Elementi di regolarità della struttura proteica a livello primario

1. Elementi di regolarità della struttura proteica a livello primario • Ogni unità strutturale fondamentale (residuo amminoacidico) è costituita dai piani su cui giacciono gli atomi CO e NH. • La configurazione del legame peptidico termodinamicamente più favorita è la “trans”, tranne nel caso in cui un residuo di Prolina si colloca nella estremità C-terminale • I gradi di libertà rotazionale in corrispondenza degli angoli f, y e c sono limitati da considerazioni steriche dovute alle catene laterali amminoacidiche. • Ponti disolfuro e legami con metalli impongono ulteriori vincoli alla struttura proteica.

2. La struttura tridimensionale • Il “nucleo” proteico è idrofobico • Le cavità proteiche sono rare • Elementi strutturali (strutture secondarie)

3. Elementi di regolarità della struttura proteica: le strutture secondarie elica alfa (alpha-helix) foglietto beta (beta-sheet) Aspetti termodinamici, vincoli strutturali, relazioni funzionali???

4. L’alfa elicaè presente nelle proteine quando una stringa di residui consecutivi presentano TUTTI coppie {f,y} compresi tra {-60 e -50} • L’elica alfa ha proprietà ottiche

5. La formazione di un legame idrogeno tra tutti gli NH e i CO compresi nella struttura. La coppia di {f,y} dell’alfa elica comporta conseguenze strutturali essenziali nella stabilità e nella funzione proteica

6. Un numero ben preciso di residui aminoacidici per giro (3,6). n=3,6 residui 1,5 Å • La dimensione dell’elica è costante • La sua struttura è compatta. A cilindro

7. Nelle alfa eliche le catene laterali sono disposte verso l’esterno 1 5 ~3,6 Å 2 4 7 6 3 scanalatura Creste A nastro

8. La rappresentazione mediante “Helical Wheel” permette di evidenziare specificità chimiche sulla superficie dell’alfa elica • Le proprietà biochimiche della superficie delle alfa eliche sono dettate dalla contiguità di residui amminoacidici distanti in sequenza

9. Le strutture ad alfa-elica in genere si trovano sulla superficie della molecola proteica, con il “lato” idrofilico all’esterno

10. Cb ramificato e con sostituenti in grado di formare legami H Cb ramificato Cb NON ramificato e con sostituenti NON in grado di formare legami H SI Eccezioni Troppo flessibile NO NO Troppo rigido • Nelle alfa eliche si trovano di preferenza solo determinati aminoacidi

11. Le alfa eliche sono strutture dipolari • Le alfa eliche sono elementi strutturali in grado di interagire fra di loro, preferenzialmente in modo antiparallelo • Gruppi o sostituenti carichi si trovano all’estremità delle eliche

12. 7 4 2 1 4n-ridge 3n-ridge Cresta inclinata di 26° rispetto all’asse dell’elica; l’angolo atteso fra due eliche associate è 52° L’angolo atteso fra due eliche associate è 50° nel modello 3n. Le regole di associazione nei domini ad alfa elica • Quando due alfa-eliche interagiscono fra loro, le catene laterali all’interfaccia sono nascoste al solvente. • Le due aree di interfaccia sono complementari. • La superficie di un’alfa elica fitta sull’altra secondo il modello del “scanalature e creste”.

14. 8° Il modello“dei nodi nella cavità” “knobs in holes”

15. Esiste un ordine superiore al secondario? “Anatomia e Tassonomia delle Strutture Proteiche” Richardson, Adv.Prot.Chem. 34, 167-339, 1981)

16. I diagrammi topologici (TOP)http://www3.ebi.ac.uk/tops/ • I TOPs diagram (“cartoons”) indicano l’ordine con cui gli elementi di struttura secondaria (SSE) si susseguono nella struttura 3D rispetto alla struttura 1D. • I TOPs forniscono una migliore proiezione della struttura tridimensionale di una proteina in due dimensioni. • Analizzare le relazione topologiche delle proteine a struttura nota può portare alla conoscenza delle REGOLE DI ASSOCIAZIONE tra elementi di struttura secondaria

17. I motivi strutturali(motifs, folds, protein patterns) • E’ stato osservato che frequentemente nella struttura di proteine si trovano SEMPLICI COMBINAZIONI di POCHI SSEs, definite inizialmente come strutture supersecondarie. • Ad oggi le proteine note sono catalogate in circa 1000 motifs, che costituiscono le unità fondamentali di un nuovo livello strutturale (SCOP). • Analizzare in dettaglio le modalità con cui elementi di struttura secondaria si organizzando in strutture terziarie in proteine a struttura e funzione nota può determinazione in silico delle funzioni proteiche.

18. Proteine di membrana Pori proteici Proteine globulari Mioglobina Proteine fibrose Cheratina, fibrinogeno,.. Domini specifici N-terminale del repressore 434 Le strutture a dominio alfa 202 folds

19. Il motivo a-loop-aCoppia di alfa eliche connessa da un loop

20. elica E elica F Una conformazione in grado di realizzare l’”impalcatura” (scaffold) idonea I vincoli strutturali dei motivia-loop-a leganti il calcio Una sequenza “consensus” in grado di assicurarne la “funzionalità” Le sequenze consensus sono utilizzate per la predizione di similitudini strutturali e funzionali

21. d a a d a d 2 alfa eliche superavvolte(coiled-coil) n=3,5 la regola dell’eptamero Fibrinogeno Collettine Spectrina Distrofina Miosina

22. Il motivo “leucine zipper” “knobs in holes” ogni catena laterale nella regione idrofobica di una delle due aeliche può entrare in contatto con quattro catene laterali della seconda elica

23. Fascio di 4 alfa-eliche intra- o inter- molecolare

24. up and down Fascio di 4 alfa-eliche con assi antiparalleli……

25. …..con il sito di riconoscimento del ligando costituito all’interno delle quattro alfa-eliche

26. Ripiegamento Globinico • core: 6 helices; folded leaf, partly opened

27. Domini ad alfa eliche multiple La proteina delta del cristallino

28. Le funzioni delle strutture supersecondarie ad alfa elica • Due eliche connesse da un loop – centri di legame per metalli • Due eliche superavvolte – moduli di dimerizzazione • Il fascio a 4 eliche – siti catalitici o recettoriali • Ripiegamento globinico – legame con eme • Altro (domini a numero elevato di alfa eliche)

29. FELIX the helix Una proteina ad alfa elica ex-novo • 79 aa non omologa a nessuna proteina conosciuta. • 4 eliche a sequenza diversa. • Eliche formate da 4 giri e collegate da un minor numero di residui possibili. • Un ponte disolfuro. • Scelta della sequenza amminoacidica guidata da considerazioni diverse (biosintesi, propensità, idrofobicità, univoca).