La struttura quaternaria
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La struttura quaternaria La struttura quaternaria L’ultimo livello nella gerarchia strutturale delle proteine è rappresentato dalla struttura quaternaria. Struttura supersecondaria Domini La struttura quaternaria Le proteine che sono costituite da una sola catena polipeptidica sono chiamate monomeriche. Esiste un consistente numero di proteine costituite da un certo numero di catene polipeptidiche identiche, chiamate subunità (o protomeri), che si associano in modo specifico p a formare una molecola multimerica. Si dice che queste proteine hanno una struttura quaternaria. Le zone di contatto fra le subunità sono costituite da catene laterali non polari e caratterizzate da interazioni di van der Waals, Waals legami idrogeno e talvolta ponti disolfuro intercatena. Le subunità possono funzionare in modo indipendente una dall dall’altra altra oppure in modo cooperativo, così che la funzione di una subunità sia dipendente dallo stato funzionale delle altre subunità. Altre proteine sono costituite da catene polipeptidiche, e quindi da subunità, diverse, ciascuna con una diversa funzione. La struttura quaternaria Sono svariate le ragioni per cui le proteine costituite da diverse subunità (invece che da un’unica enorme catena polipeptidica) sono così comuni. In particolare: i l - eventuali difetti possono essere riparati i ti sostituendo tit d l la subunità b ità difettosa. - Il sito di formazione della subunità può essere diverso da quello di assemblaggio della struttura finale e la sola informazione genetica necessaria è specificare le diverse subunità che si devono assemblare. La struttura quaternaria - nel caso degli enzimi, aumentarne le dimensioni attraverso l’associazione di subunità b i à identiche id i h è più iù efficiente ffi i t che aumentare la lunghezza della catena polipeptidica, poiché ogni subunità ha un sito attivo. Inoltre, la costituzione a subunità f i fornisce l basi le b i strutturali t tt li per la l regolazione della loro attività. 1000-2000 Å2 di interfaccia tra protomeri. La struttura quaternaria q Nel formare i multimeri, le subunità si dispongono in modo simmetrico, cioè occupano p posizioni g p geometricamente equivalenti, q , secondo le seguenti g operazioni di simmetria rotazionale: - simmetria ciclica, in cui le subunità sono correlate da un singolo asse di rotazione; - simmetria i t i diedra, di d caratterizzata tt i t dalla d ll composizione di un asse di rotazione di ordine n con un asse di rotazione di ordine 2 (che si intersecano perpendicolarmente); - altre simmetrie possibili sono quella tetraedrica, ottaedrica e icosaedrica. La struttura quaternaria Alcune proteine multimeriche presentano simmetria elicoidale. Le subunità chimicamente identiche dell’elica non sono strettamente equivalenti, i l i perché, h per esempio, i quelle ll alle ll estremità i dell’elica d ll li hanno h un environment diverso rispetto a quelle nel mezzo. Tuttavia l’intorno di tutte le subunità nell’elica, tranne quelle vicino alle estremità, sono sufficientemente simili, per cuii le l subunità b i à sono dette d quasii equivalenti. I virus i I virus I virus sono parassiti costituiti da molecole di acido nucleico (DNA o RNA, a doppia o singola elica) circondate da un rivestimento protettivo costituito da proteine, chiamato capside. Alcuni virus hanno anche una membrana a doppio strato lipidico, chiamato pericapside o envelope, che riveste il capside. Un acido nucleico non potrebbe mai codificare una singola molecola proteica tanto grande da racchiuderlo. racchiuderlo Il capside dei virus, quindi, è costituito da innumerevoli copie di una o alcune catene polipeptidiche. polipeptidiche I virus hanno forme e dimensioni diverse: in particolare, particolare il capside può essere sferico o a bastoncello. I virus La conoscenza in dettaglio (struttura tridimensionale a livello atomico) del capside dei virus potrebbe essere importante per progettare farmaci antivirali. Per esempio, l’entrata dei virus nelle cellule dei mammiferi dipende dal riconoscimento specifico, da parte del capside virale, di proteine o carboidrati ((recettori)) che si trovano sulla superficie p delle cellule bersaglio. g Questa Q interazione gioca un ruolo cruciale e composti che interferiscono con questa interazione dovrebbero bloccare l’infezione. I siti di legame virale sulla superficie delle cellule ospite sono anche i target degli anticorpi, per cui il sistema immunitario dell’ospite ha con tutta probabilità giocato un ruolo importante nell nell’evoluzione evoluzione dei virus animali. La conoscenza, quindi, delle