ALPHA HELIX: BUDOWA I ZNACZENIE FUNKCJONALNE - BIOLOGIA - 2026

Alfa helisa jest najprostszym struktura drugorzędowa, które to białko może przyjmować w przestrzeni w zależności od sztywności i swobodnego obracania się wiązań pomiędzy ich reszt aminokwasowych.

Charakteryzuje się spiralnym kształtem, w którym ułożone są aminokwasy, które wydają się być ułożone wokół wyimaginowanej osi podłużnej z grupami R skierowanymi na zewnątrz.

Schemat struktury alfa helisy (Alejandro Porto, za Wikimedia Commons)

Helisy alfa zostały po raz pierwszy opisane w 1951 r. Przez Paulinga i wsp., Którzy wykorzystali dostępne dane dotyczące odległości międzyatomowych, kątów wiązań i innych parametrów strukturalnych peptydów i aminokwasów, aby przewidzieć najbardziej prawdopodobne konfiguracje, jakie mogą przyjąć łańcuchy. polipeptydy.

Opis helisy alfa powstał z poszukiwań wszystkich możliwych struktur w łańcuchu peptydowym, które były stabilizowane wiązaniami wodorowymi, gdzie reszty były stechiometrycznie równoważne, a konfiguracja każdej z nich była płaska, jak wskazują dane z rezonans dotychczasowych wiązań peptydowych.

Ta drugorzędowa struktura jest najpowszechniejsza wśród białek i jest przyjmowana zarówno przez białka rozpuszczalne, jak i integralne białka błonowe. Uważa się, że ponad 60% białek istnieje w postaci alfa helisy lub arkusza beta.

Struktura

Ogólnie, każdy zwoj alfa helisy ma średnio 3,6 reszt aminokwasowych, co w przybliżeniu ma długość 5,4 Å. Jednak kąty skrętu i długości różnią się w zależności od białka i ściśle zależą od sekwencji aminokwasów struktury pierwotnej.

Większość helis alfa ma skręt w prawo, ale obecnie wiadomo, że mogą istnieć białka z helisami alfa z zwrotami lewoskrętnymi. Warunkiem zaistnienia jednego lub drugiego jest to, że wszystkie aminokwasy są w tej samej konfiguracji (L lub D), ponieważ są one odpowiedzialne za kierunek spinu.

Stabilizacja tych ważnych motywów strukturalnych dla świata białek jest zapewniana przez wiązania wodorowe. Wiązania te występują między atomem wodoru przyłączonym do atomu azotu elektroujemnego wiązania peptydowego a elektroujemnym atomem tlenu karboksylowego aminokwasu cztery pozycje dalej, w regionie N-końcowym względem siebie.

Z kolei każdy obrót helisy jest połączony z następnym wiązaniami wodorowymi, które są niezbędne do osiągnięcia ogólnej stabilności cząsteczki.

Nie wszystkie peptydy mogą tworzyć stabilne helisy alfa. Wynika to z wewnętrznej zdolności każdego aminokwasu w łańcuchu do tworzenia helis, co jest bezpośrednio związane z chemicznym i fizycznym charakterem jego podstawników R.

Na przykład przy pewnym pH wiele reszt polarnych może uzyskać ten sam ładunek, więc nie można ich umieszczać kolejno w helisie, ponieważ odpychanie między nimi oznaczałoby duże zniekształcenie w niej.

Rozmiar, kształt i pozycja aminokwasów są również ważnymi wyznacznikami stabilności helikalnej. Nie idąc dalej, reszty takie jak Asn, Ser, Thr i Cys umieszczone blisko sekwencji mogą również mieć negatywny wpływ na konfigurację helisy alfa.

W ten sam sposób hydrofobowość i hydrofilowość alfa-helikalnych odcinków w danym peptydzie zależy wyłącznie od tożsamości grup R aminokwasów.

W integralnych białkach błonowych alfa helisy obfitują w reszty o silnym charakterze hydrofobowym, ściśle niezbędne do wstawienia i konfiguracji segmentów między niepolarnymi ogonami składowych fosfolipidów.

Z drugiej strony rozpuszczalne białka mają helisy alfa bogate w reszty polarne, co umożliwia lepszą interakcję z ośrodkiem wodnym obecnym w cytoplazmie lub w przestrzeniach śródmiąższowych.

Znaczenie funkcjonalne

Motywy alfa helisy mają szeroki zakres funkcji biologicznych. Specyficzne wzorce interakcji między helisami odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu, składaniu i oligomeryzacji zarówno białek błonowych, jak i białek rozpuszczalnych.

