АЛЬФА СПІРАЛЬ: БУДОВА ТА ФУНКЦІОНАЛЬНЕ ЗНАЧЕННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Альфа - спіраль є найпростішою вторинної структурою , що білок може приймати в просторі в відповідно до жорсткістю і свободою обертання зв'язків між його амінокислотними залишками.

Він характеризується спіралеподібною формою, в якій розташовані амінокислоти, які, здається, розташовані навколо уявної поздовжньої осі з R-групами, зверненими до її зовнішньої сторони.

Діаграма будови альфа-спіралі (Алехандро Порто, через Wikimedia Commons)

Альфа-спіралі були вперше описані в 1951 році Полінг та ін., Який використовував доступні дані про міжатомні відстані, кути зв’язку та інші структурні параметри пептидів та амінокислот для прогнозування найбільш ймовірних конфігурацій, які ланцюги могли припустити. поліпептиди.

Опис альфа-спіралі виникло в результаті пошуку всіх можливих структур пептидного ланцюга, які були стабілізовані водневими зв’язками, де залишки були стехіометрично еквівалентними, а конфігурація кожної з них була планарною, на що вказують дані резонанс пептидних зв'язків, які були доступні на сьогоднішній день.

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

Будова

Загалом, кожен виток альфа-спіралі має в середньому 3,6 амінокислотних залишків, що становить приблизно 5,4 Å в довжину. Однак кути повороту і довжина варіюються від білка до білка з суворою залежністю від послідовності амінокислот первинної структури.

Більшість альфа-спіралей мають поворот праворуч, але зараз відомо, що білки з альфа-спіралями з лівими поворотами можуть існувати. Умовою виникнення тієї чи іншої є те, що всі амінокислоти мають однакову конфігурацію (L або D), оскільки вони відповідають за напрям віджиму.

Стабілізація цих важливих для білкового світу структурних мотивів дається водневими зв’язками. Ці зв'язки відбуваються між атомом водню, приєднаним до електронегативного азоту пептидного зв’язку, та електронегативним атомом карбонового кисню амінокислоти на чотири положення далі, у N-кінцевій області щодо себе.

Кожен виток спіралі, у свою чергу, приєднується до наступного водневими зв’язками, які мають важливе значення для досягнення загальної стабільності молекули.

Не всі пептиди можуть утворювати стійкі альфа-спіралі. Це пояснюється внутрішньою здатністю кожної амінокислоти в ланцюзі утворювати спіралі, що безпосередньо пов'язане з хімічною та фізичною природою її R-заступників.

Наприклад, при певному pH багато полярних залишків можуть набувати однакового заряду, тому їх не можна послідовно розміщувати в спіралі, оскільки відштовхування між ними означало б велике спотворення в ньому.

Розмір, форма та положення амінокислот також є важливими детермінантами спіральної стабільності. Не йдучи далі, залишки, такі як Asn, Ser, Thr і Cys, розташовані близько в послідовності, також можуть негативно впливати на конфігурацію альфа-спіралі.

Таким же чином гідрофобність та гідрофільність альфа-спіральних сегментів у певному пептиді залежать виключно від ідентичності R груп амінокислот.

В цілісних мембранних білках альфа-спіралі рясніють залишками сильного гідрофобного характеру, строго необхідними для вставки та конфігурації сегментів між аполярними хвостами складових фосфоліпідів.

З іншого боку, розчинні білки мають альфа-спіралі, багаті полярними залишками, що робить можливим кращу взаємодію з водним середовищем, присутнього в цитоплазмі або в інтерстиціальних просторах.

Функціональне значення

Мотиви альфа-спіралі мають широкий спектр біологічних функцій. Конкретні структури взаємодії між спіралями відіграють вирішальну роль у функціонуванні, складанні та олігомеризації як мембранних білків, так і розчинних білків.

Ці домени присутні у багатьох факторах транскрипції, важливих з точки зору регуляції експресії генів. Вони також присутні у білках, що мають структурну значимість, і в мембранних білках, які мають транспортну та / або функцію передачі сигналів різного роду.

