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Cosa rende distinguibile una struttura proteica?

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Nei Principi di biochimica di Lehninger, pag. 116 afferma che "parti di proteine ​​mancano di una struttura distinguibile". Cosa rende esattamente questa proteina non leggibile? È la complessità della forma che rende difficile per gli scienziati comprendere la struttura?


Ci sono due metodi principali per discernere la struttura di una proteina; cristallografia a raggi X e, più recentemente, microscopia crioelettronica. Entrambi i metodi funzionano sparando un raggio ad alta energia attraverso il campione e osservando come il percorso del raggio è stato modificato passando attraverso il campione. I dati ottenuti misurando il fascio includono informazioni di "segnale" sulla struttura del campione, ma anche molti dati casuali, o "rumore". Se il segnale proveniente da un gran numero di copie di proteine ​​identiche può essere mediato insieme in modo coerente, può essere separato dal rumore e possono essere determinate le posizioni degli atomi che compongono la proteina. Nella cristallografia, ciò si ottiene facendo sistemare le proteine ​​in un cristallo e nella crio-EM mediante un processo computazionale dopo che i dati sono stati raccolti. Ad ogni modo, se le molte copie della proteina non sono del tutto identiche, la media del segnale non funzionerà e le posizioni degli atomi non possono essere determinate con la stessa precisione o del tutto. In alcuni casi, la proteina ha due o poche strutture distinte tra le quali commuta e queste possono essere separate e determinate con precisione. In altri casi, la proteina assume una forma specifica solo quando è legata a un'altra molecola e si muove casualmente quando nulla è legato. Ecco l'abstract di una recensione su questo secondo tipo di proteine:

Molte sequenze geniche nei genomi eucariotici codificano per intere proteine ​​o ampi segmenti di proteine ​​che mancano di una piega tridimensionale ben strutturata. Le regioni disordinate possono essere altamente conservate tra le specie sia nella composizione che nella sequenza e, contrariamente alla visione tradizionale che la funzione proteica equivale a una struttura tridimensionale stabile, le regioni disordinate sono spesso funzionali, in modi che stiamo appena iniziando a scoprire. Molti segmenti disordinati si piegano legandosi ai loro bersagli biologici (ripiegamento e legame accoppiati), mentre altri costituiscono linker flessibili che hanno un ruolo nell'assemblaggio di array macromolecolari.

Infine, alcune proteine ​​non cristallizzeranno a meno che non venga rimossa una parte della loro sequenza. Queste porzioni possono avere una struttura coerente, ma non può essere determinata dalla cristallografia.


Cosa rende distinguibile una struttura proteica? - Biologia

Ogni successivo livello di ripiegamento proteico contribuisce alla sua forma e quindi alla sua funzione.

Obiettivi formativi

Riassumi i quattro livelli della struttura proteica

Punti chiave

Punti chiave

  • La struttura della proteina dipende dalla sua sequenza amminoacidica e dai legami chimici locali a bassa energia tra gli atomi sia nello scheletro polipeptidico che nelle catene laterali amminoacidiche.
  • La struttura della proteina gioca un ruolo chiave nella sua funzione se una proteina perde la sua forma a qualsiasi livello strutturale, potrebbe non essere più funzionale.
  • La struttura primaria è la sequenza di amminoacidi.
  • La struttura secondaria è l'interazione locale tra i tratti di una catena polipeptidica e comprende strutture a foglio α-elica e -plissettato.
  • La struttura terziaria è l'intero ripiegamento tridimensionale guidato in gran parte dalle interazioni tra i gruppi R.
  • Le strutture quaternarie sono l'orientamento e la disposizione delle subunità in una proteina multi-subunità.

Parole chiave

  • antiparallelo: La natura degli orientamenti opposti dei due filamenti di DNA o dei due filamenti beta che comprendono la struttura secondaria di una proteina
  • legame disolfuro: Un legame, costituito da un legame covalente tra due atomi di zolfo, formato dalla reazione di due gruppi tiolici, in particolare tra i gruppi tiolici di due proteine
  • -foglio plissettato: struttura secondaria delle proteine ​​dove i gruppi N-H nella spina dorsale di un filamento completamente esteso stabiliscono legami idrogeno con gruppi C=O nella spina dorsale di un filamento completamente esteso adiacente
  • α-elica: struttura secondaria delle proteine ​​dove ogni spina dorsale N-H crea un legame idrogeno con il gruppo C=O dell'amminoacido quattro residui precedenti nella stessa elica.

La forma di una proteina è fondamentale per la sua funzione perché determina se la proteina può interagire con altre molecole. Le strutture delle proteine ​​sono molto complesse e solo di recente i ricercatori sono stati in grado di determinare facilmente e rapidamente la struttura delle proteine ​​complete fino al livello atomico. (Le tecniche utilizzate risalgono agli anni '50, ma fino a poco tempo fa erano molto lente e laboriose da usare, quindi le strutture proteiche complete erano molto lente da risolvere.) I primi biochimici strutturali divisero concettualmente le strutture proteiche in quattro “ livelli” per creare è più facile capire la complessità delle strutture complessive. Per determinare come la proteina ottiene la sua forma o conformazione finale, dobbiamo comprendere questi quattro livelli di struttura proteica: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

Struttura primaria

La struttura primaria di una proteina è la sequenza unica di amminoacidi in ciascuna catena polipeptidica che costituisce la proteina. In realtà, questo è solo un elenco di quali amminoacidi appaiono in quale ordine in una catena polipeptidica, non proprio una struttura. Ma, poiché la struttura finale della proteina dipende in ultima analisi da questa sequenza, questa è stata chiamata la struttura primaria della catena polipeptidica. Ad esempio, l'ormone pancreatico insulina ha due catene polipeptidiche, A e B.

struttura primaria: La catena A dell'insulina è lunga 21 amminoacidi e la catena B è lunga 30 amminoacidi e ogni sequenza è unica per la proteina dell'insulina.

Il gene, o sequenza di DNA, determina in definitiva la sequenza unica di amminoacidi in ciascuna catena peptidica. Un cambiamento nella sequenza nucleotidica della regione codificante del gene può portare all'aggiunta di un diverso amminoacido alla catena polipeptidica in crescita, causando un cambiamento nella struttura e quindi nella funzione delle proteine.

L'emoglobina, proteina di trasporto dell'ossigeno, è costituita da quattro catene polipeptidiche, due catene α identiche e due catene identiche. Nell'anemia falciforme, una singola sostituzione amminica nella catena dell'emoglobina provoca un cambiamento nella struttura dell'intera proteina. Quando l'aminoacido acido glutammico viene sostituito dalla valina nella catena , il polipeptide si ripiega in una forma leggermente diversa che crea una proteina emoglobinica disfunzionale. Quindi, solo una sostituzione di amminoacidi può causare cambiamenti drammatici. Queste proteine ​​disfunzionali dell'emoglobina, in condizioni di basso contenuto di ossigeno, iniziano ad associarsi tra loro, formando lunghe fibre costituite da milioni di emoglobine aggregate che distorcono i globuli rossi in forme a mezzaluna o "falce", che ostruiscono le arterie. Le persone colpite dalla malattia spesso soffrono di mancanza di respiro, vertigini, mal di testa e dolori addominali.

