MACROMOLECOLE 3D
La prima struttura tridimensionale di un biopolimero è stato il modello di DNA costruito da J. D. Watson e F. H. C. Crick nel 1953, sulla base dei dati di diffrazione ottenuti da M. H. F. Wilkins e da Rosalind E. Franklin. L'articolo originale di Watson e Crick, pubblicato su Nature il 25 aprile 1953, è disponibile sul sito
http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf
Già nel 1958 J. C. Kendrew ottenne la struttura della mioglobina a una risoluzione di 6 Å [1]. Tuttavia le prime vere e proprie strutture tridimensionali di proteine (mioglobina ed emoglobina) vennero determinate alcuni anni dopo da M. F. Perutz e dallo stesso J. C. Kendrew.
Presso l'Istituto di Biotecnologia molecolare dell'Università di Jena all’indirizzo
http://www.fli-leibniz.de/IMAGE.html
esiste una ottima raccolta di file nel formato standard Brookaven Protein Databank File (estensione .pdb). I file contengono i dati ottenuti mediante cristallografia ai raggi X che sono la base di partenza per ricostruire le immagini tridimensionali delle molecole, e possono essere scaricati liberamente dal sito.
Il Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (RCSB) è un consorzio no-profit che ha come scopo il miglioramento della comprensione delle funzioni dei sistemi biologici mediante lo studio della struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche. Sul suo portale
http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do
si fa riferimento a circa cinquantamila strutture di macromolecole biologiche, con l’archivio completo che è ora disponibile sul sito ftp
Primo esempio introduttivo alla
visualizzazione delle macromolecole 3d
Fate click su emoglobina e attendete alcuni istanti fino alla comparsa della molecola, quindi:
- aprite il menù facendo click sulla molecola con il tasto destro del mouse
- selezionate Select → Hetero → All water [avete selezionato le molecole di acqua che il più delle volte rimangono nel processo di cristallizzazione della macromolecola come contaminanti]
- selezionate Style
→ Atoms → Off
[le molecole di acqua scompaiono]
- selezionate Select → Protein → All [selezionate tutta la parte proteica della molecola]
- fate click con il tasto sinistro del mouse su → 20% nel Riempimento spaziale [la parte proteica della molecola viene ridotta e si vedono finalmente comparire i quattro gruppi eme che prima erano nascosti]
- selezionate Style → Scheme → Cartoon [risultano ora evidenti le parti della catena polipeptidica che assumono la struttura ad alfa-elica]
Secondo esempio introduttivo alla
visualizzazione delle macromolecole 3d
Fate click su immunoglobuline della classe IgG e attendete alcuni istanti fino alla comparsa della molecola, quindi:
- aprite il menù facendo click sulla molecola con il tasto destro del mouse
- selezionate Select → Protein → Side Chains [avete selezionato le catene polipeptidiche che sporgono lateralmente dalla catena polipeptidica dorsale]
- fate click con il tasto sinistro del mouse su → 20% nel Riempimento spaziale [le catene polipeptidiche che sporgono lateralmente dalla catena polipeptidica dorsale sono ridotte, e quest’ultima risulta più evidente]
- selezionate Select → Protein → Backbone [avete selezionato la catena polipeptidica dorsale]
- selezionate Style → Scheme → Trace [vedete finalmente la parte carboidratica della immunoglobulina, che prima era nascosta]
Se non riuscite a visualizzare le
macromolecole 3d
Se non riuscite a visualizzare le macromolecole 3d, avete installato sul PC una versione vecchia (o non l’avete del tutto) del Java Runtime Environment (o Java Virtual Machine), che dovete a questo punto (re)installare collegandovi al sito
Le macromolecole 3d che ho incluso in
questo sito
Riproponendomi di aggiungerne altre, e magari in modo dinamico e più strutturato, per ora ho riportato alcune immagini significative di:
- acidi nucleici → DNA e RNA messaggero per la fenilalanina,
- ormoni → l'insulina, la calcitonina, l'ossitocina e l'ormone della crescita,
- enzimi → l'acetilcolinesterasi, la lattato deidrogenasi (LDH), il lisozima, la lipasi, l'AST, l'alcool-deidrogenasi e l'amilasi pancreatica,
- proteine della coagulazione → l'antitrombina III e il fibrinogeno,
- proteine del siero → la prealbumina, l'albumina, la transferrina, la ceruloplasmina,
- marcatori tumorali → il PSA.
