Biologia strutturale e della cellula - analisi della struttura delle proteine

α-ELICHE

Sono elementi di struttura secondaria; l’α-elica è un’organizzazione della catena polipeptidica.

delle proteine è dovuto all’effetto idrofobico, che aumenta l’entropia del sistema

o Il folding

acqua; tuttavia, se vi fosse solo l’effetto idrofobico, si otterrebbero aggregati di atomi: per

questo motivo, si hanno interazioni elettrostatiche (che coinvolgono i dipoli, i legami a H, le

interazioni elettrostatiche e le interazioni di Van der Waals), grazie alle quali le proteine

assumono determinate strutture (e di particolare importanza sono i legami a H).

Nelle proteine, i legami a H si possono formare sia tra le catene laterali degli amminoacidi polari,

che tra gli eteroatomi del backbone (in cui vi sono N ammidici e O carbonilici, che costituiscono le

unità degli atomi che si ripetono nella catena polipeptidica).

Grazie ai legami a H, si originano 2 strutture:

α-eliche

o Foglietti β (o β

o sheets)

α-eliche

Le sono dovute alla formazione di legami a H intrabackbone, che si

formano tra l’ossigeno carbonilico in posizione e l’H dell’N ammidico in

i-esima a disposizione l’ossigeno

posizione i+4. [Il primo amminoacido del backbone mette

dell’amminoacido

carbonilico che forma legami H con NH (donatore) in posizione

 α-eliche

i+4 e così via]. In questo modo si formano le canoniche.

Grazie ai legami a H che si formano all’interno delle catene polipeptidiche, la

proteina assume una forma elicoidale (chiamata, appunto, α-elica).

Perciò, la catena polipeptidica si ripiega, acquisendo una struttura elicoidale.

α-eliche ogni giro d’elica (ciclo chiuso da un legame H) è costituito da 13 atomi e

Nelle canoniche,

3,6 residui (e i legami a H si susseguono in modo i+4, cioè avvengono tra gli atomi in posizione i e

i+4).

Ramachandran plot: diedri Φ e ψ; nelle α-eliche

Le conformazioni del backbone sono determinate dai canoniche, i

valori di Φ e ψ si aggirano attorno ai valori di:



Φ=-57° e ψ = per le α-eliche

-47° destrorse



Φ e ψ = +60° per le α-eliche sinistrorse

Lungo la catena polipeptidica, tutti gli NH hanno la stessa direzione e questo determina la



formazione di un dipolo permanente (a livello dell’elica) questo dipolo ha:

o Il polo negativo alla terminazione carbossilica

o Il polo positivo alla terminazione amminica (che ha una parziale carica positiva).

Grazie a ciò, si ha una separazione di carica (un dipolo) e l’elica può essere rappresentata con una

freccia. - + α-eliche

Affinchè 2 dipoli diano interazione devono essere antiparalleli, perciò due per dare

un’interazione ottimale, devono disporsi in modo antiparallelo, in modo da massimizzare

l’interazione dipolo-dipolo.

[Quindi, le α-eliche adiacenti si dispongono in modo antiparallelo, per favorire l’interazione

dipolo-dipolo].

Vi sono 3 tipi di α-eliche destrorse:

α-eliche canoniche o α-eliche

1) 3,6 :

13

hanno 3,6 residui per giro d’elica;

o Esse

Hanno 13 atomi per ogni giro d’elica (chiuso da un legame a H)

o

o Pattern: i+4

α-eliche

2) del tipo 3 : sono più strette ed hanno un diametro inferiore rispetto a quelle

10

canoniche; esse hanno:

3 residui per giro d’elica

o 10 atomi per ogni giro d’elica

o Pattern: i+3 (i legami a H sono meno frequenti, rispetto a quelli che si hanno nelle α-eliche

o canoniche).

Φ=-49°

o ψ=-26°

o

α-eliche di tipo π:

3) esse hanno un diametro maggiore ed hanno:

o 4,4 residui

o 16 atomi per ogni ciclo chiuso da un legame a H

Pattern di tipo i+5 (i legami a H avvengono tra l’atomo in posizione

o i e quello in posizione

i+5).

Φ=-57°

o ψ=-70°

o

L’α-elica si gira su se stessa e grazie a ciò, le catene laterali di alcuni amminoacidi si trovano da

un lato dell’elica (da una faccia dell’elica), mentre le catene laterali di altri amminoacidi si

trovano dal lato opposto.

Nelle α-eliche canoniche, le catene laterali degli amminoacidi spaziati:

o i, i+3,

o i, i+4

o i, i+7

si trovano dallo stesso lato (dalla stessa faccia) dell’elica e quindi possono interagire tra loro.

Mentre le catene laterali degli amminoacidi spaziati:

o i,i+2

o i, i+5

o i, i+6

si trovano da facce opposte dell’elica e quindi non possono interagire tra loro.

Tuttavia, sulle facce opposte dell’elica vi devono essere amminoacidi di tipo diverso, altrimenti si

formano strutture anfipatiche poco solubili (con gli amminoacidi idrofobici da un lato dell’elica e

dall’altro lato).

gli amminoacidi polari o idrofilici

[Le α-eliche anfipatiche sono strutture non strutturalmente stabili, poiché poco solubili, che

tendono a precipitare].

Perciò, non vi deve essere uno sbilanciamento di polarità tra le 2 facce dell’elica; infatti, la

le facce dell’elica hanno la stessa polarità (questo è

situazione migliore si ha quando entrambe

importante ai fini della stabilità). nelle α-eliche:

Le catene laterali degli AA hanno diverse propensioni a distribuirsi (trovarsi)



 di α-eliche.

