Elementi di Bioinformatica. Proteomica. - Introduzione -

Elementi di Bioinformatica Proteomica

- Introduzione -

Corso di Elementi di Bioinformatica Ingegneria Biomedica

AA 2016-17

Proteomica

Proteomica (proteomics)

 Riguarda lo studio delle proteine codificate dai genomi degli organismi viventi

Principali concetti informativi

 Amminoacidi

 Livelli strutturali: primario, secondario, ecc.

 Concetti di omologia, ortologia, paralogia

 Rapporto tra similarità strutturale e funzionalità

 ...

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Proteine - Sintesi

Acidi nucleici

4 basi nucleotidiche

Proteine

20 amminoacidi

Amminoacidi

A Alanine R aRginine N asparagiNe D aspartate C Cysteine Q glutamine

E glutamate G Glycine

H Histidine I Isoleucine

L Leucine K lysine

M Methionine

F PHenylalanine P Proline

S Serine

T Threonine W tryptophan Y Tyrosine V Valine

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Proteine

Una proteina, nel caso più semplice, è

costituita da una sequenza di amminoacidi uniti tra loro da un legame peptidico

covalente

Amminoacido Il legame peptidico 7

Legame Peptidico Covalente

Mioglobina 8

Proteine

Alcune proteine, più complesse, possono essere costituite da diverse sequenze amminoacidiche (“protein subunit”) che

interagiscono a formare un unico complesso macromolecolare (“protein complex”)

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Proteine

Ruoli delle proteine

 Catalizzatori in reazioni chimiche

 Formazione di strutture sub-cellulari

 Risposta a stimoli esterni

 Trasmissione di segnali

 Legami con acidi nucleici

 ...

Emoglobina 11

Proteine - Struttura

La struttura delle proteine può essere studiata a diversi livelli

 Struttura primaria: la sequenza di amminoacidi che costituisce la proteina

 Struttura secondaria: la capacità di formare sottostrutture tipiche e ricorrenti nelle proteine

 Struttura terziaria: la conformazione nello spazio di una proteina

 Struttura quaternaria: la struttura che risulta dai complessi molecolari

Livelli strutturali delle Proteine

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Struttura Primaria

La sequenza degli amminoacidi costituisce la struttura primaria di una proteina

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Ribonucleasi: M_r 17000 da, 1 2 4 a a . , s e c r e t a d a l pancreas.

Catalizza l’idrolisi di acidi nucleici ingeriti con la dieta

Ogni pallina corrisponde a un amminoacido

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Struttura Secondaria

Le strutture secondarie sono caratteriz- zate da conformazioni invarianti rispetto alle proteine che le “ospitano”

La più semplice (e la più diffusa)

classificazione di strutture secondarie

 α-eliche (α-helix)

 β-foglietti (β-sheet)

 ... altro (coil)

Struttura Secondaria: a-eliche

α-elica (α-helix)

struttura ripetitiva fondata su legami vicini che formano una spirale di lunghezza

variabile (lunghezza: 3-40 aa)

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α-eliche

Struttura Secondaria: a-eliche

Nelle proteine la spirale è destrorsa (oraria)

Ogni “giro” della spirale contiene 3.6 aa (ogni aa è quindi ruotato di 100 gradi

rispetto al precedente e il passo dell'elica è di 5.4 Ä)

Poiché la distanza assiale tra due aa è 1.5 Ä si formano ponti idrogeno tra i due aa

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α ^-eliche

Struttura Secondaria: β-struttura

β-struttura (β-strand)

struttura ripetitiva fondata su legami vicini che formano una spirale molto allungata di lunghezza variabile

La distanza assiale tra due aa adiacenti è di 3.5 Ä

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Struttura Secondaria: β-foglietti

β-foglietto (β-sheet)

è una composizione di β-strutture allineate le une con le altre per effetto di legami

idrogeno che intercorrono tra una struttura e l'altra

β-foglietti

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Struttura Secondaria: β-foglietti

Le β-strutture adiacenti possono correre nella stessa direzione (parallela) o in

direzione opposta (anti-parallela)