Anemia falciforme: Le cellule falciformi sono a forma di mezzaluna, mentre le cellule normali sono a forma di disco.

Struttura Secondaria

La struttura secondaria di una proteina è qualsiasi struttura regolare che derivi dalle interazioni tra amminoacidi vicini o vicini quando il polipeptide inizia a ripiegarsi nella sua forma tridimensionale funzionale. Le strutture secondarie si formano quando si formano legami H tra gruppi locali di amminoacidi in una regione della catena polipeptidica. Raramente una singola struttura secondaria si estende lungo tutta la catena polipeptidica. Di solito è solo in una sezione della catena. Le forme più comuni di struttura secondaria sono le strutture a foglio α-elica e -plissettate e svolgono un ruolo strutturale importante nella maggior parte delle proteine ​​globulari e fibrose.

struttura secondaria: L'α-elica e il foglio -plissettato si formano a causa del legame idrogeno tra i gruppi carbonilici e amminici nella struttura peptidica. Alcuni amminoacidi hanno una propensione a formare un'α-elica, mentre altri hanno una propensione a formare un foglio pieghettato .

Nella catena α-elica, il legame idrogeno si forma tra l'atomo di ossigeno nel gruppo carbonilico dello scheletro polipeptidico in un amminoacido e l'atomo di idrogeno nel gruppo amminico dello scheletro polipeptidico di un altro amminoacido che è quattro amminoacidi più lontano lungo la catena. Questo mantiene il tratto di amminoacidi in una bobina destrorsa. Ogni giro elicoidale in un'alfa elica ha 3,6 residui di amminoacidi. I gruppi R (le catene laterali) del polipeptide sporgono dalla catena dell'α-elica e non sono coinvolti nei legami H che mantengono la struttura dell'α-elica.

Nei fogli pieghettati , tratti di amminoacidi sono mantenuti in una conformazione quasi completamente estesa che “piega” o zig-zag a causa della natura non lineare dei singoli legami covalenti C-C e C-N. I fogli pieghettati a non si presentano mai da soli. Devono essere tenuti in posizione da altri fogli pieghettati a . I tratti di amminoacidi nei fogli pieghettati sono mantenuti nella loro struttura a fogli pieghettati perché si formano legami idrogeno tra l'atomo di ossigeno in un gruppo carbonilico dello scheletro polipeptidico di un foglio pieghettato e l'atomo di idrogeno in un gruppo amminico dello scheletro polipeptidico di un altro β -foglio pieghettato. I fogli pieghettati a che si tengono insieme si allineano paralleli o antiparalleli tra loro. I gruppi R degli amminoacidi in un foglio pieghettato indicano perpendicolarmente ai legami idrogeno che tengono insieme i fogli pieghettati e non sono coinvolti nel mantenimento della struttura del foglio pieghettato .

Struttura terziaria

La struttura terziaria di una catena polipeptidica è la sua forma tridimensionale complessiva, una volta che tutti gli elementi della struttura secondaria si sono ripiegati tra loro. Le interazioni tra il gruppo R polare, non polare, acido e basico all'interno della catena polipeptidica creano la complessa struttura terziaria tridimensionale di una proteina. Quando il ripiegamento delle proteine ​​avviene nell'ambiente acquoso del corpo, i gruppi R idrofobici degli amminoacidi non polari si trovano principalmente all'interno della proteina, mentre i gruppi R idrofili si trovano principalmente all'esterno. Le catene laterali della cisteina formano legami disolfuro in presenza di ossigeno, l'unico legame covalente che si forma durante il ripiegamento delle proteine. Tutte queste interazioni, deboli e forti, determinano la forma tridimensionale finale della proteina. Quando una proteina perde la sua forma tridimensionale, non sarà più funzionale.

Struttura terziaria: La struttura terziaria delle proteine ​​è determinata da interazioni idrofobiche, legami ionici, legami idrogeno e legami disolfuro.

Struttura quaternaria

La struttura quaternaria di una proteina è il modo in cui le sue subunità sono orientate e disposte l'una rispetto all'altra. Di conseguenza, la struttura quaternaria si applica solo alle proteine ​​multi-subunità, cioè proteine ​​costituite da più di una catena polipeptidica. Le proteine ​​costituite da un singolo polipeptide non avranno una struttura quaternaria.

Nelle proteine ​​con più di una subunità, le interazioni deboli tra le subunità aiutano a stabilizzare la struttura complessiva. Gli enzimi svolgono spesso un ruolo chiave nel legare le subunità per formare la proteina finale funzionante.

Ad esempio, l'insulina è una proteina globulare a forma di palla che contiene sia legami idrogeno che legami disolfuro che tengono insieme le sue due catene polipeptidiche. La seta è una proteina fibrosa che deriva dal legame idrogeno tra diverse catene pieghettate β.

Quattro livelli di struttura proteica: In queste illustrazioni si possono osservare i quattro livelli della struttura proteica.


Proteine: Funzioni, Struttura, Proprietà e Classificazione

Facciamo uno studio approfondito delle proteine. Dopo aver letto questo articolo imparerai a: 1. Funzioni delle proteine 2. Strutture delle proteine 3. Proprietà delle proteine ​​e 4. Classificazione delle proteine.

Le proteine ​​sono composti organici azotati ad alto peso molecolare che svolgono un ruolo vitale o primario negli organismi viventi. Sono costituiti da 20 aminoacidi standard.

Funzioni delle proteine:

Le principali funzioni delle proteine ​​nel corpo umano sono:

1. Servono come unità di body building, ad esempio proteine ​​muscolari.

2. Forniscono supporto e protezione a vari tessuti, ad esempio collagene e cheratina.

3. Tutte le reazioni chimiche nel corpo sono catalizzate da enzimi proteici, ad esempio la tripsina.

4. Trasportano varie molecole e ioni da un organo all'altro, ad esempio emoglobina, albumina sierica.

5. Conservano e forniscono sostanze nutritive, ad esempio caseina del latte, ovoalbumina.

6. Difendono il corpo da organismi estranei dannosi, ad esempio immunoglobuline, fibrinogeno.

7. Aiutano a regolare l'attività cellulare o fisiologica, ad esempio gli ormoni, vale a dire l'insulina, il GH.

Strutture delle proteine:

Struttura primaria delle proteine:

La struttura primaria delle proteine ​​si riferisce al numero totale di amminoacidi e alla loro sequenza in quella particolare proteina.

Un numero fisso di amminoacidi è disposto in una sequenza particolare. La sequenza degli amminoacidi nella proteina ne determina il ruolo biologico. Diverse proteine ​​hanno sequenze diverse. Pertanto, lo studio del numero totale e della sequenza degli amminoacidi in una proteina è lo studio della sua struttura primaria.

