Альфа-спираль

редактировать
Тип вторичной структуры белков Трехмерная структура альфа-спирали в белке крамбине

альфа-спираль (α-спираль ) является распространенным мотивом во вторичной структуре белков и является правая - спираль конформация, в которой каждая основная цепь N-H группа водородная связь с основной цепью C = O группа аминокислоты, расположенной на три или четыре остатка ранее вдоль белковой последовательности.

Альфа-спираль также называется классической α-спиралью Полинга – Кори – Брэнсона . Название 3,6 13 -спираль также используется для этого типа спирали, обозначающее среднее количество остатков на виток спирали, при этом 13 атомов входят в кольцо, образованное водородной связью..

Среди типов локальной структуры в белках α-спираль является наиболее экстремальной и наиболее предсказуемой по последовательности, а также наиболее распространенной.

Изображение выше содержит интерактивные ссылки Интерактивная диаграмма водородных связей во вторичной структуре белка. Рисунок вверху, атомы внизу с азотом синего цвета, кислород - красным (PDB : 1AXC ​)

Содержание

  • 1 Discovery
  • 2 Структура
    • 2.1 Геометрия и водородные связи
    • 2.2 Стабильность
  • 3 Экспериментальное определение
  • 4 Аминокислотные склонности
    • 4.1 Таблица стандартных альфа-спиральных свойств аминокислот
  • 5 Дипольный момент
  • 6 Спиральные спирали
  • 7 Расположение лица
  • 8 Сборки большего размера
  • 9 Функциональные роли
    • 9.1 Связывание ДНК
    • 9.2 Мембранный охват
    • 9.3 Механические свойства
  • 10 Динамические характеристики
  • 11 Переход спираль-спираль
  • 12 In art
  • 13 См. также
  • 14 Ссылки
  • 15 Дополнительная литература
  • 16 Внешние ссылки

Discovery

Вид сбоку α-спирали остатков аланина в деталь атома. Две водородные связи для одной и той же пептидной группы выделены пурпурным цветом; расстояние между H и O составляет около 2 Å (0,20 нм). Цепь белка здесь проходит вверх, то есть его N-конец находится внизу, а его C-конец - вверху. Обратите внимание, что t боковые цепи (черные отрезки) слегка наклонены вниз, к N-концу, в то время как атомы кислорода пептида (красный) указывают вверх, а пептид NH (синий с серыми отрезками) указывают вниз. Вид сверху той же спирали, показанной выше. Четыре карбонильные группы направлены вверх в сторону зрителя, разнесенные по кругу примерно на 100 ° друг от друга, что соответствует 3,6 аминокислотным остаткам на один виток спирали.

В начале 1930-е годы Уильям Эстбери показал, что при значительном растяжении наблюдаются резкие изменения в дифракции рентгеновского излучения волокна влажной шерсти или волосяных волокон. Данные свидетельствуют о том, что нерастянутые волокна имели спиральную молекулярную структуру с характерным повторением ≈5,1 Ангстремов (0,51 нанометров ).

Первоначально Эстбери предложила для волокон структуру изогнутой цепи. Позже он присоединился к другим исследователям (в частности, к американскому химику Морису Хаггинсу ), которые предположили, что:

  • нерастянутые белковые молекулы образуют спираль (которую он назвал α-формой)
  • растяжение заставил спираль раскручиваться, образуя расширенное состояние (которое он назвал β-формой).

Хотя модели этих форм некорректны, модели этих форм, предложенные Эстбери, были правильными по существу и соответствовали современным элементам вторичной структуры, α-спираль и β-цепь (номенклатура Астбери была сохранена), которые были разработаны Линусом Полингом, Робертом Кори и Герман Брэнсон в 1951 году (см. Ниже); в этой статье показаны как правые, так и левые спирали, хотя в 1960 году кристаллическая структура миоглобина показала, что правая форма является наиболее распространенной. Ганс Нейрат был первым, кто показал, что модели Астбери не могут быть точными в деталях, потому что они включают столкновения атомов. Статья Нейрата и данные Эстбери вдохновили Х. С. Тейлор, Морис Хаггинс и Брэгг и сотрудники предложили модели кератина, которые чем-то напоминают современную α-спираль.

