vengono ossidate a derivati aldeidici, questi ultimi reagiscono sia con un residuo di lisina sia tra di loro attraverso

una condensazione aldolica e una disidratazione e viene prodotto il legame crociato.

La sintesi del collagene

La molecola viene tradotta inizialmente sul ribosoma, poi idrossilata (idrossilazione di prolina e lisina). Rilasciata dal

ribosoma, le vengono addizionati zuccheri del reticolo citoplasmatico. Si forma così il procollagene. Tre molecole di

esso attorcigliano le loro regioni centrali in una tripla elica, mentre le regioni N- e C- terminali si ripiegano in strutture

proteiche globulari. δ’insieme di queste tre molecole viene trasportato nello spazio extracellulare, ed è a questo punto

che le regioni N- e C- terminali son