Glutammato, alanina e leucina sono forti stabilizzatori (formatori)



 sono stabilizzatori di α-

Istidina, glutammina, metionina, triptofano, valina e fenilalanina

eliche. 

 sono distruttori di α-eliche.

Asparagina, tirosina, prolina

La prolina è un forte interruttore di α-eliche, perché l’N del backbone della prolina fa parte della

catena laterale (della prolina stessa) ed esso non è legato ad un atomo di H.

Per questo motivo, la prolina interrompe la rete di legami a H intra-backbone, determinando

l’aumento dei gradi di libertà dell’elica.

La prolina deforma l’elica (aumentando la distanza tra l’H e l’N ammidico, ovvero tra il donatore

e l’accettore di legami a H) e a livello delle proline la catena può piegarsi (per questo si ha un

aumento dei gradi di libertà dell’elica).

[Quindi, se le proline sono poste nel centro dell’elica, la interrompono].

[Inoltre, le proline hanno anche un ruolo funzionale].

Un modo per stabilizzare le α-eliche è quello di guardare le posizioni chiamate CAPS: queste

posizioni sono quelle che precedono l’inizio dell’α-elica e quelle che seguono la fine dell’elica.

che precedono l’inizio dell’α-elica

Le posizioni sono dette N-caps, mentre le posizioni che sono

successive al termine dell’α-elica sono chiamate C-caps.

= amminoacido non in conformazione adα-elica, che precede l’inizio

♠ Posizione N-CAP

dell’elica (cioè il primo amminoacido dell’elica).

= amminoacido non in conformazione ad α-elica, che segue l’ultimo

♠ Posizione C-CAP

amminoacido dell’elica.

dopo l’N-cap inizia l’α-elica termina l’elica.

Quindi: e dopo il C-cap

[C-cap si legge si-chep].

Alla terminazione amminica, l’NH del primo amminoacido è libero (cioè non fa legami a H) e per

stabilizzare l’elica, si pongono accettori di legami a H nelle posizioni N-caps.

Alcuni esempi di accettori di legami a H sono l’asparagina, aspartato, serina, treonina, i quali

possono accettare legami a H dal primo amminoacido dell’elica e dagli amminoacidi che

precedono il primo amminoacido dell’elica.

è libero il carbonile (ovvero l’ossigeno carbonilico), che tende a formare

Nelle posizioni C-caps,

legami a H con gli N ammidici degli amminoacidi del backbone, che seguono l’elica.

Per stabilizzare il dipolo dell’elica, si pongono dei gruppi carichi negativamente al polo ammidico,

che è carico positivamente.

Vi sono delle sequenze di amminoacidi che favoriscono la formazione di α-eliche isolate stabili;

queste sequenze di amminoacidi sono: AAKAAA ripetuta n volte e EAAAK ripetuta n volte.

favoriscono la formazione di α-eliche

Queste sequenze isolate stabili, perché permettono la

formazione di legami (che si formano tra le catene laterali degli amminoacidi) senza generare delle

eliche anfipatiche.

Per quanto riguarda la sequenza AAKAA: le lisine si trovano su entrambe le facce dell’elica (non

generando eliche anfipatiche).

Per quanto riguarda la sequenza EAAAK: il glutammato e la lisina possono formare ponti salini da

uno stesso lato dell’elica (questi ponti salini si formano tra le catene laterali di lisina e

glutammato).

[Il posizionamento spaziale dell’E e A è tale da dare ponti salini, in quanto si trovano dalla

medesima parte dell’elica]. ponti salini, i quali stabilizzano l’elica].

[Quindi: tra le lisine e il glutammato si possono formare

Le α-eliche isolate hanno terminazioni cariche, che devono essere neutralizzate per stabilizzare

l’elica; per neutralizzare queste terminazioni si utilizzano dei gruppi particolari.

Per stabilizzare la terminazione amminica: l’acetilazione,

a) Un metodo che si può utilizzare per stabilizzare questa terminazione è che

consiste nell’aggiunta del gruppo grazie all’aggiunta di questo gruppo

acetilico [CO(CH) ];

3

alla terminazione amminica, quest’ultima viene neutralizzata. -

b) Oppure, si può porre il gruppo succinile [CO(CH ) COO ] alla terminazione amminica,

2 2

facendo, così, una succinilazione. Siccome il gruppo succinile è carico negativamente,

-

stabilizza la terminazione amminica; inoltre, il gruppo COO può fungere anche da N-cap.

[Con la succinilazione si introduce una carica negativa, che permette di stabilizzare il momento di

dipolo dell’elica]. -

[Il succinile, soprattutto il gruppo COO , funge da N-cap perché, essendo accettore di legame, può

primo NH dell’elica].

legarsi con un legame H al

La terminazione carbossilica, invece, viene neutralizzata in questo modo:



Con l’aggiunta del gruppo NHCH

a) si effettua una ammidificazione (la terminazione

3

carbossilica viene ammidificata e quindi neutralizzata).

Per stabilizzare l’elica si possono usare delle cisteine, le quali vengono poste nella posizione N-cap

e N3 (con spaziatura i, i+3): le cisteine possono dare un ponte di solfuro, che riduce i gradi di

libertà e quindi l’entropia conformazionale dell’elica, stabilizzandola.

[Agadir è un programma che ci permette di fare predizioni sugli amminoacidi, che possono

costituire l’elica].

β-SHEETS (o foglietti β)

 Nel