Classificazione dell’Architettura Proteica

struttura Primaria

struttura Secondaria

Super-secondaria

Domini

struttura Terziaria: folding

struttura Quaternaria

Proteine globulariProteine globulari• Il ripiegamento della catena su se stessa, ossia la disposizione nello spazio della catena, definisce la struttura terziaria •Le catene polipeptidiche sono ripiegate in forme compatte e sferoidali con elevata densità di impaccamento (simile a un cristallo)

enzimi, proteine di trasporto, recettori, immunoglobuline,sono proteine globulari

Aspetti dello “stato nativo”:

-struttura 3D ben definita-temperatura di fusione-punto isoelettrico (PI)-funzione caratteristica

Enzimi:

papaina proteasi serinica

Trasportatori:

Potassium channel

Doyle et al., Science, Vol 280, Issue 5360, Pages 69-77

Recettori di “segnali”

SH3 domains- bind phospho-Tyr tail of associated kinase

Musacchio et al., Nature, Vol 359, Pages 851-855

Extracellular receptor for recognizing small molecule

Signal is transmitted through the cell membrane

Cytoplasmic portion of receptor can activate secondary molecules

Nelle proteine globulari gli aminoacidi sono distribuiti spazialmente in base alla loro polarità

• residui non polari: Val, Leu, Ile, Met, Phe quasi sempre nell’interno

• residui polari carichi: Arg, His, Lys, Asp, Glu quasi sempre sulla superficie esterna se all’interno hanno ruoli chimici specifici

• residui polari non carichi Ser, Thr, Asn, Gln, Tyr, Trp sono spesso sulla superficie o all’interno coinvolti in legami a H, che riducono la polarità

MioglobinaMioglobinaAA polariAA idrofobici

sezione

Esempio di presenza all’interno di aminoacidi polari:coordinazione di Zn2+ da parte di His

enzima che catalizza negli eritrociti, la reazione: CO2 +H2O H+ + HCO3

- His

Anidrasi carbonica umana

Domini: Domini: regione della proteina strutturalmente compattaregione della proteina strutturalmente compatta e ripiegata localmentee ripiegata localmente

• polipeptidi lunghi (più di 200 AA) tendono a formare domini (di circa 100-200 AA)• spesso i domini svolgono funzioni differenziate • un dato dominio può essere riscontrato in proteine diverse

Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

Definizioni utili

omologo : un gene correlato a un secondo gene da discendenza da comune sequenza di DNA ancenstrale

Se due sequenze hanno più del 25% di identità di sequenza si considerano omologhe

Polimorfismo: differenti sequenze funzionali esistono per un dato tipo di proteina entro una popolazione

La struttura 3D è più conservata della struttura primaria

Amino acidi chimicamente simili possono occupare la stessa posizione in una sequenza senza distorsioni della struttura tridimensionale

Proteine con sequenze anche molto diverse possono avere la stessa struttura (base della GENOMICA STRUTTURALE)

Hon WC et al., Cell 89:887-95 “Structureof an enzyme required for aminoglycoside antibiotic resistance reveals homology to eukaryotic protein kinases.”

Struttura quaternaria: proteine multimericheStruttura quaternaria: proteine multimeriche• Proteine grosse (>100kD) sono in genere costituite da varie subunità

• Le subunità (protomeri) si associano in maniera specifica

• Le subunità possono essere identiche o diverse

• Vantaggi biologici

• le interazioni inter-catene sono dello stesso tipo di quelle che stabilizzano la struttura terziaria : ponti salini ponti disolfuro legami a H, forze di van der Waals, interazioni idrofobiche, stacking tra anelli aromatici

etero-multimeridiverse subunità proteiche si aggregano a dare l’unità completa

Tipico di molti enzimi del

metabolismo

omo-multimerisubunità proteiche si aggregano a dare l’unità completa

chaperonin

Interazioni tra le subunità nell’ alcol-deidrogenasi

• due tratti formano un β-sheet antiparallelo

• Stacking tra His e Tyr

Interazioni eterotipiche proteina-proteinaInterazioni eterotipiche proteina-proteina

• Associazioni tra proteine diverse• sono possibili interazioni anche tra dieci unità• forze non covalenti tra superfici complementari

Interazione tra BTPI e tripsina

BTPI: inibitore pancreatico dellatripsina bovina, legandosi impediscel’idrolisi dei peptidi

La catena laterale di una Lys occupa la tasca catalitica

Ripiegamento delle proteine: fattori che lo determinanoRipiegamento delle proteine: fattori che lo determinano

E’ la struttura primaria delle proteine che determina la strutturatridimensionale: le proteine si ripiegano spontaneamente in condizioni fisiologiche nella conformazione corretta, senza ausiliodi “stampi”, in processi a tappe specificate dalla sequenza primaria

denaturazione: perdita del ripiegamento nativo struttura ad avvolgimento casuale (random coil)

