Conformazione – specifica disposizione spaziale di atomi o
gruppi atomici. Il passaggio da una conformazione all’altra può
essere realizzata attraverso semplici rotazioni attorno ai legami.
Configurazione –specifica disposizione spaziale di atomi o
gruppi atomici. Il passaggio da una configurazione all’altra può
realizzarsi solo attraverso la rottura di legami.
Angolo diedro – angolo tra due semipiani aventi per origine la
stessa retta.
Le differenti conformazioni sono definite dai valori assunti
dall’angolo diedro Φ.
D A
A
B
C
B
C
D
 = 0°
conformazione cis
 = 180°
conformazione trans
-180° ≤ Φ ≤ +180°
Φ > 0: rotazione destrorsa (in senso orario) per portare
l’atomo più vicino in posizione eclissata rispetto all’atomo più
lontano.
Φ < 0: rotazione sinistrorsa (senso antiorario) per portare
l’atomo più vicino in posizione eclissata rispetto all’atomo più
lontano.
Proiezione di Newman
D
A
D
Proiezione prospetticaA
D
A
B
C
A
D
B
B
C
C
Φ>0
D
A
Φ>0
A
A
D
D
C
A
B
Φ<0
C
D
B
C
Φ<0
B
Rappresentazioni molecolari:
Φ=180°
Φ=0°
E0
1  cos3 
E(  ) 
2
E0 = 3 kcal·mol-1
gauche, g+
trans, t
gauche, g-
Φ
0°
60°
120°
180°
240°
300°
360°
E(Φ)
(kcal·mol-1)
3
0
3
0
3
0
3
La probabilità che una data conformazione venga popolata ad una
certa temperatura è data dalla Distibuzione di Boltzmann:
 E(  ) 
exp
RT 

p(  )  2
 E(  ) 
 exp RT  d
0
2
 p(  )d  1
0
E()>>RT  p()  0
E()<<RT  p()  1
In questo caso tutti i valori di  sono egualmente probabili.
A T=300K: RT=0.6 kcal·mol-1
E(Φ)
(kcal·mol-1)
0
E(  )
RT
0
1
0.5
0.833
0.435
1
1.667
0.189
1.5
2.5
0.082
2
3.333
0.036
2.5
4.167
0.015
3
5
0.007
e

E(  )
RT
Φ
E(Φ)
(kcal·mol-1)
e

E(  )
RT
0°
3
0.0065
60°
0
1
120°
3
0.0065
180°
0
1
240°
3
0.0065
300°
0
1
360°
3
0.0065
Dal punto di vista dinamico, le transizioni tra diversi stati
conformazionali dipendono dal valore relativo di E0 (barriera di
energia torsionale) e dell’agitazione termica (RT≈0.6kcal·mol-1).
• RT >> E0:
la molecola sarà libera di ruotare e di assumere diversi valori
dell’angolo torsionale 
[p() sarà circa la stessa per tutti gli angoli ].
• RT<<E0:
la molecola rimane congelata nei minimi di energia potenziale.
= stati energetici della molecola corrispondenti ai minimi di
energia conformazionale
Per E(Φ)>>RT sono gli unici effettivamente popolati:
 E( i ) 
exp
RT 

p( i ) 
 E( i ) 
  RT 
i 

Le molecole si trovano nel fondo delle buche di energia
potenziale e l’interconversione tra isomeri conformazionali è
praticamente nulla.
Per l’etano (E(Φ)>>RT) gli stati isomerici rotazionali sono:
gauche, g+
Φ=60°
E=0
trans, t
gauche, g-
Φ=180°
E=0
Φ=300°
E=0
 E( i ) 
exp
RT 


p( i )  3
 E( i ) 
 exp RT 
i 1


p( g

1
)
 0.333
111
1
p( t ) 
 0.333
111
1
p( g ) 
 0.333
111

E(  )  2.82  1.83 cos   1.11cos( 2 )  2.10 cos( 3 )
Φ
gauche, g+
trans, t
gauche, g-
0°
60°
120°
180°
240°
300°
360°
E(Φ)
(kcal·mol-1)
7.86
1.08
3.45
0
3.45
1.08
7.86
e

E(  )
RT
2·10-6
0.165
3·10-3
1
3·10-3
0.165
2·10-6
p( g

0.165
)
 0.124
0.165  1  0.165
1
p( t ) 
 0.752
0.165  1  0.165
0.165
p( g ) 
 0.124
0.165  1  0.165

