Biologia strutturale e della cellula - analisi della struttura delle proteine

BIOLOGIA STRUTTURALE

PROTEINE

L’ipotesi termodinamica sulla struttura delle proteine afferma che: la struttura nativa di una

proteina è determinata esclusivamente dalla sequenza amminoacidica e rappresenta lo stato

conformazionale a più bassa energia in condizioni native (questa è la definizione di Christian

Anfinsen, premio Nobel per la chimica nel 1972).

Le proteine sono macromolecole biologiche costituite da amminoacidi.

Ogni amminoacido è identificato da una lettera (o da tre lettere).

Gli amminoacidi hanno particolari caratteristiche chimico-fisiche.

STRUTTURE DEGLI AMMINOCIDI

Gli amminoacidi hanno una funzione amminica (che è protonata) e una funzione carbossilica (che

è deprotonata). A pH=1 (a pH acidi) la funzione carbossilica è protonata e quindi si hanno

amminoacidi in forma protonata, con carica netta positiva (+1).

A pH basici entrambe le funzioni sono deprotonate, perciò si hanno amminoacidi con carica netta

negativa (-1).

A pH fisiologico gli amminoacidi (e quindi le proteine) sono in forma zwitterionica, ovvero hanno

carica netta pari a zero.

La maggior parte degli amminoacidi (tranne la glicina) ha un centro chirale sul carbonio alfa;

alcuni amminoacidi (come la treonina e l’isoleucina) hanno più centri chirali.

laterale dell’amminoacido: è la parte dell’amminoacido responsabile delle caratteristiche

Catena dell’amminoacido stesso.

chimico-fisiche

[Gli AA polari possiedono dei momenti di dipolo permanenti in virtù della presenza di eteroatomi

(ossigeno e azoto)].

CATENE LATERALI DEGLI AMMINOACIDI:

In base alle caratteristiche delle catene laterali, gli amminoacidi si suddividono in: Acidi, Basici,

Neutri non polari, Neutri polari. Gli amminoacidi hanno una nomenclatura monolettera o a 3

lettere. R (catena laterale)

+ -

Cα COO

H N [Pag 136 Alberts]

3 H

1. GLICINA (Gly, G): non possiede catene laterali, è un amminoacido non polare. Molecola

(il Cα è legato covalentemente ad un

achirale, il suo gruppo laterale è un atomo di idrogeno

atomo di H, che costituisce la catena laterale della glicina). [Il Cα non è chirale].

2. ALANINA (Ala, A): è un amminoacido non polare. È una molecola chirale, un amminoacido

molto piccolo, il suo gruppo laterale è un metile (la catena laterale è costituita da un metile:

CH ).

3

3. VALINA (Val, V): amminoacido non polare (poiché la sua catena laterale non è polare).

Molecola chirale, la sua catena laterale è un isopropile, ovvero è costituita da tre atomi di C

3 ), ciascuno dei quali è legato ad atomi di H. [Il Cβ è un CH legato a due

saturi (ibridati sp

metili]. È un amminoacido ramificato

4. LEUCINA (Leu, L): Catena laterale non polare. Molecola chirale, la sua catena laterale è

costituita da quattro atomi di C, ossia è un isobutile (è una catena ramificata, poiché l’atomo di

È il principale degli amminoacidi ramificati in quanto l’ultimo

Cγ si ramifica legandosi a CH ).

3

carbonio si ramifica, come isoleucina e valina. Molecola chirale [il Cβ si

5. ISOLEUCINA (Ile, I): Catena laterale non polare. lega ad un metile

e un etile(CH -CH )], la sua catena laterale è un sec-butile. È un amminoacido ramificato.

2 3

L’isoleucina è costituita da 2 atomi di C saturi, così come la leucina.

costituita da un anello saturo e ciclico. Cα,

6. PROLINA (Pro, P): Catena laterale non polare,

Cβ, Cγ, Cδ fanno parte di un ciclo saturo contenente un atomo di N (questo è legato con un

all’N amminico dell’amminoacido stesso).

legame ammidico

È l’unica ad avere il gruppo amminico secondario dato che il suo gruppo laterale si chiude

sull’atomo di azoto non possiede idrogeni.

formando una struttura ciclica; quest’azoto

7. FENILALANINA (Phe, F): Catena laterale non polare. Molecola chirale, nella catena

il Cβ è un CH a ponte tra il Cα e il benzene.

laterale vi è un fenile; 2 2

[Gli atomi di C del benzene sono coplanari con l’anello, perché gli atomi di C sono ibridati sp ].

8. METIONINA (Met, M): Catena laterale non polare. Molecola chirale, nella catena laterale vi

è un butile che presente un atomo di S (zolfo) al posto di un CH .

