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Maria Assunta Bevilacqua » 1.I livelli di organizzazione strutturale delle proteine


Livelli di organizzazione strutturale delle proteine

Fig. 1.1: la funzione di una molecoleca è il risultato della sua struttura. Le proteine hanno diversi livelli di struttura

Fig. 1.1: la funzione di una molecoleca è il risultato della sua struttura. Le proteine hanno diversi livelli di struttura


La sequenza degli amminoacidi costituisce la struttura primaria

Fig. 1.2: la struttura primaria della Ribonucleasi una proteina con PM 17000, costituita da 124 amminoacidi, secreta dal pancreas con la funzione di catalizzare l’idrolisi di acidi nucleici ingeriti con la dieta

Fig. 1.2: la struttura primaria della Ribonucleasi una proteina con PM 17000, costituita da 124 amminoacidi, secreta dal pancreas con la funzione di catalizzare l'idrolisi di acidi nucleici ingeriti con la dieta


Una catena polipeptidica è una serie di piani rigidi e consecutivi

In una catena polipeptidica:

  • i legami peptidici hanno in comune un unico punto di rotazione: intorno al Carbonio alfa (Cα);
  • i legami peptidici sono limitativi per il numero di conformazioni;
  • gli angoli Φ e Ψ (N-Cα e Ca-C) sono uguali a 180° quando il polipeptide è in conformazione estesa.
Fig. 1.3

Fig. 1.3


Struttura ad α – elica

La struttura ad alfa-elica è la più semplice disposizione che una catena polipeptidica può assumere tenendo conto che: i legami peptidici sono rigidi con l’unico punto di rotazione è intorno al Carbonio alfa (vedi fig. 1.4.1 ). La struttura ad alfa-elica è stabilizzata da legami idrogeno.
Tutte le alfa-eliche sono destrorse (vedi fig. 1.4.2).

Diversi fattori possono impedire la formazione dell’alfa-elica:

  • la presenza dell’amminoacido prolina poiché crea una curva rigida nello scheletro per la sua struttura ciclica;
  • una forte repulsione elettrostatica per la presenza di amminoacidi carichi.
Fig. 1.4.1: la struttura ad alfa-elica è stabilizzata da legami idrogeno

Fig. 1.4.1: la struttura ad alfa-elica è stabilizzata da legami idrogeno

Fig. 1.4.2: tutte le a-eliche sono destrorse

Fig. 1.4.2: tutte le a-eliche sono destrorse


Conformazione β

Nella conformazione beta o a foglietto beta-ripiegato:
Lo scheletro covalente della catena polipeptidica è esteso con andamento a zig zag (vedi fig. 1.5.1).

In un foglietto ripiegato antiparallelo le catene peptidiche sono dirette in direzioni opposte dall’estremità N-terminale alla C-terminale (a).
In un foglietto ripiegato parallelo le catene peptidiche hanno la stessa direzione (b) (vedi fig. 1.5.2).

Fig. 1.5.1: struttura a foglietto beta-ripiegato

Fig. 1.5.1: struttura a foglietto beta-ripiegato

Fig. 1.5.2: strutture a foglietto ripiegato antiparallelo (a), e parallelo (b)

Fig. 1.5.2: strutture a foglietto ripiegato antiparallelo (a), e parallelo (b)


Proteine fibrose

La principale caratteristica delle proteine fibrose è rappresentata dalla disposizione delle Catene polipeptidiche in lunghi filamenti o in foglietti.

L’unità strutturale: è un unico tipo di struttura secondario ripetuto.

Funzione: strutturale – di supporto – meccanica – forma.

Sono proteine insolubili: per l’elevata presenza di amminoacidi idrofobici.

Verranno di seguito descritte nella loro struttura e funzione tre proteine fibrose:

  • Alfa- cheratina;
  • collagene;
  • fibroina.

α – cheratina

La proteina alfa-cheratina é presente: nei capelli, nelle penne degli uccelli, nelle unghie.

