Forze che influenzano la struttura delle proteine: le forze deboli

CENNI SUL TIPO DI FORZE
Forze deboli che influenzano la
struttura delle proteine: le
interazioni di van der Waals
•
repulsione
•
attrazione
Forze attrattive dovute a
interazioni istantanee che si
generano a causa delle
fluttuazioni nella distribuzione
della carica elettronica di atomi
adiacenti non legati tra loro.
– L’ intenisita’ della forza
attrattiva dipende dalla relativa
grandezza degli atomi e dalla
loro distanza
Energia di stabilizzazione: 0.4 - 4
kJ/mol
– Molte di queste interazioni
intervengono in una proteina e
rappresentano un significativo
contributo alla sua stabilita’
Forze deboli che influenzano la struttura
delle proteine: legami idrogeno
•
•
Si formano tra un atomo di idrogeno
legato covalentemente ad un atomo
elettronegativo e un secondo atomo
elettronegativo che serve da
accettore
– Gli atomi componenti lo
scheletro peptidico formano
legami idrogeno tra loro. Le
catene laterali degli aminoacidi
capaci di formare legami H sono
di solito localizzati sulla
superficie della proteina e
formano questo tipo di legami
con l’H2O
Energia di stabilizzazione 12-30
kJ/mol: dipende dalla distanza tra gli
atomi elettronegativi !
–
Sono piu’ forti delle forze di van der
Waals
Forze deboli che influenzano la struttura delle proteine:
interazioni elettrostatiche
Possono riguardare ioni (specie che posseggono una carica discreta), dipoli
permanenti (che hanno una separazione permanente tra cariche positive e negative) e
dipoli indotti (che hanno una separazione temporanea tra cariche positive e negative)
•
•
Possono essere attrattive (tra
cariche di segno opposto) o
repulsive (tra cariche dello
stesso segno).
– Le catene laterali degli
aminoacidi possono avere
residui carichi positivamente
o negativamente. Inoltre i
residui N e C- terminali di una
proteina sono ionizzati e
portano una carica positiva e
negativa rispettivamente
Energia di stabilizzazione: 20
kJ/mol
– La forza dell’interazione
elettrostatica dipende dalla
natura delle specie
interagenti e dalla distanza
tra loro.
Forze deboli che influenzano la struttura delle proteine: effetto idrofobico
Le variazioni di energia (calore) e di entropia sono di grande importanza nel determinare la
direzione dei processi termodinamicamente favoriti
ΔG=ΔH-TΔS
•
•
•
Si formano perche’ la catena laterale non polare di
aminoacidi “preferisce” ambienti non polari piuttosto
che solventi polari come l’H2O.
– L’olio e’ una sostanza che non forma legami H con
l’H2O. Le molecole di H2O devono riarrangiare i loro
legami H a formare una struttura ordinata che
circonda l’olio come una gabbia Questo introduce
ordine nel sistema. Se la superficie all’interfaccia
olio-H2O e’ piccola meno ordine e’ introdotto nel
sistema
• Il raggruppamento delle molecole idrofobiche in
un’unica goccia restituisce all’ambiente delle
molecole di H2O che diventa disordinata e
contribuisce ad aumentare l’entropia del
sistema ( il termine ΔS diventa +)
• L’effetto idrofobico, che minimizza le interazioni
dei residui non polari con l’H2O e’ quindi
guidato dall’aumento dell’entropia dell’H2O
Le catene laterali degli aminoacidi all’interno della
struttura proteica sono quasi esclusivamente
idrofobiche.
Energia di stabilizzazione <40 kJ/mol
Tipi di legame
ANGOLI TORSIONALI
Angoli torsionali o diedri
angolo compreso tra due semipiani
PREMESSA
Configurazione e
conformazione NON sono
sinonimi:
le alternative configurazionali
possono essere ottenute solo
rompendo (e ristabilendo) i
legami.
Le alternative
conformazionali derivano
dalla libera rotazione attorno
a un legame singolo
Definizione degli Angoli torsionali Φ, Ψ, ω e χ
Angolo φi:
C’i-1—Ni—αCi—C’i
Angolo ψi
Ni—αCi—C’i—Ni+1
Angolo χ1i
Ni—αCi—βCi—Xi
Angolo ωi
αCi-1—C’i-1—Ni—αCi
• L’angolo OMEGA tende ad essere planare (0 o 180°) a causa dell’effetto
di risonanza del legame peptidico
• Trans è favorito rispetto al cis:
• Solo 116 (0.36%) di 32539 angoli in 154 strutture X-ray sono state
trovate in conformazione cis (Stewart et al. 1990).
• Alcuni legami, comunque, sono tipicamente cis:
Tyr-Pro (25%), Ser-Pro (11%), X-Pro (6.5%)
TRANS
CIS
STABILITA’ ROTAMERI CATENA LATERALE
Più stabile
Le 20 catene laterali
Il legame peptidico
notare la consueta conformazione trans dell’ossigeno
carbonilico e dell’azoto aminico. Le dimensioni degli angoli
sono quelle osservate tramite cristallografia a raggi x
Conseguenze della natura planare del
legame amidico
Nella catena peptidica ci sono due gradi di liberta’ per residuo
•
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•
•
L’energia di stabilizzazione di risonanza
della struttura planare e’ di 88 kJ/mol.
Una rotazione del legame C-N
richiederebbe una sostanziale quantita’ di
energia e non puo’ avvenire
– Le rotazioni possono invece avvenire
sui legami che legano i C α degli
aminoacidi che partecipano al
legame carboamidico agli atomi dello
scheletro peptidico
L’angolo che riguarda il legame C(alpha)N viene chiamato Φ
L’angolo che riguarda il legame C(alpha)C viene chiamato Ψ
La definizione di tutti gli angoli Φ e Ψ in
una catena proteica comporta la
conoscenza di tutti i tipi di ripiegamento
dello scheletro proteico
Restrizioni steriche degli angoli Φ & Ψ
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Le catene polipeptidiche sono flessibili ma presentano restrizioni
conformazionali: la sovrapposizione sfavorevole di orbitali non
permette alcune combinazioni di Φ e Ψ
Alcuni valori di Φ e Ψ sono piu’ probabili di altri.
phi = 0, psi = 180 non e’ favorevole
phi = 180, psi = 0 non e’ favorevole
phi = 0, psi = 0 non e’ favorevole