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Chimica.it
Responsabile:
Prof. Mauro Tonellato

MODELLISTICA MOLECOLARE CON ArgusLab
8^ LEZIONE

STRUTTURA DELLE PROTEINE
   


Lezioni con ArgusLab:
1^ 1-butene e 2-butene
2^ Carbocatione 1° e 2°
3^ Acetone e tautomeria
4^ Dieni coniugati pdf
5^ Benzene e aromaticità pdf
6^ Legame covalente
7^ Conformazione alcani
8^ Struttura delle proteine
9^ Legandi e Siti di legame
10^ Docking molecolare
11^ Ponte Cloronio
12^ Diels-Alder

Chimica al Computer


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Per seguire questa lezione dovete avere già visto la 1^ e la 2^ lezione di modellistica molecolare con ArgusLab nelle quali sono state spiegate le procedure di base che qui verranno date per conosciute.
Questa lezione può essere svolta in due modi
1) Online. Potete leggere le istruzioni, eseguire l'esercizio con ArgusLab, usare le illustrazioni per vedere quel che dovreste ottenere.
2) In aula informatica con la classe. Se siete insegnanti di chimica, potete adattare la lezione alle esigenze della vostra classe e poi riproporla in aula informatica ai vostri allievi. La durata della lezione è di circa due ore.
N.B. Cliccando sulle immagini potrete vederle a pieno schermo!

Gli argomenti di questa lezione sono:
-- Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine
Recettore dell'acetilcolina
In questa prima lezione sulle proteine, studierete il recettore dell'acetilcolina. Utilizzerete la struttura 1uv6 (fig.1) presa dall'archivio PDB (Protein Data Bank), anzi ne userete solo un frammento creato appositamente per questa lezione, 1uv6_tut (fig.2), che contiene solo 2 delle 5 catene proteiche che la molecola possiede in natura.




fig. 1



fig. 2
Aprire il file PDB
Scaricate il file 1uv6_tut.zip, decomprimetelo per ottenere il file PDB 1uv6_tut.pdb e collocatelo in una directory che chiamerete Acetilcolina. Aprite il file PDB con ArgusLab, facendo attenzione a selezionare il tipo corretto di file nella finestra di dialogo: File / Open / Tipo di File (Brookhaven PDB files).

Assicuratevi che sia selezionata la vista ad albero della molecola: Tools / Molecule Tree View
 oppure cliccate il pulsante nella barra degli strumenti.

 fig. 3

Nella finestra di sinistra, dove si trova la struttura ad albero della molecola, selezionate il percorso
1uv6_tut / Residues / Chain C / AmminoAcids
potrete leggere l'elenco degli amminoacidi, che compongono la catena C della molecola, mostrati in ordine alfabetico.




Stuttura Primaria
La struttura primaria di una proteina è semplicemente la sequenza dei suoi amminoacidi.
Per metterla in evidenza procedete così:
Fate un click col pulsante destro su Residues e scegliete Sort by Residue ID number
Cliccate su Chain C e vedrete gli amminoacidi che compongono la catena C ordinati per numero d'ordine, cioè secondo la posizione che occupano nella catena della proteina, dal numero 1 al numero 205. Questa sequenza di amminoacidi è la struttura primaria della catena C della proteina. (fig.4)

Cliccate col pulsante sinistro sullo sfondo nero della finestra 3D di ArgusLab e trascinate il mouse nelle varie direzioni. La struttura 3D della proteina comincerà a ruotare seguendo i movimenti del mouse.
Gli amminoacidi che costituiscono la molecola sono rappresentati con la tecnica wireframe (filo di ferro). Potete sperimentare altri modi di rappresentare gli amminoacidi seguendo questa procedura.
Cliccate su un amminoacido, per esempio 1 LEU (leucina) nella finestra ad albero. L'amminoacido è ora selezionato: il simbolo a lato di 1 LEU diventa rosso e l'amminoacido nella finestra 3D si evidenzia in giallo.
Ruotate la proteina trascinando il mouse per vedere meglio l'amminoacido selezionato.
Ingrandite l'immagine premendo il tasto SHIFT e trascinando il mouse.
Traslate la catena premendo CTRL e trascinando il mouse.
Quando l'amminoacido evidenziato in giallo è bene in vista, cliccate su 1 LEU col pulsante destro e scegliete il menù Set Render Mode / BallCylinder med

fig. 5

Essendo 1 LEU l'amminoacido che inizia la catena, il suo gruppo alfa-amminico è libero (sfera blu), mentre il carbonio del carbossile (carbonio grigio legato all'ossigeno rosso) è legato all'azoto (blu) dell'amminoacido numero 2.




