La struttura delle biomolecole è un argomento di grande interesse per molti settori della ricerca di base e applicativa Funzione STRUTTURA Meccanismo.

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1 La struttura delle biomolecole è un argomento di grande interesse per molti settori della ricerca di base e applicativa Funzione STRUTTURA Meccanismo Origine/Evoluzione

2 Le proteine e gli acidi nucleici sono polimeri
Le macromolecole sono costruite collegando insieme unità strutturali definite MONOMERI Proteine 20 amminoacidi 4 basi nucleotidiche Acidi nucleici

3 Contengono 20 amminoacidi uniti tramite un legame “peptidico”covalente
Amminoacido Il legame peptidico

4 Le proteine hanno diversi livelli di struttura

5 La sequenza degli amminoacidi costituisce la struttura primaria
Ogni pallina corrisponde ad un amminoacido Ribonucleasi: Mr da, 124 aa., secreta dal pancreas. Catalizza l’idrolisi di acidi nucleici ingeriti con la dieta

6 Le principali strutture secondarie di una catena polipetidica:
 elica MODELLO A PALLE E BASTONCINI Elica destrorsa, Si evidenziano i legami idrogeno Il passo dell’elica è 5.4 Å o 3.6 residui amminoacidici

7 Alfa elica Gli amino-acidi che hanno una maggior propensione a formare una struttura α-elica sono: Metionina, alanina, leucina, glutammato, and lisina ("MALEK") La destabilizzano: Prolina, glicina, tirosina e serina

8 foglietto  I legami idrogeno si formano tra segmenti adiacenti
I segmenti adiacenti possono anche essere lontani nella sequenza amminoacidica Le catene possono essere parallele o antiparallele

9 Classificazione generale delle strutture terziarie
Proteine con predominanza di  elica Proteine miste Proteine con predominanza di  sheets

10 La struttura quaternaria delle proteine
La struttura quaternaria riguarda proteine costituite da più catene polipeptidiche o da più domini strutturali (es. proteine regolatrici) Le interazioni tra le subunità consentono grandi variazioni nell’attività catalitica Es.: emoglobina

11 ANALISI PROTEINE Analisi struttura primaria
Ottenimento sequenza (sequencing, transeq) Caratterizzazione struttura primaria SAPS/ProtPARAM/PEP_Info/PROTSCALE Allineamento (to infer a function) Locale e globale (BLAST e CLUSTALW) Domini conservati (PFAM) Title Predizione Struttura Secondaria Localizzazione cellulare Predizione Struttura Terziaria

12 ANALISI PROTEINE Analisi struttura primaria Ottenimento sequenza
Sequencing di una proteina (C-term, N-term) traduzione inversa (Transeq) Title

13 ANALISI PROTEINE Caratterizzazione struttura primaria (SAPS)
SAPS (Statistical Analysis of Protein Sequences) SAPS valuta statisticamente le proprietà di una sequenza proteica Tra le proprietà considerate ci sono: Composizione Carica e tipo di amino acidi Tipi di strutture ripetute E’ possibile analizzare piu sequenza insieme Title

14 ANALISI PROTEINE Caratterizzazione struttura primaria (PROTSCALE)
SAPS valuta statisticamente le proprietà di una sequenza proteica Tra le proprietà considerate ci sono: Composizione Carica e tipo di amino acidi Tipi di strutture ripetute E’ possibile analizzare piu sequenza insieme Title

15 ANALISI PROTEINE Allineamento Locale e globale (BLAST e CLUSTALW)
Domini funzionali conservati Title

16 Ricerca motivi in banca dati
PROSITE

17 Ricerca motivi in banca dati
MotifScan

18 Ricerca motivi in banca dati
Conserved Domains Database La conservazione della sequenza proteica è tanto maggiore quanto più essa è essenziale allo svolgimento della funzione biologica. Questa considerazione permette di definire una raccolta di sequenze consenso per i domini conservati. Il CDD raccoglie queste informazioni attraverso le due collezioni classiche, Smart e Pfam, più altri contributi. Una volta identificato il dominio, è possibile cercare proteine presenti nel database che condividono lo stesso dominio (Domain Architecture Retrieval Tool, DART).

