Strutturistica di Macromolecole

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 Amstrong che 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

catene laterali giuste per interagire con le basi del Dna. Molto spesso il binding delle proteine al

Dna causa delle distorsioni locali necessarie

Il tema helix-loop-helip si può trovare anche nelle proteine che legano il Dna negli Eucarioti.

Es. la TATA box binding protein (TBP) che induce un cambiamento strutturale nel Dna

la P53 che si trova mutata in alcuni tipi di tumore

La sua particolare struttura presenta tre domini:

la parte rossa è quella che lega il Dna, mentre il C-

terminale (blu) è il dominio di oligomerizzazione.

Analizzando le mutazioni più frequentemente trovate

in molti tipi di tumore si è visto che c’è una forte

correlazione con i residui imputati al binding con il

Dna, si è visto che l’arginina 248 è mutata nel 9,8 %

nei casi, per cui la p53 non può più legare il Dna.

Un:altro motivo che lega il Dna negli Eucarioti è Zinc- Fingers

L’alfa-elica il loop e i due filamenti- beta

formano un po’ un dito che si va ad infilare

nel solco maggiore del Dna, questo dito è

tenuto in questa conformazione perché un

atomo di Zinco, coordinato da due residui di

istidina e due residui di cisteina.

Ci sono zinc fingers più complessi che hanno

due atomi di zinco e richiedono 6 atomi di

cisteina che coordinano il metallo .

Leucine Zippers Sono motivi formati da due alfa eliche che si accostano e

sono tenuti insieme perché c’è un interfaccia piena di

residui di leucina che formano un core idrofobiche, quindi

le due eliche sono tenute insieme dalle interazioni

idrofobiche tra i vari residui di leucina, questa cerniera si

può aprire parzialmente e andarsi ad infilare nel solco

maggiore del Dna

Struttura terziaria

I domini sono le unità fondamentali della struttura terziaria.

Il dominio è una pozione della proteina che si ripiega in modo indipendente dal resto della catena.

I domini spesso sono unità funzionale, per esempio un dominio è il sito di legame per un cofattore

e l’altro è il sito catalitico dell’enzima. Ci sono metodi computazionali che permettono di

discriminare quanti domini ci sono in una proteina

proteina con un dominio proteina con due domini

Struttura quaternaria

Si ha nel caso in cui più catene si assemblano a formare una proteina multimerica. Ciascuna catena

è chiamata subunità.

Gli anticorpi sono un esempio di struttura quaternaria, ci sono più catene polipeptidi che, divise in

catene pesanti e catene leggere

Folding delle proteine

Nella formazione della struttura sia terziaria che quaternaria ci sono delle forze che guidano il

ripiegamento in base alla sequenza amminoacidica.

Il folding avviene non appena la proteina esce dal ribosoma.

I legami che si formano sono interazioni deboli: legami idrogeno che posso coinvolgere sia gruppi

del backbone che delle side chain. Un’altra forza che lega il folding proteico è la forza idrofobica:

una proteina nel citoplasma tenderà a ripiegarsi in maniera tale che i residui idrofobici vadano nel

core della proteina, ad ogni aa può essere associato un valore di idrofobicità in una scala (es.

profili di idrofobicità). Ci possono essere interazioni elettrostatiche tra residui di cariche opposte

che formano ponti salini e infine possono esserci interazioni di van del Waals. Tra due atomi c’è

una distanza interatomica ottimane alla quale i due atomi interagiscono ottimamente, se sono

troppo vicine le nuvole atomiche degli atomi vanno a compenetrarsi, se troppo lontani non

interagiscono neanche. I ponti di solfuro che si formano quando due residui di cisteina sono vicina,

in condizioni ossidanti, stabilizzano ulteriormente la struttura, sono legami covalenti.

Queste stesse interazioni coinvolgono anche la formazione della struttura quaternaria.

Maggiori sono le interazioni che mantengono la proteina foldata, maggiore sarà la forza necessaria

a rompere i legami.

Quando la proteina non è foldata, è random coil, quando inizia il folding il random-coil si organizza

in diversi stadi intermedi che convergono verso la formazione della struttura nativa, che poi è

quella funzionale. La proteina sa come foldarsi, l’ informazione è già presente nella sequenza ,

durante il folding la proteina deve oltrepassare delle barriere energetiche per arrivare allo stato

foldato che è quello con il minimo di energia possibile, ovvero stabilità maggiore, tante interazioni

formate. La natura tende a selezionare un numero piuttosto ridotto di domini

rispetto a quelli che si potrebbero predire basandosi sulla sequenza.

Quindi da sequenze diverse posso ottenere stessi domini e questo è un

esempio di evoluzione molecolare convergente. Ci sono anche dei casi

in cui sequenze molto simili, con poche sostituzioni amminoacidiche,

possono dare origine a scaffold molecolari molto diversi, questo è un

esempio di evoluzione molecolare divergente.

