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Determinazione del fold di una proteina dalla Risonanza Magnetica Nucleare

In questa primo focus spiegheremo come sono fatte le proteine e indicheremo una delle tecniche per ottenere delle indicazioni sul "fold", ovvero sulla disposizione spaziale degli atomi da cui sono composte. In questa fase possiamo pensare alle proteine come molecole rigide, in un successivo focus andremo a vedere che è proprio la flessibilità ad aiutare le proteine a svolgere le loro funzioni nell'organismo. In sintesi: Proteins flex to function (Huang and Monteleone, Nature, 2005).

Le proteine sono macromolecole che gli organismi viventi sintetizzano e che hanno innumerevoli funzioni: strutturali, enzimatiche, di trasporto o immunitarie. Sono costituite da una sequenza concatenata di aminoacidi.

Structure

Vi sono venti differenti aminoacidi, che hanno una struttura comune (detta backbone) costituita da un atomo di azoto e due di carbonio chimicamente legati, ma variano per la struttura secondaria (residuo) legata al primo carbonio.

L’insieme delle sequenze “valide”, che il nostro organismo può costruire, è codificato nel DNA. La decodifica del DNA umano (effettuata per la prima volta intorno al 2000) è ormai diventato un processo di routine.

Le proteine sono in prima approssimazione delle strutture rigide, e la loro forma (il cosiddetto “fold”) è il risultato di un minimo energetico dove si confrontano e bilanciano differenti forze (nucleari, elettromagnetiche). Considerato che in una proteina possono esserci molte migliaia di atomi l’effettiva ricerca di un minimo presenta non pochi problemi. Conviene tenere ferme tutte le grandezze per le quali oscillazioni si possono avere solo ad energie elevate (quali ad esempio la distanza tra atomi chimicamente legati). Se ci si limita al backbone si può ridurre i gradi di libertà a due per aminoacido. Sono ancora tanti, in una proteina con 200 aminoacidi si hanno ancora 400 gradi di libertà.

Per migliorare la situazione si può cercare di misurare alcune proprietà della molecola, ed usare queste misure come vincoli nella ricerca del fold. Vi sono differenti tipi di misure che possono essere utilizzate, dipende anche se la proteina è in soluzione o cristallizzata. Nel primo caso, che è più vicino alle condizioni fisiologiche, l’analisi può essere effettuata tramite una Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), e si possono ottenere vari prodotti. I più comuni sono i NOE (Nuclear Overhauser Effect), che in pratica sono stime della distanza tra atomi di idrogeno.

Spesso si può usare la presenza di un atomo paramagnetico all’interno della proteina, vuoi perché già presente, vuoi perché sostituito al posto di un metallo diamagnetico, vuoi perché aggiunto alla proteina attraverso un “tag”, una piccola molecola aggiuntiva che si lega sempre nello stesso posto. In tal caso si possono ricavare altre misure, ad esempio gli RDC (Residual Dipolar Coupling) ed i PCS (Pseudo Contact Shift), che dipendono rispettivamente dall’orientazione di dipoli (tipicamente le coppie N-H o C-H) e dal vettore formato tra atomi di idrogeno ed il metallo.

Attraverso queste misure è possibile ad esempio piazzare nello spazio pezzi di proteina che per la loro composizione formano sottostrutture rigide. Ad esempio certe sequenze di aminoacidi portano all’instaurazione di legami covalenti ad idrogeno, che fanno piegare questo sottoinsieme della proteina in una forma elicoidale (le cosiddette alfa-eliche).

La determinazione del fold è un primo passo necessario per studiare, per quanto possibile, le oscillazione di questo fold, e determinare il grado di flessibilità di tali molecole, e comprendere quindi meglio il comportamento e la funzione di queste importanti molecole organiche. La ricerca delle informazioni sulla flessibilità è trattata in un secondo focus

LINK: https://dx.doi.org/10.1023/A:1014214015858