Альфа - спираль является простейшей вторичной структурой , что белок может принимать в пространстве в соответствии с жесткостью и свободой вращения связей между его аминокислотными остатками.
Он характеризуется спиральной формой, в которой расположены аминокислоты, которые кажутся расположенными вокруг воображаемой продольной оси с группами R, обращенными наружу от нее.
Схема структуры альфа-спирали (Алехандро Порто, через Wikimedia Commons)
Альфа-спирали были впервые описаны в 1951 году Полингом и др., Который использовал доступные данные о межатомных расстояниях, углах связи и других структурных параметрах пептидов и аминокислот, чтобы предсказать наиболее вероятные конфигурации, которые могут принимать цепи. полипептиды.
Описание альфа-спирали возникло в результате поиска всех возможных структур в пептидной цепи, которые были стабилизированы водородными связями, где остатки были стехиометрически эквивалентны, а конфигурация каждого из них была плоской, на что указывают данные из резонанс пептидных связей, доступных на сегодняшний день.
Эта вторичная структура является наиболее распространенной среди белков, и ее принимают как растворимые белки, так и интегральные мембранные белки. Считается, что более 60% белков существуют в форме альфа-спирали или бета-листа.
Структура
Как правило, каждый виток альфа-спирали содержит в среднем 3,6 аминокислотных остатка, что составляет примерно 5,4 Å в длину. Однако углы поворота и длина варьируются от белка к белку в строгой зависимости от аминокислотной последовательности первичной структуры.
Большинство альфа-спиралей имеют правый поворот, но теперь известно, что белки с альфа-спиралями с левым поворотом могут существовать. Условие для возникновения того или другого состоит в том, что все аминокислоты находятся в одной и той же конфигурации (L или D), поскольку они отвечают за направление вращения.
Стабилизация этих важных структурных мотивов белкового мира обеспечивается водородными связями. Эти связи возникают между атомом водорода, присоединенным к электроотрицательному азоту пептидной связи, и электроотрицательным атомом кислорода карбоновой кислоты в четырех положениях аминокислоты дальше, в N-концевой области относительно себя.
Каждый виток спирали, в свою очередь, соединен с другим водородными связями, которые необходимы для достижения общей стабильности молекулы.
Не все пептиды могут образовывать стабильные альфа-спирали. Это обусловлено внутренней способностью каждой аминокислоты в цепи образовывать спирали, которая напрямую связана с химической и физической природой ее заместителей R-групп.
Например, при определенном pH многие полярные остатки могут приобретать одинаковый заряд, поэтому их нельзя последовательно разместить в спирали, поскольку отталкивание между ними будет означать большое искажение в ней.
Размер, форма и положение аминокислот также являются важными детерминантами спиральной стабильности. Не вдаваясь в подробности, остатки, такие как Asn, Ser, Thr и Cys, расположенные близко в последовательности, также могут отрицательно влиять на конфигурацию альфа-спирали.
Таким же образом гидрофобность и гидрофильность альфа-спиральных сегментов в данном пептиде зависят исключительно от идентичности R-групп аминокислот.
В интегральных мембранных белках альфа-спирали изобилуют остатками сильного гидрофобного характера, строго необходимыми для вставки и конфигурации сегментов между аполярными хвостами составляющих фосфолипидов.
С другой стороны, растворимые белки обладают альфа-спиралями, богатыми полярными остатками, которые позволяют лучше взаимодействовать с водной средой, присутствующей в цитоплазме или в интерстициальных пространствах.
Функциональное значение
Мотивы альфа-спирали выполняют широкий спектр биологических функций. Специфические паттерны взаимодействия между спиралями играют решающую роль в функционировании, сборке и олигомеризации как мембранных белков, так и растворимых белков.
Эти домены присутствуют во многих факторах транскрипции, важных с точки зрения регуляции экспрессии генов. Они также присутствуют в белках, имеющих структурное значение, и в мембранных белках, которые выполняют функции транспорта и / или передачи сигналов различного типа.
Вот несколько классических примеров белков с альфа-спиралями:
миозин
Миозин - это АТФаза, активируемая актином, которая отвечает за сокращение мышц и различные формы подвижности клеток. Как мышечные, так и немышечные миозины состоят из двух глобулярных областей или «голов», связанных вместе длинным альфа-спиральным «хвостом».
коллаген
Одна треть от общего содержания белка в организме человека представлена коллагеном. Это самый распространенный белок во внеклеточном пространстве, и его отличительной особенностью является структурный мотив, состоящий из трех параллельных цепей с левой спиральной конфигурацией, которые соединяются, образуя правовращающую смысловую тройную спираль.
