Strutture e interiezioni molecolari

MECCANICA MOLECOLARE:

È un modo di descrivere le molecole dove gli elettroni sono descritti in modo implicito e non esplicito. Ci permette di descrivere le molecole senza descrivere esplicitamente le caratteristiche degli elettroni (servirebbe la meccanica quantistica). Decisive gli atomi della proteina come delle sfere rigide che possiedono una certa carica a seconda della loro elettronegatività. Le interazioni tra atomi sono descritte con delle leggi molto semplici che ricordano le leggi matematiche usate per scrivere le molle.

NB: gli atomi sono sfere cariche indeformabili (approssimazione) e i legami tra gli atomi vengono descritti come delle molle (→ approssimazione forte a che va bene per comparare energia di conformazioni diverse). Perchè delle molle? I legami covalenti delle molecole vibrano continuamente, quindi la descrizione a molla non è “folle” ma si avvicina alla realtà. L’energia della conformazione della mia molecola la

Calcolerò come la somma di tanti contributi:

• Contributo di stiramento dei legami covalenti
• Contributo di stretching.

L'energia dei legami covalenti viene calcolata con una semplice equazione: il prodotto di una costante che dipende dal tipo di atomi che sono legati (considero 1 legame specifico - la costante avrà valori diversi a seconda degli atomi che sto considerando) moltiplicato per la distanza a cui si trovano i 2 atomi nella conformazione che sto analizzando (r) meno r che è la distanza ideale tra quei 2 atomi.

E = k(r - r_s,ij)²

La funzione ottenuta ha una forma a parabola: l'energia è minima quando la distanza tra gli atomi i e j è uguale alla distanza ideale.

- Se il legame nella conformazione che sto studiando è "stirato" allora l'energia cresce.

- Se il legame è "compresso" sale l'energia (come nel caso stirato).

ES: proteina con 55 legami covalenti. Come calcolo l'energia?

Calcolo questo contributo per 55 volte. In questo modo calcolo l'energia data dai legami covalenti in un modo semplice. Ma cos'ha di particolare questo modo di descrivere lo stretching? Lo posso usare sempre?

• Se comprimo l'energia sale perché avvicino i nuclei 26
• Se studio per stiramenti lievi l'energia sale perché sto allontanando i nuclei e per l'attrazione l'energia sale. Ma quando i due nuclei sono a una distanza elevata allora il legame si rompe e l'energia è bassa

Questo sistema approssima bene la realtà quando r è molto vicino a r : quando la distanza dei due atomi ij 0 nella conformazione che sto considerando è vicina alla distanza di equilibrio allora la parabola approssima bene la parabola reale. Approssima male quando il legame si rompe.

NB: ma noi usiamo la meccanica molecolare quando non ci interessa studiare i legami e quindi gli atomi in modo esplicito, quindi la possiamo usare.

Se uso la

se gli angoli sono eclissati devo tenerne conto. ω 2E = k (ω - )improper o,ijkl ijkl oE = k (1 - cos f ) + k (1 - cos 2 f ) + k ( 1 - cos 3 f )tor tor,1 tor,2 tor,3

I calcoli da effettuare per calcolare questi contributi sono semplici 27• Van der Waals

Le sfere considerate sono cariche, quindi ci sono contributi dati dalla polarizzazione.

Curva che viene usata per descrivere le interazioni di VdW: adistanze piccole due atomi che si avvicinano si respingono(atomi troppo vicini). A distanze maggiori gli atomi siattraggono ma l'attrazione poi diminuisce perché gli atomi siallontanano.

Perché per le interazioni di VdW non usiamo una parabola?Accadrebbe che tutti gli atomi sembrerebbero uno addosso all'altro. Sarebbe come se anche a distanzeinfinte gli atomi sentissero attrazione.