Struttura a corda dell’alfa-cheratina

  • Una singola catena polipeptidica (a-elica destrorsa) in un superavvolgimento avvolto (rappresenta la struttura terziaria semplice);
  • Due catene polipeptidiche superavvolte sono stabilizzate da ponti disolfuro e sono un esempio di struttura quaternaria.

La struttura è costituita:

  • due α-eliche destrorse in superavvolgimento avvolto (sinistrorso) formano un dimero;
  • due dimeri si associano testa – coda generando i protofilamenti;
  • i protofilamenti dimerizzano a protofibrille; l’associazione di 4 di esse forma la Microfibrilla;
  • le protofibrille sono stabilizzate da ponti di solfuro.
Fig. 1.6: la struttura dell’alfa-cheratina

Fig. 1.6: la struttura dell'alfa-cheratina


Il collagene

La struttura del collagene è caratterizzata da (vedi figura):

  • una a-elica sinistrosa
  • Unità tripepdica ripetuta
  • Gly-X-Pro
  • Gly-X-HyPro
  • Gly 35% – Ala 11%
  • Pro – HyPro 21%

Catena a: α-elica sinistrosa
Struttura secondaria ripetuta
Gly-X-Pro – Gly-X-HyPro
3 catene a in Superavvolgimento avvolto con andamento destroso (struttura terziaria).

Fig. 1.7: struttura del collagene (unità tripeptidica ripetuta)

Fig. 1.7: struttura del collagene (unità tripeptidica ripetuta)


Il collagene (segue)

Tropocollageno è costituito da 3 catene polipeptidiche avvolte in una tripla elica destrorsa e unite da legami crociati (struttura quaternaria). La sostituzione di un solo residuo di Gly in ogni catena a causa:

  1. rottura dell’unità ripetitiva;
  2. distorsione dell’elica del collagene;
  3. patologie ereditarie tra le quali:
    • osteogenesi imperfetta, caratterizzata da fragilità ossea, talvolta bassa statura e deformità scheletriche progressive;
    • la Sindrome di Ehlers-Danlos (con giunzioni poco salde).
Fig. 1.8: la tripla elica del collagene

Fig. 1.8: la tripla elica del collagene


La fibroina della seta

Fig. 1.9: struttura flessibile. La fibroina della seta è un Foglietto β antiparallelo compatto – Stabilizzato da legami H (Gly- Ser- Gly- Ala- Gly- Ala)n . Questo tipo di struttura conferisce una grande flessibilità

Fig. 1.9: struttura flessibile. La fibroina della seta è un Foglietto β antiparallelo compatto - Stabilizzato da legami H (Gly- Ser- Gly- Ala- Gly- Ala)n . Questo tipo di struttura conferisce una grande flessibilità


Proteine globulari

Nelle proteine globulari la catena polipeptidica è avvolta su sé stessa:

  • i Residui idrofobici sono raggruppati all’interno della proteina;
  • i Legami idrogeno tra gruppi polari: vanno incontro ad un meccanismo cooperativo;
  • le Interazioni non covalenti: stabilizzano la conformazione proteica.

Sono macromolecole a struttura compatta; hanno forma più o meno sferica o globulare e sono solubili.

Nelle proteine globulari:

  • le interazioni idrofobiche hanno un ruolo importante nella stabilizzazione  della struttura terziaria.
  • i residui idrofilici si trovano in superficie a contatto con l’acqua o con altri componenti proteici (come mostrato in Figura).
Fig. 1.10: la catena polipeptidica è avvolta su sé stessa

Fig. 1.10: la catena polipeptidica è avvolta su sé stessa


Le forze che stabilizzano la struttura terziaria

Fig. 1.11: forze che stabilizzano la struttura terziariata

Fig. 1.11: forze che stabilizzano la struttura terziariata


Domini proteici

  • Le α – eliche ed i foglietti β possono combinarsi formando strutture supersecondarie motivi o ripiegamenti.
  • Sono organizzazioni stabili di pochi elementi di struttura secondaria tenuti insieme da elementi di connessione.
  • Motivi semplici  o complessi sotto forma di unità ripetitive o in combinazioni.

