Indice
Prefazione XIII
Protein Data Bank: una nota degli autori XIV
Nota all’edizione italiana XV
Ringraziamenti XVI
CAPITOLO
1
Dalla sequenza alla struttura
1.0 Visione d’insieme: funzione e architettura delle proteine
2
Le proteine sono le macromolecole più versatili della cellula
Quattro sono i livelli di struttura delle proteine
1.1 Gli amminoacidi
4
Le caratteristiche chimiche delle catene laterali degli amminoacidi
hanno conseguenze importanti per le modalità con cui esse partecipano
al folding e alle funzioni delle proteine
1.2 I geni e le proteine
6
Esiste una relazione lineare tra la sequenza di basi del DNA di un gene
e la sequenza amminoacidica della proteina da esso codificata
L’organizzazione del codice genetico riflette il raggruppamento chimico
degli amminoacidi
1.3 Il legame peptidico
8
Le proteine sono polimeri lineari di amminoacidi connessi da legami ammidici
Le proprietà del legame peptidico hanno importanti effetti sulla stabilità
e sulla flessibilità delle catene polipeptidiche in acqua
1.4 I legami che stabilizzano le proteine ripiegate
10
Le proteine ripiegate sono stabilizzate prevalentemente da interazioni deboli
non covalenti
Le proprietà dell’acqua di formare legami a idrogeno hanno conseguenze
importanti sulla stabilità delle proteine
1.5 Importanza e fattori determinanti della struttura secondaria
12
Le proteine ripiegate hanno segmenti a conformazione regolare
La disposizione di elementi costituenti la struttura secondaria fornisce un modo
conveniente per classificare i tipi di fold
Vincoli sterici definiscono i possibili tipi di struttura secondaria
L’elemento di struttura secondaria più semplice è il beta turn
1.6 Proprietà delle alfa eliche
14
Le alfa eliche sono strutture cilindriche versatili stabilizzate da una rete
di legami a idrogeno dello scheletro
Le alfa eliche possono essere amfipatiche, con un lato polare e uno non polare
Le eliche del collagene e della poliprolina hanno proprietà speciali
1.7 Proprietà dei foglietti beta
16
I foglietti beta sono strutture estese che talvolta formano barili
I foglietti beta amfipatici si trovano sulla superficie delle proteine
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V
1.8 Predizione della struttura secondaria
18
Alcuni amminoacidi ricorrono più comunemente nelle alfa eliche,
altri nei foglietti beta
1.9 Il folding
20
La struttura ripiegata di una proteina è determinata direttamente dalla sua
struttura primaria
La competizione tra interazioni interne e interazioni con l’acqua guida il folding
delle proteine
La previsione computazionale del folding non è ancora affidabile
Le proteine di membrana con eliche si possono ripiegare attraverso
la condensazione di elementi di struttura secondaria preformati nel doppio strato
1.10 La struttura terziaria
22
La condensazione di elementi multipli di struttura secondaria porta alla struttura
terziaria
Le molecole d’acqua legate sulla superficie di una proteina ripiegata costituiscono
una parte importante della struttura
La struttura terziaria è stabilizzata dal raggruppamento efficiente degli atomi
nella parte interna della proteina
1.11 Struttura delle proteine di membrana
24
I principi che stanno alla base delle strutture delle proteine integrali
di membrana sono gli stessi noti per le proteine solubili in acqua
e portano alla formazione degli stessi elementi di struttura secondaria
1.12 Stabilità delle proteine: interazioni deboli e flessibilità
26
La proteina ripiegata è un compromesso termodinamico
La struttura delle proteine può essere alterata da una varietà di agenti
La stabilità marginale della struttura terziaria di una proteina permette
alle proteine di essere flessibili
1.13 Stabilità delle proteine: modificazioni post-traduzionali
28
I legami covalenti possono aggiungere stabilità alla struttura terziaria
Le modificazioni post-traduzionali possono alterare sia la struttura terziaria
sia la stabilità di una proteina
1.14 I domini delle proteine
30
Le proteine globulari sono costituite da domini strutturali
I domini hanno cuori idrofobici
Le proteine multidominio probabilmente si sono evolute dalla fusione dei geni
che un tempo codificavano per proteine separate
1.15 L’universo delle strutture proteiche
32
Il numero dei fold proteici è vasto ma limitato
Le strutture delle proteine sono modulari e le proteine possono essere
raggruppate in famiglie sulla base dei domini che esse contengono
La natura modulare della struttura delle proteine permette inserzioni
e delezioni nella sequenza
1.16 I motivi nelle proteine
