CONFORMAZIONE organizzazione spaziale degli atomi in una proteina STRUTTURA NATIVA conformazione funzionale di una proteina La FUNZIONE di una proteina è garantita dalla sua conformazione nativa STRUTTURA TERZIARIA Ripiegamento locale della catena polipeptidica già organizzata in vari elementi di struttura secondaria Conferisce alla molecola proteica una forma tridimensionale Sequenza di  -elica Ripiegamento della Subunità associate amminoacidi catena polipeptidica Primaria Secondaria Terziaria Quaternaria

La prima struttura proteica risolta mediante diffrazione ai raggi X MIOGLOBINA E STRUTTURE GLOBULARI Complessità e mancanza di simmetria La superficie ha un carattere prevalentemente idrofilico Le catene laterali dei residui amminoacidici idrofobici si dispongono all’interno

Tutte le proteine globulari possiedono una parte esterna ed una interna definite Le proteine globulari hanno una struttura compatta STRUTTURE GLOBULARI Le catene laterali dei residui amminoacidici idrofobici si dispongono all’interno a formare un denso nucleo idrofobico La superficie delle proteine globulari è idrofilica

Esistono motivi strutturali ricorrenti nelle strutture proteiche note STRUTTURE SUPERSECONDARIE O MOTIVI Semplici combinazioni di pochi elementi di struttura secondaria arrangiati secondo una geometria specifica Esistono infiniti modi di ripiegamento terziario delle proteine?

I diversi motivi strutturali si dispongono a strati in modo da proteggere i residui idrofobici dal solvente acquoso Angolo 

Forcina  Frequente in strutture  antiparallele adiacenti Motivo  Frequente in strutture  parallele adiacenti

Alcuni motivi strutturali possono essere collegati ad una funzione specifica Motivo EF L’ansa tra le due eliche lega un atomo di calcio

DOMINI Combinazioni diverse di motivi ed elementi di struttura secondaria Il dominio è una regione di struttura terziaria compatta e ripiegata localmente Il dominio è una regione di struttura terziaria in grado di ripiegarsi autonomamente dal resto della molecola proteica. Il dominio è una regione che può godere di autonomia funzionale dal resto della molecola stabili substrutture globulari entità di ripiegamento autonome entità topologiche definite entità genetiche definite.

Alcune combinazioni di motivi strutturali si riscontrano più frequentemente

Domini  Fascio di 4 elicheFascio di 3 eliche che legano il DNA Citocromo Ferritina-simile Omeodominio simile

Dominio  delle globine Mioglobina Fascio di 8 eliche

Domini  Le catene  si dispongono prevalentemente in senso antiparallelo

Barile  8 catene  antiparallele unite da forcelle

Rossman fold Domini  TIM- barrel Ferro di cavallo Contengono elementi  e  non combinati secondo i motivi  Domini  4 Domini Una proteina può essere formata dall’insieme di più domini 3 Domini 2 Domini 1 Dominio

Prevalentemente di natura debole (4-40 kJ/mol) INTERAZIONI NELLA STRUTTURA TERZIARIA DELLE PROTEINE Guidate essenzialmente dall’interazione con l’acqua Ponte disolfuro Interazioni idrofobiche Legami idrogeno Ponti salini

INTERAZIONI DEBOLI IN AMBIENTE ACQUOSO Legami idrogeno Interazioni ioniche Interazioni idrofobiche Interazioni di Van der Waals H2OH2O Due atomi sufficientemente vicini

Lunghezza di legame: 2,4 - 3,5 Å Energia di legame ≈ 4-21 kj/mol Legame idrogeno debole Legame idrogeno forte Accettore di idrogeno Donatore di idrogeno LEGAME IDROGENO E STRUTTURA TERZIARIA DELLE PROTEINE Asp - Tyr Asp Tyr Asp

Lys –carbonile <3.5A, kJ/mole LEGAME IDROGENO Ser -NH <3.5A, 2-6 kJ/mole Carbonio Ossigeno Azoto

PONTI SALINI E STRUTTURA TERZIARIA DELLE PROTEINE Glu Lys Glu Lys Glu - Lys Arg- Glu < 3.5A, kJ/mol

INTERAZIONI IDROFOBICHE E STRUTTURA TERZIARIA DELLE PROTEINE Leu-LeuPhe-Phe gruppi alchilici (Ala, Val, Leu, Ile) anelli aromatici (Phe, Tyr, Trp) Catene laterali contenenti gruppi non polari

INTERAZIONI IDROFOBICHE Fenil-Fenil, Fenil- Imidazolo Aromatiche

PONTI DISOLFURO Cisteina Cistina

Ca ++ LEGAMI CON IONI METALLICI

Cosa determina queste possibilità di ripiegamento? Dove è scritta la seconda parte del codice genetico? Il codice di ripiegamento tridimensionale di una proteina è contenuto nella sequenza primaria Il paradosso di Levinthal Ribonucleasi = 124 residui; combinazioni; Tempo per ricerca casuale contatti atomici = anni Età stimata universo = anni Tempo osservato = secondi processo spontaneo  G = negativo

Tutte le proteine globulari possiedono una parte esterna ed una interna definite Le proteine globulari hanno una struttura compatta STRUTTURE GLOBULARI Le catene laterali dei residui amminoacidici idrofobici si dispongono all’interno a formare un denso nucleo idrofobico La superficie delle proteine globulari è idrofilica Le interazioni non covalenti tra gli atomi di una proteina sono guidate dalla loro interazione con l’ H 2 O In ambiente acquoso le forze di interazione tra le molecole sono dovute alle proprietà dell’ H 2 O

olio H2OH2O Proteina denaturata H2OH2O Ripiegamento Denaturazione Ogni lipide costringe le molecole di acqua a disporsi in maniera ordinata Riduzione della superficie idrofobica a contatto con l’acqua Proteina nativa MICELLA Minima superficie idrofobica a contatto con l’acqua MASSIMA ENTROPIA EFFETTO IDROFOBICO In ambiente acquoso i residui idrofobici tendono ad interagire tra loro L’effetto idrofobico è la principale forza trainante per il ripiegamento delle proteine L’aumentato grado di libertà, cioè l’aumento di entropia del solvente acquoso, è determinante per il ripiegamento di una catena polipeptidica

Il bilancio dei fattori termodinamici Entropia conformazionale Effetto idrofobico  G =  H –T  S  H 0 IL PROCESSO DI RIPIEGAMENTO È SPONTANEO  G < 0 Formazione di legami idrogeno Interazioni tra cariche Interazioni di van der Waals

Energia libera di ripiegamento di proteine globulari HH Interazioni interne -TS-TS Interazioni idrofobiche GG RIPIEGAMENTO  G = 20-70kJ/mol +170 (21 °C) 0-50Mioglobina -27 (23 °C) Citocromo c -530 (25 °C) Lisozima -720 (25 °C) Chimotripsina -790 (23 °C) Ribonucleasi  S (J/mol.K)  H (kJ/mol)  G (kJ/mol) Proteina Entropia conformazionale -TS-TS