Esistono banche dati di domini: CATH e SCOP che raccolgono tutti i

domini molecolari noti.

La classificazione dei domini si basa sugli elementi di struttura

secondaria al loro interno:

Singola proteina che si avvolge a Domini tutti α→ solo -eliche

formare quattro domini Domini tutti β → solo β-foglietti

Domini α/β→ un’ alternanza di elementi α e β

Tutti gli altri vengono chiamati domini α+β

Nei domini tutti α le eliche non sono del tutto parallele e ciò è dovuto ad una ragione strutturale,

dalle eliche sporgono le catene laterali e per far sì che due eliche interagiscono bene, bisogna

incastrare una catena laterale nei solchi lasciati dalle catene laterali dell’altra α elica ruotando le

catene di 18/20° l’una rispetto all’altra. Un’altra soluzione è quella di ruotare un elica rispetto

all’altra di circa 50°. Un esempio è quello che succede nel folding della Globina, abbiamo 8 α-eliche

più o meno lunghe e il loro arrangiamento è tale che formano una tasca idrofobica che lega l’EME,

e viene sempre rispettata la regola dei 20° o 30° gradi in modo che le interazioni di van der Waals

degli atomi sulle catene laterali vengano massimizzate.

Domini α/β: Nella struttura a sinistra a botte (barrel) la proteina

invece di stare lineare come sul diagramma di topologia

tende a ripiegarsi in modo da avvolgere una struttura

cilindrica teorica con i suoi elementi β, le α eliche

stanno tutte all’esterno della botte. Questa struttura è

più stabile perché il filamento β si forma tra filamenti β

adiacenti, quindi le α-eliche andrebbero ad interferire

con la formazione del foglietto β per cui è più

conveniente spostare le α eliche tutte da una parte e

Barrel Sheet massimizzare le interazioni tra i foglietti β, nella

Una struttura a botte α/β è favorita rispetto ad un foglietto α/β. Questo tipo di dominio è molto

struttura a botte c’è un legame idrogeno in più tra il

conservato nelle proteine, il primo enzima in cui è stato descritto è la Triosofosfato isomerasi per

primo e l’ultimo foglietto β

questo dominio viene chiamato anche botte TIM. La troviamo soprattt in idrolasi.

Il dominio α/β lo troviamo in enzimi diversi, la variabilità è associata alle regioni loop, che

rimangono filamento disorganizzato, che possono legare substrati diversi. Le catene laterali in un

foglietto β stanno al di sotto e al di sopra del piano del foglietto che in questo caso è la botte,

all’interno della botte ci sono diversi layer, quelli più interni sono formati da aa idrofobici, mentre

quelli più esterni devono iniziare ad interagire con il solvente, pertanto saranno polari e carichi.

I foglietti α/β sono diversi, in questi domini le α-eliche sono da entrambi i lati e la struttura non

tende a richiudersi, in questa topologia ci sono due elementi di struttura secondaria che portano

dei loop che vanno da parti opposte, è lo switching point ed è importante perché forma delle

fessure, questa fessura è importante perché normalmente alloggia qualcosa, un substrato, un

cofattore.

Domini tutti β:

Barrels Greek key Jelly rool

Struttura botte tutta β: i foglietti β sono antiparalleli

Botte a chiave greca: deriva dall’unione di due motivi a chiave greca

Jelly roll: ci sono dei loop che attraversano le vasi della struttura cilindrica, ricoprono le basi come

la gelatina sulle basi.

Proteine di membrana

Ci sono proteine che stanno sulla membrana della cellula, nucleare, del RE, dei mitocondri che

sono coinvolte in processi processi che permettono la sopravvivenza.

Per capire come sono fatte bisogna risolverne la struttura, usando cristallografia a raggi X o NMR

che richiedono un campione puro. Per avere un campione puro devo estrarre la proteina dalla

membrana, ma le sue regioni molto idrofobiche in acqua andrebbero incontro ad aggregazione

casuale. Per le proteine estrinseche (che attraversano solo una volta la membrana) è tutto molto

più semplice, mentre quelle intrinseche (che attraversano molte volte la membrana) sono più

difficili da purificare. Si utilizzano molecole che hanno le stesse caratteristiche dei fosfolipidi di

membrana, molecole antipatiche, ovvero i detergenti. Quando estraiamo delle proteine di

membrana con dei detergenti la zona idrofobica della proteina va ad interagire con le code apolari

dei detergenti, è come se i detergenti facessero da tramite tra le regioni idrofobiche della proteina

e l’acqua, così si può avere una soluzione cristallizabile, perché le proteine si aggregano seguendo

un ordine specifico che