2

l’unico

È amminoacido (insieme alla cisteina) a contenere zolfo.

9. TRIPTOFANO (Trp, W): Catena laterale non polari. Molecola chirale e poco polare (è un

amminoacido aromatico), nella catena laterale vi è un indolo (anello a 5 atomi contenente N,

condensato con un fenile).

10. CISTEINA (Cys, C): amminoacido polare. Molecola chirale, nella catena laterale vi è un SH

legato al Cβ.

–SH, –S-S-

Due gruppi posti in ambiente ossidante possono legarsi tramite un ponte disolfuro

perdendo una molecola d’acqua. Legami come questo tipo permettono a due unità di cisteina poste

in punti diversi della catena polipeptidica di legarsi tra loro, plasmando in maniera decisiva le

strutture terziarie e quaternaria della proteina.

11. SERINA (Ser, S): Catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella catena

vi è un ossidrile (il Cβ è un CH

laterale legato ad un OH).

2

12. TREONINA (Thr, T): Catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella catena

laterale vi è un gruppo ossidrile, ma la treonina ha un atomo di C un più rispetto alla serina.

13. TIROSINA (Tyr, Y): Catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, la sua catena

laterale è come quella della fenilalanina, ma ha un gruppo OH in posizione para.

14. ASPARAGINA (Asn, N): Catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella

catena laterale vi è una funzione ammidica:

O NH

2 δ:

Cγ [Vi sono 2 posizioni O e NH ]

2

15. GLUTAMMINA (Gln, Q): Catena laterale polare priva di carica. Molecola chirale, nella

catena laterale vi è un gruppo carbossiammide (ovvero vi è la funzione ammidica).

16. ISTIDINA (His, H): Catena laterale basica. Molecola chirale, il suo gruppo laterale reca un

che dona all’amminoacido un pKa di 6.04; l’istidina

anello imidazolico, risente molto del pH

del mezzo in cui si trova, poiché entrambi gli azoti possono protonare, dando origine alla forma

protonata (con carica netta +1).

17. LISINA (Lys, K): Catena laterale basica. Molecola chirale, il suo gruppo laterale reca un

gruppo amminico che le conferisce la basicità, con pKa di 9.2.

La catena laterale della lisina è costituita da una catena butilica, seguita da un azoto (è un’ammina

primaria, che è protonata a pH fisiologico). [Ha un elevato numero di diedri].

18. ARGININA (Arg, R): Catena laterale basica. La basicità le è conferita dal gruppo guanidinico

E’ una

(o guanidile) che è fortemente basico, con pKa di 12.5. molecola chirale e la sua catena

laterale ha 3 unità metileniche, un NH legato al gruppo guanidinico (costituito dal Cz legato a

2 NH , di cui un NH è protonato). [Gli atomi del gruppo guanidinico sono planari].

2 2

19. ACIDO ASPARTICO (Asp, D): Catena laterale acida. Molecola chirale, il suo gruppo

laterale reca un gruppo carbossile (o carbossilato) che gli conferisce il comportamento acido,

pKa di 3.9.

20. ACIDO GLUTAMMICO (Glu, E): Catena laterale acida. Molecola chirale, il suo gruppo

laterale reca un gruppo carbossile che gli conferisce il comportamento acido, pKa di 4.25.

A pH fisiologico si trova insieme all’aspartato (o acido aspartico), deprotonato in quanto possono

subire uno shift della loro costante protonandosi e deprotonandosi.

[Lisina e arginina hanno un pKa alto (pari a 9 o 11 o 15), perciò sono protonate a pH fisiologico].

[L’istidina ha un pKa vicino al pH fisiologico, quindi può essere in forma carica o neutra a pH

fisiologico].

Superficie accessibile al solvente: è un descrittore, un indice numerico, che può descrivere

proprietà chimico/fisiche delle molecole (in particolare descrive la forma e le dimensioni delle



molecole) perciò è un indice di forma e dimensione (poiché tanto maggiore è la superficie

accessibile al solvente, tanto maggiore sarà la dimensione dell’amminoacido).

Definizione: è il luogo dei punti generati da una sfera di raggio pari a 1,4 Å (che è una molecola di

acqua), ruotante sulla supeficie di Van der Waals di una molecola.

[La superficie di Van der Waals è la superficie di una molecola].

[Quindi: la superficie accessibile al solvente è il luogo dei punti dato da una molecola di acqua

(una sfera di raggio 1,4Ǻ), che ruota sulla superficie di Van der Waals].

◊ Esso serve per quantificare il grado di esposizione al solvente di un amminoacido.

