Proteine: Struttura, Funzione e Proprietà, Slide di Fenomeni Fisico Chimici Nei Sistemi Biologici

Scarica Proteine: Struttura, Funzione e Proprietà e più Slide in PDF di Fenomeni Fisico Chimici Nei Sistemi Biologici solo su Docsity! = c Struttura Struttura Struttura Struttura primaria secondaria terziaria quaternaria Struttura e funzione Il macchinario per la replicazione del DNA Sezione trasversale di muscolo di insetto, disposizione esagonale di segmenti proteici Cambiamenti conformazionali nella Lattoferrina in seguito al legame con l’atomo di Ferro Coefficiente di estinzione (M-! cm!) toano 5000 6000 |- 4000 2000 220 Gli amminoacidi Fenilalanina (Phe, F) Ne oo Prolina (Pro, P) 240 200 280 300 320 Lunghezza d'onda (nm) Catene Laterali aromatiche *HaN—C—C007 H Fenilalanina (Pie, P) Tirosina Me, Tripiofano (Teo, Gli amminoacidi AA idrofobi H H H, He. CH, HG, NY coo- NH; COO- NH+ c00- H h NH+ CO0. H G Gly A Ala V Val P_Pro 2 ch, Hc NH, C00- NH+ COO- H H M Met I Ile CH, CH, h NH;+ coo- NH, c00- Serina (set, Sì AR w d } *Hi "c00 OH CH, *HiN—C—C00 H Serina (Ser, S} us hg Hi “coo Cisteina (Cys, 0) Treonina (The. T) OH H—C—CH; *HgsN—C—C007 H Treonina (The. 7) SH CH, *HiN — C_C007 Gruppi ossidrilici Gli amminoacidi ° f pes ) Hi de, n Vl o *HaN “oo : Cisteina è (vs) | c=0 NH | H-C-CH:-SH * HS-CH € H NH Cc=0 0— Cysteine 4 0 Cysteine residue Ù residue [ c=0 DE H-C—-CH_S-S-CH,-C-H Ì NH C=0 cistina Proprietà acido base degli AA 12 10} 0 pK, ee | co Me pÉ, ge" E go + 4A e 0.5 10 15 HT lons dissociated/molecule 2.0 Proprietà acido-base degli AA acidi C00H COOH coo- SE FA Sa 2‘ HI cook 3 JAN Nooo. pH bassi pH alti carica + 0 A 2 Proprietà acido-base degli AA neutri R R R sn lE H+ 3HN a HNT SCOOH Ti HNT “Coo. coo. al punto isoelettrico (PI) ione dipolare (non migra) a pH alto (migra all'anodo) a pH basso (migra al catodo) Proprietà acido base degli AA Punto isoelettrico AA neutri: PI = media dei pK, dei due gruppi AA non neutri = media dei pK, dei due eruppi dello stesso tipo AA PI AA PI “> Entrambi i gruppi non protonati “ Zwitterioni dly 60 57 É Ala 60 5 Entrambi i gruppi Val 60 59 3 protonati Leu 60 15 5 Tleu 60 97 Phe 60 Ser SI Q 2 4 6 & 10 12 14 The 56 pr Cys 51 Met I Proprietà acido base degli AA Tabella 3.1 Walori di pK, di gruppi fonizzabili delle proteine Grappa Acido Base PE, tipico” 9 o Il RI f- Gruppo a-carbossilico terminale pla 4 25% da 2° £ È 7 ; o o Tabella 3.4 Valori di pK, di alcuni amminoacidi o o Acido aspartico ei LEI si Acido glutammico 0 o Amminoacido a Alanina Glicina Istidina Fenilalanina Gruppo o-amminico terminale 4,9 43 6 84 10,9 10,5 12,5 Cisteina Tirosina Lisina Arginina Lisina 10,8 fa dsl. J. War 12,5 Le sequenze amminoacidiche delle proteine Insulina Bovina (Sanger 1953) Catena A s Ì ni Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-GIn-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn ‘be 5, 10 15 21 5 Ss i Catena B î s Phe-Val-Asn-GIn-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Ala 5 10 5: 20 25 30 Table 5-1. Compositions of Some Proteins Amino Acid Molecular Protein Residues Subunits Mass (D) Proteinase inhibitor Ill {melon) 30 l 3,409 Cyiochrome e (human) 104 1 13,000 Ribonuelease H (E. coli) 155 l 17,600 Interferon-y trabbio) 288 1 34,200 Chorismate mutase (Bacillus subtilis) 381 3 43,500 Triose phosphate isomerase (E. colì) 510 z 56,400 Hemoglobin (human) 574 4 64,500 RNA polymerase (bacteriophage T7) 883 1 98,000 Nucleoside diphosphate kinase 930 6 102,000 (Dictyostelium discoideram) Pyruvate decarboxylase (yeast) 2752 4 250,000 Glutamine synthetase (£. colì) 5616 LL 600,000 Titin (human) 26,926 1 2,990,000 x x La proteina più grossa conosciuta Le sequenze amminoacidiche delle proteine Limiti alla taglia di polipeptidi 40 unità è stimato come la dimensione minima per potere dare una struttura piegata stabile Proteine con centinaia di unità di AA sono al limite della capacità dei sistemi di sintesi. Più esteso il polipeptide (quindi il mRNA e il gene corrispondente), maggiore è la probabilità di introdurre