fig. 4

Struttura Secondaria
La struttura secondaria di una proteina è la sua struttura tridimensionale locale.
Per metterla in evidenza procedete così:
Scegliete l'opzione Edit / Select All per selezionare tutto e poi Edit / Hide Selected per non vedere più gli amminoacidi.
Selezionate View / Render protein as cartoon ribbon per rappresentare la proteina come un nastro di cartone.
Per colorarla come in figura 6, scegliete View / Color ribbon by secondary structure.

fig. 6

I tre colori, blu, rosso e verde, sono usati nella figura per rappresentare le tre principali strutture secondarie delle proteine.
blu = beta pieghe (beta strand)
rosso = alfa elica (alpha helix)
verde = avvolgimento casuale (random coil)

Esaminate per prima la struttura beta pieghe.
I tratti con avvolgimento beta pieghe sono stabilizzati dalla formazione di legami idrogeno con un'altra catena vicina beta pieghe. Per questo motivo i tratti beta pieghe non si trovano mai da soli, ma si affiancano uno all'altro.
I legami idrogeno possono essere messi in evidenza seguendo la procedura descritta qui sotto.
Individuate un tratto della proteina nel quale ci siano almeno tre catene affiancate come in fig. 8.
Scegliere Edit / Select All e poi Edit / Show All.
Individuate uno degli amminoacidi nella catena di mezzo. Cliccate col pulsante destro su un atomo dell'amminoacido e scegliere Atom info.... Compare una finestra nella quale è indicato l'amminoacido a cui appartiene quell'atomo. Per esempio
Residue: 317 LEU
Chain D.
Nella finestra ad albero selezionate (CTRL + Click) gli amminoacidi che appartengono a quel tratto di catena beta pieghe, in questo caso: 315 GLU, 316 VAL, 317 LEU, 318 TYR.
Fate un click destro su uno di questi amminoacidi e, nel menù che compare, scegliete:
Make a Ligand Group from this Residue come in figura 9.

fig. 9

Nella directory Groups ora compare un nuovo legando 1 multiresidue TYR (fig. 10)
selezionatelo con un click e scegliete
Edit / Hide Unselected e poi click destro / Set Render Mode / BallCylinder med (fig. 11)
I quattro amminoacidi hanno gli atomi di ossigeno dei carbonili (sfere rosse) che sporgono alternativamente a destra e a sinistra del foglio beta, sono coinvolti nel legame idrogeno con le catene adiacenti.
Correggete in Settings / Monitors / Maximum Distance e portate il valore da 3.0 a 3.3 Angstrom.
Fate click destro sul legando nella finestra ad albero e scegliete Show hydrogen bonds.
I legami idrogeno sporgono a due a due a destra e a sinistra, uno parte da un carbonile, l'altro da un gruppo NH. (fig.12).

Per completare l'osservazione, fate click destro su un legame idrogeno e scegliete
Show All Hydrogen's bond residues, poi fate CTRL+Click (selezionate) su tutti gli amminoacidi che sono comparsi (simbolo blu) nella directory della Chain D a sinistra.
Infine click destro / Set Render Mode / BallCylinder med.
Otterrete le due immagini qui sotto (fig. 13 e fig. 14).


fig. 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . fig. 14

Per esaminare l'alfa elica, ripetete questa procedura definendo un nuovo legando con i quattro amminoacidi centrali dell'alfa elica e poi mettendo in evidenza i legami idrogeno.
Nell'alfa elica, le catene R degli amminoacidi sporgono perpendicolarmente intorno alla catena.
I legami idrogeno, invece, sono paralleli all'alfa elica e legano amminoacidi che si trovano nell'ansa precedente o successiva. Tutti i carbonili hanno gli ossigeni rivolti in basso e legano i gruppi NH rivolti verso l'alto.