34
I motivi nelle proteine possono essere definiti dalla loro sequenza primaria
o dalla disposizione degli elementi di struttura secondaria
L’identificazione dei motivi a partire dalla sequenza non è semplice
1.17 I domini alfa e i domini beta
36
I domini proteici si possono classificare secondo i loro elementi di struttura
secondaria
Due motivi comuni dei domini alfa sono i fasci di quattro eliche e il fold globinico
I domini beta contengono filamenti collegati in due modi diversi
I foglietti beta antiparalleli possono formare barili e sandwich
1.18 I domini alfa/beta, alfa + beta e con legami incrociati
38
Nei domini alfa/beta ciascun filamento di un foglietto beta parallelo di solito
è collegato al successivo da un’alfa elica
VI
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Le famiglie più importanti di domini alfa/beta sono due: i barili e i twist
I domini alfa + beta hanno motivi con alfa eliche indipendenti impaccati contro
un foglietto beta
Gli ioni metallici e i ponti disolfuro formano legami incrociati in domini irregolari
1.19 La struttura quaternaria: principi generali
40
Molte proteine sono costituite da più di una catena polipeptidica
Tutte le interazioni intermolecolari specifiche dipendono dalla complementarità
1.20 La struttura quaternaria: interfacce intermolecolari
42
Tutti i tipi di interazioni che stabilizzano le proteine contribuiscono alla
formazione di interfacce intermolecolari
Interazioni quaternarie non appropriate possono avere straordinarie
conseguenze funzionali
1.21 La struttura quaternaria: geometria
44
Le associazioni di proteine costituite da subunità identiche di solito sono
simmetriche
1.22 Flessibilità delle proteine
46
Le proteine sono molecole flessibili
Le fluttuazioni conformazionali nelle strutture dei domini tendono
a essere locali
I movimenti delle proteine coinvolgono sia gruppi di atomi non legati
sia gruppi di atomi legati covalentemente
Cambiamenti conformazionali indotti possono causare ampi movimenti
di catene laterali, loop o domini
CAPITOLO
2
Dalla struttura alla funzione
2.0 Visione d’insieme: le basi strutturali della funzione delle proteine
50
Esistono molti livelli di funzione nelle proteine
Esistono quattro funzioni biochimiche fondamentali delle proteine
2.1 Riconoscimento, complementarità e siti attivi
52
Alcune funzioni delle proteine, come il riconoscimento cellulare e la catalisi,
dipendono dalla complementarità
Il riconoscimento molecolare dipende da microambienti specializzati che derivano
dalla struttura terziaria della proteina
Microambienti specializzati nel contesto di siti di legame contribuiscono alla catalisi
2.2 Flessibilità e funzione delle proteine
54
La flessibilità della struttura terziaria permette alle proteine di adattarsi
ai loro ligandi
La flessibilità delle proteine è essenziale per la funzione biochimica
Il grado di flessibilità varia nelle proteine con funzioni differenti
2.3 Localizzazione dei siti di legame
56
I siti di legame per le macromolecole sulla superficie di una proteina
possono essere concavi, convessi o piatti
I siti di legame per piccoli ligandi sono fenditure, tasche o cavità
I siti catalitici spesso si trovano alle interfacce di domini e subunità
2.4 Natura dei siti di legame
58
I siti di legame generalmente presentano una quantità di superficie idrofobica
esposta superiore alla media
I siti di legame per piccole molecole sono in genere concavi e parzialmente idrofobici
Le interazioni deboli possono portare a un facile scambio di partner
Anche la rimozione di acqua guida eventi di legame
I contributi all’affinità di legame talvolta possono essere distinti dai contributi
alla specificità di legame
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VII
2.5 Proprietà funzionali delle proteine strutturali
60
Le proteine come intelaiatura, raccordo e impalcatura
Alcune proteine strutturali formano unicamente associazioni stabili
Alcune proteine catalitiche hanno anche un ruolo strutturale
Alcune proteine strutturali servono da impalcature
2.6 Catalisi: visione d’insieme
62
I catalizzatori accelerano la velocità di una reazione chimica senza variarne
l’equilibrio complessivo
La catalisi di solito richiede più di un fattore
La catalisi abbassa la barriera dell’energia di attivazione di una reazione
2.7 Geometria del sito attivo
64
I gruppi reattivi nei siti attivi degli enzimi sono posizionati in modo ottimale
per interagire con il substrato
2.8 Prossimità e destabilizzazione dello stato fondamentale
66
Alcuni siti attivi promuovono principalmente la prossimità
