Структура альфа-спіралі і функціональне значення



The альфа-спіраль є найпростішою вторинною структурою, яку білок може прийняти в просторі відповідно до жорсткості і свободи обертання зв'язків між її амінокислотними залишками.

Він характеризується формою спіралі, в якій розташовані амінокислоти, які здаються розташованими навколо уявної поздовжньої осі з групами R назовні..

Альфа-спіралі були вперше описані в 1951 році Полінг і його колеги, які використовували наявні дані про міжатомних відстанях, кути зв'язків і інші структурні параметри пептидів і амінокислот, щоб передбачити найбільш вірогідні конфігурації, які ланцюги могли припустити. поліпептидів.

Опис альфа-спіралі виникло в результаті пошуку всіх можливих структур пептидного ланцюга, які були стабілізовані водневими зв'язками, де залишки були стехіометрично еквівалентними і конфігурація кожного була планарною, про що свідчать дані з резонанс пептидних зв'язків, які були доступні за дату.

Ця вторинна структура є найбільш поширеною серед білків, і вона приймається як розчинними білками, так і інтегральними мембранними білками. Вважається, що більше 60% білків існує у вигляді альфа-спіралі або бета-листа.

Індекс

  • 1 Структура
  • 2 Функціональне значення
    • 2.1 Міосін
    • 2.2 Колаген
    • 2.3 Кератин
    • 2.4 Гемоглобін
    • 2.5 Білки типу "цинкові пальці"
  • 3 Посилання

Структура

Загалом, кожен поворот альфа-спіралі має в середньому 3,6 амінокислотних залишків, що приблизно дорівнює 5,4 Å в довжину. Однак кути і довжини обертання варіюються від одного білка до іншого з суворою залежністю від амінокислотної послідовності первинної структури.

Більшість альфа-спіралей мають правобічний поворот, але в даний час відомо, що білки з альфа-спіралями можуть існувати з лівими поворотами. Умова для того, щоб відбувалося одне або інше, полягає в тому, що всі амінокислоти мають однакову конфігурацію (L або D), оскільки вони відповідають за напрям.

Стабілізація цих важливих структурних причин для білкового світу дається водневими зв'язками. Ці зв'язки відбуваються між атомом водню, приєднаним до електронегативного азоту пептидного зв'язку, і електронегативним атомом карбонового кисню амінокислоти чотирма позиціями пізніше, в N-кінцевій області відносно себе.

Кожен поворот спіралі, у свою чергу, пов'язаний з наступним водневими зв'язками, які є фундаментальними для досягнення загальної стабільності молекули.

Не всі пептиди можуть утворювати стабільні альфа-спіралі. Це дається внутрішньою здатністю кожної амінокислоти у ланцюзі утворювати спіралі, яка безпосередньо пов'язана з хімічною і фізичною природою її R групи заступників..

Наприклад, при певному рН багато полярних залишків можуть набувати однакового заряду, тому вони не можуть бути розташовані послідовно в спіралі, оскільки відштовхування між ними призведе до великого спотворення в ньому..

Розміри, форма і положення амінокислот також є важливими детермінантами спіральної стійкості. Не виходячи далі, залишки, такі як Asn, Ser, Thr і Cys, розташовані в безпосередній близькості в межах послідовності, також можуть негативно впливати на конфігурацію альфа-спіралі.

Таким же чином, гідрофобність і гідрофільність альфа-спіральних сегментів у даному пептиді залежать виключно від ідентичності R-груп амінокислот..

В інтегральних мембранних білках є велика кількість альфа-спіралей з залишками сильного гідрофобного характеру, суворо необхідними для вставки і конфігурації сегментів між аполярними хвостами складових фосфоліпідів.

Розчинні білки, навпаки, мають альфа-спіралі, багаті полярними залишками, які роблять можливим кращу взаємодію з водним середовищем, присутнім в цитоплазмі або інтерстиціальних просторах..

Функціональне значення

Мотиви альфа-спіралі мають широкий спектр біологічних функцій. Специфічні структури взаємодії спіралей відіграють критичну роль у функціонуванні, збірці і олігомеризації обох мембранних білків і розчинних білків.

Ці домени присутні у багатьох транскрипційних факторах, важливих з точки зору регуляції експресії генів. Вони також присутні в білках зі структурною значимістю і в мембранних білках, які мають функції транспорту та / або передачі сигналів різних видів.

Ось деякі класичні приклади білків з альфа-спіралями:

Міозин

Міозин - це АТФаза, активована актином, що відповідає за скорочення м'язів і різні форми мобільності клітин. І м'язові, і немілеві міозини складаються з двох областей або глобулярних "головок", з'єднаних довгим спіральним альфа "хвостом".

