Biochimica, modulo I - Ascenzi - Leininger

AUMENTO

di solvatazione dell’ acqua DI ENTROPIA.

2. Quando un composto polare viene posto in acqua, si hanno due effetti:

- una diminuzione netta dei legami idrogeno per unità di massa;

- si forma uno strato di solvatazione delle molecole di acqua strutturate attorno alla molecola

polare.

3. Quando una proteina assume la sua conformazione nativa, la formazione di legami

AUMENTO

intramolecolari porta alla riduzione dello strato di solvatazione DI ENTROPIA.

La maggior parte della variazione di energia libera che si ha quando in una proteina si formano

interazioni deboli deriva dall’aumento di entropia della soluzione acquosa circostante, per effetto

dell’ammassamento delle superfici idrofobiche circostanti.

4. In una proteina nella sua conformazione non nativa, la presenza di gruppi polari o carichi che

non abbiano una controparte idonea con cui formare legami idrogeno o interazioni ioniche,

determina una condizione destabilizzante e termodinamicamente sfavorita. Lo strato ripiegato

non nativo non è più favorito.

5. I legami idrogeno tra gruppi presenti nelle proteine si generano attraverso un meccanismo

cooperativo. Inoltre, le interazioni tra gruppi con cariche opposte (ponti salini), possono avere

effetti stabilizzanti su uno o più stati conformazionali nativi di alcune proteine.

Struttura secondaria di una proteina

Il termine struttura secondaria si riferisce alla conformazione locale, ripetitiva, di alcune parti di

un polipeptide.

-elica:

1. lo scheletro covalente è strettamente avvolto ad un asse immaginario tracciato

longitudinalmente attraverso il centro dell’elica

-foglietto:

2. lo scheletro covalente è esteso con un andamento a zig-zag

-turn):

3. Ripiegamenti (inversioni di catena o collegano le estremità di due segmenti

-elica

α-elica

Nell’ si ha una disposizione ottimale dei gruppi che possono formare legami idrogeno.

1. Legame idrogeno tra H del gruppo amminico e l’O carbonilico del quarto residuo successivo,

posto in direzione dell’estremità N-terminale.

2. All’interno dell’-elica ogni legame peptidico partecipa alla formazione di questi legami

idrogeno. struttura

3. Ogni giro d’elica è tenuto insieme a quelli adiacenti da tre o quattro legami idrogeno

molto stabile. 

α-elica

Non tutti i polipeptidi possono formare un’ stabile le catene laterali R possono interagire

tra di loro e stabilizzare o destabilizzare l’elica.

Le catene laterali possono destabilizzare l’elica a causa di un effetto legato alla loro carica o al loro

ingombro sterico. non

PROLINA: l’atomo di azoto fa parte di un anello rigido è

ogni

possibile alcuna rotazione attorno al legame N-Cα residuo

α-elica.

Pro introduce un ripiegamento destabilizzante nell’ Inoltre

non è presente il secondo H, legato all’N, necessario per creare un

legame idrogeno con altri residui.

GLICINA: ha una flessibilità conformazionale elevata, che mal si

adatta alla struttura altamente ordinata dell’α-elica.

Ogni legame peptidico genera un dipolo elettrico. Questi dipoli si

il

sommano attraverso i legami idrogeno presenti nell’elica dipolo netto aumenta con la

lunghezza dell’elica.

I quattro amminoacidi all’estremità dell’elica non partecipano completamente alla formazione di

le

legami idrogeno catene laterali cariche positivamente tendono ad essere localizzate

all’estremità C-terminale di un’elica, quelle cariche negativamente all’estremità N-terminale.

Per lo stesso motivo, anioni come il fosfato tendono ad interagire favorevolmente con l’estremità

N-terminale dell’elica.

Esistono 5 tipi di interazioni che determinano la stabilità dell’α-elica:

1. La repulsione – o attrazione – elettrostatica tra i gruppi R carichi;

2. La dimensione dei gruppi R adiacenti;

3. L’interazione tra le catene laterali spaziate tra 3 residui;

4. La presenza di residui di Pro o di Gly;

5. Le interazioni tra gli amminoacidi all’estremità dell’elica e il dipolo generato da questa struttura.

La formazione di un’α-elica dipende dal tipo di residui amminoacidici presenti e dalla loro

sequenza all’interno del segmento di catena polipeptidica.

-foglietto β

CONFORMAZIONE lo scheletro covalente della catena polipeptidica è esteso con un andamento

a zig-zag. si

Le catene polipeptidiche a zig-zag sono disposte parallelamente l’una rispetto all’altra forma

un modulo a pieghettature, in cui i legami idrogeno si formano tra segmenti adiacenti della catena

polipeptidica.

I legami idrogeno nei segmenti antiparalleli sono più ordinati e perpendicolari alla catena



principale la forza che tiene uniti due segmenti adiacenti è maggiore.

β

Le proteine costituite da foglietti antiparalleli sono generalmente più stabili e rigide.

β

I segmenti che formano un foglietto sono in genere vicini lungo la catena polipeptidica, ma

possono anche essere abbastanza lontani l’uno dall’altro lungo la catena, o essere segmenti di

catene polipeptidiche diverse. β

In alcune strutture si possono avere delle limitazioni al tipo di residuo presente in una struttura

quando β

in una proteina due o più foglietti sono vicini, i gruppi R dei residui amminoacidici

alto

sulle superfici di contatto devono essere poco ingombranti contenuto di Gly ed Ala

Anche in questo caso i residui di Pro destabilizzano la struttura e le interazioni tra residui adiacenti

sono determinanti.