- proteine di membrana → porina e ICAM (InterCellular Adhesion Molecule)
Ho aggiunto ancora le rappresentazioni tridimensionali di proteine contenenti il gruppo eme e segnatamente di emoglobina, emoglobina S (la variante emoglobinica che provoca l'anemia falciforme), mioglobina, citocromo C ossidasi (nella forma ridotta) e del gruppo eme isolato (l'anello ferroprotoporfirinico che lega l'ossigeno nell'emoglobina), e infine di molecole importanti come l'acido ialuronico, il recettore per l'estradiolo, le immunoglobuline della classe IgG.
In chiusura non posso non ricordare il premio Nobel
per la chimica del 1994, assegnato a Aaron
Ciechanover, Avram Hershko
e Irwin Rose per i loro studi su come
la cellula sia in grado di regolare la presenza delle proteine al proprio
interno marcandole con un polipeptide, l’ubiquitina.
Le proteine così marcate sono immediatamente degradate in una struttura
denominata proteasoma. Se volete
cimentarvi nell’impresa, e avete la pazienza necessaria per il download di 793
[sic!] pagine di dati (ovvero 4 Mb di file), potrete vedere l’incredibile
struttura 3d del
il “tritatutto” molecolare intracellulare, con
i vostri occhi.
Software per visualizzare le immagini di
macromolecole 3d in locale
Una volta che avete scaricato sul PC i file nel formato standard Brookaven Protein Databank File (estensione .pdb) che Vi interessano, potete visualizzarli in locale utilizzando Chime, un plug-in per Internet Explorer. Potete scaricare gratuitamente Chime dal sito della MDL, e installarlo sul PC. Seguite quindi alle lettera le istruzioni che Vi ho fornito nella home-page di questo sito per la molecola di DNA che vedete ruotare sotto il ritratto di Bayes (istruzioni che ho ripetuto per la molecola di emoglobina nella pagina delle Analisi tradizionali). In questo modo per ogni molecola avrete un file .html e un file .pdb e, facendo doppio click con il tasto sinistro del mouse sul file .html, i dati del file .pdb saranno caricati e interpretati da Chime, e finalmente presentati all’interno di Internet Explorer. Fate quindi click con il tasto destro del mouse sulla molecola per acceder al menù di Chime. I comandi sono simili a quelli di Jmol che ho illustrato negli esempi sopra.
Software per visualizzare le immagini di
macromolecole 3d su un sito web
Per visualizzare le molecole di questa pagina via world wide web (http://www.w3.org/) ho invece utilizzato Jmol, un programma open-source, scritto in Java, la cui documentazione completa è disponibile sul sito
da cui il potete scaricare il programma per intero. Sul mio sito un’applet Java accede al file .pdb nel quale sono contenuti per ciascun atomo della molecola il tipo di atomo, le coordinate spaziali x,y,z e i legami, e ricostruisce in tempo reale e on-line la molecola: per questo motivo, e soprattutto per le molecole più grandi (per esempio il proteasoma), dovrete avere un po’ di pazienza e attendere alcuni momenti prima della visualizzazione.
Ovviamente le potenzialità di Jmol vanno al di là di quanto ho presentato nell’esempio dell’emoglobina: in parte potete esplorarle da soli, ma per approfondirle dovete per forza accedere alla documentazione completa del programma che trovate sul sito
http://jmol.sourceforge.net/docs/
Se è facile intuire subito i colori degli atomi più rappresentati nelle macromolecole (bianco = H, grigio = C, rosso = O, blu = N, giallo = S), per interpretare gli altri dovrete consultare la tabella con i colori utilizzati per rappresentare gli atomi (http://jmol.sourceforge.net/jscolors/).
Inoltre per la comprensione delle rappresentazioni (di default Jmol presenta le molecole con i raggi di Van der Waals) è importante la tabella dei raggi atomici e ionici (http://jmol.sourceforge.net/radii/).
A maggior ragione sarà necessario consultare la documentazione (http://jmol.sourceforge.net/docs/surface/) per capire il significato delle superfici molecolari che Jmol è in grado di generare.
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[1] Kendrew, J. C., Bodo, G., Dintzis, H. M.,
Parrish, R. G. and