regioni di superficie di questi virus dovrebbe aiutare a capire meglio gli adattamenti strutturali che i virus hanno evoluto per eludere le difese dell dell’ospite ospite. I virus L’esistenza di tutti i virus dipende dalla loro abilità di infettare le cellule, inducendole a generare altre particelle di virus. Le cellule infette generalmente muoiono durante questo processo. Il ciclo di infezione dei virus si può così schematizzare: - i virus rilasciano il loro acido nucleico (ss/ds-DNA, ss/ds-RNA) nella cellula ospite, spesso insieme a proteine virali; I virus - la macchina biosintetica della cellula ospite viene utilizzata per la replicazione, trascrizione e traduzione dei g geni virali,, a spese dell’espressione dei geni cellulari; - le nuove particelle di virus generate lasciano l cellula la ll l infettata i f per infettare i f nuove cellule. ll l I virus Immagini al microscopio elettronico I virus Le proteine che costituiscono il capside dei virus si dispongono in modo simmetrico o quasi-simmetrico. Sono note due possibili disposizioni (assemblaggi di natura quaternaria, quindi): - virus con capside p elicoidale,, in cui le subunità p proteiche si associano a formare un bastoncello elicoidale; - virus con capside sferico, sferico in cui le subunità proteiche si aggregano a formare un poliedro. Considerato l’elevato numero di subunità proteiche (fino ad alcune centinaia) coinvolte nella formazione del capside dei virus, essi rappresentano ll’esempio esempio più complesso di organizzazione delle proteine in struttura quaternaria. Virus con capside elicoidale Un esempio di virus con capside elicoidale è dato dal virus del mosaico del tabacco (TMV). (TMV) TMV ha una forma a bastoncello, è lungo circa 3000 180 Å e ha h una massa di 40 milioni ili i di dalton d l . Il suo capside id è costituito tit it da d circa i 2130 copie i identiche di una proteina (158 aminoacidi), disposte a formare un’elica destrorsa cava (diametro cavità circa 40 Å), Å caratterizzata da n = 16.3 subunità per giro, p = 23 Å. TMV contiene i una molecola l l di RNA a singola i l elica che si avvolge nella cavità interna seguendo i giri dell’elica di proteine, in modo tale che 3 nucleotidi interagiscano con una subunità proteica. Å, ha un diametro di Virus con capside elicoidale Lo stato di aggregazione delle proteine del capside di TMV dipende dal pH e dalla forza ionica. - pH basico, bassa forza ionica: le proteine formano complessi di solo alcune subunità; - pH basico, alta forza ionica: l subunità le b ità sii associano i a formare f dischi a doppio strato (17 subunità per disco); Virus con capside elicoidale - pH neutro, bassa forza ionica: le subunità formano corte eliche di poco più iù di 2 giri, i i chiamate hi protoeliche; - pH acido, bassa forza ionica: le protoeliche si impilano in modo imperfetto p e alla fine si fondono a formare un lungo bastoncello elicoidale. Virus con capside elicoidale Immagini al microscopio elettronico per seguire l’andamento dell’aggregazione delle proteine del capside di TMV,, passando p da ppH = 7 a pH = 5, in condizioni di bassa forza ionica. Virus con capside elicoidale L’analisi cristallografica a raggi X ha mostrato che ciascuna subunità del capside del virus MTV è costituita da un bundle di 4 eliche, disposto in modo radiale rispetto all all’asse asse dell dell’elica elica del virus. asse elica virus Structure of the TMV protein disk in cross section showing its polypeptide chains as ribbon diagrams. Assembly of TMV. (a) The process begins by the insertion of the hairpin loop formed by the initiation sequence of the viral RNA into the protohelix’s central cavity. Assembly of TMV. (b) The RNA then intercalates between the layers off the protohelix, i thereby ordering the disordered loop and trapping the RNA. A Page 1378 P Assembly of TMV. (c) Elongation proceeds by the sstepwise epw se addition dd o oof p protohelices o o e ces too thee “top” op of o thee viral rod. Virus con capside sferico Un altro modo in cui subunità equivalenti si dispongono a costituire il capside dei virus è quello di formare un poliedro sferico, secondo due principi base: - specificità: le subunità devono riconoscersi con precisione per formare la giusta interfaccia di interazioni non-covalenti, visto che i virus si assemblano spontaneamente p dai loro componenti p individuali;; - economia genetica: il capside è costituito da molte copie di alcuni tipi di subunità. Questi due principi implicano la simmetria: pattern di legame ripetuti e specifici di unità costituenti identiche portano ad una struttura finale simmetrica. Virus con capside sferico Come disporre in modo simmetrico oggetti identici in modo tale da costruire una sfera? Esiste solo un numero limitato di modi per farlo e fra questi la simmetria icosaedrica è la più alta possibile, permettendo al maggior numero di oggetti identici di formare una sfera. Lo studio del capside dei virus sferici con il microscopio elettronico e con la cristallografia a raggi X ha indicato che la simmetria icosaedrica sta alla base della loro architettura. Virus con capside sferico L’icosaedro è un oggetto approssimativamente sferico costituito da 20 triangoli equilateri identici. La sua simmetria è descritta da tipi diversi di rotazioni, che lo portano a coincidere con se stesso. 