ALFA HELIX: STRUKTUR OG FUNKSJONELL BETYDNING - BIOLOGI - 2026

Den alfa-heliks er den enkleste sekundær struktur som et protein kan innta på plass i henhold til stivhet og frihet til dreining av bindingene mellom de aminosyrerester.

Den er preget av spiralformen som aminosyrene er anordnet i, som ser ut til å være anordnet rundt en tenkt langsgående akse med R-gruppene mot utsiden av den.

Diagram over alfaheliksistrukturen (Alejandro Porto, via Wikimedia Commons)

Alfa-helikser ble først beskrevet i 1951 av Pauling et al., Som brukte tilgjengelige data om interatomiske avstander, bindingsvinkler og andre strukturelle parametere for peptider og aminosyrer for å forutsi de mest sannsynlige konfigurasjoner som kjedene kunne anta. polypeptider.

Beskrivelsen av alfa-heliksen oppstod fra søket etter alle mulige strukturer i en peptidkjede som ble stabilisert av hydrogenbindinger, hvor restene var støkiometrisk ekvivalente og konfigurasjonen til hver enkelt var plan, som indikert av dataene fra resonans av peptidbindingen som foreløpig var tilgjengelig.

Denne sekundære strukturen er den vanligste blant proteiner, og den blir adoptert av både oppløselige proteiner og integrerte membranproteiner. Mer enn 60% av proteiner antas å eksistere i form av en alfa-helix eller beta-ark.

Struktur

Generelt har hver sving av en alfa-helix et gjennomsnitt på 3,6 aminosyrerester, som er omtrent 5,4 Å i lengde. Imidlertid varierer vinkler og lengder fra protein til protein med streng avhengighet av aminosyresekvensen til den primære strukturen.

De fleste alfa-helikser har en høyresving, men det er nå kjent at proteiner med alfa-helikser med venstre-sving kan eksistere. Betingelsen for at det ene eller det andre skal oppstå er at alle aminosyrene er i samme konfigurasjon (L eller D), siden de er ansvarlige for retningen på spinnet.

Stabiliseringen av disse viktige strukturelle motivene for proteinverdenen er gitt av hydrogenbindinger. Disse bindinger oppstår mellom hydrogenatom festet til det elektronegative nitrogenet i en peptidbinding og det elektronegative karboksyliske oksygenatom i aminosyren fire posisjoner lenger, i den N-terminale regionen med hensyn til seg selv.

Hver tur av heliksen blir på sin side forbundet med den neste av hydrogenbindinger, som er essensielle for å oppnå molekylets generelle stabilitet.

Ikke alle peptider kan danne stabile alfa-helikser. Dette gis ved den indre kapasiteten til hver aminosyre i kjeden til å danne helikser, som er direkte relatert til den kjemiske og fysiske naturen til dets substituente R-grupper.

For eksempel, ved en viss pH, kan mange polare rester oppnå den samme ladning, slik at de ikke kan plasseres fortløpende i en helix, siden frastøtningen mellom dem ville innebære en stor forvrengning i den.

Størrelsen, formen og plasseringen av aminosyrene er også viktige faktorer for spiralformet stabilitet. Uten å gå lenger, kan rester som Asn, Ser, Thr og Cys plassert tett innenfor sekvensen også ha en negativ innvirkning på alfa-helix-konfigurasjonen.

På samme måte avhenger hydrofobisiteten og hydrofilisiteten til alfa-helikalsegmentene i et gitt peptid utelukkende av identiteten til R-gruppene til aminosyrene.

I integrerte membranproteiner bugner det av alfa-helikser med rester med sterk hydrofob karakter, som er strengt nødvendig for innsetting og konfigurasjon av segmentene mellom de apolare halene til de bestående fosfolipider.

Løselige proteiner har derimot alfa-helikser som er rike på polare rester, noe som muliggjør en bedre interaksjon med det vandige mediet som er til stede i cytoplasma eller i de mellomliggende rommene.

