Strutturistica di Macromolecole

Strutturistica di macromolecole

Le proteine sono catene polipeptidiche più o meno lunghe. Quando nasce dal ribosoma, la proteina è lineare, poi immediatamente si ripiega per il folding. Questo ripiegamento non è casuale, infatti all’interno della proteina possiamo riconoscere diversi livelli di organizzazione. Alcune proteine sono il prodotto dell’interazione tra più catene polipeptidiche, come nella struttura quaternaria.

Amminoacidi

In natura è presente solo l’isomero L degli amminoacidi. È stato dimostrato che si possono sintetizzare in laboratorio anche gli isomeri D. In soluzione gli amminoacidi si trovano nella conformazione staggered che è favorita per il minor ingombro sterico. Gli amminoacidi possono avere catene laterali anche molto ingombranti che possono rendere il folding più difficile.

Si possono fare delle predizioni della conformazione che assumerà la proteina, ci sono delle conformazioni predilette, ma la proteina può assumerne diverse e ciò dipende dall’intorno chimico. Tutte le conformazioni che la proteina può assumere portano alla formazione di diversi conformeri.

Ci sono 20 amminoacidi usati dal ribosoma per sintetizzare le proteine, questi vengono classificati in poche classi:

• Alcuni amminoacidi hanno catene idrofobiche (formate da atomi di C e H) e sono glicina, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina e metionina; in questi i residui idrofobici tendono a stare nel core della proteina.
• Gli amminoacidi polari (che hanno O e N nella catena laterale) sono serina, treonina, cisteina, asparagina e glutammina e interagiscono con il solvente.
• Ci sono amminoacidi ionizzabili che possono dare interazioni carica-carica e sono lisina, arginina, istidina, aspartato e glutammato.
• Infine ci sono gli amminoacidi aromatici, ovvero fenilalanina, tirosina e triptofano, in cui c’è una delocalizzazione elettronica, cioè gli elettroni sono meno vicini al nucleo e perciò facilmente eccitabili, assorbono la luce UV a 280 nm.

Il legame peptidico si forma quando il gruppo carbonilico di un peptide condensa con il gruppo amminico del peptide successivo mediante l’eliminazione di una molecola d’acqua. È l’unico legame forte in una catena polipeptidica, tutti gli altri legami che entrano in gioco nel ripiegamento della proteina sono deboli (interazioni di van der Waals, legami covalenti e l’unico altro legame forte che si forma è il ponte di solfuro tra due residui di cisteina). Il legame peptidico è rigido e planare; quasi tutti gli angoli sono ben definiti, non può esserci rotazione e si possono disporre tutti gli atomi su un piano e la congiunzione tra i vari piani sono gli atomi di carbonio α. I legami C-N a causa del loro parziale carattere di doppio legame (dovuto alla risonanza), non possono ruotare liberamente, è invece permessa la rotazione intorno ai legami N-Cα e Cα-C. La conformazione del peptide è definita da due angoli diedri chiamati φ (rotazione intorno al legame N-Cα) e ψ (rotazione intorno al legame Cα-C). In linea di principio φ e ψ possono assumere qualsiasi valore tra -180 e +180, ma molti valori non sono permessi a causa degli impedimenti sterici tra gli atomi dello scheletro carbonioso e le catene laterali degli amminoacidi.

I valori di φ (sull’asse delle x) e ψ (sull’asse delle y) sono riportati nel grafico di Ramachandran, che corrispondono alla formazione di strutture ordinate perché c’è un vantaggio energetico. Alcuni amminoacidi, il 3/4 %, possono assumere conformazioni non consentite, come la glicina perché molto piccola e la prolina perché ha la ciclizzazione interna che rompe qualsiasi struttura secondaria (è il breaker).

α-elica

Un'α-elica è il ripiegamento di una porzione più o meno lunga di una catena polipeptidica a formare un’elica. I legami che si formano coinvolgono amminoacidi vicini e sono intrasegmento, ha 3.6 residui per giro dell’elica, si formano tanti legami idrogeno tra l’NH di un residuo e i gruppi CO di un altro residuo. Le catene laterali puntano all’esterno rispetto all’elica. Questa struttura è favorita perché è più stabile, più difficile da denaturare rispetto a un random-coil perché bisogna rompere tutti i legami idrogeno che la mantengono organizzata. Le reazioni favorite (spontanee) sono quelle con Δg<0 che deriva da un contributo entropico e da un contributo entalpico che è dato da tutti i legami che si formano, in un’α-elica ho tanti legami che si formano.

Ci sono altri tipi di eliche che sono più compatte o più lasse, quella alfa è la più comune. Ala, Glu, Leu, Met formano buone eliche, mentre Pro, Gly, Tyr, Ser non formano buone eliche. È stato visto statisticamente che c’è una propensione maggiore di certi amminoacidi a stare in α-elica per cui posso costruire dei modelli matematici che elaborano la propensione di un certo amminoacido di stare in una certa conformazione ed elaboro, solo sulla base della sequenza amminoacidica, una predizione della struttura secondaria della proteina.

Una buona rappresentazione dell’ α-elica è la cosiddetta helical wheel (ruota): i cerchi sono i diversi giri dell’ α-elica, ad ogni giro sono associati i vari residui amminoacidici che sono colorati in maniera diversa a seconda delle proprietà che hanno, in verde gli idrofobici, in azzurro i polari e in rosa i polari carichi. Questa rappresentazione è utile perché se ho un’ α-elica tutta verde posso dedurre che quella sarà una proteina transmembrana, se invece avessi un’elica anfipatica, con una faccia con amminoacidi polari e l’altra con amminoacidi idrofobici posso supporre che si tratti di un'elica transmembrana in una porina che da una parte deve interagire con la membrana e dall’altra con l’acqua.

