domini

Macromolecole Biologiche
I domini (I)
Macromolecole Biologiche
I domini
I motivi generalmente si combinano a
formare strutture globulari compatte,
chiamate domini.
Una proteina può essere costituita da uno o
più domini.
I domini sono definiti come una catena
polipeptidica o parte di essa che si ripiega
indipendentemente in una struttura stabile.
I domini sono unità funzionali e spesso a
domini diversi di una proteina sono associate
funzioni diverse.
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I domini
Le proteine possono essere costituite da un singolo dominio o da molti (anche
diverse dozzine).
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I domini
I domini sono costituiti da diverse combinazioni di elementi di struttura
secondaria e di motivi. Le α eliche e i filamenti β costituenti i motivi sono
adiacenti uno all’altro nella struttura tridimensionale e connessi da regioni di
loop; a loro volta, i motivi adiacenti o formati da regioni consecutive della
catena polipeptidica sono vicini nella struttura tridimensionale.
Il numero di combinazioni dei motivi a formare i domini è limitato e alcune
combinazioni sono strutturalmente favorite rispetto ad altre.
Spesso, domini simili ricorrono in proteine diverse che hanno funzioni
diverse e sequenza aminoacidica completamente diversa.
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I domini
Michael Levitt and Cyrus Chothia, sulla base di semplici considerazioni sulla
connessione dei motivi, hanno classificato i domini in 3 gruppi principali, a
seconda delle strutture secondarie e dei motivi coinvolti nella loro
formazione:
- domini α
- domini β
- domini α/β
- altro
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Domini α: Coiled coil α eliche
Il modo più semplice di associazione compatta di α eliche è quello di
impaccarsi a coppie.
Nel 1953 Francis Crick mostrò che le interazioni fra le catene laterali degli
aminoacidi sono massime se le 2 α eliche non sono bastoncini diritti, ma si
avvolgono una con l’altra a formare un arrangiamento chiamato coiled coil,
una sorta di avvolgimento intrecciato.
I coiled coil sono la base di alcune proteine fibrose, quali l’α cheratina e la
miosina, e di proteine che legano DNA o RNA.
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Domini α: Coiled coil α eliche
Nella superelica sinistrorsa costituita da 2 α eliche
destrorse, il numero di aminoacidi per giro in
ciascuna elica viene ridotto da 3.6 a 3.5 (portando
ad una leggera distorsione della geometria delle α
eliche), in modo tale che le interazioni delle catene
laterali fra le 2 eliche si ripetano ogni 7
aminoacidi, cioè esattamente ogni 2 giri di elica.
Ciò si riflette nella sequenza delle catene
polipeptidiche che formano la superelica coiled
coil, che si ripetono con un periodo di 7
aminoacidi.
I 7 aminoacidi (eptapeptide) vengono indicati con
le lettere a-g.
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Domini α: Coiled coil α eliche
L’aminoacido d è idrofobico (Leu o Ile): quando 2
eliche formano la struttura coiled coil le catene
laterali dei relativi aminoacidi d si impaccano
insieme ogni 2 giri delle α eliche.
L’aminoacido a è idrofobico e anch’esso si
impacca con il corrispondente dell’altra elica.
Gli aminoacidi a e d formano il core idrofobico
della superelica coiled coil.
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Domini α: Coiled coil α eliche
Gli aminoacidi e e g, spazialmente adiacenti alla zona
idrofobica definita da a e d, sono carichi (Glu, Asp, Arg,
Lys) e le loro catene laterali formano interazioni fra le 2
α eliche (ponti salini), definendo così la relativa
orientazione e allineamento delle 2 catene
polipeptidiche.
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Domini α: Coiled coil α eliche
Le 2 α eliche che formano la superelica coiled coil si impaccano in modo tale
che le catene laterali di un’elica cadano nelle zone ‘vuote’ tra le catene laterali
dell’altra elica e viceversa. L’inclinazione relativa degli assi delle due α eliche
è di 18°.
