Gli amminoacidi sono uniti dal legame peptidico
• Il carbossile si
lega all’ammina
per formare un
legame ammidico tra
2 residui successivi
Una coppia di amminoacidi può legarsi attraverso una reazione
di condensazione fra il gruppo carbossilico di un amminoacido e
il gruppo amminico dell'altro, in modo da formare un dipeptide
alanina
alanina
+
glicina
Il legame ammidico si forma
per condensazione
Unisce il carbonile CO a NH
Può essere ripetuto molte
volte
+ H2O
Il legame ha una direzione
N
C
L’idrolisi del legame
peptidico avviene molto
lentamente per l’elevata
energia di attivazsione,
anche se è una reazione
esoergonica
+ H2O
Studi di diffrazione ai raggi X hanno
mostrato che nel gruppo peptidico
• il legame C-N è più breve (1.33 Å) di
un normale legame C-N (1.46 Å)
•il legame C=O è leggermente più lungo
(1.24 Å) di un normale doppio legame
C=O (1.20 Å).
Il legame peptidico ha quindi parziali
caratteristiche di doppio legame
(oltre il 40%), mentre il doppio legame
C=O si comporta in parte (40%) come
un legame singolo.
Tutto ciò trova giustificazione nel
fenomeno della risonanza del gruppo
peptidico fra due strutture limite
Risonanza
•Le parziali caratteristiche di doppio legame impediscono
la libera rotazione attorno al legame peptidico, C-N, che
costituisce così un punto di rigidità della catena
polipeptidica.
•La barriera energetica che si oppone alla libera
rotazione è circa 20 kcal/mole (84 kJ/mole).
Angoli di torsione dello
scheletro covalente di un
polipeptide
Sono mostrati 2 gruppi peptidici
planari.
Le sole rotazioni possibili sono
intorno al legame Ca-N () e
intorno al legame Ca-C ()
Per convenzione gli angoli  e  sono uguali a 180° quando il peptide è nella
conformazione completamente estesa e tutti i gruppi peptidici sono sullo
stesso piano
Interferenze steriche tra gruppi peptidici adiacenti
Una rotazione può portare a una conformazione in cui l’atomo di
H ammidico di un residuo e l’atomo di O carbonilico del residuo
successivo sono più vicini delle loro distanze di van der Waals
La conformazione nello spazio dello scheletro
della proteina (sequenza ripetuta N-Ca-C)
è determinata dagli angoli di questi legami:
• phi (φ) rappresenta l’angolo del legame N-Ca
• psi (ψ) rappresenta l’angolo del legame Ca-C
• omega (Ω) rappresenta l’angolo del legame
peptidico che assume quasi sempre un valore
di 180° e quindi è “planare”.
La distribuzione degli angoli phi e psi per gli
aminoacidi di una particolare proteina è
rappresentata tramite il grafico Ramachandran
plot.
Analisi delle collisioni degli atomi considerando
il raggio di van der Waals.
Zona rossa: nessuna collisione.
Zona gialla: al limite della collisione.
Zona bianca: collisione tra atomi se presenti certi
angoli phi e psi.
Ogni conformazione rispetto agli angoli diedri è caratterizzata da una
propria energia
Il grafico di Ramachandran rappresenta l’energia potenziale in funzione
di coppie di valori φ e ψ per ciascun aminoacido
Le conformazioni considerate possibili sono quelle che non presentano o
presentano poche interferenze steriche, basate su calcoli in cui sono utilizzati
i raggi di van der Waals e gli angoli di legame
La Gly non ha
impedimenti sterici e
presenta la zona
permessa più grande
Peptidi e proteine
• Sono polimeri lineari di 20 tipi di monomeri
• Peptidi: polimeri più piccoli (5.000 Dalton)
– Di-, tripeptidi (2, 3 aa)
– Oligopeptidi (< 10 aa)
– Polipeptidi (> 10 aa)
• Proteine: polimeri più lunghi (50-2700 aa) con
una struttura definita.
Struttura primaria
Ordine con cui gli amminoacidi si susseguono nella catena
polipeptidica
L'ordine con cui gli amminoacidi si susseguono nella catena non è
casuale, ma è rigorosamente immutabile per ogni particolare
proteina di un organismo.
Ogni proteina ha in ogni individuo appartenente alla stessa specie
sempre la stessa composizione in amminoacidi, legati l'uno all'altro
sempre con lo stesso ordine.
Ribonucleasi: Mr 13000 aa, 124 aa.,
secreta dal pancreas.
Catalizza l’idrolisi di acidi nucleici
ingeriti con la dieta
Struttura secondaria
Conformazione locale che assumono tratti più o meno lunghi della
catena polipeptidica.