Caratteristiche dei Domini Proteici

  • sono Unità strutturalmente indipendenti;
  • sono costituite da 100 – 200 residui Aa;
  • sono stabili e sempre conservati;
  • sono la sede della funzione biologica;
  • legano o interagiscono con altre proteine o con altre molecole.
Fig. 1.12.1: alcuni esempi di motivi proteici (a) un motivo βαβ (b) un ripiegamento a forcina β (c) un motivo αα e (d) un barile

Fig. 1.12.1: alcuni esempi di motivi proteici (a) un motivo βαβ (b) un ripiegamento a forcina β (c) un motivo αα e (d) un barile

Fig. 1.12.2

Fig. 1.12.2


Ipotesi di Anfinsen

Christian Anfinsen, 1950: l’informazione codificata nella sequenza amminoacidica di una proteina contiene tutte le informazioni necessarie per ripiegare la catena nella sua struttura tridimensionale nativa.
Alla struttura tridimensionale di una proteina  è associata la Funzione Biologica. Una proteina nella sua forma funzionale è detta:  proteina nativa.
Come fa una proteina a ripiegarsi nella sua conformazione nativa?

  • Il ripiegamento non è casuale.
  • La struttura primaria dirige la costruzione dello stato nativo.

Esiste una gerarchia precisa suddivisa nelle seguenti tappe:

  • regioni a struttura secondaria guidate dalle costrizioni tipiche di queste strutture;
  • formazione di nuclei idrofobici compatti;
  • strutture supersecondarie;
  • formazione di domini;
  • viene raggiunta la conformazione nativa.

Il processo avviene in maniera cooperativa.

Denaturazione di una proteina

L’ipotesi di Anfinsen si basa sul fenomeno della denaturazione.

Una proteina che si denatura va incontro a una perdita della conformazione e della struttura tridimensionale.

La denaturazione può avvenire per effetto di:

  • variazione di pH (aumento o diminuzione);
  • variazione della temperatura (aumento);
  • per azione di agenti chimici (solventi organici, urea, detergenti).

Un esempio di denaturazione

Fig. 1.13: denaturazione riduttiva e rinaturazione ossidativa dell’RNasi A

Fig. 1.13: denaturazione riduttiva e rinaturazione ossidativa dell'RNasi A


Ipotesi termodinamica di Anfinsen

Lo stato nativo è il minimo assoluto dell’energia libera della proteina.
Una catena polipeptidica può assumere molteplici conformazioni (elevato grado di entropia).

Una proteina assume un’unica conformazione: quella termodinamicamente più stabile cioè quella con minore energia libera.

Il folding delle proteine

Fig. 1.14: il problema del “folding”: che cosa determina la struttura tridimensionale delle proteine?

Fig. 1.14: il problema del "folding": che cosa determina la struttura tridimensionale delle proteine?


Il folding delle proteine visto come imbuto di energia libera

Si verifica un Collasso idrofobico con le seguenti tappe:

  1. la catena polipeptidica non è avvolta;
  2. entra in un imbuto di energia e si formano strutture intermedie;
  3. il processo procede con la diminuzione di entropia e di energia libera;
  4. la proteina raggiunge il suo stato nativo.
Fig. 1.15: termodinamica del folding visto come imbuto di energia libera

Fig. 1.15: termodinamica del folding visto come imbuto di energia libera


Simulazione al computer del Folding di una proteina

Il processo di folding delle proteine, ovvero il meccanismo di 
ripiegamento con cui raggiungono la confomazione biologicamente attiva

Il processo di folding delle proteine, ovvero il meccanismo di ripiegamento con cui raggiungono la confomazione biologicamente attiva


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