La struttura primaria differenzia la proteina normale da quella anormale. L'emoglobina normale dell'adulto (HbA) è costituita da 2 catene α e 2 catene . Ogni catena α ha 141 amminoacidi e ogni catena ha 146 amminoacidi disposti in una sequenza specifica. Qualsiasi cambiamento nella sequenza provoca un'emoglobina anormale. Come nell'emoglobina falciforme (HbS), l'aminoacido valina è presente nella sesta posizione della catena P invece dell'acido glutammico nell'emoglobina normale.

Struttura secondaria delle proteine:

Si riferisce alla torsione della catena polipeptidica in una forma elicoidale.

Si trovano tre tipi di strutture elicoidali:

α significa la prima e la struttura descritta di seguito è stata la prima tra le strutture elicoidali ad essere scoperte, quindi nota come alfa (α) elica.

Le caratteristiche salienti di questa struttura sono le seguenti:

io. Qui il polipeptide è attorcigliato o arrotolato per formare una struttura elicoidale destrorsa.

ii. La distanza tra ogni giro della bobina è 5,4 .

ii. Ci sono 3,6 amminoacidi per turno.

IV. I gruppi ‘R’ sono visti sporgere dall'elica.

v. Esistono legami idrogeno intracatena, in cui l'idrogeno del gruppo -NH si combina con l'ossigeno del gruppo -CO del 4° amminoacido dietro di esso. Quindi ogni gruppo peptidico partecipa al legame idrogeno.

vi. Questo tipo di struttura si trova in molte proteine ​​in combinazione con altre strutture. La pura struttura ad elica è presente nelle proteine ​​dei capelli, cioè la cheratina.

β significa la seconda e la struttura descritta di seguito è stata la seconda scoperta dopo α elica.

Le caratteristiche salienti di questa struttura sono:

io. Qui la catena non è elicoidale ma a zigzag.

ii. La distanza tra ogni turno è di 7 .

ii. Le catene polipeptidiche sono disposte fianco a fianco sotto forma di pieghe.

IV. Esiste un legame idrogeno intercatena tra le catene e ciascun gruppo peptidico partecipa al legame idrogeno.

Le catene sono antiparallele tra loro.

Si ripiega su se stesso nel senso inverso della catena.

Struttura terziaria delle proteine:

La forma elicoidale del polipeptide si piega in una conformazione sferica, globulare, ellissoidale o di altro tipo, che è chiamata struttura terziaria delle proteine. Questo ripiegamento è necessario per l'attività biologica delle proteine. per esempio, enzimi, immunoglobuline’s.

La conformazione terziaria è mantenuto da quattro tipi di obbligazioni:

Formata tra l'idrogeno e un atomo elettronegativo come l'ossigeno o l'azoto nel gruppo di amminoacidi ‘R’.

Formato tra amminoacidi acidi (glutammico e aspartico) e basici (arginina, lisina o istidina).

Questo è un forte legame formato tra i gruppi sulfaidrilici di due amminoacidi cisteina. La struttura dimerica risultante formata è nota come cistina (un amminoacido che si trova solo nelle proteine ​​e non in forma libera).

4. Interazioni idrofobiche:

I gruppi ‘R’ degli amminoacidi idrofobici si aggregano al centro lontano dall'acqua, sviluppando così una forza di attrazione tra ciascun gruppo “R” e una forza di repulsione dall'acqua e queste interazioni sono note come idrofobiche interazioni.

Struttura quaternaria delle proteine:

La struttura quaternaria è esibita dalle proteine ​​oligomeriche.

Sono quelli che hanno due o più catene polipeptidiche.

La struttura quaternaria si riferisce al tipo di disposizione dei polipeptidi in una proteina oligomerica. Questi polipeptidi sono tenuti insieme da legami idrogeno, legami ionici o forze di Vander Waals’, ad esempio, l'emoglobina ha quattro catene polipeptidiche che sono disposte in un modo particolare che è riferito alla struttura quaternaria dell'emoglobina.

La struttura quaternaria dell'emoglobina descrive che è costituita da quattro catene polipeptidiche due delle quali sono α (α1 &2) e gli altri due sono β (β1 &2). Le due catene alfa sono opposte l'una all'altra e adiacenti a ciascuna catena . Le catene α e le catene β sono collegate tra loro da ponti salini.

Relazione struttura funzione nelle proteine:

L'emoglobina svolge un ruolo fondamentale nel trasporto dell'ossigeno dai polmoni ai tessuti periferici e nel trasporto dell'anidride carbonica dai tessuti ai polmoni.

Esistono tre tipi di emoglobina normale con i seguenti polipeptidi:

(1) L'emoglobina adulta (Hb A) ha catene 2α2β.

(2) L'emoglobina fetale (Hb F) ha catene 2α2γ.

(3) Emoglobina dell'adulto minore (Hb A1) ha catene 2α2δ.

Il numero di amminoacidi nelle catene α è 141 amminoacidi e le altre catene, cioè le catene β, γ e hanno 146 amminoacidi. Queste catene sono differenziate in base alla differenza nella sequenza di disposizione degli amminoacidi nelle catene. La struttura quaternaria dell'emoglobina crea una cavità tra il tetramero in cui è presente 2, 3, difosfoglicerato (DPG o BPG) formando un ponte salino con il terminale amminico della catena che stabilizza l'emoglobina abbassando così l'affinità all'ossigeno.

Nei polmoni, la pressione parziale dell'ossigeno è elevata, il che si traduce nel legame di O2 ad una delle catene di Hb rompendo così i ponti salini tra le quattro subunità. Legame successivo dell'ossigeno (curva sigmoidea di Hb-O9 associazione) è facilitata dalla rottura dei ponti salini che alterano le strutture secondarie, terziarie e quaternarie permettendo così la rotazione di una subunità α/β rispetto ad un'altra catena α/β comprimendo così il tetramero e il rilascio di DPG. Ciò si traduce in un aumento della sua affinità con l'ossigeno (lo stato R di Hb).

Nei tessuti periferici, CO2 si lega al gruppo a-amminico dell'aminoterminale con la sua conversione da carica positiva a negativa che favorisce la formazione di ponti salini tra le catene polipeptidiche con ritorno allo stato deossi (T-state), cioè rilascio di ossigeno da Hb. Rilascio di O2 dall'Hb è anche facilitato dal legame del DPG al tetramero.

Quando una persona decolla in volo, l'aereo sale lentamente di quota con conseguente abbassamento dell'O2 tensione per cui non è possibile l'ossigenazione dell'Hb. Quindi la persona si sente ipossica, ma il meccanismo fisiologico del corpo inizia a diminuire la produzione di DPG, grazie alla quale l'Hb può legare l'ossigeno anche a pressioni più basse di ossigeno.

Pertanto, quando l'aereo raggiunge la massima altitudine e rimane stabile, la persona si sente a suo agio. Quando l'Hb raggiunge i tessuti, il livello di DPG aumenta aumentando il rilascio di ossigeno. Allo stesso modo, il processo di cui sopra si inverte, quando una persona si tuffa in profondità nel mare. L'alto O2 la pressione determina un aumento della produzione di DPG facilitando l'ossigenazione dell'Hb nei polmoni e la deossigenazione nei tessuti periferici.

