Interazioni che stabilizzano il polipeptide Flashcards
Descrivere ruolo delle interazioni deboli nelle proteine
il ruolo della epsilon in una interazione elettrostatica
La forza delle interazioni non covalenti può essere descritta attraverso la legge di Coulomb come segue: 𝐹 = 𝑞1× 𝑞2
𝜀 × 𝑟2
.
Possiamo quindi notare che la forza di interazione è direttamente proporzionale all’intensità delle cariche q1 e q2 dei
due gruppi tra cui si sta considerando l’interazione; ed è invece inversamente proporzionale ad r, la distanza tra i
gruppi carichi; ed inversamente proporzionale ad ε, la costante dielettrica, ovvero la capacità del solvente in cui si
trova immersa la proteina di schermare le cariche.
La costante dielettrica è particolarmente importante, in quanto se due gruppi carichi vengono posti in un solvente
con elevata costante dielettrica, ad esempio un solvente polare come l’acqua che presenta ε=78.5, la presenza di un
solvente in grado di interagire con in gruppi carichi porterà a “schermare” le cariche stesse diminuendo di
conseguenza la forza di attrazione tra le cariche. Nel caso in cui invece i due gruppi carichi vegano posti in un
solvente con bassa ε, solventi apolari come ad esempio il benzene che presenta ε=4.6, l’assenza di interazione del
solvente con i gruppi carichi porta ad un aumento della forza di interazione tra i gruppi [notare che le proteine poste
in benzene subiscono denaturazione e quindi ciò non potrebbe avvenire all’interno della cellula, situazioni simili a
quelle in cui la proteina viene posta in un solvente apolare si riscontrano quando il polipeptide tende a ripiegarsi su sé
stesso compattandosi al punto da escludere l’acqua, in questo modo i gruppi che si vengono a trovare all’interno del
polipeptide si trovano in un ambiente apolare].
La forza di interazione è poi dipendente anche dalla distanza dei gruppi carichi, nella formula presentata la forza di
interazione è dipendente da 1/r2
, ciò non è vero per tutti i tipi di interazione: maggiore è l’esponente di r minore sarà
lo spostamento di un atomo necessario per portare alla perdita di energia di interazione, quindi più i gruppi devono
essere vicini tra loro per consentire l’instaurazione dell’interazione.
Descrizione ponti H e van der walls e ruolo nel folding
energia ponte h
Interazione tra dipolo istantaneo e dipolo indotto
Questo tipo di interazione si instaura in corrispondenza di amminoacidi idrofobici che non presentano cariche o
particolare differenza di elettronegatività tra gli atomi del gruppo laterale [ad esempio gruppi laterali composti da C
e H, che hanno rispettivamente elettronegatività di 2,55 e 2,2 quindi differiscono solo di 0,35], tuttavia
temporaneamente gli elettroni possono distribuirsi in modo disomogeneo tra gli atomi creando dei poli postivi e
negativi in modo temporaneo → è statisticamente probabile che su un grande numero di molecole vi sia sempre una
porzione temporaneamente polarizzata. La presenza di dipoli istantanei può portare alla formazione di dipoli indotti
sulle molecole adiacenti generando quindi un’interazione attrattiva. La forza di attrazione è generalmente molto
piccola, di circa 1-2 kJ/mol, ma l’elevato numero di interazioni presenti nelle proteine contribuiscono all’entalpia.
Un esempio particolare di interazione dipolo istantaneo – dipolo indotto è
rappresentato dalle interazioni di stacking che si instaurano tra gli
amminoacidi armatici. Ad esempio l’amminoacido fenilalanina presenta
nel gruppo laterale un anello benzenico che dovrebbe presentare gli
elettroni delocalizzati su tutto l’anello aromatico, tuttavia in un
determinato istante gli elettroni potrebbero trovarsi su un singolo atomo
di C portando alla formazione nella molecola di un parziale carica positiva
ed una parziale carica negativa, e quindi a generare un dipolo istantaneo.
Il dipolo istantaneo può quindi indurre un secondo dipolo su di un altro
anello aromatico di un secondo amminoacido determinando l’interazione
di stacking.