fig. 15





























fig. 7


fig. 8







 







fig. 10



fig. 11


fig. 12
Struttura Terziaria
La struttura terziaria di una proteina è la struttura tridimensionale complessiva di una catena proteica con cui questa si avvolge a gomitolo (figura 16).
Ogni proteina ha la propria struttura tridimensionale che è la più stabile tra tutte quelle possibili, cioè corrisponde ad un minimo di energia. La proteina assume spontaneamente questa configurazione a cominciare dal momento in cui viene sintetizzata (a meno che non sia troppo piccola come l'insulina o molto grande e allora ha bisogno di un piccolo aiuto da parte dei Cheperon).
In generale gli amminoacidi apolari tendono ad occupare la parte più interna della proteina in modo da interagire tra di loro piuttosto che con il solvente acquoso nel quale la proteina è immersa. Questo comportamento ricorda quello dei saponi che si organizzano in micelle con le code apolari rivolte al centro e le teste polari rivolte all'esterno.
Le proteine di membrana fanno eccezione a questa regola e sono apolari nel tratto superficiale che è immerso nello strato di fosfolipidi della membrana cellulare.
Per esplorare la struttura di questa proteina deselezionate i monitor dei legami idrogeno
Monitor / Remove Hydrogen Bond Monitor
Deselezionate il rendering come Cartoon Ribbon View / Render protein as cartoon ribbon
poi scegliete Edit / Show All e Edit /Select All
Fate Click destro su un amminoacido nella finestra ad albero e scegliete
Set Render Mode / BallCylinder med
infine scegliete View / Color Protein by Ammino Acid Polarity otterrete la situazione di figura 17.

fig. 17

Gli amminoacidi basici sono rappresentati in blu, quelli acidi in rosso, quelli polari in azzurro, quelli apolari in grigio. Si nota che in superficie vi è una predominanza di amminoacidi colorati, mentre nella parte più interna domina il colore grigio degli amminoacidi apolari.



fig. 16


Struttura Quaternaria
Le proteine composte da più catene (subunità) possiedono una struttura quaternaria cioè una struttura tridimensionale complessiva delle subunità che descrive come queste si incastrano una nell'altra per formare una struttura proteica funzionale.
La struttura quaternaria può essere paragonata al modo con cui i diversi ingranaggi di un motore si incastrano insieme per formare un motore funzionante.
Nel nostro caso conviene esaminare tutta la proteina recettore dell'acetilcolina e non solo il frammento utilizzato finora.
Scaricate quindi il file 1uv6.zip, decomprimetelo per ottenere il file PDB 1uv6.pdb e mettetelo nella diractory di lavoro Acetilcolina.
Scegliete View / Render protein as cartoon ribbon e poi
Edit / Select All e quindi Edit / Hide Selected, infine View / Color ribbon by molecule per ottenere l'immagine di figura 18. Nell'immagine sono anche evidenziate le due molecole di legando acetilcolina.

fig. 18

La proteina recettore dell'acetilcolina si trova, per esempio, nelle membrane delle cellule muscolari, soprattutto in quelle presenti nelle sinapsi tra cellule nervose e muscolari. Quando un impulso nervoso viene inviato al muscolo, corre come segnale elettrico all'interno del neurone, questo poi rilascia un getto di neurotrasmettitore, acetilcolina, per trasmettere l'impulso al muscolo. L'acetilcolina, rilasciata nello stretto spazio della sinapsi, viene catturata dai recettori dell'acetilcolina nelle cellule muscolari e si lega ai due siti di legame, come nella figura 18. Questo legame altera leggermente la struttura di tutta la proteina e provoca l'apertura del foro centrale. Questo piccolo canale trans membrana si apre in pochi millisecondi e permette l'ingresso nella cellula di ioni positivi come sodio, potassio e calcio che stimolano la contrazione muscolare. Poi si richiude con la stessa rapidità interrompendo il segnale perchè l'acetilcolina si stacca molto rapidamente e si allontana dalla sinapsi.
Per meglio valutare le reali dimensioni del foro centrale conviene rappresentare la proteina come nella figura 19 dove ci sono tutti gli atomi con il loro vero ingombro.
Deselezionate il rendering come Cartoon Ribbon View / Render protein as cartoon ribbon
poi scegliete Edit / Show All e Edit / Select All
Fate Click destro su un amminoacido nella finestra ad albero e scegliete
Set Render Mode / CPK med
infine scegliete View / Color by molecule otterrete la situazione di figura 19.

fig. 19
.


 



Autore: prof Mauro Tonellato






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