Proprietà delle proteine:

1. Denaturazione:

Lo spiegamento parziale o completo della conformazione nativa (naturale) della catena polipeptidica è noto come denaturazione. Ciò è causato da calore, acidi, alcali, alcool, acetone, urea, beta-mercaptoetanolo.

2. Coagulazione:

Quando le proteine ​​vengono denaturate dal calore, formano aggregati insolubili noti come coagulo. Tutte le proteine ​​non sono termocoagulabili, solo alcune come le albumine, le globuline sono termocoagulabili.

3. pH isoelettrico (pH 1 ):

Il pH al quale una proteina ha lo stesso numero di cariche positive e negative è noto come pH isoelettrico. Quando sottoposte a un campo elettrico le proteine ​​non si muovono né verso l'anodo né verso il catodo, quindi questa proprietà viene utilizzata per isolare le proteine. Le proteine ​​diventano meno solubili a pH I e precipitano. Il pH I della caseina è 4,5 ea questo pH la caseina nel latte caglia producendo la cagliata.

4. Pesi molecolari delle proteine:

Si assume che il peso molecolare medio di un amminoacido sia 110. Il numero totale di amminoacidi in una proteina moltiplicato per 110 fornisce il peso molecolare approssimativo di quella proteina. Diverse proteine ​​hanno una composizione amminoacidica diversa e quindi i loro pesi molecolari differiscono. I pesi molecolari delle proteine ​​vanno da 5000 a 10 9 Dalton. Sperimentalmente il peso molecolare può essere determinato con metodi come filtrazione su gel, PAGE, ultra centrifugazione o misurazioni della viscosità.

Classificazione delle proteine:

Le proteine ​​sono classificate in base a:

(2) La loro complessità strutturale.

A. Classificazione basata sulla solubilità:

In base alla loro solubilità in acqua, le proteine ​​si classificano in:

Questi sono insolubili in acqua. Includono le proteine ​​strutturali. Hanno funzione di supporto (es. collagene) e/o funzione protettiva (es. cheratina e fibrina dei capelli).

Sono solubili in acqua. Includono le proteine ​​funzionali, ad esempio enzimi, emoglobina, ecc.

B. Classificazione basata sulla complessità strutturale:

In base alla loro complessità strutturale si suddividono ulteriormente in:

Le proteine ​​costituite solo da amminoacidi sono note come proteine ​​semplici.

Si suddividono ulteriormente in:

Sono solubili in acqua, coagulabili al calore e vengono precipitati a piena saturazione con solfato di ammonio, ad esempio albumina sierica, lattoalbumina e ovoalbumina.

Sono insolubili in acqua, ma solubili in soluzioni saline diluite. Sono coagulabili al calore e precipitano per semisaturazione con solfato di ammonio, ad esempio globulina sierica e ovoglobulina.

Sono insolubili in acqua e solventi neutri. Solubile in acidi diluiti e alcali. Sono coagulati dal calore, ad esempio glutelina di grano.

Insolubile in acqua ma solubile in alcool al 70%, ad es. gliadina di frumento, proteine ​​di mais, orzo, ecc.

Solubile in acqua, di natura basica per la presenza di arginina e lisina, presenti nel nucleo. Aiutano nel confezionamento del DNA nella cellula. Formano la frazione proteica della nucleoproteina.

Solubile in acqua, di natura basica, non coagulabile al calore. Trovato negli spermatozoi, quindi componente della nucleoproteina spermatica.

Sono solubili in acqua, non coagulabili a caldo. ad esempio, globina di emoglobina.

(h) Albuminoidi o scleroproteine:

Insolubile in tutti i solventi neutri, acidi o alcali diluiti, ad esempio cheratina dei capelli e proteine ​​delle ossa e della cartilagine.

2. Proteine ​​coniugate:

Le proteine ​​costituite da amminoacidi e da una sostanza non amminoacidica/proteica chiamata gruppo prostetico sono note come proteine ​​coniugate.

I vari tipi di proteine ​​coniugate sono:

(un) Cromoproteine:

Qui la parte non proteica è un composto colorato in aggiunta alla parte proteica. Ex. L'emoglobina ha l'eme come gruppo prostetico e anche i citocromi hanno l'eme.

(B) Nucleoproteine:

Queste proteine ​​sono legate agli acidi nucleici, ad esempio la cromatina (istoni + acidi nucleici).

(C) Glicoproteine:

Quando una piccola quantità di carboidrati è attaccata a una proteina, si parla di glicoproteine, ad esempio mucina della saliva. (Nota: le glicoproteine ​​hanno grandi quantità di proteine ​​e una certa quantità di carboidrati e proteoglicani contengono grandi quantità di carboidrati e una piccola quantità di proteine).

(D) Pbosfoproteina:

L'acido fosforico è presente con la proteina. Ex. Caseina del latte e tuorlo d'uovo (vitellina).

Proteine ​​in combinazione con lipidi, ad es. LDL, HDL.

(F) Metalloproteine:

Contengono ioni metallici oltre agli amminoacidi, ad esempio emoglobina (ferro), ceruloplasmina (rame).

3. Proteine ​​derivate:

Sono le proteine ​​a basso peso molecolare prodotte da proteine ​​a grande peso molecolare per azione di calore, enzimi o agenti chimici.

Proteine ​​→ Protei → Proteosi → Peptoni → Peptidi → Aminoacidi


Emoglobina è una proteina globulare solubile in acqua che è composta da due catene polipeptidiche α, due catene polipeptidiche β e un gruppo eme prostetico inorganico. La sua funzione è quella di trasportare l'ossigeno nel sangue, ed è facilitata nel farlo dalla presenza del gruppo eme che contiene un ( ext^<2+>) ione, al quale le molecole di ossigeno possono legarsi.

collagene è una proteina fibrosa costituita da tre catene polipeptidiche avvolte l'una intorno all'altra. Ognuna delle tre catene è una bobina stessa. Tra queste bobine si formano legami idrogeno, che sono lunghi circa 1000 amminoacidi, il che conferisce forza alla struttura. Questo è importante dato il ruolo del collagene, come proteina strutturale. Questa forza è aumentata dal fatto che le molecole di collagene formano ulteriori catene con altre molecole di collagene e si formano Collegamenti incrociati covalenti tra loro, che sono sfalsati lungo le molecole per aumentare ulteriormente la stabilità. Le molecole di collagene avvolte l'una intorno all'altra si formano Fibrille di collagene che essi stessi formano Fibre di collagene.


(1). Struttura primaria

Ø La struttura primaria di una proteina fornisce i dettagli della sequenza amminoacidica di una proteina.

Ø La struttura primaria ti dirà due cose principali: (i) Il numero di residui amminoacidici nella proteina e (ii) la sequenza di amminoacidi.

