Post on 01-May-2015
L’Organizzazione Strutturale delle Proteine:
dalla Termodinamica alla Bioinformatica
Prof. Mauro Fasanomauro.fasano@uninsubria.it
Proteine
• Composti polimerici formati per condensazione di aminoacidi
• La traduzione funzionale del messaggio codificato all’interno della cellula
I sistemi viventi seguono una logica molecolare
• Una cellula è un sistema isotermo di molecole, in grado di autoassemblarsi e autoperpetuarsi, che estrae energia libera e materiali grezzi dal suo ambiente.
• Nella cellula avvengono reazioni chimiche regolate da catalizzatori che essa stessa produce.
• La cellula mantiene il suo stato stazionario di non-equilibrio rispetto all’ambiente attraverso il massimo risparmio energetico.
I sistemi viventi seguono una logica molecolare
• L’autoreplicazione è consentita da un sistema che contiene l’informazione codificata in modo lineare ed in grado di ripararsi. L’informazione lineare è sufficiente a definire una struttura tridimensionale che determina la funzione biologica.
• La struttura tridimensionale delle biomolecole e dei complessi supramolecolari è stabilizzata dalla sinergia di interazioni deboli (non covalenti) che agiscono in modo cooperativo.
Un semplice dipeptide
Ci sono venti aminoacidi diversi
Ci sono venti aminoacidi diversi
Ci sono venti aminoacidi diversi
Ci sono venti aminoacidi diversi
Ci sono venti aminoacidi diversi
Ci sono venti aminoacidi diversi
Una proteina è una combinazione di N aminoacidi presi tra 20 possibili?
• NO! Una proteina è caratterizzata da una precisa forma nello spazio che ne garantisce la funzione (Folding)
La struttura di una proteina può essere descritta attraverso quattro
livelli di organizzazione
Primo livello: la sequenza(struttura primaria) formata da
legami covalenti
Phe-Leu-Ser-Cys-Pro-Gly
FLSCPG
Secondo livello: l’organizzazionenello spazio dello scheletro della
catena attraverso legami idrogeno
Che cos’è il legame idrogeno?!?
Legame idrogeno
Quale conformazione dello scheletro permette di ottenere il maggior numero
di legami idrogeno?
Due conformazioni prevalenti:α-elica e foglietto β
Quale delle due?
• Alcuni aminoacidi preferiscono assumere una delle due strutture
• Alcuni aminoacidi non possono assumere una delle due strutture
• Abbiamo considerato solo lo scheletro!!
Terzo livello: l’interazionenello spazio di elementi di struttura secondaria attraverso legami non
covalenti
• Interazioni elettrostatiche• Interazioni dipolari• Forze di dispersione• Effetto idrofobico• Unica eccezione covalente:
il ponte disolfuro
Energie di legame
• Covalente > 300 kJ/mol
• Non covalente:– ioniche 80 - 90 – legame idrogeno 20– dipolo-dipolo 8 - 10– London < 1
L’effetto idrofobico
Formazione di un clatrato
-Debole contributo entalpico intramolecolare favorevole -Debole contributo entropico intramolecolare sfavorevole -Forte contributo entropico intermolecolare favorevole
Quindi...
Quarto livello: catene polipeptidiche autonomamente strutturate
interagiscono tra loro a formare un’unica supramolecola
L’interazione tra le subunità in una struttura quaternaria riduce la libertà
conformazionale di ciascuna subunità
Si formano così interruttori molecolari (trasportatori, recettori, enzimi, ecc.) REGOLAZIONE!!
Esempio: il recettore del GABA
Possiamo prevedere la struttura di una proteina?
• Calcolare ab initio: NO, troppi gradi di libertà
• Allora: Apprendere dall’evidenza.
