Biochimica delle proteine

A

B

O L

I C

A

La struttura tridimensionale di una qualsiasi proteina può essere scomposta in 4

diversi livelli: il primo è dato dalla struttura primaria, che si riferisce alla sequenza

unica degli aminoacidi della catena polipeptidica. Il livello successivo interessa la

struttura secondaria, ce si riferisce a quelle parti della catena polipeptidica

stabilizzate da legami idrogeno. Le strutture secondarie più note sono l'α-elica ed il

β-foglietto. L'α-elica fu trovata per la

prima volta nell’ α-cheratina. L’α-elica ha

e ogni spira dell'elica è

un passo di 5.4 Å

costituita da 3.6 residui aminoacidici.

L'eccezionale stabilità di questa

conformazione dipende dal fatto che

tutti gli NH e i C=O dei gruppi peptidici

sono impegnati in legami a idrogeno. Ogni

legame a idrogeno si forma fra l'idrogeno

dell'NH di un residuo e l'ossigeno del

C=O del quarto residuo successivo. La

direzione dei legami a idrogeno é

pressoché parallela all'asse dell'elica.

L' α-elica presente nelle proteine è quasi

sempre destrorsa. Ciò è dovuto al fatto che gli amminoacidi proteici sono tutti nella

configurazione "L" e in un'elica sinistrorsa i gruppi laterali R risulterebbero troppo

vicini ai gruppi C=O, destabilizzando l'elica. Le catene laterali R dei residui

aminoacidici sono tutte rivolte verso l'esterno dell'elica. La struttura a β-foglietto è

stata trovata per la prima volta nella fibroina della seta. In questa struttura, la

catena amminoacidica (struttura primaria) assume un andamento a zig-zag. Il

β-foglietto si forma quando più componenti della stessa catena amminoacidica

interagiscono tra di loro attraverso ponti idrogeno che si formano tra gruppi

N-H di una catena e C=O della catena adiacente dello scheletro del polipeptide

e non coinvolgono le catene laterali degli aminoacidi che sporgono

perpendicolarmente rispetto al piano del legame peptidico . Catene polipeptidiche

adiacenti possono avere lo stesso orientamento (per esempio entrambe

dall’N- al C-terminale) e sono dette catene parallele, mentre se hanno direzioni

opposte sono dette antiparallele. La struttura terziaria è quella tridimensionale

stabilizzata dall’effetto idrofobico, da forze di Van der Waals, da legami idrogeno, da

forze elettrostatiche, da ponti disolfuro tra cisteine e nelle metallo-proteine dal

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coordinamento di ioni metallici. La struttura quaternaria è il risultato di interazioni

tra catene polipeptidiche o subunità diverse tenute assieme da forze non covalenti ed

elettrostatiche.

Tutte le proteine sono formate a partire da 20 tipi di aminoacidi, tutti α-aminoacidi

tranne la prolina che è un α-iminoacido. Gli aminoacidi polimerizzano mediante

l’eliminazione di acqua, formando legami peptidici ---CO—NH---.

A causa della risonanza, il legame ---C—N--- del legame peptidico ha circa il 40%

di carattere di doppio legame e questo fa si che la libera rotazione sia impedita da una

barriera di energia di attivazione di 40-80 kJ/mol: di conseguenza il gruppo ammidico

è planare. Così in una catena polipeptidica si hanno una serie di strutture planari, che

-N e C -C indicati

possono ruotare le une rispetto alle altre attorno ai legami singoli C

α α β

rispettivamente con Ф (psi) e Ψ (phi). Pagina 3 di 54

La rotazione degli angoli psi e phi ha dei vincoli dovuti a collisione sterica. Solo alcune

combinazioni sono permesse. Il legame peptidico può adottare due conformazioni

diverse, trans e cis.

Nella configurazione trans i gruppi C=O e N-H sono diretti in senso opposto mentre

in quella in cis sono orientati nella stessa direzione. Nella maggior parte dei peptidi la

forma trans è circa 1000 volte più stabile della cis. Quando il secondo residuo di un

legame peptidico è rappresentato dalla prolina la forma trans è solo 4 volte più stabile

della forma cis ed è per questo motivo che in diverse proteine non è raro trovare dei

legami peptidici contenenti prolina in configurazione cis. La maggioranza dei residui di

prolina presenti nelle proteine sono, ovviamente, nella configurazione trans poiché in

tale situazione gli impedimenti sterici sono minori; i residui di prolina in configurazione

cis sono generalmente localizzati nelle regioni in cui la catena polipeptidica cambia

bruscamente direzione e sono spesso di fondamentale importanza per lo svolgimento

dell’attività biologica o per garantire una maggiore flessibilità conformazionale. Nello

stato nativo delle proteine i legami peptidici conteneti residui di prolina in cis,

intrinsecamente poco stabili, sono stabilizzati dalla struttura terziaria; nello stato

denaturato le costrizioni conformazionali sono minori ed esiste, quindi, un equilibrio

tra gli isomeri cis e trans a livello di ogni legame peptidico. Quando una proteina inizia

il processo di folding per assumere la propria struttura nativa, una frazione non

trascurabile di molecole possiede uno o più legami peptidici contenenti prolina nella

conformazione errata. L’isomerizzazione cis-trans dei legami peptidici contenenti

residui di prolina è un processo intrinsecamente lento in vitro. In vivo la velocità di

questo processo è notevolmente incrementata dalla presenza di enzimi, peptidil prolil

isomerasi, che si trovano in organismi procariotici ed eucariotici.

