INTERAZIONI INTERMOLECOLARIINTERAZIONI INTERMOLECOLARINELLE PROTEINE

11

RICHIAMI DI TERMODINAMICAE t l i2 EntalpiaEntropiaEnergia Libera di Gibbs

2

g

ENERGIA INTERNA (U)L’energia interna riassume tutti i contributi cinetici e potenziali dell’energia di tutti gli atomi, ioni e molecole costituenti il sistema: è l’energia ioni e molecole costituenti il sistema: è l energia totale macroscopica del sistemaU non può essere misurata ma possono essere U non può essere misurata, ma possono essere misurate le sue variazioniΔU= w + qΔU w qDove w=energia fornita al sistema come lavoro e q= energia fornita al sistema come caloreq gPrimo principio: L’energia interna di un sistema isolato è costante 3g 3

ENTALPIA (H)Definizione formale di entalpiaDefinizione formale di entalpia

H=U + pV

dove U è l'energia interna del sistema, p la sua pressione e V il suo volume. L'entalpia risulta pertanto una grandezza termodinamica estensiva.

Nel caso, che capita molto spesso di studiare in chimica, di trasformazioni a pressione costante, la variazione di entalpia corrisponde esattamente alla variazione di calore:

ΔH= ΔQ

Endotermica aumento entalpiaEsotermica diminuzione entalpia

Entalpia di reazione: variazione di entalpia che accompagna una reazione quale è specificata dalla equazione chimica associata quantità di calore assorbito o ceduto nel corso della reazioneEntalpia standard di reazione (ΔHo)entalpia relativa alla trasformazione dei reagenti considerati nei rispettivi stati standard in prodotti considerati nei loro rispettivi stati standardΔH° = entalpia in condizioni standard biologiche p g

La legge di Hess stabilisce che in una reazione chimica, l'effetto termico a pressione costante è indipendente dagli stati intermedi attraverso i quali si evolve il sistema e dipende solo dal suo stato iniziale e finale.In altre parole ciò significa che la variazione di entalpia di una reazione che può essere scomposta 4In altre parole ciò significa che la variazione di entalpia di una reazione che può essere scomposta idealmente in più reazioni parziali è pari alla somma algebrica delle variazioni di entalpia dei singoli stadi.

4

ENTROPIA (S)ΔS= ΔQ /TΔS= ΔQrev/TLa variazione di entropia di una sostanza (ΔS) eguaglia il calore ad esso trasferito reversibilmente, diviso per la temperatura (inscala Kelvin) alla quale il trasferimento di calore ha avuto luogoIl t f i t è ibil d i t bi t i t h Il trasferimento è reversibile quando avviene tra un ambiente e un sistema che hanno una idfferenza di T infinitesima. Altrimenti la trasformazione diventa irreversibile (con formazioni di punti caldi che disperdono il calore e aumentano l’entropia del sistema) e l’equazione diventa:ΔS> ΔQ /TΔS> ΔQirrev/T

Maggiore è l’energia trasferita come calore, più viene stimolato il moto caotico. Maggiore risulta l’aumento di entropia

Secondo principio:Nel corso di una trasformazione spontanea l’entropia di un sistema isolato aumenta.

Entropia standard di reazione: il ΔSo è la differenza tra l’entropia standard dei prodotti e quella dei reagenti.

55

PROCESSI SPONTANEIL’O e L’H in stato gassoso reagiscono spontaneamente e violentemente L O2 e L H2 in stato gassoso reagiscono spontaneamente e violentemente a temperatura ambiente con la formazione di H2O, eppure si passa da uno stato più disordinato a uno più ordinato, con una variazione di entalpia molto negativa.

Questo non va contro il secondo principio?