12 vertici (asse di rotazione di ordine 5) 20 ffacce (asse di rotazione di ordine 3) 30 spigoli (asse di rotazione di ordine 2) Kin exercises/Viral-coat Virus con capside sferico L’icosaedro L icosaedro presenta 12 × 5 = 60 (o 20 × 3, 3 o 30 × 2) posizioni equivalenti. equivalenti Ogni oggetto che presenta simmetria è costituito da parti più piccole, identiche e messe in relazione una con ll’altra altra da operazioni di simmetria; tali parti vengono chiamate “unità connesse da simmetria” o “unità asimmetriche”. Le subunità proteiche che costituiscono il capside dei virus sferici sono unità asimmetriche: il numero minimo di subunità proteiche necessarie a formare il capside con simmetria icosaedrica è quindi uguale alle posizioni equivalenti d ll’i dell’icosaedro. d Le proprietà di simmetria dell’icosaedro non si limitano alla superficie, ma si estendono all all’intero intero volume. volume Un Un’unità unità asimmetrica è quindi una parte di questo volume: è un cuneo che parte dalla superficie, fino al centro dell’icosaedro. Virus con capside sferico L’icosaedro ha 60 unità asimmetriche, per cui il numero minimo di subunità proteiche richiesto per formare il capside di un virus a simmetria icosaedrica è 60. Ciascuna unità asimmetrica può contenere una o più catene polipeptidiche. X-Ray structure of satellite tobacco mosaic virus (STMV) Th (STMV). The virion i i iis shown h iin cutaway view i along l its icosahedral (T-1) 5-fold axis. From: Biochemistry – Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons Inc. Vi con capside Virus id sferico f i In un capside sferico costituito solo da 60 subunità proteiche ben poco spazio è lasciato alla molecola di DNA/RNA. I virus autosufficienti hanno genomi molto lunghi, che codificano per enzimi necessari alla replicazione del loro acido nucleico virale, oltre che per le proteine strutturali del capside. Questi genomi necessitano ampi spazi all’interno del capside e quindi un capside più grande. Come si può costruire un capside più grande mantenendo la simmetria icosaedrica? L’aumento delle dimensioni di ciascuna subunità porterebbe ad un piccolo guadagno nelle dimensioni del capside ma ad un notevole suo ispessimento. Il solo l modo d possibile ibil è aumentare t il numero delle d ll subunità, b ità cioè i è ciascuna i unità asimmetrica dell’icosaedro deve contenere più di una subunità (che possono essere identiche o diverse). Vi con capside Virus id sferico f i Il numero totale di subunità costituenti il capside deve essere un multiplo intero di 60. Donald Caspar e Aaron Klug nel 1962 hanno dimostrato che solo alcuni multipli interi (1, 3, 4, 7, …) di 60 (subunita’ proteiche) sono possibili per mantenere la specificità delle interazioni all’interno della simmetria icosaedrica, in modo tale che i contatti proteina-proteina siano simili. Questi multipli interi sono chiamati numeri di triangolazione T. I valori di T permessi sono dati dalla seguente formula: T = h2 + hk + k2 [h, k interi positivi] Nel caso di T = 1 le subunità proteiche si impaccano a formare l’icosaedro in modo strettamente equivalente. Nel caso di T > 1 le subunità si possono impaccare con pattern di legame solo leggermente diversi, in modo quasi equivalente. Virus con capside p sferico: sferico: T = 1 I virus satellite, che sono non autosufficienti, poiché non codificano da soli tutte le funzioni richieste per la loro replicazione, hanno il capside sferico costituito soltanto da 60 catene proteiche (numero di triangolazione T = 1). Un esempio è il virus satellite della necrosi del tabacco, che è anche uno dei ppiù p piccoli finora conosciuti. Esso ha un diametro di 180 Å e p per replicarsi p ha bisogno dell’aiuto del virus della necrosi del tabacco. Il suo RNA codifica per una sola l catena t polipeptidica (195 aminoacidi) per unità asimmetrica dell’icosaedro. Virus con capside sferico sferico:: T = 3 Nel caso di T = 3 (180 subunità), ciascuna unità asimmetrica contiene 3 s b nità proteiche (A, subunità (A B e C) con un n diverso di erso environment. en ironment Le subunità A interagiscono intorno all’asse di rotazione di ordine 5, mentre le subunità B e C si alternano intorno all’asse di rotazione di ordine 3. Ci sono,, qquindi,, 6 subunità ((3 B e 3 C)) disposte in modo pseudo-simmetrico intorno all’asse di rotazione di ordine 3, che diventa quindi anche un asse di pseudo pseudo-simmetria simmetria di ordine 6. La disposizione delle subunità intorno all’asse di simmetria di ordine 5 e a quello di pseudo-simmetria di ordine 6 dovrebbe essere molto simile, simile con piccole alterazioni delle modalità di impaccamento. T=3 T = 3 icosadeltahedron. (a) Exact rotational symmetry of an i icosahedron h d (solid ( lid symbols) b l ) plus l local l l 6-fold, 6 f ld 3-fold, 3 f ld andd 2-fold rotational axes (hollow symbols). (b) 3 quasi quasi-equivalent equivalent sets of 60 icosahedrally related lobes. From: Biochemistry – Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons Inc. Virus con capside sferico sferico:: T = 3 Un esempio di capside di virus sferico con T = 3 è dato dal virus del pomodoro (tomato bushy b sh stunt st nt virus). ir s) Questo Q esto virus ir s contiene 180 catene polipeptidiche chimicamente identiche (386 aminoacidi) per un diametro totale di 330 Å. Ciascuna subunità è costituita da un dominio R, una regione di loop (a) che connette R con il dominio d i i S, a formare il guscio virale, e da un dominio P che si A proietta fuori dalla superficie. B C I domini P ed S sono collegati da una cerniera ((h). ) Le catene polipeptidiche identiche hanno diverse strutture tridimensionali quando d fformano lle 3 subunità A, B e C. Radial organization of TBSV indicating the distribution of its protein and RNA components. From: Biochemistry – Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons Inc. Page 1381 P X-Ray X Ray structure of the tomato bushy stunt virus (TBSV) coat protein subunit. From: Biochemistry – Voet & Voet (2004) J. Wiley and Sons Inc. Virus con capside p sferico Il fatto che i virus sferici vegetali e alcuni di quelli animali abbiano lo stesso modo di disporre p le subunità p proteiche p per costruire l’icosaedro,, fa ipotizzare p che essi siano correlati dal punto di vista evoluzionistico e abbiano un ancestore comune. Questa ipotesi è supportata dall dall’analisi analisi del fold delle subunità proteiche costituenti il capside. L’analisi cristallografica g ai raggi X ha mostrato che tutte le proteine costituenti il capside dei virus sferici assumono la struttura β antiparallela con β-antiparallela topologia jelly roll. Virus con capside sferico In generale si osserva che i loop ad una estremità del barile sono sempre corti, mentre quelli all’estremità opposta sono molto lunghi e di di dimensioni i i variabili. i bili Tali strutture proteiche si possono schematizzare con un cuneo. Virus satellite della necrosi del tabacco Subunità VP2 virus raffreddore Subunità VP1 virus polio Virus con capside sferico Un’eccezione alla regola è rappresentata dal fold delle proteine che costituiscono il capside del batteriofago MS2 (T = 3). In questo caso le proteine hanno la struttura di un foglietto β antiparallelo con topologia up and d down. d Virus con capside p sferico Molti farmaci sono efficaci perché si legano a siti recettoriali specifici, bloccando la funzione fisiologica g della p proteina. Studi di progettazione di farmaci sono stati condotti sul virus del raffreddore. Nel capside del virus del raffreddore, come in tutti i picornavirus, ci sono zone di canyon (profonde 25 Å e larghe da 12 a 30 Å) che circondano le protuberanze, formate dalle proteine VP1. Virus con capside sferico I canyon formano il sito di legame per il recettore del virus dell dell’influenza influenza sulla superficie della cellula ospite. In particolare, particolare il composto antivirale si lega a VP1, inserendosi in una cavità idrofobica sotto il pavimento d l canyon. del Virus con capside p sferico: sferico: T = 4 Nel caso di T = 4 (240 subunità), ciascuna unità asimmetrica contiene 4 subunità p proteiche ((A,, B,, C e D)) con un diverso environment. Le subunità A interagiscono intorno all’asse all asse di rotazione di ordine 5, le subunità D intorno all’asse di rotazione di ordine 3, mentre le subunità B e C sono disposte in modo tale che 2 copie di ciascuna interagiscano intorno all’asse ll’ di ordine di 2 oltre 2, lt a 2 subunità D. T=4 From: Biochhemistry – Voet & Voet (2004) J. W Wiley and Sons Innc. Structure of the PBCV-1 capsid. A quasi-atomic model based on fitting the X-ray X ray structure of Vp54 to the cryo-EM–based image of the capsid.