Per E(Φ)<<RT la rotazione è praticamente libera e tutte le
conformazioni sono ugualmente probabili [E(Φ) è
indipendente da Φ]
32=9 conformazioni possibili:
tt, tg+, tg-, g+t, g+g+, g+g-, g-t, g-g+, g-g-
tt
g +g +
tg+
g +g -
La simmetria della molecola rende molti di questi stati
energeticamente equivalenti:
tg+= tg- = g+t= g-t
butano
g+g+=g-g-
pentano
g + g -= g -g +
ω
Φ
Ψ
Catena polipeptidica completamente estesa (all trans)
Φ = angolo torsionale attorno al legame N-Cα
Ψ = angolo torsionale attorno al legame Cα-C(O)
La caratteristica strutturale più importante in un polipeptide è
la presenza del legame peptidico.
L'angolo torsionale  è
bloccato a 180° a causa di
una barriera di energia di
ca. 20 kcal/mole).
Il legame peptidico è determinato dalla delocalizzazione degli
elettroni associati agli orbitali molecolari  sui legami C==O e
C—N.
Gli atomi C, O, N e H giacciono su un piano e, a causa della
estesa distribuzione elettronica  ortogonale a questo piano,
non vi è rotazione attorno a questi legami
Φ=Ψ=180°
Φ=0° Ψ=180°
Φ=180° Ψ=0°
La conformazione di un polipeptide è univocamente determinata
specificando i valori assunti dagli angolo di torsione Φi e Ψi di
ciascun residuo.
I due angoli torsionali [i,i] sono sufficienti per determinare
la posizione relativa di tutti gli atomi in catena.
La distanza di separazione di alcune coppie di atomi
appartenenti a residui adiacenti dipende dal solo angolo
torsionale i:
[Ci---O i] [Ci---N i+1] [Ci--- Ci+1]
Per altre coppie di atomi la distanza di separazione dipende da
entrambi gli angoli torsionali i e i: [Oi-1---O i]
Conformazioni ordinate hanno uguali valori degli angoli
torsionali per ciascun residuo.
Forme disordinate hanno angoli torsionali Φi e Ψi che variano per
ciascun residuo.
In un gomitolo statistico (random coil, rc) i valori delle coppie
di angoli torsionali [i,i] di ogni residuo sono completamente
indipendenti dai valori assunti dai torsionali di ogni altro
residuo.
Per un peptide costituito da 100 residui in cui ogni residuo può
popolare 2 conformazioni:
Src = R ln w = R ln 2100 = 576 J ·K-1· mol-1
Sh= Rln1 = 0
Per una transizione random coil ⇄ elica a T=300K:
- TSc→h  + 41 kcal·mol-1
P: passo (pitch)
= distanza verticale pari all’altezza
di una spira
z’: rise
= distanza verticale tra due
residui adiacenti
P/z’ = numero di residui per spira
P=5.4Å
z’= 1.5Å
P/z’=3.6
Solo il 18° residuo (5° spira)
si sovrappone esattamente
al primo adistanza di 27Å.
α-elica
Legame Idrogeno:
NH(i)→O=C(i+4)
Legame Idrogeno:
NH(i)→O=C(i+3)
α-elica
elica 310
-HN-Ci-CO-HN-Ci+1-CO- HN-Ci+2-CO- HN-Ci+3-CO- HN-Ci+4-CO- HN-Ci+5-CO-
4 unità C==O e 4 unità N—H non sono coinvolte nella formazione
di un legame idrogeno tipico di eliche  (i→i+4)
2 residui terminali restano sostanzialmente liberi di ruotare e non
danno contributi alla variazione di entropia conformazionale
associata alla strutturazione del peptide
L-amminoacidi → eliche destre
D-amminoacidi → eliche sinistre
Eliche destra e sinistranon sono enantiomeri puri, ma
diastereomeri. La differenza energetica è determinata dalla
presenza delle catene laterali.
Four-helix bundle
Alamethicin
Two-stranded
= α-eliche avvolte l’una
sull’altra, tenute insieme
da interazioni deboli
four-stranded
β-sheet paralleli
β-sheet antiparalleli
Filari di eliche β
(eliche binarie)
2 residui per spira
Rise=3.4Å
Strutture β-sheet antiparallele sono più stabili
In questo caso i gruppi N—H e C—O sono
allineati e il legame idrogeno risultante è più
forte.
Random
coil
α-elica
Elica β
β-turns
Tipo II
Tipo I
Legame Idrogeno: NH(i)→O=C(i+3)
X = OH: RNA
X = H: DNA
pKa(HPO4)=1
A pH 7 ogni nucleotide
porta una carica negativa.
2 legami idrogeno
A
T
3 legami idrogeno
C
G
La struttura a doppia elica può accomodare ambedue le coppie
di basi senza alcuna distorsione o perdita di simmetria.
Struttura
Watson-Crick
10 residui
per spira
Diametro
22 Å
Basi
planari
Distanti
3.4Å
11 residui
per spira
Basi
inclinate
di 20°
Distanti
2.9Å
La transizione tra forma A e B del DNA avviene nella scala dei tempi
dei nanosecondi.
Pitch:
24.6Å
33.2Å
45.6Å
Struttura a forcina (hairpin loop) di un segmento di RNA
Struttura cruciforme
di acido nucleico
La perdita di entropia associata alla ciclizzazione di filamenti di
DNA è proporzionale al logaritmo della lunghezza del DNA.
Nel caso di Y=H:
E 
E0
2
1  cos2  180
Φ
EΦ
0°
90°
180°
0
E0
0
La rotazione intorno al doppio legame implica una distorsione della
nuvola elettronica , con conseguente rottura dell’orbitale
molecolare legante originato dalla sovrapposizione degli orbitali
atomici 2pz.
trans
cis