Bi id l i i di t i di t tt il i t d t Bisogna considerare la variazione di entropia di tutto il sistema, dato che il processo passa del calore all’ambiente in cui viene disperso con un aumento di entropia molto maggiore della diminuzione di entalpia

L’aumento di entropia (a temperatura e pressioni costanti) è dato da:ΔSambiente= ΔQrev/T -ΔH/T essendo -ΔH=ΔQrev (calore trasferito all’ambiente)

La variazione totale di entropia che accompagna un qualunque processo è:ΔStotale= ΔSprocesso+ ΔSambiente ΔStotale= ΔSprocesso - ΔH/T

6TΔStotale= TΔSprocesso - ΔH 6

ENERGIA LIBERA DI GIBBS (G)D fi i l’ i lib di GibbDefiniamo l’energia libera di Gibbs comeG = H – TSE l i i t t t t àE la sua variazione a temperatura costante sarà:ΔG= ΔH – TΔSE di conseguenza a T e p costanti:E di conseguenza a T e p costanti:ΔG= -TΔStotale

Perché un processo sia spontaneo deve avvenire con ΔS>0 cioè con ΔG<0

L’energia libera esprime la variazione di entropia totale del processo e dell’ambiente 7entropia totale del processo e dell ambiente 7

PROCESSI SPONTANEI

Una reazione è spontanea se:Reazione esotermica: ΔH ti ΔS tiΔH negativa e ΔS negativa

Reazione endotermica: ΔH positiva ma TΔS è sufficientemente grande e positivo.ΔH positiva ma TΔS è sufficientemente grande e positivo.A determinate temperature anche le reazioni endotermiche possono diventare spontanee.La temperatura minima necessaria perché ciò avvenga è:La temperatura minima necessaria perché ciò avvenga è:ΔG= ΔH- TΔS=0 T= ΔH/ ΔS

88

TIPI DI INTERAZIONITIPI DI INTERAZIONIINTERMOLECOLARI

99

TIPI DI INTERAZIONI

L i l tiLegami covalentiLegame ionicoL i idLegami a idrogenoInterazioni dipolo-dipoloInterazioni idrofobicheInterazioni idrofobicheInterazioni di Wan del Walls

1010

LEGAME COVALENTE

Energia: ΔG° da -40 a -110 Kcal/mole

Ponte disolfuroS-H + H-S S-S

1111

LEGAME IONICO

Energia: ΔG° da -5 a -10 Kcal/mole

Avviene tra due atomi aventi una carica netta

1212

INTERAZIONIIONE-DIPOLO E DIPOLO-DIPOLO

Energia: ΔG° da -1 a -7 Kcal/moleN, O e S sono più elettronegativi del C I legami C-X (dove X è un atomo fortemente elettronegativo) sono dei dipoliI di li i d l i di li d I dipoli possono essere attratti da altri dipoli o da ioni carichi

1313

LEGAME A IDROGENO

Energia: ΔG° da -3 a -5 Kcal/moleÈ un tipo particolare di interazione dipolo-dipoloAvviene tra un gruppo A-H e un atomo B (dove A e B sono due atomi fortemente elettronegativi) avente una coppia di elettroni di non legameavente una coppia di elettroni di non legame.

È l lt t di i l È un legame altamente direzionale

A H + B A H B A-H + :B A-----H-----B Se A e B hanno la stessa elettronegatività il protone è in comune tra i due 14protone è in comune tra i due 14

LEGAME A IDROGENO

Gli atomi elettronegativi che si trovano nelle catene proteiche sono N, O e S.

Tutti gli aminoacidi possono formare legami a idrogeno con gli atomi che formano il backboneidrogeno con gli atomi che formano il backbone

A i idi h f l i id l Aminoacidi che formano legami a idrogeno con la catena laterale:

Arg Lys Cys Asp Glu Met Thr Tyr Asn e GlnArg, Lys, Cys, Asp, Glu, Met, Thr, Tyr, Asn e Gln

1515

FORZE DI VAN DER WALLS

Energia: ΔG° circa -0,5 Kcal/mole

Deboli forze universali che diventano significative se c’è uno stretto contatto tra due molecolemolecole

S l di t è ffi i t t b i di li Se la distanza è sufficientemente bassa i dipoli temporanei di una molecola inducono dipoli contrari nell’altra molecola da cui deriva una contrari nell altra molecola da cui deriva una debole attrazione

1616

INTERAZIONI IDROFOBICHE(CONTRIBUTO ENTROPICO)

Energia: ΔG° da -0,7 a -1 Kcal/mole

Gruppi lipofili in soluzione acquosa tendono a d i l l lnascondersi al solvente polare.