La ciclofilina (la prima prolil isomerasi scoperta) è colpita da alcuni farmaci come la

ciclosporina A, inoltre si è visto che interagisce anche con la calcineurina. La presenza

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di ciclosporina inibisce la produzione di citochine e la proliferazione dei linfociti,

inoltre ha un ruolo essenziale nel differenziamento delle linee cellulari. Si sta

cercando di sintetizzare inibitori della ciclofilina diversi dalla ciclosporina per ridurre

gli effetti collaterali. Particolari prolil isomerasi sono coinvolte nel meccanismo della

p53, una proteina che partecipa alla riparazione del DNA. La p53 ha una durata di vita

modesta, che aumenta quando si verifica un danno al DNA. Il contatto con la proteina

HDM2 provoca la distruzione di p53. Uno stimolo dovuto ad un qualche stress può

attivare una serie di segnali che portano alla fosforilazione specifica di alcuni residui

riconosce p53 fosforilata, quindi ne isomerizza le

di p53. La prolil isomerasi PIN1

proline modificando la struttura complessiva della proteina in modo che possa svolgere

la propria attività . p53 ha funzione di fattore di trascrizione per diversi geni che

portano all'arresto della crescita cellulare e a fenomeni apoptotici.

All’interno di una proteina, un dominio proteico è un insieme di aminoacidi in grado di

combinarsi sino a formare una struttura globulare compatta. Un dominio consta di

un numero di aminoacidi compreso solitamente tra 40 e 350 e tende a ripiegarsi in

maniera indipendente. All’interno di una proteina possono esserci più domini. I domini

sono costituiti da varie combinazioni di elementi di struttura secondaria (comune

ripiegamento di elementi della struttura secondaria = struttura supersecondaria),

vale a dire α-eliche e foglietti β quasi sempre disposti adiacentemente e connessi

da regioni di loop. A seconda della loro costituzione in eliche e foglietti i domini

α (coiled coil, a helical bundle, globin fold), β (up and

vengono classificati in tre gruppi:

down, chiave greca, jelly roll, β elica) e α/β (α/βibarrel, motivi ricchi di Leu, α/β open

sheet). Coiled coil: in genere si tratta di un

impaccamento di due eliche costituite

da 7 aa con all’interno aminoacidi

idrofobici e idrofilici. L’aminoacido

idrofobico (D) come la Leu o Ile,

tende ad impaccarsi con il D della

corrispondente catena α ogni due giri.

L’aminoacido idrofilico (A) s’impacca

anch’esso con il suo corrispondente.

Gli aa A e D costituiscono il cosidetto

core idrofobico di questa superelica, denominata appunto coiled coil. Gli aa E e G

invece, adiacenti al core idrofobico, sono carichi (Glu, Asp, Arg, Lys) e formano

dominio Leu zipper

interazioni fra le due eliche (ponti salini). Un famoso coiled coil è il

osservato nella proteina GCN4

. Pagina 5 di 54

Helical bundle: è costituito da 4 eliche disposte in modo tale

che i loro assi siano reciprocamente paralleli. Le catene

idrofobiche stanno all’interno mentre quelle idrofiliche stanno

all’esterno. Proteine tipiche contenenti questo dominio sono la

mioemeritrina proteine

, i citocromi c e b562, la ferritina, le

del capside del virsus del mosaico del tabacco

.

Globin fold: dominio caratteristico delle

emoglobine mioglobine ficocianine

, e , è

costituito da 8 α-eliche indicate con le

lettere A-H, collegate da loop corti, e

disposti in modo da formare la tasca del sito

attivo che in mioglobina e emoglobina ospita

il gruppo eme. Up and down: Si tratta di

foglietti β antiparalleli in cui

i filamenti beta appaiono

collegati da regioni di loop

(β-hairpin). Spesso l’ultimo

foglietto è collegato al

primo da legami idrogeno, a

formare un barile (β-barrel).

Un esempio di questo tipo di

dominio è fornito dalla

neuroaminidasi del virus influenzale in cui i foglietti si organizzano in un β-propeller.

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Chiave greca: È un dominio

costituito da 8 filamenti β

antiparalleli in modo che beta-n

sia collegato con n+3 oppure con

n-3. In questo modo si otterrà

un core idrofobico ed una

porzione idrofilica. Un esempio

di questo dominio è

rappresentato dall’enzima

superossidodismutasi .

Jelly roll: è un dominio in

cui 8 filamenti β

antiparalleli sono collegati

a 2 a 2 da legami idrogeno

formando coppie 1-8,2-7,

3-6,4-5. Esempio di questo

dominio: proteine del

capside dei virus sferici ed

emoagglutinina

.

β-elica: La catena si avvolge a formare una ampia elica costituita da filamenti β uniti

fra loro da regioni loop. Esistono β-eliche a 2 e a 3 foglietti. Es. a 2 foglietti:

sequenza consenso (Gly-Gly-X-Gly-X-Asp-X-U-X)2

, dove X = aa qualsiasi e U = aa

idrofobico. Domini α/β: questi domini

si basano sulla cosiddetta

cross over connection,

cioè la tipica topologia dei

domini α/β. Nella cross

over connection, due

filamenti β sono collegati

da una zona di loop dove spesso si trova un’α-elica.

Nella mioglobina il dominio proteico costituito da tratti in α-elica è quello in cui è

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