Questo indice si modifica in base alla forma dell’amminoacido. Al variare della forma (della

◊ catena laterale) dell’amminoacido, cambia anche l’indice (che è la superficie accessibile al

solvente), il quale dipende dalla composizione (cioè dalla dimensione) atomica della catena

laterale e dalla sua forma.

◊ Questo indice, perciò, serve per descrivere le caratteristiche chimico/fisiche degli amminoacidi.

che risiedono nel core proteico sono detti “nascosti” in quanto hanno

◊ Gli amminoacidi

superficie accessibile al solvente pari a zero.

◊ Le strutture ripiegate avranno indice di superficie minore rispetto a quelle lineari.

La superficie in qualche modo correla con l’idrofobicità.

◊ è l’amminoacido più

[La leucina abbondante in natura, mentre la cisteina è quello meno

abbondante].

DESCRIZIONE TRIDIMENSIONALE DELLE STRUTTURE DELLE PROTEINE

I gradi di libertà delle proteine sono:

 Distanza di legame: distanza tra atomi legati covalentemente.

 angolo piano tra tre atomi legati a coppie, l’angolo tra due legami che

Angoli di legame:

condividono lo stesso atomo centrale.

 Angolo diedro (anche detto torsionale): è il più importante tra i gradi di libertà; al variare

dell’angolo diedro, cambia la conformazione della molecola.

L’angolo diedro (il diedro) è definito da 4 atomi e 3 legami; ogni legame tra coppie di atomi è

rappresentato da un vettore (pertanto abbiamo tre vettori non collineari).

l’angolo tra 2 piani,

L’angolo diedro è definiti da 2 coppie di legami (ovvero 2 coppie di vettori) [i

vettori b1 e b2 definiscono un piano, mentre i vettori b2 e b3 definiscono un altro piano].

Legame torsionale: legame attorno al quale avviene la torsione, che induce il cambiamento

dell’angolo diedro; il legame torsionale è il legame centrale, tra l’atomo 2 e 3.

Al variare del diedro, varia l’angolo tra i 2 piani.

Quando il diedro è a zero, i piani sono colineari e gli atomi 1 e 4 sono eclissati (sono dallo stesso



lato) questa è la situazione di massima vicinanza nello spazio tra gli atomi 1 e 4 [ma

generalmente, dal punto di vista energetico, vi sono repulsioni steriche che impediscono tale

posizione].

[Tuttavia è sempre e solo un atomo a variare di posizione].

Quando la distanza tra gli atomi 1 e 4 è massima:

 I piani sono lo stesso colineari

 Il diedro è di 180°

 I 2 atomi (l’atomo 1 e l’atomo 4) sono sfalsati tra loro.

variare del torsionale varia la posizione reciproca dell’atomo numero 4 rispetto all’atomo

[Al

numero 1].

[La fenilalanina possiede solo due angoli diedri].

Quindi: 

Diedro angolo tra 2 piani; parlando di atomi, i 2 piani sono definiti da 3 vettori non

colineari, cioè da 4 atomi legati a coppie tra loro con legami covalenti (il primo piano è

definito dal primo e dal secondo legame, mentre il secondo piano è definito dal secondo e terzo

legame).

I diedri definiscono i legami di libertà delle proteine.



Torsionale legame singolo attorno al quale avviene la torsione, che fa cambiare il diedro.

[Esso è sempre il legame centrale che lega i 4 atomi consecutivi, che costituiscono il diedro].

Le catene laterali degli amminoacidi hanno uno o più torsionali o diedri (che variano da

amminoacido ad amminoacido).

I diedri della catena laterale vengono indicati con la lettera greca χ (“chi”).

χ1: è il primo diedro della catena laterale; se lo definiamo come torsionale è il legame Cα-Cβ.

l’azoto amminico (l’N dell’amminoacido, che è

Gli atomi che definiscono questo diedro sono

l’atomo

sempre numero uno), il carbonio alfa, il carbonio beta e il carbonio gamma.

[χ1 è definito da NH, Cα, Cβ, Cγ].

χ2: legame torsionale Cβ-Cγ, gli atomi che lo definiscono sono il carbonio alfa, beta, gamma e

delta.

χ3: legame torsionale tra il Cγ e il Cδ.

Ecc…

Qualsiasi legame semplice (singolo) può essere torsionale.



BACKBONE è lo scheletro degli amminoacidi della proteina, ovvero è la catena polipeptidica.

In natura, certi diedri tentano di assumere determinati valori, poiché quei valori corrispondono a

situazioni energeticamente più stabili. 

[In natura ciò che è più probabile è anche più stabile energicamente maggiore probabilità

minore energia].

Ogni atomo ha le sue coordinate x-y-z (coordinate cartesiane), che determinano la sua posizione

nello spazio.