Ось кілька класичних прикладів білків з альфа-спіралями:

Міозин

Міозин - активована актином АТФаза, яка відповідає за скорочення м'язів і різноманітні форми рухливості клітин. І м'язові, і немускульні міозини складаються з двох кулеподібних областей або "голів", пов'язаних між собою довгим альфа-спіральним "хвостом".

Колаген

Третина загального вмісту білка в організмі людини представлена ​​колагеном. Це найпоширеніший білок у позаклітинному просторі, його відмітною особливістю є структурний мотив, складений із трьох паралельних ниток з ліво-спіральною конфігурацією, які з'єднуються та утворюють потрійну спіраль дескротаторного сенсу.

Кератин

Кератини - це група ниток, що утворюють нитки, які виробляються деякими епітеліальними клітинами у хребетних. Вони є основною складовою нігтів, волосся, кігтів, шкаралупи черепах, рогів і пір’я. Частина його фібрилярної структури складається з альфа-спіральних сегментів.

Кератинове структурування (Mlpatton, від Wikimedia Commons)

Гемоглобін

Кисень у крові здійснюється гемоглобіном. Глобінова частина цього тетрамерного білка складається з двох однакових альфа-спіралей із 141 залишку кожен та двох бета-ланцюгів із 146 залишків у кожній.

Білки типу "цинковий палець"

Еукаріотичні організми мають велике багатство цинкових пальцеподібних білків, які функціонують для різних цілей: розпізнавання ДНК, упаковка РНК, активація транскрипції, регуляція апоптозу, складання білка тощо. Багато білків цинкового пальця мають альфа-спіралі як основний компонент їхньої структури і які мають важливе значення для їх функції.

Список літератури

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Правила припинення альфа-спіралі гліцином. Наука, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Структурна основа схильності спіралі до амінокислот. Наука, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). Мотив зв'язування ДНК-спіраль-поворот-спіраль. Журнал біологічної хімії, 264 (4), 1903-1906.
4. Ейзенберг, Д. (2003). Виявлення структурних особливостей білків альфа-спіралі та бета-листа, головне. Пнас, 100 (20), 11207-11210. Х'юггінс, ML (1957). Будова альфа-кератину. Хімія, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Будова міоглобіну. Природа, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Білки цинкового пальця: нові уявлення про структурну та функціональну різноманітність. Сучасна думка з структурної біології, 11 (1), 39–46.
7. Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Бретчер, А., Плое, Х., … Мартін, К. (2003). Молекулярна клітинна біологія (5-е видання). Фрімен, WH & Company.
8. Люккей, М. (2008). Мембранна структурна біологія: з біохімічними та біофізичними основами. Cambridge University Press. Отримано з www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Формування спіралі та стабільність у мембранах. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи біохімії Ленінгера. Видання «Омега» (5-е видання).
11. Полінг, Л., Корі, РБ та Бренсон, HR (1951). Структура білків: дві спіральні конфігурації поліпептидного ланцюга, пов'язані з воднем. Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки, 37, 205–211.
12. Перуц, М. Ф. (1978). Будова гемоглобіну та дихальний транспорт. Науковий американський, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Механізм утворення альфа-спіралі пептидами. Щорічний огляд біофізики та біомолекулярної структури, 21 (1), 95–118.
14. Плечі, доктор медицини, & Raines, RT (2009). Структура та стійкість колагену Щорічний огляд біохімії, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Типово-тканинне регулювання промотору гена важкої ланцюга альфа-міозину у трансгенних мишей. Журнал біологічної хімії, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Кератин: Будова, механічні властивості, поява в біологічних організмах та зусилля щодо біоінспірації. Прогрес у матеріалознавстві. ТОВ Elsevier
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Будова та функції міозину в рухливості клітин. Щорічний огляд клітинної біології, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Інтерактом спіралі-спіраль мембрани та розчинного білка: подібна геометрія за допомогою різних взаємодій. Структура, 23 (3), 527–541