Колаген

Третина загального вмісту білка в організмі людини представлена ​​колагеном. Це найпоширеніший білок у позаклітинному просторі і має відмінну характеристику структурний мотив, що складається з трьох паралельних ниток зі спіральною лівою конфігурацією, які з'єднуються, утворюючи потрійну спіраль за напрямком за годинниковою стрілкою.

Кератин

Кератини є групою білків, що утворюють філаменти, які продукуються деякими епітеліальними клітинами у хребетних. Вони є головним компонентом нігтів, волосся, кігтів, оболонки черепах, рогів і пір'я. Частина її фібрилярної структури утворена сегментами альфа-спіралі.

Гемоглобін

Кисень в крові транспортується гемоглобіном. Глобиновая частина цього тетрамерного білка складається з двох однакових альфа-спіралей з 141 залишків кожна, і двох бета-ланцюгів з 146 залишків кожна..

"Цинковий палець" типу білків

Еукаріотичні організми володіють великою кількістю білків цинкових пальців, які працюють у різних цілях: розпізнавання ДНК, упаковка РНК, транскрипційна активація, регуляція апоптозу, складання білків тощо. Багато білки цинкових пальців володіють альфа-спіралями як основний компонент їх структури, і вони є суттєвими для їх функції.

Список літератури

  1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, G.D. (1994). Правила припинення а-альфа-спіралі за допомогою гліцину. Наука, 264(5162), 1126-1130.
  2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Структурна основа схильності амінокислоти альфа-спіралі. Наука, 260(1), 1637-1640.
  3. Brennan, Р. G., & Matthews, B. W. (1989). Мотив зв'язування ДНК спіралі-повороту-спіралі. Журнал біологічної хімії, 264(4), 1903-1906.
  4. Айзенберг, Д. (2003). Відкриття структурних особливостей альфа-спіралі і бета-листа білків, головне. Pnas, 100(20), 11207-11210. Huggins, M. L. (1957). Будова альфа-кератину. Хімія, 43, 204-209.
  5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Структура міоглобіну. Природа, 185, 422-427.
  6. Laity, J.H., Lee, B.M., & Wright, P.E. (2001). Білки цинку пальця: нові уявлення про структурно-функціональну різноманітність. Актуальне думка в структурній біології, 11(1), 39-46.
  7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C.A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., ... Martin, K. (2003). Молекулярна клітинна біологія (5-е изд.). Freeman, W. H. & Company.
  8. Luckey, M. (2008). Структурна біологія мембран: з біохімічними та біофізичними основами. Cambridge University Press. Отримано з www.cambridge.org/9780521856553
  9. McKay, M.J., Afrose, F., Koeppe, R.E., & Greathouse, D.V. (2018). Формування спіралі та стабільність у мембранах. Biochimica et Biophysica Acta - Біомембрани, 1860(10), 2108-2117.
  10. Нельсон, Д. Л., & Кокс, М. М. (2009). Принципи біохімії Ленінгера. Видання Omega (5-е изд.).
  11. Pauling, L., Corey, R. B., & Branson, H. R. (1951). Структура білків: дві воднево-зв'язані спіральні конфігурації поліпептидного ланцюга. Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки, 37, 205-211.
  12. Perutz, М. F. (1978). Структура гемоглобіну та дихальний транспорт. Scientific American, 239(6), 92-125.
  13. Scholtz, J. М., & Baldwin, R. L. (1992). Механізм формування альфа-спіралі пептидами. Щорічний огляд біофізики та біомолекулярної структури, 21(1), 95-118.
  14. Плечі, М. D., & Raines, Р. Т. (2009). Структура і стабільність колагену. Щорічний огляд біохімії, 78(1), 929-958.
  15. Subramaniams, A., Jones, W.K., Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Тканеспецифічне регулювання промотору гена важкої ланцюга альфа-міозину в трансгенних мишах. Журнал біологічної хімії, 266(36), 24613-24620.
  16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, M.A. (2016). Кератин: Структура, механічні властивості, виникнення в біологічних організмах, зусилля в біоіспирації. Прогрес у матеріалознавстві. Elsevier Ltd.
  17. Warrick, H. M., & Spudich, J. a. (1987). Структура і функція міозину в рухливості клітин. Щорічний огляд клітинної біології, 3, 379-421.
  18. Zhang, S. Q., Kulp, D.W., Schramm, C.A., Mravic, M., Samish, I., & Degrado, W.F. (2015). Взаємозв'язок мембрани і розчинної білкової спіралі-спіралі: Подібна геометрія через різні взаємодії. Структура, 23(3), 527-541