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.

La struttura tridimensionale Il “nucleo” proteico è idrofobico Le cavità proteiche sono rare Elementi strutturali (strutture secondarie) Kendrew (59) – mioglobina molto asimmetrica rispetto a dna – irregolarità strutturale – poche speranze per la cristallografia raggi X Invece perché adattabilità con infinite funzioni in modo diverso da DNA Ma già nel 51 Pauling aveva cercato di anticipare le “regolarità”

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

L’alfa elica è presente nelle proteine quando una stringa di residui consecutivi presentano TUTTI coppie {f,y} compresi tra {-60 e -50} L’alfa elica è destrorsa, cioè si avvolge nella direzione seguita dalla mano destra quando si richiude, mentre il pollice punta nella direzione dell’asse dell’elica L’elica alfa ha proprietà ottiche

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

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

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

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

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

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

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

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”. 1 2 4 7 Cresta inclinata di 26° rispetto all’asse dell’elica; l’angolo atteso fra due eliche associate è 52° 4n-ridge L’angolo atteso fra due eliche associate è 50° nel modello 3n. 3n-ridge When two alpha-helices pack against each other, the side-chains at the interface are buried. The two interface areas have complementary surfaces. The surface of an alpha-helix can be thought of as consisting of grooves and ridges, like a screw thread : for instance, the side chains of every 4th residue form a ridge (because there are 3.6 residues per turn). The direction of this ridge is 26° from the direction of the helix axis. Therefore if 2 helices pack such that such a ridge from each fits into the other's groove, the expected angle between the two is 52°. In fact, in the distribution of this angle between packed alpha-helices, there is a peak at 50°. Besides the type of ridge described (termed a ±4n ridge), ridges can be formed by other staggerings of residues, such as every 3rd residue (forming a ±3n ridge), or indeed every residue. Which ridges are involved in packing depends on the size and conformations of the side chains at these relative positions. The ±4n ridge is believed to be the most common because residues at every 4th position have side-chains which are more closely aligned than in ±3n or ±n ridges as indicated below. The interaxial distance between packed helices varies from 6.8-12.0Å, the mean being 9.4 Å;the mean interpenetration of atoms at the interface is 2.3Å. Therefore it is mainly side chains which make the contacts between the helices.

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

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

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

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.

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

Il motivo a-loop-a Coppia di alfa eliche connessa da un loop

I vincoli strutturali dei motivi a-loop-a leganti il calcio Una conformazione in grado di realizzare l’”impalcatura” (scaffold) idonea V K A F I D Q S G E L N T M R C elica E elica F Una sequenza “consensus” in grado di assicurarne la “funzionalità” Le sequenze consensus sono utilizzate per la predizione di similitudini strutturali e funzionali

2 alfa eliche superavvolte (coiled-coil) n=3,5 a b c d e f g Met Lys Gln Leu Glu Asp Val Ser Asn Tyr His Ala Arg la regola dell’eptamero a d a d Fibrinogeno Collettine Spectrina Distrofina Miosina

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

Fascio di 4 alfa-eliche Citochine!!! intra- o inter- molecolare

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

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

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

Domini ad alfa eliche multiple La proteina delta del cristallino

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)

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). FELIX the helix