β-strutture adiacenti possono anche essere lontane nella sequenza

amminoacidica

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β-foglietti

catene antiparallele catene parallele

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Struttura Secondaria: coil

Coil

sono etichettati come “coil” gli aa che non si configurano né come α-eliche nè come β- foglietti

Struttura Terziaria

Le proteine si ripiegano nello spazio dando origine alla vera e propria struttura in tre dimensioni

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Struttura terziaria delle Proteine

Proteine con predominanza

di α-elica

Proteine con predominanza di β-foglietti

Proteine miste

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Struttura Quaternaria delle Proteine

La struttura quaternaria riguarda proteine costituite da più catene polipeptidiche o da più domini

strutturali (es. proteine regolatrici)

Esempio: emoglobina

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Proteine - Analisi

La struttura delle proteine è un argomento di grande interesse per molti settori della ricerca di base e applicativa

STRUTTURA

Funzione

Meccanismo

Origine/Evoluzione

Proteine - Analisi

Lo studio delle proteine avviene

principalmente sulla base della similarità riscontrata tra proteine note e proteine la cui funzione è ancora da determinare

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Proteine - Analisi

Illustreremo brevemente le tecniche per effettuare

 L'allineamento di sequenze di amminoacidi

 La predizione di strutture secondarie

 La predizione di strutture terziarie (“folding”)

Proteine - Analisi

Assunzione di base:

 SE due proteine hanno un elevato grado di similarità ALLORA (con grande probabilità)

svolgono la stessa funzione e si sono sviluppate a partire da un antenato comune (omologia)

 Il grado di similarità tra due proteine è un

concetto quantitativo, bisogna soltanto definire le modalità con cui va misurato

La funzione svolta da una proteina può quindi essere evidenziata da una studio quantitativo ...

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Proteine - Analisi

Nel caso in cui lo studio di similarità non abbia fornito risultati adeguati possiamo riformulare il problema chiedendoci qual'è la probabilità che la sequenza allo studio

assuma una delle conformazioni già note (*) per effetto di una analogia

(*) ... ovvero memorizzate in una banca dati

Proteine - Analisi

Il tentativo di evidenziare la funzione di una proteina passa quindi (tipicamente) attraverso il rilevamento di omologie

... e le omologie vengono tipicamente

evidenziate tramite un'analisi di similarità (homology through similarity)

similarità omologia funzione

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Omologia

Si dicono omologhe due sequenze che

condividono un antenato comune, e quindi svolgono la stessa funzione (o apparten- gono alla stessa classe funzionale)

Omologia

Due sottoclassi:

 Ortologia o speciazione: si riferisce agli “stessi”

geni (geni con identica o simile funzionalità) in differenti specie

 Paralogia o duplicazione: si riferisce al risultato di una duplicazione genica all'interno di uno

stesso organismo (geni con identica o simile funzionalità)

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Analogia

Si dicono analoghe sequenze che non condividono un antenato comune, ma

svolgono la stessa funzione (o apparten- gono alla stessa classe funzionale)

 per es. molti enzimi possono avere lo stesso

sito catalitico ma sequenze anche molto diverse tra loro (pur svolgendo la stessa funzione)

Omologia e Analogia – Confronto

Omologia

 Assume l'esistenza di un'origine filogenetica comune

Analogia

 Non assume l'esistenza di un'origine filogenetica comune

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Similarità

Si dicono simili proteine “poco” distanti tra loro a seguito di misure effettuate

applicando un criterio di distanza selezionato

 La similarità tra proteine NON può prescindere da un criterio quantitativo per misurarne la

distanza

 La similarità rappresenta un parametro

quantitativo che consente di inferire la presenza o meno di omologia tra due sequenze

(homology through similarity)

Omologia e Similarità – Confronto

Omologia

 caratteristica qualitativa, che indica l'origine

filogenetica comune e si determina per mezzo di una analisi evolutiva

Similarità

 caratteristica quantitativa, che, sulla base di

qualche criterio comparativo, indica un livello di somiglianza