Структура альфа-спирали и функциональное значение



альфа спираль является самой простой вторичной структурой, которую белок может принять в пространстве в соответствии с жесткостью и свободой вращения связей между его аминокислотными остатками.

Он характеризуется спиральной формой, в которой расположены аминокислоты, которые, по-видимому, располагаются вокруг воображаемой продольной оси с группами R снаружи этого.

Альфа-спирали были впервые описаны в 1951 году Полингом и его коллегами, которые использовали имеющиеся данные о межатомных расстояниях, углах связи и других структурных параметрах пептидов и аминокислот, чтобы предсказать наиболее вероятные конфигурации, которые могут принять цепи. полипептид.

Описание альфа-спирали возникло в результате поиска всех возможных структур в пептидной цепи, которые были стабилизированы водородными связями, где остатки были стехиометрически эквивалентными, а конфигурация каждого была плоской, как показывают данные из резонанс пептидных связей, которые были доступны на сегодняшний день.

Эта вторичная структура является наиболее распространенной среди белков, и ее принимают как растворимые, так и интегральные мембранные белки. Считается, что более 60% белков существуют в форме альфа-спирали или бета-листа.

индекс

  • 1 структура
  • 2 Функциональное значение
    • 2.1 Миосин
    • 2.2 коллаген
    • 2.3 Кератин
    • 2,4 гемоглобина
    • 2.5 Белки типа "цинковые пальцы"
  • 3 Ссылки

структура

Как правило, каждый виток альфа-спирали имеет в среднем 3,6 аминокислотных остатка, что примерно эквивалентно 5,4 Å в длину. Однако углы и длины вращения варьируются от одного белка к другому со строгой зависимостью от аминокислотной последовательности первичной структуры.

Большинство альфа-спиралей имеют правосторонний поворот, но в настоящее время известно, что белки с альфа-спиралями могут существовать с левосторонним поворотом. Условие для того или иного условия состоит в том, что все аминокислоты находятся в одной и той же конфигурации (L или D), поскольку они отвечают за направление поворота..

Стабилизация этих важных структурных причин для мира белка дается водородными связями. Эти связи возникают между атомом водорода, присоединенным к электроотрицательному азоту пептидной связи, и электроотрицательным атомом карбонового кислорода аминокислоты четырьмя положениями позже, в N-концевой области по отношению к себе.

Каждый виток спирали, в свою очередь, связан с последующим водородными связями, которые имеют основополагающее значение для достижения общей стабильности молекулы.

Не все пептиды могут образовывать стабильные альфа-спирали. Это определяется внутренней способностью каждой аминокислоты в цепи образовывать спирали, что напрямую связано с химической и физической природой ее заместителей R групп..

Например, при определенном значении рН многие полярные остатки могут приобретать один и тот же заряд, поэтому они не могут быть расположены последовательно в спирали, поскольку отталкивание между ними может привести к значительным искажениям в нем..

Размер, форма и положение аминокислот также являются важными детерминантами спиральной стабильности. Если не идти дальше, такие остатки, как Asn, Ser, Thr и Cys, расположенные в непосредственной близости в последовательности, также могут оказывать негативное влияние на конфигурацию альфа-спирали.

Таким же образом, гидрофобность и гидрофильность альфа-спиральных сегментов в данном пептиде зависят исключительно от идентичности групп R аминокислот.

В составных мембранных белках имеются обильные альфа-спирали с остатками сильного гидрофобного характера, которые строго необходимы для вставки и конфигурации сегментов между аполярными хвостами составляющих фосфолипидов..

Растворимые белки, напротив, имеют альфа-спирали, богатые полярными остатками, которые делают возможным лучшее взаимодействие с водной средой, присутствующей в цитоплазме или интерстициальных пространствах.

Функциональное значение

Мотивы альфа-спирали имеют широкий спектр биологических функций. Конкретные паттерны взаимодействия между спиралями играют критическую роль в функции, сборке и олигомеризации как мембранных белков, так и растворимых белков..

Эти домены присутствуют во многих транскрипционных факторах, важных с точки зрения регуляции экспрессии генов. Они также присутствуют в белках, имеющих структурную значимость, 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. И мышечные, и немышечные миозины состоят из двух областей или шаровых «головок», связанных друг с другом длинным спиральным альфа-хвостом.

коллаген

Одна треть общего содержания белка в организме человека представлена ​​коллагеном. Он является наиболее распространенным белком во внеклеточном пространстве и имеет в качестве отличительной характеристики структурный мотив, состоящий из трех параллельных нитей со спиральной левой конфигурацией, которые соединяются вместе, образуя тройную спираль с направлением по часовой стрелке.