Interazione dipolo-dipolo:
Amminoacidi che presentano gruppi laterali polari sono caratterizzati da atomi con un’elevata differenza di
elettronegatività, e presentano quindi un momento di dipolo [alcuni esempi sono tirosina, glutammina e
asparagina]; questi gruppi sono in grado di interagire con altri gruppi laterali di amminoacidi che presentano un
dipolo permanente, oppure possono indurre la formazione di un dipolo istantaneo in gruppi laterali apolari.
L’interazione tra due dipoli permanenti è direttamente proporzionale al fattore 1/r3
(quindi permette di instaurare
interazione tra gruppi che si trovano più distanti tra loro rispetto ad una interazione dipolo istantaneo-dipolo
indotto), mentre l’interazione tra dipolo permanente e dipolo indotto e proporzionale al fattore 1/r
5
(quindi più
simile all’interazione dipolo istantaneo-dipolo indotto).
Un particolare tipo di interazione dipolo-dipolo è rappresentato dal PONTE A IDROGENO, questo tipo di interazione
è classificato come una interazione “non covalente” che si instaura tra un gruppo che viene definito come donatore
di ponte H, che presenta un atomo elettronegativo legato ad un atomo di H, ed un atomo che viene invece definito
come accettore di ponte H che si presenta elettronegativo. Questa interazione è dovuta alla parziale carica
elettrostatica che si viene a creare sull’H e sull’atomo accettore. I gruppi principalmente coinvolti nella formazione di
ponti H nelle proteine sono: i gruppi amidici (N-H), i gruppi carbonilici (C=O), i gruppi carbossilici (-COOH) e più
debolmente lo S. Tutti gli amminoacidi sono quindi in grado di formare ponti H anche solo tramite il loro backbone.
La forza del dipolo è proporzionale alla quantità di carica
presente sugli atomi, e questa determina a sua volta la forza del
ponte H. A parità di costante dielettrica del mezzo e di distanza
tra i gruppi interagenti, il ponte H risulta più forte se instaurata
con il gruppo carbonilico rispetto al gruppo amidico, in quanto la
differenza di elettronegatività è superiore tra O e C rispetto a N
e H.
Nella struttura interna della proteina i donatori di ponti H si trovano quasi sempre appaiati con accettori di ponti H,
mentre sulla superficie della proteina donatori/accettori di ponti H possono appaiarsi con molecole di acqua. Tipici
valori di ΔG per i ponti H sono compresi tra 6-20 kJ/mol, mentre la tipica distanza tra accettore e donatore è
compresa tra 2,8 e 3,2 Å e la distanza tra il nucleo dell’H e il nucleo dell’atomo accettore arriva ad essere 1,8 Å [la
distanza massima a cui può avvenire la formazione di un legame H è un’indicazione importante anche a livello
applicativo, infatti quando si risolve la struttura di una proteina non si è in grado di valutare direttamente se la
proteina interagisce o meno in un punto specifico con una molecola di acqua, in genere se viene identificata una
molecola di acqua ad una distanza superiore ai 3,2 Å questo indica che la formazione di un ponte H è poco probabile
in quel punto].
E’ importante notare che gli atomi accettori e donatori si trovano ad una distanza
minore rispetto alla somma dei loro raggi di Van der Waals [ad esempio se gli
atomi accettori e donatori fossero due atomi di O, questo avrebbe un raggio di 1,5
Å, mentre l’H presenta un raggio di Van der Waals di 1,2 Å; e la distanza minima
del ponte H è 2,8 Å]. Nelle interazioni di Van der Waals due atomi tendono ad
interagire tra loro in modo attrattivo fino a quando non li si pone ad una distanza
inferiore rispetto alla somma dei raggi di Van der Waals, a quel punto
l’interazione diventa di tipo repulsivo → questo può essere spiegato dalla
presenza della parziale sovrapposizione degli orbitali dell’atomo di H e dell’atomo
accettore [la sovrapposizione non potrà mai essere totale perché una totale sovrapposizione degli orbitali porterebbe
alla rottura del legame covalente tra l’H e il donatore, in quanto l’H ha un solo elettrone]. Questo è reso possibile dal
fatto che il donatore di legami H presenta un momento di dipolo, e quindi l’elettrone dell’H si trova in realtà spostato
verso il donatore, lasciando l’orbitale 1s dell’H vuoto e quindi con una parziale carica positiva; la presenza della
carica positiva permette la formazione del ponte H con l’accettore (carico negativamente o parzialmente carico
negativamente) portando alla formazione di un legame con carattere parzialmente covalente.