Ripiegamenti

Nelle proteine globulari circa un terzo dei residui è localizzato in ripiegamenti, a livello dei quali la

catena polipeptidica modifica la sua direzione. β

I ripiegamenti collegano le estremità di due segmenti adiacenti.

β:

RIPIEGAMENTO ripiegamento di 180° che comprende 4 residui amminoacidici, in cui il gruppo

carbonilico del primo amminoacido forma un legame idrogeno con il gruppo amminico del quarto.

Comprendono spesso residui di Pro e Gly.

Sono presenti sulla superficie della proteina dove i gruppi peptidici dei due residui centrali della

struttura possono formare legami idrogeno con l’acqua.

Il tipo I è più frequente del tipo II. Il tipo II contiene un residuo di Gly in terza posizione.

I due tipi di struttura secondaria possono essere descritti dagli angoli di legame e dei residui

amminoacidici, e cadono nelle regioni ipotizzate come permesse, con una grande concentrazione

β-foglietto.

vicino ai valori previsti per l’α-elica e il

Struttura terziaria di una proteina tiene

La struttura terziaria definisce la disposizione dei suoi atomi nello spazio tridimensionale

conto delle relazioni a lungo raggio esistenti nella sequenza amminoacidica.

β)

• I cambi di direzione della catena polipeptidica (ripiegamenti durante il processo di

avvolgimento e gli angoli generati da queste inversioni, dipendono dal numero e dalla

localizzazione di specifici residui amminoacidici capaci di indurre inversioni (Pro, Thr, Ser, Gly).

I segmenti delle catene polipeptidiche che devono interagire sono mantenuti nella loro posizione

terziaria caratteristica da diversi tipi di interazioni deboli tra i segmenti.

La struttura terziaria di una proteina è costituita dall’interazione reciproca dei segmenti.

α β,

polipeptidici con conformazioni ad -elica e/o a foglietto uniti da tratti di connessione.

La struttura di una proteina può essere descritta definendo come questi segmenti si dispongono

TOPOLOGIA

l’uno rispetto all’altro e come sono organizzati i segmenti di connessione della

macromolecola.

STRUTTURE SUPERSECONDARIE O MOTIVI O RIPIEGAMENTI: Organizzazioni stabili costituite da più

elementi di struttura secondaria e dalle connessioni che li uniscono.

L’unione di strutture secondarie porta alla formazione di motivi strutturali che possono essere

descritti da diagrammi topologici.

Attraverso i diagrammi topologici si possono identificare facilmente motivi strutturali ricorrenti in

proteine diverse. Esempio: pannello (c) cilindro beta a chiave greca (superossido

dismutasi, immunoglobuline, cristalline)

Proteine globulari hanno strutture globulari diverse:

Nelle proteine di piccole dimensioni diventa meno

facile nascondere all’interno della struttura i residui

quanto

idrofobici più piccola è una proteina, tanto

minore è il suo rapporto superficie/volume. Le

proteine piccole sono stabilizzate mediante legami

covalenti (ad es. ponti disolfuro), che generano un

effetto stabilizzante sull’intera molecola.

Basi energetiche del folding

Il ripiegamento di una proteina dipende

dall’interazione reciproca di elementi di struttura secondaria mediata principalmente da

interazioni di natura idrofobica che portano alla formazione di un nucleo (core) idrofobico.

Altre interazioni deboli (legami idrogeno, interazioni di van der Waals, ponti salini) contribuiscono

alla stabilità della forma ripiegata.

Nelle proteine di membrana la situazione è spesso invertita. Sono immerse nel doppio strato

lipidico e la loro superficie esterna è di natura idrofobica.

Avendo spesso funzioni di trasporto transmembrana di molecole polari e di ioni (canali ionici) il

loro interno è di natura polare.

Le proteine globulari mostrano aspetti strutturali comuni:

I polipeptidi con qualche centinaio di amminoacidi si ripiegano in due o più

unità stabili chiamate domini. Le proteine di piccole dimensioni hanno un

solo dominio.

In alcuni casi i diversi domini sono nettamente separati e facilmente

identificabili. In altri casi l’identificazione dei domini si basa sulla loro architettura costituita

da diversi motivi strutturali (destra, dominio di legame al FAD; sinistra,

dominio di legame del substrato).

La struttura tridimensionale di una proteina globulare può essere considerata

-elica

come un insieme di segmenti polipeptidici con conformazioni ad o a

-foglietto, uniti da tratti di connessione. La struttura di una proteina può

essere descritta definendo come questi segmenti si dispongono l’uno rispetto

all’altro e come sono organizzati quelli di connessione. Strutture

supersecondarie o motivi o ripiegamenti: organizzazioni stabili costituite da più elementi di

struttura secondaria e dalle connessioni che li uniscono.

Il ripiegamento delle catene polipeptidiche è sottoposto a numerose restrizioni di natura chimica e

fisica.

1. Le interazioni idrofobiche contribuiscono in modo essenziale alla

stabilità delle strutture proteiche. L’ammassamento degli

am