кератин

Кератины представляют собой группу нитевидных белков, которые вырабатываются некоторыми эпителиальными клетками у позвоночных. Они являются основным компонентом ногтей, волос, когтей, панциря черепах, рогов и перьев. Часть его фибриллярной структуры образована альфа-спиральными сегментами.

гемоглобин

Кислород в крови транспортируется гемоглобином. Глобиновая часть этого тетрамерного белка состоит из двух идентичных альфа-спиралей по 141 остаток в каждой и двух бета-цепочек по 146 остатков в каждой..

Белки типа "цинковый палец"

Эукариотические организмы обладают множеством белков цинкового пальца, которые работают для разных целей: распознавания ДНК, упаковки РНК, активации транскрипции, регуляции апоптоза, сворачивания белка и т. Д. Многие белки цинковых пальцев обладают альфа-спиралями как основным компонентом их структуры, и они необходимы для их функционирования.

ссылки

  1. Аврора Р., Сринивасан Р. и Роуз Г.Д. (1994). Правила прекращения действия альфа-спирали с помощью глицина. наука, 264(5162), 1126-1130.
  2. Blaber M., Zhang X. и Matthews B. (1993). Структурная основа склонности альфа-спирали аминокислоты. наука, 260(1), 1637-1640.
  3. Brennan R.G. & Matthews B.W. (1989). ДНК-связывающий мотив спираль-поворот-спираль. Журнал биологической химии, 264(4), 1903-1906.
  4. Айзенберг Д. (2003). Открытие структурных особенностей белков альфа-спирали и бета-листа, основной. PNAS, 100(20), 11207-11210. Хаггинс, М. Л. (1957). Структура альфа-кератина. химия, 43, 204-209.
  5. Клемент В., Вилленс Р. и Дювез П. (1960). Структура миоглобина. природа, 185, 422-427.
  6. Laity, J. H., Lee, B.M., & Wright, P.E. (2001). Белки цинкового пальца: новое понимание структурного и функционального разнообразия. Современное мнение в структурной биологии, 11(1), 39-46.
  7. Лодиш Х., Берк А., Кайзер С.А., Кригер М., Бретчер А., Плое Х., ... Мартин К. (2003). Молекулярно-клеточная биология (5-е изд.). Фримен, В. Х. & Компания.
  8. Лаки М. (2008). Мембранная структурная биология: с биохимическими и биофизическими основаниями. Издательство Кембриджского университета. Получено с www.cambridge.org/9780521856553
  9. McKay, M.J., Afrose, F., Koeppe, R.E. & Greathouse, D.V. (2018). Формирование спирали и стабильность в мембранах. Биохимика и Биофизика Акта - Биомембраны, 1860(10), 2108-2117.
  10. Нельсон Д.Л. и Кокс М.М. (2009). Lehninger Принципы биохимии. Омега издания (5-е изд.).
  11. Полинг, Л., Кори, Р. Б. и Брэнсон, Х. Р. (1951). Структура белков: две водородно-связанные спиральные конфигурации полипептидной цепи. Слушания Национальной Академии Наук Соединенных Штатов Америки, 37, 205-211.
  12. Perutz, M.F. (1978). Структура гемоглобина и дыхательный транспорт. Ученый американец, 239(6), 92-125.
  13. Scholtz, J.M. & Baldwin, R.L. (1992). Механизм образования альфа-спирали пептидами. Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры, 21(1), 95-118.
  14. Shoulders, M.D. & Raines, R.T. (2009). Коллагеновая структура и стабильность. Ежегодный обзор биохимии, 78(1), 929-958.
  15. Subramaniams, A., Jones, W.K., Gulick, J. & Neumannli, J. (1991). Тканеспецифичная регуляция промотора гена тяжелой цепи альфа-миозина у трансгенных мышей. Журнал биологической химии, 266(36), 24613-24620.
  16. Wang, B., Yang, W., McKittrick J., & Meyers, M.A. (2016). Кератин: структура, механические свойства, встречаемость в биологических организмах и усилия по биоинспирации. Прогресс в материаловедении. Elsevier Ltd.
  17. Warrick, H.M. & Spudich, J.a. (1987). Структура и функция миозина в подвижности клеток. Ежегодный обзор клеточной биологии, 3, 379-421.
  18. Zhang, S. Q., Kulp, D.W., Schramm, C.A., Mravic, M., Samish, I., & Degrado, W.F. (2015). Interaomeome мембранной и растворимого белка спираль-спираль: похожая геометрия через различные взаимодействия. структура, 23(3), 527-541