Alcuni siti attivi destabilizzano gli stati fondamentali
2.9 Stabilizzazione degli stati di transizione ed esclusione dell’acqua
68
Alcuni siti attivi stabilizzano principalmente gli stati di transizione
Molti siti attivi devono proteggere i loro substrati dall’acqua, ma allo stesso
tempo devono essere accessibili
2.10 Reazioni redox
70
Un numero relativamente piccolo di reazioni chimiche rende conto della maggior
parte delle trasformazioni biologiche
Le reazioni di ossidazione/riduzione coinvolgono il trasferimento di elettroni
e spesso richiedono cofattori specifici
2.11 Addizione/eliminazione, idrolisi e decarbossilazione
72
Le reazioni di addizione aggiungono atomi o gruppi chimici a doppi legami,
mentre le reazioni di eliminazione li rimuovono per formare doppi legami
Esteri, ammidi e acetali sono scissi dalla reazione con l’acqua; la loro
formazione richiede la rimozione di acqua
La perdita di biossido di carbonio è una strategia comune per rimuovere
un singolo atomo di carbonio da una molecola
2.12 Chimica del sito attivo
74
I siti attivi favoriscono la catalisi acido-base
2.13 Cofattori
76
Molti siti attivi usano cofattori per favorire la catalisi
2.14 Reazioni a più stadi
78
Alcuni siti attivi si servono di meccanismi a più stadi
2.15 Enzimi multifunzionali
80
Alcuni enzimi possono catalizzare più di una reazione
Alcuni enzimi bifunzionali hanno un solo sito attivo
Alcuni enzimi bifunzionali contengono due siti attivi
2.16 Enzimi multifunzionali con tunnel
82
Alcuni enzimi bifunzionali trasferiscono intermedi instabili attraverso un tunnel
che connette i siti attivi
Gli enzimi trifunzionali possono trasportare intermedi lungo distanze notevoli
Alcuni enzimi hanno anche funzioni non enzimatiche
CAPITOLO
3
Controllo della funzione delle proteine
3.0 Visione d’insieme: meccanismi di regolazione
86
Nelle cellule viventi la funzione delle proteine è regolata in modo preciso
VIII
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Le proteine possono essere indirizzate verso specifici compartimenti e complessi
L’attività proteica può essere regolata dal legame di un effettore
e da modificazioni covalenti
L’attività proteica può essere regolata dalla quantità e dalla vita media
di una proteina
Una proteina singola può essere soggetta a molte influenze regolatorie
3.1 Domini di interazione fra proteine
88
Il flusso di informazioni all’interno della cellula è regolato e integrato
dall’uso combinatorio di piccoli domini proteici che riconoscono ligandi specifici
3.2 Regolazione tramite localizzazione
90
La funzione delle proteine nella cellula dipende dal loro contesto
Sono noti diversi modi di indirizzamento delle proteine nella cellula
3.3 Controllo da parte del pH e dell’ambiente redox
92
La funzione delle proteine è modulata dall’ambiente in cui la proteina opera
Modificazioni dell’ambiente redox possono avere effetti notevoli
sulla struttura e sulla funzione di una proteina
Variazioni di pH possono alterare drasticamente la struttura e la funzione
di una proteina
3.4 Ligandi effettori: legame competitivo e cooperatività
94
La funzione delle proteine può essere controllata da ligandi effettori
che si legano competitivamente ai siti opportuni o ai siti attivi
Il legame cooperativo da parte di ligandi effettori amplifica i loro effetti
3.5 Ligandi effettori: cambiamenti conformazionali e allosteria
96
Le molecole effettori possono causare cambiamenti conformazionali
in siti distanti
L’ATCasi è un enzima allosterico con il sito regolatorio e il sito attivo su due
subunità differenti
La perdita di funzione non implica necessariamente distruzione del sito attivo
o del sito di legame per i ligandi
Il legame al DNA di proteine regolatrici di geni è spesso controllato
da variazioni conformazionali indotte dal ligando
3.6 Interruttori proteici basati sull’idrolisi di nucleotidi
98
I cambiamenti conformazionali guidati dal legame e dall’idrolisi di nucleotidi
sono alla base delle proprietà di interruttore e di motore delle proteine
Tutte le proteine interruttore controllate da nucleotidi presentano qualche
caratteristica strutturale e funzionale comune
3.7 Interruttori GTPasici: piccole proteine G di segnale
100
Il ciclo di idrolisi e di scambio dei nucleotidi nelle proteine G è modulato
dal legame di altre proteine
3.8
Interruttori GTPasici: trasmissione del segnale mediante GTPasi eterotrimeriche 102
Le proteine G eterotrimeriche trasmettono e amplificano i segnali
extracellulari da un recettore a un percorso di segnale intracellulare