errori durante la trascrizione e la traslazione Abbondanza relativa G A 7 L M 78 66 sl 6a 43 43 Dagli amminoacidi alle proteine: il legame peptidico Legame planare Lunghezze di legame Aa normale Prolina Struttura secondaria:l’a-elica © q 0 Qu 0 Struttura secondaria:l’a-elica (AI Q (8) o Ferritina Rappresentazioni schematiche AVV AVIV: ANA a-elica avvolta: cheratina NAAVABDA J MOTI rr RARAAAAN A Struttura secondaria:l’a-elica Periodi di ripetizione in a-eliche +180 x 120 | | 3.6 residui per giro | 54 A di passo ES °° x Mediamente 12 residui = 3 giri di elica= 18 A o |_\ (oto n In una o-elica i legami idrogeno si formano fra il C=0 ] del residuo ennesimo con il gruppo N-H del residuo -120|- Elica destrogira n+4esimo distanza ottimale 2.8 A d —60 (comune) | " È iii PA Viene chiamata anche a-R 18 -—180 —120 -60 0 60 120 +180 da Gli angoli di torsione di una a-elica sono di gd =—57° e y=-47° questi valori si collocano in una zona permessa nel quadrante in basso a sinistra del diagramma di Ramachandran. L° u-elica è l’unica elica in una catena peptidica che abbia sia i valori degli angoli torsionali sia le distanze dei legami a idrogeno ottimali (2,8 A) La struttura secondaria: foglietti B 4180 120 —120 \ I Strutture | ni. di 1 -180 È -180 -120 -60 0 60 dn 120 +180 periodo 7 A periodo 6 A  Proteine fibrose: molecole decisamente allungate la cui forma è determinata da un unico tipo di struttura secondaria. a-cheratina: un’ a-elica formata dall’avvolgimenti di due a-eliche con una unità di ripetizione di 3.5 unità per giro (dura , insolubile Resistente) fibroina della seta: foglietti P-antiparalleli (filamenti lessibili) (G-S-G-A-G-A)n Collagene: 3 a-eliche avvolte 30% G, 15-30% P. + 4-OH-P, 3-OH-P, 5-OH-K (molto resistente alla tensione, non elastico) La struttura terziaria: la mioglobina La struttura terziaria: la porina Canale idrofilico : Ambiente in gran riempito d'acqua parte idrofobico La struttura quaternaria Proteina CD4 della superficie cellulare: 4 domini simili Proteina Cro del batteriofago λ Due subunità identiche Emoglobina umana: domini uguali a due a due Struttura tridimensionale Ribonucleasi nativa Riduzione con B-mercaptoetanolo Eccesso é È —. |. Proteina} ; 4 4 a Struttura tridimensionale 95 / e . 58 40 E ® e” a Ì SH x x ì | \ Sas Urea 8Me i da HS HS d f-mercaptoetanolo 110g@gy HST HS} ® \ n 26 124 Ribonucleasi ridotta denaturata RA Je? SL Met cia, tag > 65 f 24 gp 55 Tio 40° n sr i 58 Tracce di iti B-mercaptoetanolo Ribenucleasi nativa Ribonucleasi «strapazzata» Struttura tridimensionale I legami disolfiro non sono essenziali per la stabilizzazione della proteina (proteine con Cs derivatizzate sono ancora capaci di assumere una conformazione corretta). I Legami S-S sono importani nel bloccare una conformazione in modo temporaneo mentre la proteina passa da una forma stirata alla proteina mona. Ilegami disolfiuro sono spesso presenti in proteine extracellulari (ambiente ossidante) e meno nelle proteine intracellulari (ambiente nducente) Gli ioni metallici possono avere una funzione cross-linkante: certe strutture proteiche contengono da 25 a 60 residui AA coordinati attomo a ioni Zn°” che si legano, grazie agli elettroni dello strato d completo, con coordinazione tetraedrica con Cys, His, Asp o Glu. Questi insieme vengono definiti come zinc fingers. Un vantaggio di questo metallo è di non avere altri stati di ossidazione. Struttura tridimensionale Studi recenti suggeriscono che il folding sia diretto in grande misura dai residui che occupano L’interno della proteina . Se la proteina impiegasse 10113 s (il tempo con cui un legame singolo piegata È È a si riorienta) per esplorare ogni singola conformazione, il tempo impiegato per una proteina di 100 AA sarebbe intorno at = 109%, . . . TI 0 " 3 Ò A 4 Raina II processo avviene attraverso l'esplorazione di tutte le enormemente maggiore dell’apparente età dell'universo. conformazioni possibili fino a trovare quella giusta? . . . o. Sperimentalmente si osserva che una proteina denaturata impiega pochi