• La conformazione della catena è fortemente condizionata dalle
restrizioni cui devono sottostare le coppie di angoli diedrici, ψ e ϕ
È quindi è in buona parte correlata con la sequenza amminoacidica
(struttura primaria) della proteina.
• Un altro contributo determinante all’organizzazione conformazionale
della catena deriva dalla tendenza a generare ripiegamenti che
consentano di ottimizzare la formazione di legami a ponte di idrogeno
intracatena.
Fattori che determinano la struttura secondaria di una proteina e che
hanno l'effetto di rendere minima l'energia potenziale della molecola
• minimizzazione dell'ingombro sterico fra i gruppi R
• ottimizzazione della formazione di legami H intracatena
Il risultato di queste restrizioni fa sì che gli elementi di struttura
secondaria si possano ricondurre sostanzialmente a tre diverse tipologie
stabili:
α-elica
strutture β
anse o ripegamenti (loop)
• L‘a-elica si forma quando un certo numero di coppie successive di
angoli diedrici, ψ e ϕ, hanno valori compresi fra -60° e -50°.
In questo modo i piani peptidici si dispongono in maniera elicoidale
intorno ad un asse longitudinale
• L' a-elica ha un passo di 5.4 Å e ogni spira dell'elica è costituita da
3.6 residui amminoacidici.
L'eccezionale stabilità di questa conformazione dipende dal fatto
che tutti gli NH e i C=O dei gruppi peptidici sono impegnati in legami
a ponte di idrogeno.
Ogni legame a H si forma fra l'idrogeno dell' NH di un residuo e
l'ossigeno del C=O del quarto residuo successivo. La direzione dei
legami a H è pressoché parallela all'asse dell'elica
Ava Helen and
Linus Pauling standing
beside a model of
the alpha helix.
AP News features photo.
Photographer unknown. 1963
• L' a-elica presente nelle proteine è quasi sempre destrorsa
(l'andamento è quello della filettatura di una vite tradizionale)
Gli amminoacidi proteici sono tutti nella configurazione "L" e in
un'elica sinistrorsa i gruppi laterali R risulterebbero troppo vicini ai
gruppi C=O, destabilizzando l'elica.
• Le catene laterali R dei residui amminoacidici sono tutte rivolte
verso l'esterno dell'elica. La polarità di questi gruppi influenzerà il
modo in cui le strutture ad a-elica si disporranno a costituire la
struttura terziaria della proteina.
• Alcuni amminoacidi sono considerati "buoni formatori" di a-eliche,
altri, quali la prolina e la glicina, possono invece destabilizzare l'elica
provocandone un ripiegamento.
La prolina, ad es., avendo il gruppo R richiuso ad anello sull'N
imminico, non ha un NH che possa formare un legame a H e a causa
dell'anomalo ingombro sterico del proprio gruppo laterale, costringe il
piano peptidico ad assumere angoli diedrici non idonei alla formazione
dell'α-elica.
Modello spaziale di una a-elica
Carbonio
Azoto
Ossigeno
Idrogeno
Le catene laterali (
) si proiettano verso l’esterno dell’elica
L’avvolgimento dell’elica consente l’interazione tra la catena laterale di un aa
e quella del residuo distante 3 residui. Due aa aromatici possono essere
distanziati di 3 aa per generare una interazione idrofobica. Gli aa carichi +
possono essere distanziati di 3 residui da aa carichi – per formare
interazioni ioniche
Foglietto pieghettato
(Beta-sheet)
• È fatto da due o più regioni differenti di
almeno 5-10 amminoacidi
• È stabilizzato da legami H tra NH e CO di
legami peptidici di segmenti adiacenti
• I beta sheet sono pieghettati: i carboni
alfa del legame alternano tra sopra e sotto
il piano del foglio
• Possono essere paralleli o antiparalleli
Le strutture β
I tratti della catena peptidica a conformazione β sono distesi in una
struttura con andamento a zig-zag dei piani peptidici. I residui laterali
sono diretti perpendicolarmente al piano mediano della struttura,
orientandosi in maniera alternata da un lato o dall'altro del piano
Due o più filamenti beta (β-strands) tendono ad affiancarsi
lateralmente e, formando legami a ponte di idrogeno fra di loro,
generano strutture estese, pieghettate, dette foglietti β
Nelle strutture β, i legami a H si formano quindi fra tratti di catene
affiancate, anziché fra residui vicini del medesimo tratto, come nell'αelica
Normalmente i foglietti β non sono
planari, ma tendono ad assumere
nell'insieme una forma incurvata e
lievemente "avvitata"
La distribuzione (pattern) dei ponti idrogeno è differente nel caso
dei foglietti paralleli e antiparalleli.