Ciascun aminoacido di un’elica è circondato da 4 aminoacidi appartenenti
all’elica opposta.
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Domini α: α helical bundle
L’α helical bundle è costituito da 4 α eliche
disposte in modo tale che i loro assi siano
reciprocamente quasi paralleli.
Le catene laterali idrofobiche degli aminoacidi di
ciascuna α elica sono orientate verso l’interno
dell’α helical bundle, mentre le catene laterali
idrofiliche degli aminoacidi sono rivolte verso
l’esterno.
Le catene laterali idrofobiche rivolte verso l’interno
dell’α helical bundle sono così strettamente
impaccate che non c’è spazio per molecole d’acqua.
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Domini α: α helical bundle
L’α helical bundle è un tipo di dominio che
ricorre in svariate proteine (mioemeritrina,
citocromo c' e b562, ferritina, proteina del capside
del virus del mosaico del tabacco).
In questi casi le α eliche sequenzialmente vicine
sono sempre antiparallele.
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Domini α: α helical bundle
L’α helical bundle si può anche formare con
arrangiamenti topologici delle α eliche diversi,
come nel caso dell’ormone umano della
crescita.
In questo caso, l’α helical bundle è formato da
2 coppie di eliche parallele che sono disposte
in modo antiparallelo nell’α helical bundle.
L’impaccamento antiparallelo delle α eliche
conferisce loro maggiore stabilità in quanto i
macrodipoli associati a ciascuna α elica si
annullano a vicenda.
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Domini α: α helical bundle
Le α eliche che costituiscono l’α
helical bundle si impaccano con la
modalità ‘cresta-solco’.
Le creste e i solchi sono costituiti dalle
catene laterali di aminoacidi separati da
3-4 residui (fig. c e b rispettivamente).
La geometria dei solchi e delle creste di
un’α elica dipende dalla geometria
dell’elica ma anche dalla sua sequenza
aminoacidica.
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Domini α: α helical bundle
Nel caso dell’α helical bundle, le creste formate dagli aminoacidi ogni 3
residui vanno a corrispondere con i solchi formati dagli aminoacidi ogni 4
residui.
Le creste della prima α elica sono inclinate di circa 45° rispetto alla direzione
dell’asse dell’elica, mentre le creste della seconda α elica sono inclinate di
circa 25° rispetto all’asse dell’elica.
Quando le 2 eliche si
impaccano, dopo che un’elica
viene ruotata di 180°, si otterrà
la massima corrispondenza fra
le creste e i solchi delle 2 eliche
in seguito ad un’inclinazione di
circa 20° (45°-25°) fra le 2
eliche.
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Domini α: Globin fold
Un altro impaccamento tipico delle α eliche è quello osservato nel globin
fold, caratteristico di emoglobine, mioglobine e ficocianine.
Il globin fold è costituito da 8 α eliche, indicate con le lettere A-H, collegate
da loop piuttosto corti, in modo da disporsi a formare la tasca del sito attivo,
che in mioglobina e emoglobina, ospita il gruppo eme.
La lunghezza delle α eliche varia
considerevolmente: da 7 aminoacidi
per l’elica C a 28 aminoacidi per l’elica H.
Le α eliche sono disposte in direzioni
diverse, in modo tale che α eliche
adiacenti in sequenza non lo sono nella
struttura, con l’eccezione delle eliche G e H
(sandwich 3/3, BEF/AGH).
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Domini α: Globin fold
Nel caso del globin fold, le creste formate dagli aminoacidi ogni 4 residui
vanno a corrispondere con i solchi formati dagli aminoacidi ogni 4 residui.
Le creste di entrambe le α eliche sono inclinate di circa 25° rispetto alla
direzione dell’asse delle eliche.
Quando le 2 eliche si
impaccano, dopo che un’elica
viene ruotata di 180°, si otterrà
la massima corrispondenza fra
le creste e i solchi delle 2 eliche
in seguito ad un’inclinazione di
circa 50° (25°+25°) fra le 2
eliche.