Per questo termine si è costretti a usare un'equazione più complessa (calcolo più lungo):• Inetrazione di CoulombInterazione tra le cariche, ovvero

contributo che tine contro della repulsione e attrazione elettrostatica data dalle cariche degli atomi. Quindi l'energia della molecola sarà la somma di tutti questi contributi.

Gli atomi coinvolti nei legami di una proteina non sono tutti ad una distanza ideale. Quindi cosa cerco sulla superficie?

Cerco il minimo dell'energia (somma dei contributi), ma non vuol dire che tutti i contributi abbiano il valore minimo possibile perché ci sono dei vincoli nella proteina.

Quindi non è detto che tutti i valori ottenuti siano i valori ideali.

Questi metodi diventano sempre più utilizzati negli anni perché i computer sono sempre più veloci. Però attualmente non sono i metodi maggiormente utilizzati.

METODI BIOLOGICI:

Sono i metodi maggiormente utilizzati oggi nei laboratori di biologia molecolare.

C'è un GAP enorme tra il numero di strutture e di sequenze che si conoscono, sarebbe quindi opportuno colmare questo GAP ma è

Difficile ottenere strutture per raggi X. Posso prevedere la struttura della proteina conoscendone solo la sequenza? Secondo il fisico basta fare i calcoli, mentre la comunità biologica ha realizzato un sistema di metodi detti homology modelling. Questi metodi si basano su un'osservazione sperimentale: se io analizzo le proteine di cui è nota la struttura ad oggi, posso costruire un grafico (di tipo empirico che derivo dall'osservazione sperimentale) dove:

1. Metto sull'asse X la lunghezza delle proteine che sto studiando (lunghezza in senso di sequenza, quanti aa le compongono)
2. Sull'asse delle Y metto l'identità di sequenza che hanno le proteine che sto comparando (percentuale di identità tra le 2 proteine che considero). L'identità la calcolo allineandole. Ogni tacchettina vale 10 aa
3. Prendo coppie di proteine di cui è nota la struttura (tramite PDB)
4. Guardo la lunghezza
5. Prendo pezzettini (sequenze peptidiche)

<50aa) di proteine note e li comparo con altre proteine(casualmente)

Dentro il grafico metto una osservazione:

• Tutte le volte che le due proteine o i pezzetti di proteine che sto confrontando sono strutturalmente simili, metto un pallino blu
• Se sono strutturalmente diversi metto un pallino arancione

I pallini blu tendono a stare in una regione in alto a destra.

I pallini arancioni tendono a stare in basso a sinistra.

Ogni tanto nella regione in basso a sinistra compaiono pallini blu, ma nella regione in alto a DX non compaiono pallini arancioni.

Pallino blu → similarità strutturale

Pallino arancione → diversità strutturale

ES: proteine lunghe e con il 99% di identità, mi aspetto un pallino blu → infatti sono in alto a DX.

NB: Mi basta che due proteine abbiano una identità di sequenza di poco superiore al 30% per essere sicuro di avere un pallino blu. Vuol dire che se due sequenze proteiche hanno una identità di sequenza maggiore o uguale del 30%

(70% di diversità) perché la loro struttura 3D sia simile → zona blu. Se nella PDB c'è una proteina di cui si conosce la sequenza e la struttura e questa proteina ha una identità di sequenza >30% allora della mia proteina incognita conosco la struttura. È possibile che due proteine identiche come sequenza per il 70% e lunghe, abbiano una struttura 3D molto diversa? Osservando il grafico dico di sì, perché sono nel blu. → similarità di sequenza = similarità di struttura. Una identità di sequenza anche relativamente bassa (dal 30% in su) garantisce che la struttura delle 2 proteine che sto confrontando sia praticamente identica. Confrontando 2 peptidi che hanno una identità di sequenza del 100% (quindi sono la stessa molecola) e sono → di 10 aa arancione diverso. Quindi, confrontando peptidi lunghi basta una bassa identità di sequenza per ottenere strutture uguali. Ma se ho peptidi