Domeny te są obecne w wielu czynnikach transkrypcyjnych, ważnych z punktu widzenia regulacji ekspresji genów. Są również obecne w białkach o znaczeniu strukturalnym oraz w białkach błonowych, które mają różnego rodzaju funkcje transportu i / lub transmisji sygnału.

Oto kilka klasycznych przykładów białek z helisami alfa:

Miozyna

Miozyna jest ATPazą aktywowaną aktyną, która jest odpowiedzialna za skurcze mięśni i różne formy mobilności komórek. Miozyny zarówno mięśniowe, jak i niemięśniowe składają się z dwóch obszarów kulistych lub „głów” połączonych ze sobą długim alfa helikalnym „ogonem”.

Kolagen

Jedna trzecia całkowitej zawartości białka w ludzkim ciele jest reprezentowana przez kolagen. Jest to najobficiej występujące białko w przestrzeni zewnątrzkomórkowej, a jego charakterystyczną cechą jest motyw strukturalny złożony z trzech równoległych nici o lewoskrętnej konfiguracji helikalnej, które łączą się, tworząc prawoskrętną potrójną helisę zmysłową.

Keratyna

Keratyny to grupa białek tworzących włókna, które są wytwarzane przez niektóre komórki nabłonka kręgowców. Są głównym składnikiem paznokci, włosów, pazurów, skorupy żółwi, rogów i piór. Część jego włóknistej struktury składa się z segmentów alfa helisy.

Struktura keratyny (Mlpatton, z Wikimedia Commons)

Hemoglobina

Tlen we krwi jest przenoszony przez hemoglobinę. Część globiny tego tetramerycznego białka składa się z dwóch identycznych helis alfa po 141 reszt każda i dwóch łańcuchów beta po 146 reszt każdy.

Białka typu „palec cynkowy”

Organizmy eukariotyczne posiadają ogromne bogactwo białek przypominających palce cynkowe, które pełnią różne funkcje: rozpoznawanie DNA, pakowanie RNA, aktywacja transkrypcji, regulacja apoptozy, fałdowanie białek itp. Wiele białek palca cynkowego ma helisy alfa jako główny składnik ich struktury i jest niezbędny do ich funkcji.

Bibliografia

1. Aurora, R., Srinivasan, R. i Rose, GD (1994). Zasady zakończenia a-alpha-Helix przez glicynę. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Strukturalne podstawy skłonności aminokwasów do alfa helisy. Science, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG i Matthews, BW (1989). Motyw wiążący DNA helix-turn-helisa. Journal of Biological Chemistry, 264 (4), 1903-1906.
4. Eisenberg, D. (2003). Odkrycie cech strukturalnych białek alfa-helisy i arkusza beta, zasada. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Struktura alfa keratyny. Chemistry, 43, 204–209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Struktura mioglobiny. Naturę, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM i Wright, PE (2001). Białka palców cynkowych: nowe spojrzenie na różnorodność strukturalną i funkcjonalną. Current Opinion in Structural Biology, 11 (1), 39–46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (wyd. 5). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Biologia strukturalna błony: na podstawach biochemicznych i biofizycznych. Cambridge University Press. Pobrane z www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE i Greathouse, DV (2018). Tworzenie spirali i stabilność w membranach. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelson, DL i Cox, MM (2009). Zasady Lehningera biochemii. Omega Editions (wyd. 5).
11. Pauling, L., Corey, RB i Branson, HR (1951). Struktura białek: dwie konfiguracje helikalne związane z wiązaniami wodorowymi łańcucha polipeptydowego. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 37, 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Struktura hemoglobiny i transport oddechowy. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM i Baldwin, RL (1992). Mechanizm tworzenia alfa-helisy przez peptydy. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 21 (1), 95–118.
14. Shoulders, MD i Raines, RT (2009). Struktura i stabilność kolagenu. Annual Review of Biochemistry, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J. i Neumannli, J. (1991). Regulacja specyficzna dla tkanki promotora genu łańcucha ciężkiego alfa-miozyny u myszy transgenicznych. The Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J. i Meyers, MA (2016). Keratyna: budowa, właściwości mechaniczne, występowanie w organizmach biologicznych i wysiłki w zakresie bioinspiracji. Postęp w materiałoznawstwie. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM i Spudich, J. a. (1987). Struktura i funkcja miozyny w ruchliwości komórek. Annual Review of Cell Biology, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I. i Degrado, WF (2015). Interaktom błony i białka rozpuszczalnego helisa-helisa: podobna geometria poprzez różne interakcje. Struktura, 23 (3), 527–541