Funksjonell betydning

Alpha-helixmotiver har et bredt spekter av biologiske funksjoner. Spesifikke interaksjonsmønstre mellom helixene spiller en kritisk rolle i funksjon, montering og oligomerisering av både membranproteiner og oppløselige proteiner.

Disse domenene er til stede i mange transkripsjonsfaktorer, viktige fra synspunktet til regulering av genuttrykk. De er også til stede i proteiner med strukturell relevans og i membranproteiner som har transport- og / eller signaloverføringsfunksjoner av forskjellige slag.

Her er noen klassiske eksempler på proteiner med alpha helices:

myosin

Myosin er en aktinaktivert ATPase som er ansvarlig for muskelsammentrekning og en rekke former for cellemobilitet. Både muskulære og ikke-muskulære myosiner består av to kuleformede regioner eller "hoder" knyttet sammen av en lang alfa helisk "hale."

kollagen

En tredjedel av det totale proteininnholdet i menneskekroppen er representert av kollagen. Det er det mest tallrike proteinet i det ekstracellulære rommet, og dets særegne kjennetegn er et strukturelt motiv sammensatt av tre parallelle tråder med en venstrehånds spiralformasjon, som blir sammen for å danne en dextrorotatory sens trippel spiral.

keratin

Keratiner er en gruppe filamentdannende proteiner som produseres av noen epitelceller i virveldyr. De er hovedkomponenten i neglene, håret, klørne, skallet av skilpadder, horn og fjær. En del av fibrillarstrukturen består av alfa-helix-segmenter.

Keratin strukturering (Mlpatton, fra Wikimedia Commons)

hemoglobin

Oksygen i blodet bæres av hemoglobin. Globinedelen av dette tetrameriske proteinet består av to identiske alfa-helikser med 141 rester hver og to betakjeder med 146 rester hver.

Proteiner av typen 'sinkfinger'

Eukaryote organismer har et stort vell av sinkfingerproteiner, som fungerer for forskjellige formål: DNA-anerkjennelse, RNA-pakking, transkripsjonell aktivering, regulering av apoptose, proteinfolding, etc. Mange sinkfingerproteiner har alfa-helikser som hovedkomponent i strukturen og som er avgjørende for deres funksjon.

referanser

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Regler for a-alpha-Helix Termination av Glycine. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Strukturell basis av aminosyre alpha helix-tilbøyelighet. Vitenskap, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). DNA-bindende motiv for helix-turn-helix. Journal of Biologisk kjemi, 264 (4), 1903-1906.
4. Eisenberg, D. (2003). Oppdagelsen av strukturelle trekk ved proteiner alfa-helix og beta-ark, den viktigste. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Strukturen til alfa keratin. Kjemi, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Struktur av myoglobin. Naturen, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Sinkfingerproteiner: Ny innsikt i strukturelt og funksjonelt mangfold. 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 (5. utg.). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Membran strukturell biologi: med biokjemiske og biofysiske fundamenter. Cambridge University Press. Hentet fra www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Helixdannelse og stabilitet i membraner. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger prinsipper for biokjemi. Omega Editions (5. utg.).
11. Pauling, L., Corey, RB, & Branson, HR (1951). Strukturen til proteiner: to hydrogenbundne spiralformede konfigurasjoner av polypeptidkjeden. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 37, 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Hemoglobinstruktur og luftveiene. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). The Mechanism of alpha-Helix Formation by Peptides. Årlig gjennomgang av biofysikk og biomolekylær struktur, 21 (1), 95–118.
14. Shoulders, MD, & Raines, RT (2009). Kollagen struktur og stabilitet. Årlig gjennomgang av biokjemi, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Vevspesifikk regulering av alfa-Myosin tungkjedegenerpromotor hos transgene mus. Journal of Biologisk kjemi, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Struktur, mekaniske egenskaper, forekomst i biologiske organismer og innsats mot bioinspirasjon. Fremgang i materialvitenskap. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Myosin struktur og funksjon i cellemobilitet. Årlig gjennomgang av cellebiologi, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Membran- og løselig-protein-helix-helix-interaksom: Lignende geometri via forskjellige interaksjoner. Struktur, 23 (3), 527–541