ALFA-SPIRAL: STRUKTUR OCH FUNKTIONELL BETYDELSE - BIOLOGI - 2025

Den alfahelix är den enklaste sekundära strukturen att ett protein kan anta i rymden i enlighet med den styvhet och frihet av rotation av bindningarna mellan dess aminosyrarester.

Det kännetecknas av den spiralform där aminosyrorna är arrangerade, som verkar vara anordnade runt en imaginär längsaxel med R-grupperna vända mot utsidan.

Diagram över alfa-helixstrukturen (Alejandro Porto, via Wikimedia Commons)

Alfahelys beskrevs först 1951 av Pauling et al., Som använde tillgängliga data om interatomiska avstånd, bindningsvinklar och andra strukturella parametrar för peptider och aminosyror för att förutsäga de mest troliga konfigurationer som kedjorna kunde anta. polypeptider.

Beskrivningen av alfahalixen uppstod från sökningen efter alla möjliga strukturer i en peptidkedja som stabiliserades med vätebindningar, där resterna var stökiometriskt ekvivalenta och konfigurationen för var och en var plan, vilket indikerades av data från resonans av de peptidbindningar som hittills var tillgängliga.

Denna sekundära struktur är den vanligaste bland proteiner och den antas av både lösliga proteiner och integrerade membranproteiner. Mer än 60% av proteiner tros existera i form av en alfa-helix eller beta-ark.

Strukturera

I allmänhet har varje varv av en alfahalix i genomsnitt 3,6 aminosyrarester, vilket är ungefär 5,4 Å i längd. Vinklar och längder varierar emellertid från protein till protein med strikt beroende av aminosyrasekvensen i den primära strukturen.

De flesta alfa-helices har en höger sväng, men det är nu känt att proteiner med alfa-helices med vänster varv kan existera. Villkoret för att det ena eller det andra ska inträffa är att alla aminosyror är i samma konfiguration (L eller D), eftersom de ansvarar för rotationsriktningen.

Stabiliseringen av dessa viktiga strukturella motiv för proteinvärlden ges av vätebindningar. Dessa bindningar uppstår mellan väteatomen bunden till det elektronegativa kvävet i en peptidbindning och den elektronegativa karboxylsyreatomen i aminosyran fyra positioner längre, i den N-terminala regionen med avseende på sig själv.

Varje vrid av spiralen förenas i sin tur till nästa av vätebindningar, som är viktiga för att uppnå den totala stabiliteten hos molekylen.

Inte alla peptider kan bilda stabila alfa-helikser. Detta ges av den inneboende kapaciteten hos varje aminosyra i kedjan för att bilda spiraler, som är direkt relaterad till den kemiska och fysiska naturen i dess substituenta R-grupper.

Till exempel, vid ett visst pH, kan många polära rester erhålla samma laddning, så att de inte kan placeras i följd i en spiral eftersom avvisningen mellan dem skulle innebära en stor snedvridning i den.

Aminosyrornas storlek, form och placering är också viktiga faktorer för spiralstabilitet. Utan att gå längre kan rester som Asn, Ser, Thr och Cys placerade nära i sekvensen också ha en negativ effekt på alfahalixens konfiguration.

På samma sätt beror hydrofobiciteten och hydrofiliciteten för de alfa-spiralformade segmenten i en given peptid uteslutande på identiteten hos R-grupperna i aminosyrorna.

I integrerade membranproteiner finns alfa-helikoner i överflöd med rester med stark hydrofob karaktär, strikt nödvändigt för införande och konfiguration av segmenten mellan de apolära svansarna hos de bestående fosfolipiderna.

Lösliga proteiner har å andra sidan alfa-helikser som är rika på polära rester, vilket möjliggör en bättre interaktion med det vattenhaltiga mediet som finns i cytoplasma eller i de interstitiella utrymmena.

Funktionell betydelse

Alpha-helixmotiv har ett stort antal biologiska funktioner. Specifika interaktionsmönster mellan spiralerna spelar en kritisk roll i funktionen, montering och oligomerisering av både membranproteiner och lösliga proteiner.