I foglietti paralleli sono più instabili in quanto i ponti-H sono distorti
in tensione (sempre interni alla catena polipeptidica, non esposti)
I foglietti antiparalleli sono più stabili e più esposti in superficie.
Ciascun aminoacido di un filamento interno di un foglietto β forma due
ponti idrogeno con gli aminoacidi “adiacenti”, mentre gli aminoacidi dei
filamenti esterni solo un ponte.
Gli angoli phi e psi degli aminoacidi in un
foglietto β variano notevolmente in una
regione precisa del Ramachandran plot.
La predizione della localizzazione dei foglietti β
è molto più complessa di quella delle a-eliche.
Ripiegamenti e anse
Nelle proteine sono presenti tratti di catena apparentemente disorganizzati, di
lunghezza anche molto variabile e più o meno convoluti. Questi tratti, definiti
loop, fanno da collegamento fra α eliche o filamenti β ed hanno un ruolo assai
importante nella organizzazione 3D della catena peptidica.
•Sono relativamente flessibili e, soprattutto, consentono cambi di direzione,
anche repentini, alle sequenze a conformazione a e β.
•Molto comuni sono i brevi loop di 3-5 residui che collegano due filamenti β
consecutivi, orientati in modo antiparallelo (β-turns).
•Inoltre, i loop partecipano spesso alla formazione di siti di legame (vedi loop "a
forcina" degli anticorpi) o del sito attivo degli enzimi.
•Nelle regioni loop è quasi costante la presenza degli amminoacidi glicina o
prolina
Combinazioni di elementi di struttura secondaria costituiscono
la cosiddetta struttura super-secondaria
Alcuni esempi:
Motivi strutturali
Gli elementi fondamentali di struttura secondaria si trovano combinati in
particolari motivi strutturali di struttura supersecondaria.
Spesso è anche possibile associare alcuni motivi strutturali, o più
propriamente la loro organizzazione in domini, a particolari funzioni di una
proteina.
I motivi strutturali più ricorrenti sono:
a elica-loop-a elica presente in molte proteine che legano il Ca++ (calmodulina
e troponina C).
β-turn due filamenti β antiparalleli uniti da un breve loop di 2-5 residui.
chiave greca quattro filamenti β (minimo), due brevi loop e un loop più lungo.
β-a-β due filamenti β paralleli, intercalati da un‘a-elica.
•Caratteristica del motivo a chiave greca è che l'ordine dei filamenti β
antiparalleli non segue l'ordine che essi hanno nella catena peptidica. Per questa
ragione, uno dei loop presenti in questo motivo è molto lungo
•Per poter formare un motivo a due filamenti β paralleli è necessaria una catena
di congiunzione molto più lunga di quella che occorre nei β-turn, in cui i filamenti
sono antiparalleli. È infatti necessario che l'inizio di un filamento β venga
portato in corrispondenza dell'inizio dell'altro filamento β.
•Il motivo β-a-β è quasi sempre generato unendo i due filamenti con un‘a elica
mediante due brevi loop. L'asse dell'elica del motivo β-a-β è parallelo a quello
dei filamenti β.
I due loop di collegamento possono avere talvolta lunghezze assai variabili (da 2
fino a 100 residui) ed hanno spesso funzioni specifiche diverse. Accade spesso
che il primo loop, tra il C-terminale del primo filamento β e l'N-terminale
dell'elica, formi il sito funzionale della proteina.
Le Proteine - Forma e funzione
Stretta correlazione fra forma e funzione delle proteine
È la conformazione tridimensionale che conferisce alla proteina l'attività
biologica specifica
Le proteine svolgono numerose e svariate funzioni:
SOSTEGNO Proteine strutturali, quali collageno, cheratina, elastina, fibroina
MOVIMENTO Proteine contrattili, quali actina e miosina
TRASPORTO Emoglobina, mioglobina, lipoproteine, albumina, proteine di
membrana.