19 ANALISI PROTEINE Predizione Struttura Secondaria
Localizzazione cellulare della proteina Predizione profilo idrofobico-idrofilico Title

20 Predizione Struttura Secondaria
3 METODI Si basano sulle informazione raccolte dalle proteine la cui struttura terziaria sia già risolta. STATISTICO DI CHOU E FASMAN I 20 aa mostrano preferenze significative per particolari strutture secondarie (A, R, Q, E, M, L, K eliche; C, I, F, T, W, Y, V foglietti) (algoritmo GOR ha attendibilità del 56%) STEREOCHIMICO DI LIM Tiene conto delle proprietà idrofobiche, idrofiliche ed elettrostatiche considerando il loro ruolo nel folding (alternanza di idrofilici e idrofobici, foglietti) utile per predire eliche anfipatiche e transmembrana. (algoritmo SOSUI, TMPRED, ecc.) NEURAL NETWORK Tiene conto di entrambe le precedenti e del processo evolutivo a partire dall’allineamento multiplo. (PHD 70%)

21 Predizioni di struttura secondaria
AGADIR - An algorithm to predict the helical content of peptides APSSP - Advanced Protein Secondary Structure Prediction Server GOR - Garnier et al, 1996 HNN - Hierarchical Neural Network method (Guermeur, 1997) Jpred - A consensus method for protein secondary structure prediction at University of Dundee JUFO - Protein secondary structure prediction from sequence (neural network) nnPredict - University of California at San Francisco (UCSF) Porter - University College Dublin PredictProtein - PHDsec, PHDacc, PHDhtm, PHDtopology, PHDthreader, MaxHom, EvalSec from Columbia Prof - Cascaded Multiple Classifiers for Secondary Structure Prediction PSA - BioMolecular Engineering Research Center (BMERC) / Boston PSIpred - Various protein structure prediction methods at Brunel University SOPMA - Geourjon and Deléage, 1995 SSpro - Secondary structure prediction using bidirectional recurrent neural networks at University of California DLP-SVM - Domain linker prediction using SVM at Tokyo University of Agriculture and Technology

22 Predizioni di struttura secondaria
L M K R H MALEK CHOU & FASMAN

23 Predizione Struttura secondaria GORIV

24 PSIPRED Predizione Struttura secondaria (results via mail)

25 (previa registrazione)
Predizione Struttura secondaria PREDICT PROTEIN (previa registrazione)

26 SSPRO (California - Reti neurali)
Predizione Struttura Secondaria (e molto altro) SSPRO (California - Reti neurali)

27 Algoritmi predizione struttura secondaria

28 ANALISI PROTEINE Predizione Struttura Secondaria
Localizzazione cellulare della proteina Predizione profilo idrofobico-idrofilico (proteine TM) Title

29 Predizione localizzazione cellulare
PSORT (BATTERI)

30 Predizione localizzazione cellulare WOLFPSORT (EUCARIOTI)

31 ANALISI PROTEINE Predizione Struttura Secondaria
Localizzazione cellulare della proteina Predizione profilo idrofobico-idrofilico (proteine TM) Title

32 Predizione proteine di membrana
SOSUI This amino acid sequence is of a MEMBRANE PROTEIN which have 1 transmembrane helix. No. N terminal transmembrane region C terminal type length 1 20 RALVAFLGILLLTGVLIANLYNL 42 PRIMARY 23

33 Profilo idropatia e sua utilità
Uno dei metodi più utilizzati per valutare le regioni polari o idrofobiche di una sequenza proteica, è quello di utilizzare una "scala", chimico-fisica o statistica. Questa scala assegna a ciascun residuo amminoacidico un valore, che rappresenta la propensione di tale residuo per una fase polare o apolare. Siccome il collasso idrofobico è ritenuto la causa principale del folding di una proteina, ci si può aspettare che un grafico, che assegni valori di idropatia ai vari residui lungo la catena possa essere particolarmente informativo. Per esempio possiamo aspettarci che regioni molto polari indichino zone di esposizione al solvente fisiologico (ritenuto fortemente polare), oppure per proteine che si inseriscono in una membrana lipidica, ci si aspetta che le regioni ad alta idrofobicità siano indicative delle zone che attraversano il doppio strato.