Le strutture delle proteine si conoscono quando è nota la posizione di ogni atomo (che costituisce

le proteine stesse) nello spazio.



Le Strutture note sono strutture di cui si conoscono tutte le disposizioni atomiche; sono strutture

per le quali è nota la posizione cartesiana degli atomi.

Strutture tridimensionali delle proteine: insieme di posizioni atomiche, determinate

sperimentalmente oppure modellate al computer.

 è l’accuratezza

La Risoluzione con cui viene determinata ogni posizione atomica.

DISTRIBUZIONE DEL DIEDRO χ1 NEI VARI AMMINOACIDI:

Per ogni amminoacido, vi sono dei valori più probabili (che corrispondono a situazioni a più bassa

energia) del diedro χ1.

Dagli istogrammi possiamo dedurre che:

χ1

Valori più probabili del sono

 g+ = +60°

 t = 180°

 g - = - 60°

[la lettera g si legge gosh]

[Nella valina, il χ1 tende ad assumere valori di 180°; nella fenilalanina, invece, il valore di χ1 più

…].

probabile è -60°

In generale, nei vari amminoacidi, il valore più probabile di χ1 è -60°, poiché a quel valore

vengono minimizzate le repulsioni steriche tra gli atomi degli amminoacidi.

χ1

Il è il diedro con meno gradi di libertà, perché in natura tende ad assumere valori discreti, ossia

valori determinati che corrispondono a tre conformazioni preferenziali (+60°, 180°, -60°).

discreti di χ1, perciò esso non ha molti gradi di libertà (non è libero di

Quindi: ci sono valori

cambiare) e il valore più probabile è -60°.

[L’alanina non ha il χ1].

Esso è il diedro che detta il direzionamento della catena laterale rispetto al backbone.

2 Marzo 2012

Esistono dei valori di χ1 che sono incompatibili con dei minimi di energia per repulsioni steriche

generalmente tra l’atomo nella posizione uno e

(che sono quello nella posizioni quattro).

interazioni che riguardano l’atomo in

SYN-PENTANE INTERACTIONS: posizione 1 e quello in

posizione 5 di una catena pentamerica.

Quando vi sono 5 atomi legati covalentemente a coppie, i torsionali centrali (quello tra il C2 e il

C3 e quello tra il C3 e il C4) devono assumere determinate combinazioni, affinchè non si abbiano

repulsioni steriche tra il C1 e il C5 (se vi sono queste repulsioni steriche non si ha stabilità).

Quindi: le Syn-pentane interactions riguardano un sistema di 5 atomi e sono interazioni steriche

tra l’atomo in posizione 1 e quello in posizione 5, che possono essere favorevoli o sfavorevoli

(quando il C1 e il C5 sono molto vicini).

Considerando i 5 atomi, i diedri più importanti (che sono quelli centrali, che danno origine alle

interazioni tra l’atomo numero 1 e l’atomo numero 5) sono:

 χ1: C1, C2, C3, C4

 χ2: C2, C3, C4, C5

Questi 2 diedri determinano la distanza tra C1 e C5; alcune combinazioni date dai 2 diedri sono

favorevoli, mentre altre sono sfavorevoli (in esse si hanno cattivi contatti tra il C1 e il C5).

[Quindi, le interazioni tra i 2 diedri possono essere buone oppure no].

Se considero le catene laterali degli amminoacidi, esse hanno uno o più diedri e se vi sono 2 diedri,

si possono avere le Syn-pentane interactions; i 5 atomi tra i quali si possono avere le Syn-pentane

interactions sono N (dell’amminoacido), Cα, Cβ, Cγ, Cδ [N è l’atomo in posizione 1, mentre Cδ è



l’atomo in posizione 5] in questo caso:

 χ1: Cα-Cβ (sarebbe il torsionale C2-C3)

nel il legame torsionale è

 χ2: Cβ-Cγ (sarebbe il torsionale C3-C4)

nel il legame torsionale è

I torsionali centrali, ossia quelli sopra elencati, hanno in tandem delle combinazioni determinate

che devono assumere affinché il sistema abbia un minimo di energia, in quanto si possono

originare delle repulsioni steriche, che rendono il sistema non stabile (esse fanno sì che il sistema

abbia un energia elevata).

[Affinchè si possano avere le Syn-pentane interactions, un amminoacido deve avere una catena

laterale con almeno 3 atomi, perché N e Cα appartengono al backbone].

 Queste Syn-pentane interactions sono indipendenti dai torsionali del backbone, ma dipendono

(dai diedri χ1 e χ2).

dai torsionali della catena laterale

BACKBONE DELLA CATEN