Ø Le informazioni sulla "sequenza" contengono l'ordine corretto degli amminoacidi nella proteina a partire da N-terminale a C-terminale.

Ø La struttura primaria di una proteina determinerà tutti gli altri livelli di organizzazione strutturale di una proteina (secondaria, terziaria e quaternaria).

Ø La struttura primaria è stabilizzata da Legami peptidici (Legame covalente).

Ø Il primo studio su una proteina sconosciuta sarà la sua determinazione della sequenza (determinazione della struttura primaria).

Ø Prima proteina sequenziata: Insulina di Federico Sanger.

Struttura primaria dell'insulina

Importanza della struttura primaria:

Ø La struttura primaria di una proteina offrirà approfondimenti sul suo:

(un). Tridimensionale (3D) struttura

(B). Funzione della proteina

(C). Cellulare Posizione

(D). Evoluzione della proteina

Ø I dati della struttura primaria possono essere utilizzati per la ricerca in sequenza dal database di proteine.

Strutture tridimensionali delle proteine

Ø La spina dorsale di una proteina contiene centinaia di individui obbligazioni.

Ø La rotazione libera è possibile attorno a molti di questi legami.

Ø La rotazione libera permette un numero illimitato di conformazioni attorno a questi legami.

Ø Tuttavia, ogni proteina ha uno specifico (unico) conformazione strutturale.

Ø Questa formazione strutturale unica di una proteina è chiamata sua struttura 3D.

Ø La disposizione spaziale degli atomi in una proteina è chiamata la suaConformazione’.

Ø Le proteine ​​nelle loro conformazioni funzionali piegate sono chiamate proteine ​​native.

Ø Le conformazioni di una proteina sono principalmente stabilizzate da interazioni deboli come legami di idrogeno, interazioni idrofile, interazioni idrofobiche ecc.

Ø Queste interazioni deboli possono essere facilmente distorte con un minor dispendio di energia.

Ø Le proteine ​​possono avere tre livelli di Organizzazioni Tridimensionali (3D). Loro sono:

struttura secondaria

Struttura terziaria

struttura quaternaria

(2). Struttura Secondaria

Ø La struttura secondaria è la speciale conformazione locale di una parte di una catena polipeptidica.

Ø È il modello di piegatura della spina dorsale polipeptidica regolare.

Ø In natura esistono diversi tipi di strutture secondarie.

Ø Le strutture secondarie sono stabilizzate principalmente da Legami di idrogeno.

Ø Le tre strutture secondarie più importanti nelle proteine ​​sono:

B. Conformazioni (piastre )

(UN). α-Elica

Ø L'α-elica è la struttura secondaria più comune.

Ø Sono strutture regolari che si ripetono ogni 5.4 .

Ø È la disposizione più semplice di una catena polipeptidica.

Ø La struttura ad α-elica della proteina è stata proposta da Pauling e Corey nel 1951.

Ø La spina dorsale polipeptidica è strettamente avvolta attorno a un asse immaginario disegnato longitudinalmente attraverso il centro dell'elica e i gruppi R dei residui di amminoacidi sporgono verso l'esterno dalla spina dorsale elicoidale.

Ø Passo dell'elica: L'unità ripetitiva dell'elica.

Ø Il passo è un singolo giro dell'elica che si estende circa 5.4 .

Ø Ogni giro elicoidale in α-elica contiene 3.6 aminoacidi.

Ø La torsione elicoidale dell'α-elica in tutte le proteine ​​è destrorsi.

Ø L'α-elica è stabilizzata da legami di idrogeno.

Ø L'α-elica è così comune nelle proteine ​​perché fa un uso ottimale dei legami idrogeno interni.

Ø I legami idrogeno si formano tra l'idrogeno attaccato all'atomo di azoto elettronegativo del legame peptidico e l'atomo di ossigeno carbonilico elettronegativo del quarto amminoacido sul lato ammino-terminale del legame peptidico.

Ø All'interno dell'α-elica, ogni legame peptidico partecipa al legame idrogeno.

Ø Tutti i legami idrogeno insieme forniscono una notevole stabilità all'α-elica.

Ø Tutti i polipeptidi non possono formare un'α-elica nera.

Ø Le interazioni tra le catene laterali degli amminoacidi possono stabilizzare o destabilizzare l'α-elica.

Ø Ad esempio, se una catena polipeptidica ha un lungo tratto di residui di acido glutammico, questo segmento della catena non formerà un'α-elica.

Ø Il gruppo carbossilico caricato negativamente dei residui Glu adiacenti si respingono fortemente l'un l'altro in modo da impedire la formazione dell'α-elica.

Ø Allo stesso modo, un polipeptide ricco di Proline non formerà un'α-elica.

Ø In prolina, l'atomo di azoto fa parte di un anello rigido e ruota attorno al N – Ca il legame NON è possibile.

Ø Così la prolina introduce un destabilizzante nodo nel polipeptide e quindi la prolina si trova molto raramente nell'α-elica.

-Conformazioni (β-Piastre)

Ø La conformazione o -piastre organizzano le catene polipeptidiche in fogli.

Ø La conformazione a è un esteso forma di una catena polipeptidica.

Ø Qui la spina dorsale polipeptidica è estesa in a zigzag struttura.

Ø Le catene polipeptidiche a zigzag possono essere disposte fianco a fianco per formare una struttura simile a una serie di pieghe chiamate fogli .

Ø Anche qui la struttura è stabilizzata da legami di idrogeno.

Ø Tuttavia, a differenza dell'α-elica, i legami idrogeno si formano tra segmenti adiacenti della catena.

Ø I gruppi R di amminoacidi adiacenti sporgono dalla struttura a zigzag in direzione opposta creando lo schema alternato.

Ø Le catene polipeptidiche nei fogli possono essere disposte sia in parallelo (nella stessa direzione) che in antiparallelo (direzione opposta).

Ø In base a questo le -Plate sono classificate in due tipologie: (schema)

(a) Piastre antiparallelo

(b) Piastre β parallele

Ø I giri β sono molto comuni nelle proteine, dove il peptide fa un giro o un'ansa (il peptide fa una direzione inversa).

Ø Nelle proteine ​​globulari, quasi un terzo dei residui di amminoacidi sono in giri.

Ø Le -spire sono gli elementi di collegamento che collegano le catene polipeptidiche successive.

Ø Il -turn collega le estremità di due segmenti adiacenti di -sheet antiparalleli.

Ø La struttura a di giro è un Rotazione di 180º che coinvolge quattro residui di amminoacidi

Ø L'ossigeno carbonilico del primo residuo forma a sua volta un legame idrogeno con il gruppo amminico idrogeno del quarto amminoacido.

Ø Glicina (Gly) e Prolina (Pro) risiede frequentemente si verifica in β-turni.

Ø La glicina per le sue dimensioni molto ridotte (il gruppo R è – H) consente β giri.

Ø La prolina è un imminoacido con la sua catena laterale legata covalentemente al gruppo amminico.