• aumento della temperatura• pH non fisiologico• alcuni solventi organici (alcoli, urea)

fattori denaturanti

denaturazione della ribonucleasi (RNasi A)(enzima digestivo che catalizza l’idrolisi di acidi nucleici)

condizioni denaturanticon urea

e 2-mercaptoetanolo

condizioni rinaturantirimozione urea (dialisi)

ossigeno a pH=8 La proteina “ conosce”la propria conformazionefavorita

Temperatura di fusione Tm

Transizione brusca: la struttura nativa viene persa in modo cooperativo:qualsiasi parziale perdita della struttura destabilizza la struttura restante

T

Termodinamica del ripiegamento

In condizioni fisiologiche il ripiegamento è un processo favorito ∆G = ∆H-T∆S < 0 bilancio di molti fattori

• Entropia conformazionale: diminuzione di entropia nel ripiegamento (termine sfavorevole)

• Entalpia dovuta alle interazioni intramolecolari: 1. interazione carica-carica (ponti salini)2. legami a H3. Interazioni deboli

4. Perdita di interazioni con l’acqua

• Effetto idrofobico: minimizza lo svantaggio entropico della strutturazione delle molecole d’acqua

Termini favorevoli

Termine sfavorevole

Risultato netto ∆G < 0 (relativamente piccolo, risultato di termini opposti)

Protein (parameters at 25o C = 298 K)

∆G (kJ/mol) ∆H (kJ/mol) ∆S (kJ/K•mol)Lysozyme -62 -220 -0.530Cytochrome c -44 -52 -0.027

Per la maggior parte delle proteine l’energia libera, favorevole per la formazione della configurazione nativa, deriva dalla differenza tra valore grandi di entalpia e di contributi entropici (T ∆S).

Dinamica del ripiegamentoDinamica del ripiegamento

•Il processo di ripiegamento è rapido (msec-sec)

•Il processo non è casuale:

Stadi del ripiegamento1. NucleazioneNucleazione: formazione di elementi di

struttura secondaria

2. Unità ripiegate condensano per formare nuclei più grandi

3. Aggiustamenti che portano alla struttura terziaria compatta

4. Eventuali subunità si associano

una proteina di circa 100 AA puo’ assumere circa 10100 conformazioni: per visitarle tutte impiegherebbe 1087secondi!!!!

Frequenza relativa egli aminoacidi

Per una proteina esiste più di un camminodi ripiegamento: profilo energetico a imbuto

Predizione della struttura secondariaPredizione della struttura secondaria Approccio empirico Approccio empirico

Le proteine non correttamente ripiegatevengono normalmente degradate dalla cellulaIn alcuni casi danno luogo a patologieex: BSE, malattie da prioni

PrPCPrPSc

In vivo il ripiegamento e l’assemblaggio multimerico può essere assistitoda proteine -CHAPERON MOLECOLARI (accompagnatrici molecolari)

• accompagnano le proteine nel ripiegamento• proteggono da aggregazioni o aiutano a trovare la conformazione • alcune proteine catalizzano il riarrangiamento dei ponti S-S

Dinamica delle proteineDinamica delle proteine

• Le proteine ripiegate sono soggette a diversi tipi di moti dovuti alle fluttuazioni di energia per interazione con l’ambiente

• Le fluttuazioni hanno importanti significati funzionali

Tipi di movimenti Ampiezza (nm) Tempo (s)

1. Vibrazioni ed oscillazioni di atomi e gruppi 0.2 10-15-10-12

2. Movimenti concertati di gruppi (catene laterali 0.2-1 10-12-10-8

elementi di struttura secondaria)

3. Movimenti di interi domini, aperture di 1-10 10-8-10-3

cavità indotte

Movimento “respiratorio”della mioglobina che permette di rilasciare l’ossigeno legato

Istantanee calcolateogni 10-12s nellamioglobina e inun’ α-elica

Inibitore della tripsina:

intervallo di conformazionicompatibili con i dati di struttura NMR(dinamica in soluzione)Berndt et al. J. Mol. Biol.,227,757

Calmodulina: enzima regolatore che segnala il livello del Ca2+

libera e legata a un peptide in alfa-elica

movimento indotto da Ca2+,che espone residui idrofobici Met che si legano alle eliche anfifiliche delle proteinebersaglio

Introduction to Molecular Biophysics

Introduction to Molecular Biophysics

Instructor: Dr. Satish NairOffice hours: After class or by appointment

TA: Sujoy Mukherjee(office hours:

Comert Kural(office hours:

Primary structure determines all higher levels of structure

The information necessary to ensure the native fold is encoded in the primary structure.

In general, proteins are self-folding (exceptions include folding of proteins in vivo with the help of molecular chaperones).

Homology:For a small peptide of about 200 residues, there are 20200 possible permutations of primary structures can exist. In fact, only a small fraction of such permutations are found in Nature (throughout evolution).

The corollary: two proteins of similar amino acids cannot have evolved independently.

Hence, similarity in amino acid structure implies a common ancestry. Such related proteins are called homologs.