кератин
Кератины - это группа белков, образующих нити, которые вырабатываются некоторыми эпителиальными клетками позвоночных. Они являются основной составляющей ногтей, волос, когтей, панциря черепах, рогов и перьев. Часть его фибриллярной структуры состоит из сегментов альфа-спирали.
Кератиновое структурирование (Млпаттон, из Wikimedia Commons)
гемоглобин
Кислород в крови переносится гемоглобином. Глобиновая часть этого тетрамерного белка состоит из двух идентичных альфа-спиралей по 141 остаток каждая и двух бета-цепей по 146 остатков каждая.
Белки типа "цинковые пальцы"
Эукариотические организмы обладают огромным количеством белков, похожих на цинковые пальцы, которые действуют для различных целей: распознавание ДНК, упаковка РНК, активация транскрипции, регуляция апоптоза, сворачивание белков и т. Д. Многие белки с цинковыми пальцами имеют альфа-спирали как основной компонент своей структуры, который необходим для их функции.
Ссылки
- Аврора Р., Сринивасан Р. и Роуз Г. Д. (1994). Правила прекращения а-альфа-спирали глицином. Наука, 264 (5162), 1126-1130.
- Блабер, М., Чжан, X., и Мэтьюз, Б. (1993). Структурная основа склонности аминокислот к альфа-спирали. Наука, 260 (1), 1637-1640.
- Бреннан, Р.Г., и Мэтьюз, Б.В. (1989). Мотив связывания ДНК спираль-поворот-спираль. Журнал биологической химии, 264 (4), 1903–1906.
- Айзенберг, Д. (2003). Открытие структурных особенностей белков альфа-спирали и бета-листа является принципиальным. Пнас, 100 (20), 11207-11210. Хаггинс, ML (1957). Структура альфа-кератина. Химия, 43, 204-209.
- Клемент, В., Вилленс, Р., и Дувез, П. (1960). Структура миоглобина. Природа, 185, 422-427.
- Лэйти, Дж. Х., Ли, Б. М. и Райт, ЧП (2001). Белки «цинковые пальцы»: новый взгляд на структурное и функциональное разнообразие. Текущее мнение в структурной биологии, 11 (1), 39–46.
- Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Бретчер, А., Плоег, Х., … Мартин, К. (2003). Молекулярная клеточная биология (5-е изд.). Фриман, WH & Company.
- Лаки, М. (2008). Структурная биология мембран: с биохимическими и биофизическими основами. Издательство Кембриджского университета. Получено с www.cambridge.org/9780521856553
- Маккей, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Образование спиралей и стабильность в мембранах. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
- Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2009). Принципы биохимии Ленингера. Omega Editions (5-е изд.).
- Полинг, Л., Кори, Р. Б. и Брэнсон, Х. Р. (1951). Структура белков: две спиральные конфигурации полипептидной цепи с водородными связями. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 37, 205–211.
- Перуц, MF (1978). Структура гемоглобина и респираторный транспорт. Scientific American, 239 (6), 92–125.
- Шольц, Дж. М., и Болдуин, Р. Л. (1992). Механизм образования альфа-спирали пептидами. Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул, 21 (1), 95–118.
- Плечи, доктор медицины и Рейнс, RT (2009). Структура и стабильность коллагена. Ежегодный обзор биохимии, 78 (1), 929-958.
- Субраманиамс, А., Джонс, В.К., Гулик, Дж., И Нойманнли, Дж. (1991). Тканевая регуляция промотора гена тяжелой цепи альфа-миозина у трансгенных мышей. Журнал биологической химии, 266 (36), 24613–24620.
- Ван Б., Ян В., МакКитрик Дж. И Мейерс, Массачусетс (2016). Кератин: структура, механические свойства, наличие в биологических организмах и усилия при биоинспирации. Прогресс в материаловедении. Elsevier Ltd.
- Уоррик, Х.М., и Спудич, Дж. А. (1987). Структура и функция миозина в подвижности клеток. Ежегодный обзор клеточной биологии, 3, 379–421.
- Чжан, С.К., Кулп, Д.В., Шрамм, Калифорния, Мравич, М., Самиш, И., и Деградо, В.Ф. (2015). Взаимодействие спираль-спираль мембраны и растворимого белка: схожая геометрия за счет различных взаимодействий. Структура, 23 (3), 527–541