Ø Il residuo di prolina nel legame peptidico assume la 'cis' configurazione.

O il 'cis' conformazione è molto suscettibile di curve strette.

Ø Esistono diversi tipi di β di giro con il tipo I e il tipo II sono i più comuni.

Ø Il tipo I -turn si trova più del doppio della frequenza del tipo II.

Ø Nel tipo II, il terzo residuo sarà sempre un residuo di glicina.

(3). Proteine ​​della struttura terziaria

Ø Struttura terziaria: The overall three-dimensional arrangement of all atoms in a protein is referred to as the tertiary structure.

Ø The tertiary structure will have a single polypeptide “backbone” with one or more secondary structures.

Ø Tertiary structure is defined by the atomic coordinates.

Ø Tertiary structures in a protein are stabilized by both covalent and non-covalent bonds.

Ø Covalent bond: Disulfide bonds (between two Cys residues)

Ø Non-covalent interactions: Ionic interactions (electrostatic attractions), hydrophilic interactions, van der Waals interactions.

Ø Il termine 'Domain’ is used to denote a single functional unit of a protein.

Ø A protein may have many domains with specific functions.

Ø A protein with a single subunit only has up to the tertiary structure.

(4). Struttura quaternaria

Ø Majority of functional protein contains more than one polypeptide chains and such a protein is said to be oligomeric.

Ø Each peptide forms a sub-unit o monomero o protomer.

Ø Quaternary structure: The arrangement of protein monomers in three-dimensional complexes in a multi-subunit protein is called quaternary structure.

Ø For a protein to have a quaternary structure, it should fulfil two conditions:

§ It should have more than one polypeptide subunits

§ There should not have permanent (covalent) interaction between the subunits (like disulfide bond).

Ø Insulin does not have the quaternary structure even if it contains two subunits.

Ø The two polypeptides in insulin are covalently connected with two disulfide bonds.

Ø Thus, insulin can have up to tertiary structure (not quaternary structure).

Ø Bonds stabilizing quaternary structure: hydrogen bonds, hydrophilic interactions, hydrophobic interactions, van der Waals interactions.

Nelson, D.L., Lehninger, A.L. and Cox, M.M., 2008. Lehninger’s Principles of Biochemistry. Macmillan.

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What makes a protein structure discernible? - Biologia

THE STRUCTURE OF PROTEINS

This page explains how amino acids combine to make proteins and what is meant by the primary, secondary and tertiary structures of proteins. Quaternary structure isn't covered. It only applies to proteins consisting of more than one polypeptide chain. There is a mention of quaternary structure on the IB chemistry syllabus, but on no other UK-based syllabus at this level.

Nota: Quaternary structure can be very complicated, and I don't know exactly what depth the IB syllabus wants for this (which is why I haven't included it). I suspect what is wanted is fairly trivial. IB students should ask the advice of their teacher or lecturer.

The primary structure of proteins

Drawing the amino acids

In chemistry, if you were to draw the structure of a general 2-amino acid, you would probably draw it like this:

However, for drawing the structures of proteins, we usually twist it so that the "R" group sticks out at the side. It is much easier to see what is happening if you do that.

That means that the two simplest amino acids, glycine and alanine, would be shown as:

Peptides and polypeptides

Glycine and alanine can combine together with the elimination of a molecule of water to produce a dipeptide. It is possible for this to happen in one of two different ways - so you might get two different dipeptides.

In each case, the linkage shown in blue in the structure of the dipeptide is known as a peptide link. In chemistry, this would also be known as an amide link, but since we are now in the realms of biochemistry and biology, we'll use their terms.

If you joined three amino acids together, you would get a tripeptide. If you joined lots and lots together (as in a protein chain), you get a polipeptide.

A protein chain will have somewhere in the range of 50 to 2000 amino acid residues. You have to use this term because strictly speaking a peptide chain isn't made up of amino acids. When the amino acids combine together, a water molecule is lost. The peptide chain is made up from what is left after the water is lost - in other words, is made up of amino acid residui.

By convention, when you are drawing peptide chains, the -NH2 group which hasn't been converted into a peptide link is written at the left-hand end. The unchanged -COOH group is written at the right-hand end.

The end of the peptide chain with the -NH2 group is known as the N-terminal, and the end with the -COOH group is the C-terminal.

A protein chain (with the N-terminal on the left) will therefore look like this:

The "R" groups come from the 20 amino acids which occur in proteins. The peptide chain is known as the spina dorsale, and the "R" groups are known as catene laterali.

Nota: In the case where the "R" group comes from the amino acid proline, the pattern is broken. In this case, the hydrogen on the nitrogen nearest the "R" group is missing, and the "R" group loops around and is attached to that nitrogen as well as to the carbon atom in the chain.

I mention this for the sake of completeness - non because you would be expected to know about it in chemistry at this introductory level.

The primary structure of proteins

Now there's a problem! The term "primary structure" is used in two different ways.

At its simplest, the term is used to describe the order of the amino acids joined together to make the protein. In other words, if you replaced the "R" groups in the last diagram by real groups you would have the primary structure of a particular protein.

This primary structure is usually shown using abbreviations for the amino acid residues. These abbreviations commonly consist of three letters or one letter.

Using three letter abbreviations, a bit of a protein chain might be represented by, for example:

If you look carefully, you will spot the abbreviations for glycine (Gly) and alanine (Ala) amongst the others.

If you followed the protein chain all the way to its left-hand end, you would find an amino acid residue with an unattached -NH2 gruppo. The N-terminal is always written on the left of a diagram for a protein's primary structure - whether you draw it in full or use these abbreviations.

The wider definition of primary structure includes all the features of a protein which are a result of covalent bonds. Obviously, all the peptide links are made of covalent bonds, so that isn't a problem.

But there is an additional feature in proteins which is also covalently bound. It involves the amino acid cysteine.

If two cysteine side chains end up next to each other because of folding in the peptide chain, they can react to form a sulphur bridge. This is another covalent link and so some people count it as a part of the primary structure of the protein.

Because of the way sulphur bridges affect the way the protein folds, other people count this as a part of the tertiary structure (see below). This is obviously a potential source of confusion!

Importante: You need to know where your particular examiners are going to include sulphur bridges - as a part of the primary structure or as a part of the tertiary structure. You need to check your current syllabus and past papers. If you are studying a UK-based syllabus and haven't got these, follow this link to find out how to get hold of them.

The secondary structure of proteins

Within the long protein chains there are regions in which the chains are organised into regular structures known as alpha-helices (alpha-helixes) and beta-pleated sheets. These are the secondary structures in proteins.

These secondary structures are held together by hydrogen bonds. These form as shown in the diagram between one of the lone pairs on an oxygen atom and the hydrogen attached to a nitrogen atom:

Although the hydrogen bonds are always between C=O and H-N groups, the exact pattern of them is different in an alpha-helix and a beta-pleated sheet. When you get to them below, take some time to make sure you see how the two different arrangements works.