Il guadagno di energia liberà è dato dall’aumento di entropia delle molecole di acqua circostanti.

1717

FOLDING1818

LEGAMI

Tre tipi di legami sono importanti per la formazione della struttura terziaria della proteina:proteina:

Legami a idrogenoLegami ioniciLegami ioniciPonti disolfuro

1919

LEGAMI A IDROGENO

Il 90% dei gruppi C=O e N-H del backbone forma legami a idrogenoI i N H f l i i li t il I gruppi N-H formano legami singoli, mentre il 35% dei gruppi C=O può essere coinvolto in due o tre legami a idrogenotre legami a idrogenoMolti di questi legami a idrogeno (50% dei CO e 30% dei NH) sono formati con l’acqua30% dei NH) sono formati con l acquaL’acqua è una parte fondamentale della struttura della proteina, potendo fungere sia da accettore p , p gche da donatore di legami a H, fa spesso da ponte.

2020

LEGAMI IONICI

Si formano tra coppie ioniche

A causa del momento di dipolo Asp e Glu si legano con l’N-ter delle alfa eliche, mentre Lys e Arg con il C terArg con il C-ter

Di t i 5 0 ÅDistanza: circa 5.0 ÅEnergia: 5-10 Kcal/mol

2121

LEGAME DISOLFURO

Avviene tra due cisteine.

La distanza del legame S-S è 2.07 Å contro gli 1.55 Å del C-C

2222

SPIEGAZIONE STRUTTURA COMPATTA

Nessuno di questi tre tipi di legame può spiegare la formazione della struttura compatta delle proteineproteine.

Legami disolfuro non sempre presentiLegami disolfuro non sempre presentiLegami ionici, non sono conservati evolutivamente e sono pochi: in media 5 ogni 150 residui Legami a Idrogeno: per formare dei legami idrogeno tra due residui della proteina si devono rompere quelli formati tra la proteina in struttura primaria e quelli formati tra la proteina in struttura primaria e l’acqua. Nella migliore delle ipotesi il numero totale di legami non cambia

2323

Il folding è guidato dall’effetto idrofobico che porta a nascondere i residui idrofobici all’interno della proteina Il peso da pagare in termini di della proteina. Il peso da pagare in termini di entalpia è la desolvatazione dei residui polari. Per questo motivo gran parte dei residui forma q g plegami a idrogeno nel backbone.

2424

STRUTTURA DELLE PROTEINE2525

AMINOACIDI E STRUTTURAAMINOACIDI E STRUTTURAPRIMARIA

2626

ALFA-AMINOACIDI

2727

TIPI DI AMINOACIDI

2828

LEGAME PEPTIDICO

Formazione Angoli di rotazione

2929

RAMACHANDRAN PLOT

Psi ( )

La glicina può assumere piùassumere più angoli di rotazione degli altri 30

Phi ( )

altri 30

LIVELLI DI STRUTTURA

Primaria

SecondariaSecondaria

Terziaria

Quaternaria3131

EFFETTO IDROFOBICO

L f h id il f ldi è l’ ff tt id f biLa forza che guida il folding è l’effetto idrofobicoCore idrofobicoSuperficie idrofilicaSuperficie idrofilica

3232

STRUTTURA SECONDARIAAlf Eli h F li tti B t33 Alfa-Eliche e Foglietti-Beta33

FORMAZIONE DELLE STRUTTURESECONDARIE

Il backbone è polare anche se i residui sono idrofobici

Formazione di legami a idrogeno tra i gruppi C=O e N H dei legami peptidiciC=O e N-H dei legami peptidici

F i di t tt d iFormazione di strutture secondarie.