3.9 Interruttori GTPasici: sintesi proteica
104
EF-Tu è attivato dal legame con il ribosoma, che gli segnala di rilasciare
il tRNA legato
3.10 Interruttori e proteine motorie
106
La miosina e la chinesina sono interruttori nucleotidici dipendenti da ATP
che si muovono rispettivamente lungo i filamenti di actina e i microtubuli
3.11 Regolazione mediante degradazione
108
La funzione di una proteina può essere controllata mediante il suo tempo
di vita medio
Le proteine sono indirizzate verso i proteosomi per la degradazione
3.12 Controllo della funzione delle proteine mediante fosforilazione
110
La funzione delle proteine può essere controllata da modificazioni
covalenti
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IX
La fosforilazione è il più importante meccanismo di modifica covalente
per il controllo della funzione delle proteine
3.13 Regolazione delle protein chinasi di segnale: meccanismo di attivazione
112
Anche le protein chinasi sono regolate mediante fosforilazione
Le chinasi Src attivano e inibiscono se stesse
3.14 Regolazione delle protein chinasi di segnale: attivazione di Cdk
114
La ciclina agisce come un ligando effettore per le chinasi
ciclina-dipendenti
3.15 Sistemi di segnale a due componenti nei batteri
116
I trasportatori di segnale a due componenti utilizzano un piccolo
cambiamento conformazionale regolato dal legame covalente
di un gruppo fosfato
3.16 Controllo mediante proteolisi: attivazione di precursori
118
La proteolisi limitata può attivare enzimi
Gli ormoni polipeptidici sono prodotti mediante proteolisi limitata
3.17 Splicing di proteine: autoproteolisi mediante inteine
120
Alcune proteine contengono inteine che si separano per autoproteolisi
Il meccanismo di autocatalisi è simile per le inteine da organismi
unicellulari e per la proteina Hedgehog di metazoi
3.18 Glicosilazione
122
La glicosilazione può cambiare le proprietà di una proteina e fornire
siti di riconoscimento
3.19 Indirizzamento delle proteine mediante modificazioni lipidiche
124
L’attacco covalente di lipidi dirige le proteine verso le membrane
e verso altre proteine
Le GTPasi che dirigono il traffico delle membrane intracellulari
sono reversibilmente associate alle membrane interne della cellula
3.20 Metilazione, N -acetilazione, sumoilazione e nitrosilazione
126
Processi biologici fondamentali possono essere regolati da altre
modificazioni post-traduzionali di proteine
CAPITOLO
4
Dalla sequenza alla funzione
4.0 Aspetti generali: dalla sequenza alla funzione nell’epoca della genomica
130
La genomica sta apportando un contributo crescente allo studio
della struttura e della funzione delle proteine
4.1 Allineamenti di sequenza e confronti
132
Il confronto di sequenze fornisce una misura del grado di parentela
tra i geni
L’allineamento è il primo passo nel determinare se due sequenze
sono tra loro simili
Allineamenti multipli e alberi filogenetici
4.2 Descrizione delle proteine
134
I dati strutturali possono coadiuvare il confronto di sequenze
nella ricerca di proteine correlate
La sequenza, i motivi e i modelli strutturali possono identificare
le proteine aventi funzioni biochimiche simili
I profili di una famiglia di proteine possono essere generati tramite
allineamento multiplo di elementi della famiglia per la quale
siano note strutture rappresentative
4.3 Come derivare la funzione dalla sequenza
136
Le informazioni di sequenza sono in crescita esponenziale
In alcuni casi la funzione può essere dedotta dalla sequenza
X
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4.4 Strumenti sperimentali per lo studio della funzione proteica
138
La funzione genica può essere talvolta stabilita sperimentalmente in assenza
di informazioni circa la struttura della proteina o di omologia di sequenza
4.5 Evoluzione divergente ed evoluzione convergente
140
L’evoluzione ha portato a un numero relativamente limitato di fold proteici
e di meccanismi catalitici
Proteine che differiscono in sequenza e struttura possono essersi avvicinate
convergendo verso un sito attivo, un meccanismo catalitico e una funzione
biochimica simili
Proteine con bassa similarità di sequenza ma dotate di una struttura complessiva
e di un sito attivo molto simili sono probabilmente omologhe
A volte è difficile distinguere tra evoluzione convergente ed evoluzione divergente
L’evoluzione divergente può produrre proteine somiglianti per sequenza
e struttura ma con funzioni differenti
4.6 La struttura dalla sequenza: modelli per omologia
142
La struttura può essere ricavata a partire da una sequenza facendo