34 Profilo idropatia ProtScale http://www.expasy.org/tools/protscale.html
oppure SAPS

35 COME RICAVARE INFORMAZIONI SULLA STRUTTURA TERZIARIA
Difrattometria ai raggi X Microscopie Spettroscopie Modellistica molecolare Simulazioni al computer di dinamiche molecolare e interazioni molecolari

36 Struttura terziaria delle proteine
La struttura terziaria delle proteine (note) è conservata in una database chiamato PDB (PROTEIN DATA BANK) PDB è il database centrale dei dati biologici di struttura. PDB è un archivio per dati di struttura in 3-D di proteine e acidi nucleici ottenuti grazie alla cristallografia ai raggi X o alla spettrografia NMR I dati sono depositati da ricercatori sono di pubblico dominio e gratuiti

37 Struttura terziaria delle proteine
La struttura terziaria delle proteine è codificata in file “standard” del tipo PDB (PROTEIN DATA BANK) Questi file posso essere letti e interpretati da programmi che collocano nello spazio tutti gli aminoacidi di cui è nota la posizione (3 coordinate) I software utilizzati sono essenzialmente due PDB viewer RasMol

38 Esempio: Deossiemoglobina umana (1a3n)
Il file PDB Esempio: Deossiemoglobina umana (1a3n) HEADER OXYGEN TRANSPORT JAN A3N TITLE DEOXY HUMAN HEMOGLOBIN COMPND MOL_ID: 1; COMPND 2 MOLECULE: HEMOGLOBIN; COMPND 3 CHAIN: A, B, C, D; COMPND 4 BIOLOGICAL_UNIT: ALPHA-BETA-ALPHA-BETA TETRAMER SOURCE MOL_ID: 1; SOURCE 2 ORGANISM_SCIENTIFIC: HOMO SAPIENS; SOURCE 3 ORGANISM_COMMON: HUMAN; SOURCE 4 TISSUE: BLOOD; SOURCE 5 CELL: RED CELL KEYWDS OXYGEN TRANSPORT, HEME, RESPIRATORY PROTEIN, ERYTHROCYTE EXPDTA X-RAY DIFFRACTION AUTHOR J.TAME,B.VALLONE REVDAT APR-98 1A3N REMARK REMARK REMARK 2 RESOLUTION ANGSTROMS REMARK 3 […]

39 coordinate tipo di atomo tipo di amminoacido X Y Z …
ATOM N VAL A N ATOM CA VAL A C ATOM C VAL A C ATOM O VAL A O ATOM CB VAL A C ATOM CG1 VAL A C ATOM CG2 VAL A C ATOM N LEU A N ATOM CA LEU A C ATOM C LEU A C ATOM O LEU A O ATOM CB LEU A C ATOM CG LEU A C ATOM CD1 LEU A C ATOM CD2 LEU A C ATOM N SER A N ATOM CA SER A C ATOM C SER A C ATOM O SER A O ATOM CB SER A C ATOM OG SER A O …

40 Y Z X coordinate 8 7 6 5 4 3 2 22 21 20 19 8 7 6 5 tipo di atomo
amminoacido coordinate X Y Z ATOM N VAL A N ATOM C LEU A Y 8 7 6 5 4 3 2 22 21 20 19 Z 8 7 6 5 X …

41 Deossiemoglobina catena A
1a3n C O N S EME Fe Deossiemoglobina catena A

42 RasMOL http://www.umass.edu/microbio/rasmol/index2.htm
Prevede che si scarichi CHIME da

43 SWISS-PDB VIEWER