"Videmus nunc per speculum in aenigmate"
(S. Paolo, 1 Co 13, 1-13)
 
“La scienza è sempre imperfetta. Ogni volta che risolve un problema, ne crea almeno dieci nuovi.”
(George Bernard Shaw)
 
 
 
I file che contengono i dati ottenuti mediante cristallografia ai raggi X sono la base di partenza per ricostruire le immagini tridimensionali delle macromolecole biologiche. Uno dei siti più interessanti è quello dell'Istituto di Biotecnologia molecolare dell'Università di Jena che trovate all’indirizzo
 
http://www.fli-leibniz.de/IMAGE.html
 
e nel quale esiste una straordinaria raccolta di file nel formato standard Brookaven Protein Databank File (file con estensione .pdb), il formato riconosciuto da tutti i programmi per la rappresentazione tridimensionale di macromolecole biologiche.
 
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 decine di migliaia di strutture di macromolecole biologiche, con l’archivio completo disponibile sul sito ftp
 
ftp://ftp.wwpdb.org
 
 
Visualizzazione 3d di una molecola di emoglobina A
 
Nota: per la visualizzazione delle molecole 3d non è più possibile utilizzare Chrome, è possibile utilizzare invece Mozilla Firefox o Internet Explorer. Inoltre per abilitare le applet utilizzate per la visualizzazione delle molecole 3d nel Pannello di controllo di Windows  fare click su Java, quindi nella scheda Sicurezza, nell’elenco Lista di eccezione dei siti, inserire l’indirizzo del sito http://www.bayes.it.  
 
Queste e le prossime istruzioni fanno riferimento al menù in lingua italiana della versione di Jmol (il programma open source per la rappresentazione 3d di macromolecole biologiche) che ho utilizzato.  Fate click su emoglobina e attendete alcuni istanti fino alla comparsa nella finestra di Jmol della molecola, quindi:
1) aprite il menù facendo click sulla molecola con il tasto destro del mouse;
2) selezionate Seleziona → Etero → Tutta l’Acqua [avete selezionato le molecole di acqua che il più delle volte rimangono nel processo di cristallizzazione della macromolecola come contaminanti];
3) selezionate Stile → Atomi → Disattivo [le molecole di acqua scompaiono];
4) selezionate Seleziona → Proteina → Tutti [selezionate tutta la parte proteica della molecola];
5) fate click con  il tasto sinistro del mouse su → 20% nel Raggio di Van der Waals [la parte proteica della molecola viene ridotta e si vedono finalmente comparire i quattro gruppi eme che prima erano nascosti]
6) selezionate Stile → Schema → Fumetto [risultano ora evidenti le parti della catena polipeptidica che assumono la struttura ad alfa-elica]
 
 
Visualizzazione 3d di una molecola di IgG
 
Fate click su immunoglobuline della classe IgG e attendete alcuni istanti fino alla comparsa nella finestra di Jmol della molecola, quindi:
1) aprite il menù facendo click sulla molecola con il tasto destro del mouse;
2) selezionate Seleziona → Proteina → Catene Laterali [avete selezionato le catene polipeptidiche che sporgono lateralmente dalla catena polipeptidica dorsale];
3) fate click con  il tasto sinistro del mouse su → 20% nel Raggio di Van der Waals [le catene polipeptidiche che sporgono lateralmente dalla catena polipeptidica dorsale sono ridotte di dimensioni, e quest’ultima risulta più evidente];
4) selezionate Seleziona → Proteina → Backbone [avete selezionato la catena polipeptidica dorsale];
5) selezionate Stile → Schema → Traccia [a questo punto 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 installare per la prima volta (o installare nuovamente) collegandovi al sito
 
http://www.java.com/it/
 
 
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: 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);
→ altre importanti macromolecole biologiche: 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 di cristallografia ai raggi X (corrispondenti a 4 Mb di file), potrete vedere con i vostri occhi l’incredibile struttura 3d del
 
proteasoma,
 
il “tritaproteine” molecolare intracellulare.
 
 
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 (file con estensione .pdb) potete visualizzarli utilizzando un applicativo come Discovery Studio 3.5 Client, che potete scaricare gratuitamente dal sito della Accelrys, (lo trovate nel Resource Center nell’area Product Downloads). Aprite il file .pdb con i dati della proteina che vi interessa con Discovery Studio 3.5 Client e utilizzate le sue funzioni per visualizzarla. Se possedete ancora una vecchia versione di Chime eseguite alla lettera le istruzioni che ho fornito nella Homepage 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 riportati sopra. Sul web potete trovare anche altri programmi che leggono direttamente i file .pdb e add-on che consentono di gestirli via browser con script html (per i dettagli si rimanda alle specifiche documentazioni).
 
 
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/) come detto pocanzi ho utilizzato Jmol, un programma open source scritto in Java, la cui documentazione completa è disponibile sul sito
 
http://www.jmol.org/
 
dal quale il potete scaricare per intero l‘ultima versione del programma. 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 e delle IgG. In parte potete esplorarle da soli, ma per approfondirle dovete necessariamente 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/).
 
Alla pagina http://jmol.sourceforge.net/docs/surface/ invece trovate la documentazione necessaria per capire il significato delle superfici molecolari che Jmol è in grado di generare.

Macromolecole 3d

Ultimo aggiornamento: 18 giugno 2017

DNA_0527s
Bayes
 
NOTA SUI COLLEGAMENTI
ALLE FONTI BIBLIOGRAFICHE
 
La maggior parte dei collegamenti ad articoli scientifici riportati nel sito fa riferimento a riviste online che forniscono gratuitamente l’articolo originale. In alcuni casi è necessario registrarsi sul sito per avere libero accesso agli articoli: questo accade per esempio con il BMJ. Quando i collegamenti  fanno riferimento a fonti bibliografiche a pagamento, chi non ha sottoscritto un abbonamento con la rivista potrebbe vedere comparire un messaggio del tipo “access forbidden”, ma il più delle volte vedrà comparire una pagina che consente di acquistare online l’articolo originale.
 
 

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