β-foglietti

Sono coinvolti diversi segmenti della catena polipeptidica che possono provenire da segmenti adiacenti, ma anche molto lontani. In questo caso i legami idrogeno che si formano sono inter-segmento, è una struttura molto stabile per la presenza di legami che sono deboli ma presenti in grande quantità. Il foglietto β può essere formato da due o più segmenti che possono avere tutti la stessa direzione e si parla di foglietto parallelo, se la direzione è alternata parliamo di filamento antiparallelo, se la cosa è random si chiama foglietto misto. Le interazioni che si formano riguardano esclusivamente tra gruppi del backbone, quindi la formazione del foglietto β è indipendente dalle catene laterali degli amminoacidi.

Nei foglietti β paralleli i legami idrogeno sono non planari, sono distorti, l’accettore che è l’O e il donatore (NH) non stanno tutti su un segmento lineare, le catene laterali sono alternativamente sotto e sopra il piano del foglietto. I legami idrogeno possono essere più o meno forti e ciò dipende dalla distanza e dalla planarità, se sono planari è la condizione ottimale. Nei foglietti β antiparalleli i legami idrogeno sono lineari quindi più forti, anche in questo caso le catene laterali sono sopra e sotto il piano del foglietto.

Turns

Sono frammenti molto piccoli di 3 o 4 amminoacidi di catena polipeptidica molto utili, sono punti di brusco ripiegamento della catena. In un foglietto β antiparallelo formato da quattro filamenti beta provenienti da zone adiacenti della catena polipeptidica, per riposizionare il secondo filamento adiacente al primo serve un brusco ripiegamento e questi sono i cosiddetti turn, possono formarsi grazie a un legame idrogeno che tiene insieme la struttura. Si distinguono in β-turn (3 amminoacidi) e γ-turn (4 amminoacidi):

• I β-turns possono essere di tipo I e di tipo II, sono formati da 4 residui in cui C=O del primo residuo forma un legame idrogeno con l’NH del residuo 3, differiscono solo perché in quelli di tipo II il residuo numero 2 ha un sostituente molto ingombrante pertanto il residuo 3 può essere solo una glicina, per questioni di ingombro sterico.
• I γ-turns sono formati da solo 3 amminoacidi dei quali solo uno non è coinvolto nel legame idrogeno, spesso è coinvolta la prolina.

Modelling di strutture secondarie

I diagrammi di topologia mettono in evidenza la presenza di alcuni temi e motivi strutturali, mettendo su un piano la proteina. Metodo Chou-Fasman: esistono metodi bioinformatici di predizione della struttura secondaria basati su tabelle che indicano la propensione degli amminoacidi di dare certe conformazioni. F(i), f(i+1) ecc indicano la propensione dell’amminoacido di stare in posizione 1,2,3 in caso di trovino in conformazione turn.

Struttura supersecondaria

È la presenza di motivi strutturali ricorrenti che derivano dall’accostamento di pochi elementi di struttura secondari.

Helix-loop-helix: È il motivo strutturale trovato in proteine che legano il DNA e in quelle che legano il calcio. È spesso chiamato anche EF hand. Il legame con il calcio avviene nella regione del loop, zona ricca in Asp, Glu, Ser e Thr. Queste proteine presentano residui molto specifici sempre uguali, molto conservati, selezionati per il loro significato fisiologico.

β-turn-β o β-hairpin: È un motivo strutturale presente nella maggior parte dei foglietti antiparalleli. Esiste anche il tema α-hairpin in cui le due α-eliche sono parallele.

Greek key: Viene fuori da un filamento β antiparallelo, ma il riarrangiamento dei turn è diverso (è 4, 1, 2, 3).

β-α-β: I due filamenti β coinvolti sono paralleli. È come se l’ α-elica andasse a riposizionare il secondo filamento β parallelo al primo. L’ α-elica giace o sopra o sotto il piano dei due filamenti β. Questo arrangiamento si chiama anche crossover connection proprio perché l’ α-elica deve attraversare il piano per andare a riposizionare l’altro filamento.

Questi motivi strutturali sono importanti perché dalla ripetizione dello stesso motivo strutturale N-volte viene fuori la formazione dei cosiddetti Domini strutturali. I domini sono tra struttura secondaria e struttura terziaria, sono delle unità compatte di proteina ed è necessario introdurli perché all’interno della stessa proteina posso trovare più domini strutturali. I domini sono unità compatte globulari che si ripiegano indipendentemente dal resto della proteina.

Motivi leganti il DNA nei procarioti

Uno è l’helix-loop-helix. Queste sono tre proteine diverse che hanno in comune l’elica blu e l’elica rossa che sono connesse da un loop. Sono proteine dimeriche, hanno in comune che la distanza tra i due motivi strutturali in tutti i casi è 3,4 Å, che è la distanza tra i passi dell’elica. Queste proteine infatti si infilano nel solco maggiore del DNA proprio grazie a questi motivi strutturali.

Perché proteina e DNA si leghino ci deve essere un riconoscimento chimico tra le parti variabili di una e dell’altra; se la proteina arriva nel punto sbagliato non ci sono abbastanza legami da formare. Ci sono poi interazioni aspecifiche che stabilizzano il tutto tra la parte costante di una e dell’altra, per esempio tra il fosfato del DNA e il backbone della proteina. Le interazioni avvengono fondamentalmente grazie a legami idrogeno. A livello del solco maggiore del DNA i motivi strutturali sono quindi alla distanza giusta e hanno le caratteristiche necessarie per il legame specifico.