Dessa domäner finns i många transkriptionsfaktorer, viktiga med tanke på reglering av genuttryck. De finns också i proteiner med strukturell relevans och i membranproteiner som har transport- och / eller signalöverföringsfunktioner av olika slag.

Här är några klassiska exempel på proteiner med alpha helices:

myosin

Myosin är ett aktinaktiverat ATPas som ansvarar för muskelkontraktion och olika former av cellrörlighet. Både muskulösa och icke-muskulära myosiner består av två kuglande regioner eller "huvuden" sammankopplade med en lång alfa-spiral "svans".

Kollagen

En tredjedel av den totala proteinhalten i människokroppen representeras av kollagen. Det är det vanligaste proteinet i det extracellulära utrymmet och dess utmärkande kännetecken är ett strukturellt motiv sammansatt av tre parallella strängar med en vänsterhänt spiralformning, som går samman för att bilda en dextrorotatorisk känsla trippel spiral.

keratin

Keratiner är en grupp filamentbildande proteiner som produceras av vissa epitelceller i ryggradsdjur. De är huvudkomponenten i naglar, hår, klor, sköldpaddor, horn och fjädrar. En del av dess fibrillarstruktur består av alfa-helix-segment.

Keratinstrukturering (Mlpatton, från Wikimedia Commons)

Hemoglobin

Syre i blodet transporteras av hemoglobin. Globindelen av detta tetrameriska protein består av två identiska alfa-helikser med 141 rester vardera och två betakedjor med 146 rester vardera.

Proteiner av typen "Zink finger"

Eukaryota organismer har en stor mängd zinkfingerliknande proteiner, som fungerar för olika ändamål: DNA-igenkänning, RNA-förpackning, transkriptionell aktivering, apoptosreglering, proteinvikning, etc. Många zinkfingerproteiner har alfa-spiraler som huvudkomponenten i deras struktur och som är viktiga för deras funktion.

referenser

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Regler för a-alpha-Helix Termination av Glycine. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Strukturell bas för benägenhet för aminosyra alfa-helix. Science, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). DNA-bindande motiv för helix-turn-helix. Journal of Biologisk kemi, 264 (4), 1903-1906.
4. Eisenberg, D. (2003). Upptäckten av strukturella egenskaper hos proteiner alfa-helix och beta-ark, den viktigaste. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Strukturen för alfa keratin. Kemi, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Struktur av myoglobin. Nature, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Zinkfingerproteiner: Ny insikt om strukturell och funktionell mångfald. Aktuellt yttrande i strukturell biologi, 11 (1), 39–46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5: e upplagan). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Membranstrukturbiologi: med biokemiska och biofysiska grunder. Cambridge University Press. Hämtad från www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Helixbildning och stabilitet i membran. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger principer för biokemi. Omega Editions (5: e upplagan).
11. Pauling, L., Corey, RB, & Branson, HR (1951). Strukturen hos proteiner: två vätebundna spiralformade konfigurationer av polypeptidkedjan. Fortsättningar av National Academy of Sciences of the United States of America, 37, 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Hemoglobinstruktur och luftvägar. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Mekanismen för alfa-Helix-bildning av Peptider. Årlig granskning av biofysik och biomolekylär struktur, 21 (1), 95–118.
14. Shoulders, MD, & Raines, RT (2009). Kollagen struktur och stabilitet. Årlig granskning av biokemi, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Vävnadsspecifik reglering av alfa-Myosin tungkedjegen-promotor i transgena möss. Journal of Biologisk kemi, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Struktur, mekaniska egenskaper, förekomst i biologiska organismer och insatser för bioinspiration. Framsteg inom materialvetenskap. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Myosin struktur och funktion i cellmotilitet. Årlig översyn av cellbiologi, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Membran- och lösligt protein-helix-helix-interaktion: Liknande geometri via olika interaktioner. Struktur, 23 (3), 527–541