Importante: If you aren't happy about hydrogen bonding and are unsure about what this diagram means, follow this link before you go on. What follows is difficult enough to visualise anyway without having to worry about what hydrogen bonds are as well!

You must also find out exactly how much detail you need to know about this next bit. It may well be that all you need is to have heard of an alpha-helix and know that it is held together by hydrogen bonds between the C=O and N-H groups. Once again, you need to check your syllabus and past papers - particularly mark schemes for the past papers.

If you follow either of these links, use the BACK button on your browser to return to this page.

In an alpha-helix, the protein chain is coiled like a loosely-coiled spring. The "alpha" means that if you look down the length of the spring, the coiling is happening in a clockwise direction as it goes away from you.

Nota: If your visual imagination is as hopeless as mine, the only way to really understand this is to get a bit of wire and coil it into a spring shape. A bit of computer lead would do.

In truth, if you are a chemistry student, you are very unlikely to need to know this. If protein secondary structure is on your syllabus, your examiners are most likely only to want you to know how the structures are held together by hydrogen bonding. Check past papers to be sure.

If you are reading this as a biochemistry or biology student, and have been given some other way of recognising an alpha-helix, stick to whatever method you have been given.

The next diagram shows how the alpha-helix is held together by hydrogen bonds. This is a very simplified diagram, missing out lots of atoms. We'll talk it through in some detail after you have had a look at it.

What's wrong with the diagram? Due cose:

First of all, only the atoms on the parts of the coils facing you are shown. If you try to show all the atoms, the whole thing gets so complicated that it is virtually impossible to understand what is going on.

Secondly, I have made no attempt whatsoever to get the bond angles right. I have deliberately drawn all of the bonds in the backbone of the chain as if they lie along the spiral. In truth they stick out all over the place. Again, if you draw it properly it is virtually impossible to see the spiral.

So, what do you need to notice?

Notice that all the "R" groups are sticking out sideways from the main helix.

Notice the regular arrangement of the hydrogen bonds. All the N-H groups are pointing upwards, and all the C=O groups pointing downwards. Each of them is involved in a hydrogen bond.

And finally, although you can't see it from this incomplete diagram, each complete turn of the spiral has 3.6 (approximately) amino acid residues in it.

If you had a whole number of amino acid residues per turn, each group would have an identical group underneath it on the turn below. Hydrogen bonding can't happen under those circumstances.

Each turn has 3 complete amino acid residues and two atoms from the next one. That means that each turn is offset from the ones above and below, such that the N-H and C=O groups are brought into line with each other.

In a beta-pleated sheet, the chains are folded so that they lie alongside each other. The next diagram shows what is known as an "anti-parallel" sheet. All that means is that next-door chains are heading in opposite directions. Given the way this particular folding happens, that would seem to be inevitable.

It isn't, in fact, inevitable! It is possible to have some much more complicated folding so that next-door chains are actually heading in the same direction. We are getting well beyond the demands of UK A level chemistry (and its equivalents) now.

The folded chains are again held together by hydrogen bonds involving exactly the same groups as in the alpha-helix.

Nota: Note that there is no reason why these sheets have to be made from four bits of folded chain alongside each other as shown in this diagram. That was an arbitrary choice which produced a diagram which fitted nicely on the screen!

La struttura terziaria delle proteine

What is tertiary structure?

The tertiary structure of a protein is a description of the way the whole chain (including the secondary structures) folds itself into its final 3-dimensional shape. This is often simplified into models like the following one for the enzyme dihydrofolate reductase. Enzymes are, of course, based on proteins.

Nota: This diagram was obtained from the RCSB Protein Data Bank. If you want to find more information about dihydrofolate reductase, their reference number for it is 7DFR.

There is nothing particularly special about this enzyme in terms of structure. I chose it because it contained only a single protein chain and had examples of both types of secondary structure in it.

The model shows the alpha-helices in the secondary structure as coils of "ribbon". The beta-pleated sheets are shown as flat bits of ribbon ending in an arrow head. The bits of the protein chain which are just random coils and loops are shown as bits of "string".

The colour coding in the model helps you to track your way around the structure - going through the spectrum from dark blue to end up at red.

You will also notice that this particular model has two other molecules locked into it (shown as ordinary molecular models). These are the two molecules whose reaction this enzyme catalyses.

What holds a protein into its tertiary structure?

The tertiary structure of a protein is held together by interactions between the the side chains - the "R" groups. There are several ways this can happen.

Ionic interactions

Some amino acids (such as aspartic acid and glutamic acid) contain an extra -COOH group. Some amino acids (such as lysine) contain an extra -NH2 gruppo.

You can get a transfer of a hydrogen ion from the -COOH to the -NH2 group to form zwitterions just as in simple amino acids.

You could obviously get an ionic bond between the negative and the positive group if the chains folded in such a way that they were close to each other.

Notice that we are now talking about hydrogen bonds between side groups - not between groups actually in the backbone of the chain.

Lots of amino acids contain groups in the side chains which have a hydrogen atom attached to either an oxygen or a nitrogen atom. This is a classic situation where hydrogen bonding can occur.

For example, the amino acid serine contains an -OH group in the side chain. You could have a hydrogen bond set up between two serine residues in different parts of a folded chain.

You could easily imagine similar hydrogen bonding involving -OH groups, or -COOH groups, or -CONH2 groups, or -NH2 groups in various combinations - although you would have to be careful to remember that a -COOH group and an -NH2 group would form a zwitterion and produce stronger ionic bonding instead of hydrogen bonds.

van der Waals dispersion forces

Several amino acids have quite large hydrocarbon groups in their side chains. A few examples are shown below. Temporary fluctuating dipoles in one of these groups could induce opposite dipoles in another group on a nearby folded chain.

The dispersion forces set up would be enough to hold the folded structure together.

Importante: If you aren't happy about van der Waals dispersion forces you should follow this link.

Use the BACK button on your browser to return to this page.

Sulphur bridges

Sulphur bridges which form between two cysteine residues have already been discussed under primary structures. Wherever you choose to place them doesn't affect how they are formed!

Domande per testare la tua comprensione

Se questa è la prima serie di domande che hai fatto, leggi la pagina introduttiva prima di iniziare. Dovrai utilizzare il PULSANTE INDIETRO sul tuo browser per tornare qui in seguito.


La struttura terziaria delle proteine

The tertiary structure of a protein is a description of the way the whole chain (including the secondary structures) folds itself into its final 3-dimensional shape. This is often simplified into models like the following one for the enzyme dihydrofolate reductase. Enzymes are, of course, based on proteins.

The model shows the alpha-helices in the secondary structure as coils of "ribbon". The beta-pleated sheets are shown as flat bits of ribbon ending in an arrow head. The bits of the protein chain which are just random coils and loops are shown as bits of "string". The color coding in the model helps you to track your way around the structure - going through the spectrum from dark blue to end up at red. You will also notice that this particular model has two other molecules locked into it (shown as ordinary molecular models). These are the two molecules whose reaction this enzyme catalyses.

What holds a protein into its tertiary structure?