3434

ALFA-ELICHE

3535

MOMENTO DIPOLARE ALFA-ELICHE

3636

AMINOACIDI PREFERITI

Alcuni aminoacidi hanno una leggera preferenza a trovarsi in alfa-eliche:

Al Gl L M tAla, Glu, Leu, Met

Altri vi si ritrovano meno spessoAltri vi si ritrovano meno spessoPro, Gly, Tyr, Ser

3737

FOGLIETTI BETA

Ogni strand è lungo da 5 a 10 residui in configurazione estesa

Gli angoli phi e psi sono nel quadrante in alto a sinistrasinistra

T ti iTre tipi:ParalleliAntiparalleliAntiparalleliMisti

3838

FOGLIETTI BETA PARALLELI

3939

FOGLIETTI BETA ANTIPARALLELI

4040

FOGLIETTI BETA MISTI

4141

REGIONI DI LOOP

I motivi sono formati dall’unione di più strutture secondarie, connesse tra loro da loopI l h t tt d fi it il l I loop non hanno una struttura definita e il loro backbone è esposto al solvente e libero di formare legami a idrogeno con il solventelegami a idrogeno con il solventeContengono maggiormente residui carichi o polaripolariSono evolutivamente meno stabili che le regioni organizzate in strutture secondariegIn natura assumono un numero definito di strutture

42Loop molto lunghi sono in genere molto flessibili

42

HAIRPIN LOOP

Le regioni di loop che connettono due filamenti beta adiacenti sono chiamati Hairpin loopS lt b i d d ll Sono spesso molto brevi ed assumono delle strutture caratteristiche

4343

STRUTTURA TERZIARIAM ti i D i i F ld44 Motivi, Domini e Fold44

DOMINI

L’unità fondamentale della struttura terziaria è il dominioD fi i i di d i i t li tidi Definizione di dominio: catena polipeptidica o parte di una catena polipeptidica che è in grado di assumere indipendentemente una struttura di assumere indipendentemente una struttura terziaria stabileLe proteine possono essere formate da un solo Le proteine possono essere formate da un solo dominio o da molti domini.La distinzione tra dominio e subunità è effimera:

In alcuni organismi una funzione è espressa da più catene polipeptidiche in altri è una catena unica f t d iù d i i 45formata da più domini 45

I QUATTRO DOMINI DI SRC

4646

I DOMINI SONO COMPOSTI DA MOTIVI DISTRUTTURE SECONDARIE

Motivi: combinazioni di strutture secondarie

I domini sono formati da diverse combinazioni di strutture secondarie e motivi

Il numero totale di fold esistenti in natura è ti t ll’ di di 1000stimato nell’ordine di 1000

P t i d i i h h Proteine, o domini che hanno una sequenza identica per almeno il 30% hanno lo stesso fold

4747

3 CLASSI PRINCIPALI DI STRUTTUREPROTEICHE

AlfAlfaIl core della proteina è costituito esclusivamente da alfa-eliche

BetaIl d ll t i è tit it d f li tti b t ti ll li Il core della proteina è costituito da foglietti beta antiparalleli. Generalmente sono presenti due foglietti disposti l’uno contro l’altro.

Alfa/BetaAlfa/BetaSono formate dalla combinazione di motivi alfa-beta-alfa. In generale è presente un foglietto beta parallelo circondato da alfa-eliche

4848

CLASSI MINORI

Alfa + BetaCombinazioni discrete di motivi alfa e beta. Formano un foglietto antiparallelo da una parte e le alfa eliche un foglietto antiparallelo da una parte e le alfa eliche si raggruppano dall’altra

Metalloproteine proteine con molti ponti disolfurop p pSono versioni distorte di proteine a struttura più regolare, la struttura è fortemente influenzata dalla

di t i t lli i ti di lfpresenza di atomi metallici e ponti disolfuro.

4949

STRUTTURE A DOMINI ALFA5050

COILED COILS

ÈÈ un motivo strutturaleRipetizioni eptadiEffetto idrofobicoPonti salini

5151

COILED COILS

Posssono essere lunghe anche centinaia di residui in proteine filamentoseSi it h l h i Si ritrovano anche, con una lunghezza minore, come motivo di dimerizzazione nei fattori di trascrizione: leucine-zippertrascrizione: leucine zipper

5252

FOUR ELIX BOUNDLE

È il d i i d lfÈ il dominio ad alfa-eliche più semplice e più diffusop soLe catene laterali idrofobiche sono ll’i d ll all’interno delle

quattro eliche. L’impaccamento è L impaccamento è molto stretto e quindi questa regione non è accessibile all’acquaaccessibile all acquaLe catene idrofilichesono invece esposte 53sono invece esposte al solvente