secondi a piegarsi: Supponiamo che per una proteina di n termini con 2° angoli Le proteine raggiungono la loro struttura nativa attraverso un torsionali | e g ciaseuno con 3 valori corrispondenti a sit. di percorso orientato e non casuale stabilità, fornirebbe (senza tener conto delle catene laterali) 7 è . a aqugo 3° = circa 10° conformazioni possibili. Vogliamo predire la conformazione di un peptide di 11 AA. Restringiamo i possibili angoli ad una precisa regione del diagramma di Ramachandran assegnando 2 possibili valori degli angoli torsionali $ e © per ogni legame peptidico. Siccome nel peptide ci sono 10 legami, le conformazioni possibili sono 2!°= 1024 : anche per una struttura semplice, il numero di strutture da ispezionare per prevederne la conformazione è molto grande Struttura tridimensionale In alternativa, la previsione della struttura può essere fatta allineando la struttura primaria con sequenze note in data bases di proteine e da queste risalire, se disponibili, alle strutture ai raggi X. I dati possono poi essere elaborati con programmi di molecular design DO NH} Struttura tridimensionale Interazioni non covalenti legame idrogeno fra peptidi legame idrogeno fra gruppi neutri legame idrogeno fra gruppi neutri e carichi legame idrogeno fra peptidi e gruppi -R legame idrogeno o ionici fra gruppi carichi 10-22 kJimo! 10-22 kJimo! 10-22 kJimol 10-22 kJimol 50 kJimol interazioni idrofobiche 1.22ktmol interazioni idrofobiche 7 &limol fra anelli aromatici interazioni DI idrofobiche si interazioni idrofobiche 4 324ymo! fra legame pepridieve - LUI parte del gruppo R perche interazioni repulsive Si (epr Struttura tridimensionale Non ripiegata 8 [Proteina denaturata], #5 [Denaturante] — Denaturazione e Rinaturazione - Il riscaldamento (in un piccolo intervallo di temperatura) provoca immediato cambiamento di proprietà come ass UV, rotazione ecc.. indicando che avviene un processo di unfolding o fusione. Proteine termostabili. - Variazioni di pH possono avere lo stesso effetto - Detergenti Agenti caotropici (urea, suanidina) hanno la capacità di rompere interazioni idrofobiche agendo da denaturanti Metodi spettroscopici: l'assorbimento UV di una proteina nativa (N) ha unì, intorno a 280 nm (dipende principalmente dal contenuto di Trp Tvr) In una proteina denaturata (U) questi AA passano da un interno non polare al contatto con il solvente: questo causa una diminuzione sia di Ama che del coefficiente di assorbimento. Vanazioni piccole Metodi spettroscopici: fluorescenza Trp ha una debole fluorescenza a 350 nm in sol. acquosa e a 330 nm in un solvente non polare. La misura della fluorescenza di una sol. di una proteina a 330 nm in funzione della temperatura consente di costruire una curva di denaturazione caratterizzata falla T,, la temperatura alla quale si osserva la denaturazione del 50% della proteina. (T,, gen 40 °C. organismi termofili => 100°C) = n ® n % i | 5 Fioorescence intensity (erbitrary units) w ” “ » Temperature ("C) ST Fluorescenza La Fluorescenza può essere definita come l’assorbimento molecolare dell’energia luminosa (fotone) ad una certa lunghezza d’onda e la sua ri- emissione ad un’altra lunghezza d’onda. Struttura tridimensionale e patologia Le proteine si piegano in modo gerarchico con la formazione di picoli elementi ordinati dai quali nascono elementi di ordine superiore........ Il folding procede da uno stato di alta energia- alta entropia ad uno di bassa energia-bassa entropia. Mentre si piega verso un numero sempre minore di possibili conformazioni si ha una diminuzione di S e di G allo stesso tempo. Tuttavia proteine con un folding errato sono frequenti Modifiche alla catena polipeptidica stabilizza la struttura del collagene (scorbuto da carenza di vitamina C) nella protrombina (coagulazione) insufficiente se vitamina K è carente aumenta l’idrofilia membrane cellulari interruttori reversibili di processi cellulari Acetilazione dei gruppi amminici terminali Modifiche alla catena polipeptidica: proteina verde fluorescente