The tertiary structure of a protein is held together by interactions between the the side chains - the "R" groups. There are several ways this can happen.

Ionic interactions

Some amino acids (such as aspartic acid and glutamic acid) contain an extra -COOH group. Some amino acids (such as lysine) contain an extra -NH2 gruppo.

You can get a transfer of a hydrogen ion from the -COOH to the -NH2 group to form zwitterions just as in simple amino acids.

You could obviously get an ionic bond between the negative and the positive group if the chains folded in such a way that they were close to each other.

Legami di idrogeno

Notice that we are now talking about hydrogen bonds between side groups - not between groups actually in the backbone of the chain.

Lots of amino acids contain groups in the side chains which have a hydrogen atom attached to either an oxygen or a nitrogen atom. This is a classic situation where hydrogen bonding can occur.

For example, the amino acid serine contains an -OH group in the side chain. You could have a hydrogen bond set up between two serine residues in different parts of a folded chain.

You could easily imagine similar hydrogen bonding involving -OH groups, or -COOH groups, or -CONH2 groups, or -NH2 groups in various combinations - although you would have to be careful to remember that a -COOH group and an -NH2 group would form a zwitterion and produce stronger ionic bonding instead of hydrogen bonds.

van der Waals dispersion forces

Several amino acids have quite large hydrocarbon groups in their side chains. A few examples are shown below. Temporary fluctuating dipoles in one of these groups could induce opposite dipoles in another group on a nearby folded chain.

The dispersion forces set up would be enough to hold the folded structure together.


Proteins and Evolution

The presence of similar domain structures in different proteins, the duplication of domain structures in a single protein, and similarities in amino acid sequences (sequence homologies) indicate an evolutionary relationship of many proteins in a single species and between species. There are many examples of these relationships, of which a few will be described here.

The globin fold, as described above, consists of eight helices (connected by loops) that form a pocket as an Sito attivo . A heme structure is bound in many globin fold proteins that binds and carries oxygen in an organism. The globin fold structure has been preserved in mammals, insects, and plants although the amino acid sequence similarities may be very low between such disparate species. Thus, natural selection has maintained similar structures to carry out similar functions even as the gene sequences have diverged to such a great extent between the different species.

The helix-turn-helix motif is common to many gene repressor proteins that bind to DNA sequences. Rigorous statistical analyses of the amino acid sequences of these motifs suggest that these repressor proteins all evolved from a common ancestral gene and that certain amino acid residues in the motif structure are crucial to maintain the helix-turn-helix structure of the motif.

Serine proteases (for example, chymotrypsin, a digestive enzyme in mammals) consist of two β barrel domains, the ends of which come together to form an active site. Within the active site is a catalytic triad, which consists of three amino acids (histidine, serine, and cysteine) arranged in space to catalyze the idrolisi of a peptide bond. The two β barrels probably evolved from duplication of a common gene. In humans, there are many serine proteases that cleave peptide bonds of different proteins. All have the same two β barrel domain structure with the same spatial catalytic triad. Specificity of binding and cleaving different proteins is achieved by altering the sequences around the catalytic triad such that different proteins complement the different binding sites.


The basic hierarchy of protein structure

Two amino acids can join together by releasing a water molecule in the process through a bond called the peptide bond. Therefore, many amino acids join together to form a protein. There are a certain structural hierarchy of proteins.

The linear sequence of amino acids forming a long chain is referred to as the primary structure of a protein. This is the simplest form. Now, these peptide bonds can rotate about its axis which gives rise to something called the torsional angles. The Cα-C forms the psi angle and Cα-N forms the phi angle. If a stretch of the polypeptide has the same phi and psi angle repeatedly, that particular stretch would locally fold into a specific structure. This localized folding is referred to as the secondary structure of a protein. Therefore, a single protein can have a lot of secondary structures. Some examples of secondary structures are alpha-helix, beta sheets and beta turns. When the secondary structure containing proteins fold in a 3-dimensional form, it is called the tertiary structure and if a protein contains different tertiary structured chains, it is referred to as the quaternary structure

This tertiary and Quaternary structure of a protein is absolutely essential for its particular function. If these structures are disrupted, the function of the protein disrupts as well.


Structural analysis of COVID-19 spike protein provides insight into its evolution

Image of the ultrastructural morphology exhibited by the 2019 Novel Coronavirus (2019-nCoV). Credito: CDC

Researchers at the Francis Crick Institute have characterised the structure of the SARS-CoV-2 spike protein as well as its most similar relative in a bat coronavirus. The structures provide clues about how the spike evolved and could help inform vaccine design.

A characterising feature of SARS-CoV-2, the virus that causes COVID-19, is the protein spikes which cover the surface, which the virus uses to bind with and enter human cells.

Analysing the structure of these spikes could provide clues about the virus' evolution. It is not yet known how SARS-CoV-2 evolved to infect humans and whether this happened directly from coronaviruses in bats or via an intermediary species.

Nel loro studio, pubblicato in Biologia strutturale e molecolare della natura, the researchers characterised the spike protein in high resolution using a technique called cryo-electron microscopy, which allowed them to achieve a greater level of detail than previously reported structures. They then compared this structure to the spike protein of a bat coronavirus, RaTG13, which has the most similar spike to that of SARS-CoV-2.

While the spikes as a whole were over 97% similar, the researchers found a number of significant differences at the location where SARS-CoV-2 binds with a receptor on human cells, called ACE2, and at the surfaces that keep the subunits of the spike together.

These differences mean the spike of SARS-CoV-2 is more stable and is able to bind around 1,000 times more tightly to a human cell than this bat virus.

Based on their findings, the researchers suggest it is unlikely that a bat virus similar to RaTG13 could infect human cells. This supports the theory that SARS-CoV-2 is the result of different coronaviruses coming together and evolving over time, potentially also through several host species.

Antoni Wrobel, co-lead author and postdoctoral training fellow in the Structural Biology of Disease Processes Laboratory at the Crick, says: "The spike is the entry key that allows SARS-CoV-2 into human cells. Changes in the virus' genome, which affect the spike's structure, therefore have potential to make the virus either more or less able to enter the host's cell."

"At some point in the evolution of this virus, it seems to have picked up changes, like the differences we found, which made it able to infect humans."

Donald Benton, co-lead author and postdoctoral training fellow in the Structural Biology of Disease Processes Laboratory at the Crick, says: "The exact process of how SARS-CoV-2 evolved remains unclear and is something many researchers are trying to piece together. Our work provides a piece of this puzzle, as it suggests that the virus did not come straight from the bat coronaviruses currently known."

Steve Gamblin, group leader of the Structural Biology of Disease Processes Laboratory at the Crick says: "The world was caught off guard by SARS-CoV-2. Examining the structure of this virus, and its likely precursor, helps us understand where it came from, and how it interacts with human cells."

The Crick researchers will continue to study the structure of the virus, with a view to finding further clues as to its evolutionary path.

The spike protein structures are open-access, so other researchers can use these in their work and to aid with drug discovery and vaccine design.