53

FOUR ELIX BOUNDLE

54

Antiparallele Coppie parallele

54

FOLD GLOBINICOMioglobina

Bundle di 8 alfa-eliche connesse tra loro da brevi looploro da brevi loopNon è costituito da unità più sempliciunità più semplici

5555

EMOGLOBINA

5656

STRUTTURE A DOMINI ALFA/ STRUTTURE A DOMINI ALFA/ BETA

5757

ALFA/BETAÈ l l t tt l iù t tÈ la classe strutturale più rappresentataConsiste di un foglietto-beta parallelo (o misto) interno circondato da alfa-elicheTutti gli enzimi della glicolisi appartengono a questa classeSono formati dal susseguirsi di motivi beta-alfa-betag

3 classi principali:TIM barrelRossman Fold 58Rossman FoldHorseshoe fold

58

TIM BARREL

f Core formato da un Beta-barrel di filamenti paralleli

Sono necessari almeno 5 Sono necessari almeno 5 filamenti per fare un barrel, in genere se ne osservano 8L’interno del barile è L interno del barile è completamente schermato dal solvete

Le eliche che connettono i filamenti sono all’esterno

Le interazioni eliche foglietti Le interazioni eliche-foglietti sono con residui idrofobiciI residui esterni delle eliche

id fili i 59sono idrofilici 59

ROSSMAN FOLD

Foglietto-beta parallelo apertoCi d d t d lfCirdondato da alfa-eliche da su entrambi i latii latiFormazione di una fessura nella porzione fessura nella porzione C-ter del foglietto-beta

In questa fessura spesso si ritrova il sito attivo dell’enzima

6060

HORSESHOE FOLD

Formato da leucine-rich motifs:

R i i di 20 30 id i h Regioni di 20-30 residui che formano un motivo beta-loop-alfa stabilizzato dal core idrofobico formato dalle leucine

Formaziozione di un Formaziozione di un foglietto-beta ripiegatoAlfa eliche all’esternoAlfa eliche all esterno

6161

STRUTTURE A DOMINI BETA6262

DOMINI BETA

Formati da foglietti beta con un numero di filamenti variabile tra 4 e più di 10G l t i ti i d Generalmente sono arrangiati in modo antiparalleloSono formati da due foglietti disposti uno di Sono formati da due foglietti disposti uno di fronte all’altro che interagiscono tra loro con catene idrofobiche creando un core non catene idrofobiche creando un core non accessibile al solventeI foglietti sono ripiegati e insieme i due foglietti g p g gformano una struttura simile a un barileI residui esterni dei foglietti e il loop formano la

63zona che interagisce con il solvente 63

MOTIVI

Data la quantità di filamenti, il numero di topologie teoricamente possibile per i foglietti-beta antiparalleli è enormebeta antiparalleli è enormeTuttavia in natura se ne ritrova un numero molto più esiguopiù esiguo

Tre motivi principali:Tre motivi principali:Up-and-down barrelGreek keyGreek keyJerry roll barrel

6464

UP-AND-DOWN BARREL

Topologia semplice:Serie di filamenti antiparalleli connessi antiparalleli connessi da hairpin

Residui interni idrofobiciResidui esterni idrofilici

6565

RETINOL BINDING PROTEIN - HUMAN

6666

GREEK KEY

ÈÈ il motivo più comune trovato nei beta barrelPrima si forma un lungo filamento antiparallelo, che

i i i ll t tt fi lpoi si arrangia nella struttura finaleUn loop per ogni motivo attraversa il barrel

6767

GAMMA-CRYSTALLIN

6868

FOLD IMMUNOGLOBULINICO

6969

JELLY ROLL

Motivo molto comuneI loop attraversano il b l tt ltbarrel quattro volte:

2 sopra 2 sotto2 sotto

7070

TESTA DELL’EMOAGGLUTININA

7171

PROTEINE TRANSMEMBRANA7272

TIPI DI PROTEINE

7373

SEVEN MEMBRANE-SPANNING PROTEINS

Recettore associato a proteine G

7474

PORINE (ALL-BETA)

7575