Essendo il ponte H un’interazione dipolo-dipolo e avendo il parziale carattere di legame covalente risulta una
interazione direzionata, è quindi importane l’orientamento con cui il donatore si interfaccia all’accettore oltre alla
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distanza dei due gruppi. I ponti H sono quindi interazioni importanti all’interno delle proteine perché aiutano a
costruire strutture tridimensionali ed è alla base della formazione di α eliche e β foglietti.
Ad esempio quando nella struttura di una proteina i filamenti β si dispongono in modo antiparallelo i dipoli del
filamento si dispongono con un angolo di 180° consentendo di avere la massima forza nell’interazione, portando ad
una struttura molto stabile. Al contrario quando i filamenti β sono paralleli tra loro, per
costringimenti strutturali, i filamenti tendono a subire un piccolo “ripiegamento” e i dipoli non si
vengono più a trovare esattamente ad un angolo di 180°, ma diminuisce fino a 160-150°
portando conseguentemente anche i ponti ad H ad essere più deboli.
Un’altra particolarità del ponte H è la possibilità di portare ad un EFFETTO DI POLARIZZAZIONE in sistemi in cui sono
presenti più molecole adiacenti che si possono comportare sia da accettori e da donatori (tipicamente ciò avviene a
carico delle molecole di acqua).
Un ponte H isolato dipende quindi dalla carica dei gruppi accettori e donatori, dalla distanza a cui i gruppi si trovano
e dal loro orientamento; nel caso in cui più ponti H si formino in network, questi non dipenderanno più solo dai
fattori citati ma bisognerà tenere conto anche del fatto che i dipoli possono influenzarsi a vicenda portando a
rafforzare l’interazione con le molecole successive. L’effetto di polarizzazione si può notare fino al 4-5° ponte H,
dopo di che l’effetto viene perso [questo significa che in una proteina l’effetto di polarizzazione influenza fino a 7-8
Å].
L’effetto di polarizzazione può essere trovato ad esempio nel DNA, dove tra le coppie di basi i ponti H che si formano
hanno una forza maggiore della forza associata ai ponti H presi singolarmente e sommati (ad esempio la coppia G-C
è stabilizzata da 3 ponti H, i quali hanno una forza complessiva maggiore della semplice somma della forza di 3 ponti
H in quanto i dipoli formati si influenzano a vicenda).
Oppure ancora può essere trovato all’interno della struttura delle α eliche delle proteine, in cui la somma di tutti i
dipoli presenti nella molecola porta ad un complessivo dipolo con una differenza di carica concentrata all’estremità
Ponti salini
Vi possono poi essere interazioni carica-carica che si instaurano tra amminoacidi che presentano nel gruppo laterale
gruppi con cariche nette opposte, oppure si possono formare tra gruppi laterali carichi di amminoacidi e
cationi/anioni. Questo è il tipo di interazione che risente di meno della distanza, la forza di interazione è infatti
proporzionale al fattore 1/r, i gruppi carichi possono trovarsi fino a 6-7 Å di distanza e continuare ad interagire. Sono
anche le interazioni che presentano la più elevata energia libera, arrivano infatti a 17 kJ/mol in ambiente acquoso e
fino a 30 kJ/mol quando si instaurano nel core idrofobico della proteina [questo perché il core idrofobico presenta
una bassa ε].
Gruppi carichi possono inoltre interagire con molecole che presentano dipoli permanenti [ad esempio il gruppo
laterale dell’asparagina che non presenta carica netta ma ha un dipolo permanente e può quindi interagire con
amminoacidi carichi → il polo negativo interagisce con amminoacidi carichi positivamente e viceversa il polo positivo interagisce con amminoacidi carichi negativamente]. Questo tipo di interazione risente maggiormente della distanza
rispetto all’interazione carica-carica è infatti proporzionale al fattore 1/r2
.
