ALFA-HELIX: STRUKTUR OG FUNKTIONEL BETYDNING - BIOLOGI - 2025

Den alfa-helix er den enkleste sekundære struktur, at et protein kan træffe i rummet ifølge stivhed og fri rotation af bindinger mellem sine aminosyrerester.

Det er kendetegnet ved den spiralform, hvor aminosyrerne er arrangeret i, som synes at være arrangeret omkring en imaginær langsgående akse med R-grupperne mod ydersiden af ​​den.

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

Alfa-helix blev først beskrevet i 1951 af Pauling et al., Der brugte tilgængelige data om interatomiske afstande, bindingsvinkler og andre strukturelle parametre for peptider og aminosyrer for at forudsige de mest sandsynlige konfigurationer, som kæderne kunne antage. polypeptider.

Beskrivelsen af ​​alfa-helixen stammede fra søgningen efter alle mulige strukturer i en peptidkæde, der blev stabiliseret med hydrogenbindinger, hvor resterne var støkiometrisk ækvivalente og konfigurationen af ​​hver enkelt var plan, som indikeret af dataene fra resonans af de peptidbindinger, der hidtil var tilgængelige.

Denne sekundære struktur er den mest almindelige blandt proteiner, og den er vedtaget af både opløselige proteiner og integrerede membranproteiner. Mere end 60% proteiner antages at eksistere i form af en alfa-helix eller beta-ark.

Struktur

Generelt har hver drejning af en alfa-helix et gennemsnit på 3,6 aminosyrerester, som er omtrent 5,4 Å i længde. Drejevinkler og -længder varierer imidlertid fra protein til protein med streng afhængighed af aminosyresekvensen i den primære struktur.

De fleste alpha helices har en højre drejning, men det er nu kendt, at der kan findes proteiner med alpha helices med venstre hånd. Betingelsen for, at den ene eller den anden skal forekomme, er, at alle aminosyrerne er i den samme konfiguration (L eller D), da de er ansvarlige for drejningen.

Stabiliseringen af ​​disse vigtige strukturelle motiver for proteinverdenen gives af brintbindinger. Disse bindinger forekommer mellem hydrogenatom bundet til det elektronegative nitrogen i en peptidbinding og det elektronegative carboxyliske oxygenatom i aminosyren fire positioner yderligere i den N-terminale region med hensyn til sig selv.

Hver tur i helixen er på sin side forbundet med den næste af brintbindinger, som er essentielle for at opnå den samlede stabilitet af molekylet.

Ikke alle peptider kan danne stabile alfa-helixer. Dette gives ved den indre kapacitet af hver aminosyre i kæden til at danne helixer, som er direkte relateret til den kemiske og fysiske natur af dens substituente R-grupper.

For eksempel ved en bestemt pH-værdi kan mange polare rester opnå den samme ladning, så de kan ikke anbringes fortløbende i en helix, da frastødningen mellem dem ville indebære en stor forvrængning i den.

Aminosyrernes størrelse, form og placering er også vigtige determinanter for spiralformet stabilitet. Uden at gå videre, kan rester såsom Asn, Ser, Thr og Cys placeret tæt i sekvensen også have en negativ effekt på alpha helix-konfigurationen.

På samme måde afhænger hydrofobiciteten og hydrofiliciteten af ​​de alfa-spiralformede segmenter i et givet peptid udelukkende af identiteten af ​​R-grupperne af aminosyrerne.

I integrerede membranproteiner bugner alfa-helikser med rester med stærk hydrofob karakter, hvilket er strengt nødvendigt for indsættelse og konfiguration af segmenterne mellem de apolære haler i de indholdende phospholipider.

Opløselige proteiner har på den anden side alfa-helix, der er rige på polare rester, hvilket muliggør en bedre interaktion med det vandige medium, der er til stede i cytoplasmaet eller i de mellemliggende rum.

Funktionel betydning

Alfa-helixmotiver har en lang række biologiske funktioner. Specifikke interaktionsmønstre mellem helixerne spiller en kritisk rolle i funktionen, samlingen og oligomeriseringen af ​​både membranproteiner og opløselige proteiner.