CATALISI Tutti gli enzimi
ORMONI ad es Insulina e Glucagone
DIFESA
Immunoglobuline (anticorpi)
ATTACCO Tossine batteriche, veleni dei serpenti
RISERVA Normalmente le proteine non hanno un ruolo di riserva di
amminoacidi, ma ovoalbumina e caseina sono esempi di proteine
con questa funzione
• Le proteine di sostegno e alcune di quelle
contrattili hanno una forma fibrosa
Sono costituite da catene polipeptidiche
allungate, disposte in fasci lungo uno stesso asse
a costituire le fibre
Sono insolubili in acqua
• Gli enzimi, gli anticorpi e le proteine di
trasporto hanno invece una forma globulare
Le catene sono strettamente avvolte in forma
compatta, sferica o globulare, come un gomitolo
Sono solubili in acqua
Le proteine fibrose
•Le proteine fibrose hanno una forma allungata e, a
differenza delle proteine globulari, sono costituite da
un unico elemento di struttura secondaria:
eliche o strutture β
•Sono in genere caratterizzate da elevata resistenza
meccanica alla trazione, rigidità e compattezza, ma
alcune sono flessibili ed elastiche. Sono quindi
particolarmente
adatte
a
svolgere
funzioni
strutturali
•Una di esse, il collageno è la più abbondante delle
proteine fibrose nei vertebrati ed è il componente
fondamentale dei tessuti connettivi (ossa, tendini,
cartilagini, pelle, vasi sanguigni, etc.)
Collageno
• L'unità fondamentale del collageno, il tropocollageno, è una
struttura elicoidale superavvolta con andamento destrorso
formata da tre catene polipeptidiche, ciascuna delle quali ha una
struttura secondaria ad elica (elica del collageno), diversa dall‘aelica.
• L'elica del collageno è sinistrorsa, è più "stirata" (ha un passo
quasi doppio rispetto all'a-elica) ed ha un diametro inferiore,
avendo
solo
tre
residui
amminoacidici
per
giro.
• Ogni singola catena è formata da circa 1000 amminoacidi ed è
pressoché completamente avvolta ad elica.
• La torsione opposta delle eliche (simile a quella di una fune
ritorta) conferisce al collageno notevoli proprietà di rigidità, un
elevato carico di rottura e la possibilità di mantenere costante la
sezione sotto tensione.
La struttura tipica dell'elica del collageno
è dovuta alla particolare sequenza amminoacidica delle catene,
che è costituita per oltre un terzo da glicina e per almeno un
quinto da prolina e idrossiprolina
HO
Esistono diversi tipi di collageno, ma in tutti quanti si ritrova una
ripetizione monotona di triplette con sequenza Gly-X-Y, in cui X è
spesso Prolina e Y è spesso Idrossiprolina.
Ogni "terzo" residuo della catena è quindi una glicina e solo questa
presenza, in questa posizione, rende possibile il superavvolgimento
estremamente compatto della tripla elica.
Le unità del tropocollageno si organizzano in fibre, disponendosi
in maniera sfalsata, parallelamente, lungo l'asse della fibra.
La fibra è resa ancor più resistente e rigida dalla formazione di
legami crociati, di tipo covalente, che si instaurano fra residui di
lisina o di istidina delle unità e anche all'interno della stessa
unità, tra le singole catene polipeptidiche.
A loro volta, le fibre si organizzano con modalità diverse -fasci
paralleli, fogli o disordinatamente- a seconda della funzione tipica
del tessuto che vanno a formare
Le proteine fibrose
Cheratina
• Le cheratine sono il componente fondamentale, pressoché unico, degli
annessi cutanei degli animali: capelli, peli, unghie, strati superficiali della
pelle, piume, etc.
• L'unità della cheratina è costituita da una coppia di a-eliche (destrorse)
strettamente superavvolte con andamento sinistrorso e rinforzate da
numerosi ponti disolfuro intercatena.
Le superfici dove le due eliche si toccano
nella struttura avvolta sono rivestite
da aa idrofobici (Ala, Val, Leu, Met, Phe)
A loro volta, due di queste unità si avvolgono
fra loro a formare una protofibrilla.
Elevato grado di organizzazione nella struttura dell’a-cheratina
a) 2 polipeptidi di cheratina formano un dimero avvolto
b) I protofilamenti si formano da 2 file sfalsate di dimeri avvolti che
si associano testa a coda
c) I protofilamenti dimerizzano a loro volta formando protofibrille e
l’associazione di 4 protofibrille porta alla formazione delle
microfibrille o filamenti intermedi
Un capello è un aggregato di molti filamenti di a-cheratina
Fibroina
•La fibroina è la proteina della seta.
•A differenza di collageno e cheratina, la fibroina ha una
struttura beta, organizzata in estesi foglietti, pieghettati a
ventaglio.
•La fibroina è ricchissima di alanina e glicina, che si alternano
nella sequenza primaria.
Ciò consente ai foglietti β di disporsi in piani sovrapposti, ravvicinati e
compatti, tenuti insieme da deboli interazioni apolari fra i residui
laterali di alanina e glicina
Questa particolare organizzazione rende la seta morbida e flessibile