È possibile determinare sperimentalmente la struttura delle proteine attraverso metodi fisici (risonanza magnetica nucleare e diffrazione dei raggi X in cristalli singoli)
Similarità di struttura e similarità di sequenza
Coppie di proteine con struttura simile
Coppie di proteine con struttura diversa
Similarità di sequenza e omologia TRYI_DROME : ENTK_PIG/8 : THRB_BOVIN : KLK1_MOUSE : CTRA_BOVIN : CTR1_ANOGA : CTRL_HALRU :
IIGGSDQLIRNAPWQVSIQISAR----HECGGVIYSKEIIITAGHCLHER-SVTLMKV-----RVGA---QNHNYGG-TLVPVAAY--KVHEQFDSRFLH---IVGGNDSREGAWPWVVALYYNG----QLLCGASLVSRDWLVSAAHCVYG----RNLEPSKWKAILG--LHMTSNLTSPQIVTRLIDEIVINPHYNRRRKD---IVEGQDAEVGLSPWQVMLFRKSPQE--LLCGASLISDRWVLTAAHCLLYPPWDKNFTVDDLLVRIGK-HSRTRYERKVEKISMLDK-IYIHPRYNWKEN----IVGGFNCEKNSQPWQVAVYRFT----KYQCGGILLNVNWVLTAAHCHND-----KYQV-----WLGK-NNFLEDEPSAQHRLVSK--AIPHPDFNMSLLNEHTIVNGEEAVPGSWPWQVSLQDKTG---FHFCGGSLINENWVVTAAHCGVT----TSDVV-----VAGEFDQGSSSEK-IQKLKIAK--VFKNSKYNSLTIN---VVGGEVAKNGSAPYQVSLQVPGWG---HNCGGSLLNDRWVLTAAHCLVG-HAPGDLMV-----LVGT---NSLKEGG-ELLKVDK--LLYHSRYNLPRFH---IVGGSNAAAGEFPWQGSLQVRSGTSWFHICGCVLYTTSKALTAAHCLSN--SASSYRL--G---FGMLR-MNNVDGTEQYSSVTS--YTNHPNYNGNAAG---
: 84 : 90 : 95 : 86 : 85 : 85 : 90
TRYI_DROME : ENTK_PIG/8 : THRB_BOVIN : KLK1_MOUSE : CTRA_BOVIN : CTR1_ANOGA : CTRL_HALRU :
--------YDIAVLRLSTP-LTFGLSTRAINLAS---TSP--SGGTTVTVTGWGH----TDNG---ALSDSLQKAQLQIIDRGECASQKFGYGAD-FVGEETI--------SDIAMMHLEFK-VNYTDYIQPICLPE---ENQVFPPGRICSIAGWGK---VIYQG---SPADILQEADVPLLSNEKCQQQMP-EYN---ITENMM------LDRDIALLKLKRP-IELSDYIHPVCLPDKQTAAKLLHAGFKGRVTGWGNRRETWTTSVAEVQPSVLQVVNLPLVERPVCKAS---TRIR--ITDNMFPQPEDDYSNDLMLLRLKKP-ADITDVVKPIDLPT---EEP--KLGSTCLASGWGS---ITPVKY--EYPDELQCVNLKLLPNEDCAKA---HIEK--VTDDML--------NDITLLKLSTA-ASFSQTVSAVCLPS---ASDDFAAGTTCVTTGWGL---TRYTNA--NTPDRLQQASLPLLSNTNCKKY---WGTK--IKDAMI--------NDIGLVRLEQP-VQFSELVQSVEYSE-----KAVPANATVRLTGWGR---TSANG---PSPTLLQSLNVVTLSNEDCNKK---GGDPGYTDVGHL------YPNDIAVLRLTSSMDTSSSAVGPSVWLL---------VERLCRTNMYDQR--MGKTQWRWQHPNNLQKVDMTVLTNSDCSSRWSGISGAT-VNSGHI
: 165 : 171 : 186 : 173 : 166 : 165 : 175
TRYI_DROME : ENTK_PIG/8 : THRB_BOVIN : KLK1_MOUSE : CTRA_BOVIN : CTR1_ANOGA : CTRL_HALRU :
CAAS----TD-ADACTGDSGGPLVASSQ------LVGIVSWG-YRCADDNYPGVYADVAILRPWICAGYE--EGG-IDSCQGDSGGPLMCLEN--NRWLLAGVTSFG-YQCALPNRPGVYARVPKFTEWICAGYKPGEGKRGDACEGDSGGPFVMKSPYNNRWYQMGIVSWG-EGCDRDGKYGFYTHVFRLKKWICAGDM--DGG-KDTCAGDSGGPLICDGV------LQGITSWGPSPCGKPNVPGIYTRVLNFNTWICAGA----SG-VSSCMGDSGGPLVCKKN--GAWTLVGIVSWG-SSTCSTSTPGVYARVTALVNWVCTLTK---TG-EGACNGDSGGPLVYEGK------LVGVVNFG-VPCALG-YPDGFARVSYYHDWVCIFE----SG-RSACSGDSGGPLVCGNT------LTGITSWGISSCSGS-YPSVYTRVSSFYNWV
: 218 : 230 : 250 : 229 : 223 : 218 : 228
L’evoluzione molecolare di proteine omologhe garantisce la conservazione dei residui essenziali per il mantenimento della funzione (e quindi della struttura).
Per approfondire...
• Elementi essenziali di chimica della Vita: http://busto.dipbsf.uninsubria.it/cns/fasano/Edu/SV1.htm
• Un buon testo a livello di laurea triennale:Voet, Voet, Pratt. Fondamenti di Biochimica. Zanichelli
Qualcosa in più sugli aspetti bioinformatici:http://busto.dipbsf.uninsubria.it/corso/