riferimento al fold e alla struttura di proteine note
La modellazione per omologia viene usata per dedurre la struttura
di una sequenza facendo riferimento alla struttura di un omologo vicino
4.7 La struttura dalla sequenza: modellazione per profili e metodo Rosetta
144
La modellazione per profili cerca di prevedere la struttura tridimensionale
a partire da una sequenza anche se non sono note proteine
con sequenza omologa
Il metodo Rosetta tenta di predire la struttura proteica dalla sequenza
senza alcun aiuto da parte di sequenze omologhe o di altre strutture
4.8 Derivare la funzione dalla struttura: superfamiglie di proteine
146
I membri di una stessa famiglia strutturale spesso possiedono funzioni
biochimiche correlate
Le quattro superfamiglie di proteasi a serina rappresentano un esempio
di evoluzione convergente
Famiglie proteiche strettamente correlate possono avere funzioni
biochimiche e biologiche completamente differenti
4.9 Strategie per identificare siti di legame
148
I siti di legame possono a volte essere individuati nelle strutture
tridimensionali attraverso metodi puramente computazionali
I metodi sperimentali per la localizzazione dei siti di legame sono a oggi
più accurati dei metodi computazionali
4.10 Strategie per identificare residui catalitici
150
La mutagenesi sito-specifica può identificare i residui coinvolti
nei legami o nella catalisi
I residui del sito attivo in una struttura possono a volte essere
riconosciuti con metodi di analisi computazionale dalla loro geometria
I programmi di ricerca delle interazioni (docking) modellano il legame
dei ligandi
4.11 La struttura a barile TIM: una struttura con differenti funzioni
152
La conoscenza della struttura di una proteina non rende necessariamente
possibile prevedere le sue funzioni biochimiche o cellulari
4.12 Enzimi PLP: differenti strutture con un’unica funzione
154
Una funzione biochimica e un meccanismo catalitico di una proteina
non predicono necessariamente la sua struttura tridimensionale
4.13 Moonlighting: proteine con più di una funzione
156
Negli organismi multicellulari le proteine multifunzionali aiutano
a espandere il numero delle funzioni proteiche che possono essere
ottenute partendo da genomi relativamente piccoli
4.14 Sequenze camaleonte: una sequenza con più di una struttura
158
Alcune sequenze amminoacidiche possono assumere strutture
secondarie differenti in diversi contesti strutturali
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Indice
XI
4.15 Prioni, amiloidi e serpine: strutture proteiche metastabili
160
Una singola sequenza può adottare più di una struttura stabile
4.16 Funzioni per geni non caratterizzati: la galattonato deidratasi
162
Determinare la funzione biochimica dalla sequenza e dalla struttura
risulta tanto più accurato quanto più membri di famiglie proteiche vengono
identificati
L’allineamento basato sulla conservazione dei residui che svolgono
la medesima azione chimica nel sito attivo può identificare più membri
della famiglia rispetto al solo confronto di sequenza
Le informazioni della genetica e della biologia cellulare, per organismi modello
ben studiati, possono aiutare a identificare il substrato di un enzima «sconosciuto»
e l’effettiva reazione catalizzata
4.17 Cominciare dall’inizio: un prodotto genico di funzione ignota
164
La funzione non può sempre essere determinata a partire dalla sequenza,
anche con l’aiuto di informazioni strutturali e intuizioni chimiche
CAPITOLO
5
Determinazione della struttura
5.1 Interpretazione dell’informazione strutturale
168
Le strutture proteiche determinate sperimentalmente sono il risultato
dell’interpretazione di diversi tipi di dati
Sia l’accuratezza sia la precisione di una struttura possono variare
Il contenuto di informazione di una struttura è determinato
dalla sua risoluzione
5.2 Determinazione delle strutture con cristallografia a raggi X e RMN
170
La cristallografia di proteine richiede la raccolta dei raggi X diffusi
da un cristallo macromolecolare
La spettroscopia RMN determina le distanze internucleari misurando
le perturbazioni tra le risonanze assegnate agli atomi della proteina
in soluzione
5.3 Qualità e rappresentazione delle strutture cristallografiche e RMN
172
La qualità di una struttura completa dipende largamente dalla quantità
di dati raccolti
Differenti convenzioni nella rappresentazione delle strutture proteiche
sono utili per scopi differenti
Glossario 174
Bibliografia 181
Indice analitico 192
XII
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