Disse domæner er til stede i mange transkriptionsfaktorer, der er vigtige set ud fra reguleringen af ​​genekspression. De er også til stede i proteiner med strukturel relevans og i membranproteiner, der har transport- og / eller signaloverførselsfunktioner af forskellige slags.

Her er nogle klassiske eksempler på proteiner med alpha helices:

myosin

Myosin er en aktinaktiveret ATPase, der er ansvarlig for muskelkontraktion og en række forskellige former for cellemobilitet. Både muskuløse og ikke-muskulære myosiner består af to kugleformede regioner eller "hoveder" forbundet sammen med en lang alfa-helisk "hale".

Collagen

En tredjedel af det samlede proteinindhold i den menneskelige krop er repræsenteret af kollagen. Det er det mest rigelige protein i det ekstracellulære rum, og dets karakteristiske træk er et strukturelt motiv sammensat af tre parallelle strenge med en venstrehåndet spiralformet konfiguration, der samles for at danne en dextrorotatorisk fornemmelse tredobbelt helix.

Keratin

Keratiner er en gruppe filamentdannende proteiner, der produceres af nogle epitelceller i hvirveldyr. De er hovedkomponenten i negle, hår, kløer, skildpadder, horn og fjer. En del af dens fibrillestruktur består af alfa-helix-segmenter.

Keratinstrukturering (Mlpatton, fra Wikimedia Commons)

Hæmoglobin

Oxygen i blodet bæres af hæmoglobin. Globinedelen af ​​dette tetrameriske protein består af to identiske alfa-helikser med 141 rester hver og to beta-kæder med 146 rester hver.

Proteiner af typen 'zinkfinger'

Eukaryote organismer besidder et stort væld af zinkfingerlignende proteiner, der fungerer til forskellige formål: DNA-genkendelse, RNA-emballage, transkriptionel aktivering, apoptoseregulering, proteinfoldning osv. Mange zinkfingerproteiner har alfa-helikser som hovedkomponent i deres struktur, og som er essentielle for deres funktion.

Referencer

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Regler for a-alpha-Helix terminering af Glycine. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Strukturelt grundlag af aminosyre alpha helix tilbøjelighed. Videnskab, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). Helix-turn-helix DNA-bindende motiv. Journal of Biologisk Kemi, 264 (4), 1903-1906.
4. Eisenberg, D. (2003). Opdagelsen af ​​de strukturelle træk ved proteiner alfa-helix og beta-ark, den vigtigste. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Strukturen af ​​alfa keratin. Kemi, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Struktur af myoglobin. Nature, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Zinkfingerproteiner: Ny indsigt i strukturel og funktionel mangfoldighed. Aktuel udtalelse inden for strukturbiologi, 11 (1), 39–46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H.,… Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. udg.). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Membranstrukturbiologi: med biokemiske og biofysiske fundamenter. Cambridge University Press. Hentet fra www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Helix dannelse og stabilitet i membraner. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108-2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger-principper for biokemi. Omega-udgaver (5. udgave).
11. Pauling, L., Corey, RB, & Branson, HR (1951). Strukturen af ​​proteiner: to hydrogenbundne spiralformede konfigurationer af polypeptidkæden. Forløb fra Det Nationale Akademi for Videnskaber i Amerikas Forenede Stater, 37, 205-211.
12. Perutz, MF (1978). Hæmoglobinstruktur og luftvejstransport. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Mekanismen til alpha-Helix-dannelse af peptider. Årlig gennemgang af biofysik og biomolekylær struktur, 21 (1), 95–118.
14. Shoulders, MD, & Raines, RT (2009). Kollagen struktur og stabilitet. Årlig gennemgang af biokemi, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Vævsspecifik regulering af alpha-Myosin-tungkædegenerpromotor i transgene mus. Journal of Biologisk Kemi, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Struktur, mekaniske egenskaber, forekomst i biologiske organismer og indsats for bioinspiration. Fremskridt inden for materialevidenskab. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Myosin struktur og funktion i cellemobilitet. Årlig gennemgang af cellebiologi, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Membran- og opløseligt protein-helix-helix-interaktion: Lignende geometri via forskellige interaktioner. Struktur, 23 (3), 527–541