Двумя ключевыми достижениями в моделировании современной α-спирали были: правильная геометрия связи благодаря определениям кристаллической структуры аминокислот и пептиды и предсказание Полинга плоских пептидных связей ; и его отказ от предположения о целом числе остатков на один виток спирали. Переломный момент наступил ранней весной 1948 года, когда Полинг простудился и лег спать. Заскучав, он нарисовал на полоске бумаги полипептидную цепь примерно правильных размеров и сложил ее в спираль, стараясь сохранить плоские пептидные связи. После нескольких попыток он создал модель с физически вероятными водородными связями. Затем Полинг работал с Кори и Брэнсоном, чтобы подтвердить свою модель перед публикацией. В 1954 году Полинг был удостоен своей первой Нобелевской премии «за исследования природы химической связи и ее применения для выяснения структуры сложных веществ» (таких как белки), в том числе структуры α-спирали.

Структура

Геометрия и водородная связь

Аминокислоты в α-спирали расположены в правой спиральной структуре, где каждая аминокислота остаток соответствует повороту спирали на 100 ° (т. е. спираль имеет 3,6 остатка на оборот) и перемещению 1,5 Å (0,15 нм) вдоль оси спирали. Дуниц описывает, как первая статья Полинга по этой теме на самом деле показывает левостороннюю спираль, энантиомер истинной структуры. Короткие кусочки левой спирали иногда встречаются с большим содержанием ахиральных глицин аминокислот, но неблагоприятны для других нормальных, биологических L-аминокислот. Шаг альфа-спирали (расстояние по вертикали между последовательными витками спирали) составляет 5,4 Å (0,54 нм), что является произведением 1,5 и 3,6. Наиболее важно то, что группа N-H аминокислоты образует водородную связь с группой C = O аминокислоты на четыре остатка ранее; эта повторяющаяся водородная связь i + 4 → i является наиболее заметной характеристикой α-спирали. Официальная международная номенклатура определяет два способа определения α-спиралей: правило 6.2 с точки зрения повторяющихся углов скручивания φ, ψ (см. Ниже) и правило 6.3 с точки зрения комбинированного образца шага и водородных связей. Α-спирали можно идентифицировать в структуре белка с помощью нескольких вычислительных методов, одним из которых является DSSP (Определить вторичную структуру белка).

Контраст концевых изображений спиралей между α (квадратное смещение) vs 3 10 (треугольник)

Подобные структуры включают в себя 310спираль (i + 3 → i водородная связь) и π-спираль (i + 5 → i водородная связь). Α-спираль может быть описана как спираль 3,6 13, поскольку расстояние i + 4 добавляет три атома к H-связанной петле по сравнению с более плотной спиралью 3 10, и в среднем в одно кольцо α-спирали вовлечено 3,6 аминокислоты. Нижние индексы относятся к числу атомов (включая водород) в замкнутом контуре, образованном водородной связью.

График Рамачандрана (график φ, ψ) с точками данных для α-спиральных остатков, образующих плотную диагональ. кластер ниже и слева от центра, вокруг глобального энергетического минимума для конформации основной цепи.

Остатки в α-спиралях обычно имеют двугранные углы (φ, ψ) около (-60 °, -45 °), как показано на изображении справа. В более общем виде они принимают двугранные углы, так что двугранный угол ψ одного остатка и двугранный угол φ следующего остатка в сумме составляют примерно -105 °. Как следствие, α-спиральные двугранные углы, как правило, попадают на диагональную полосу на диаграмме Рамачандрана (с наклоном -1) в диапазоне от (-90 °, -15 °) до (-35 °, −70 °). Для сравнения, сумма двугранных углов для спирали 3 10 составляет примерно -75 °, тогда как для π-спирали примерно -130 °. Общая формула для угла поворота Ω на остаток любой полипептидной спирали с транс-изомерами задается уравнением

3 cos Ω = 1 - 4 cos φ + ψ / 2

α-спираль плотно упакована; внутри спирали почти нет свободного места. Боковые цепи аминокислот находятся на внешней стороне спирали и направлены примерно «вниз» (то есть к N-концу), как ветви вечнозеленого дерева (эффект рождественской елки ). Эта направленность иногда используется в предварительных картах электронной плотности с низким разрешением для определения направления белкового остова.

Стабильность

Спирали, наблюдаемые в белках, могут иметь длину от четырех до более чем сорока остатков., но типичная спираль содержит около десяти аминокислот (около трех витков). Как правило, короткие полипептиды не демонстрируют значительной α-спиральной структуры в растворе, поскольку энтропийные затраты, связанные со складыванием полипептидной цепи, не компенсируются достаточным количеством стабилизирующих взаимодействия. В общем, основная цепь водородных связей α-спиралей считается немного более слабой, чем те, которые обнаруживаются в β-листах, и легко разрушаются молекулами окружающей воды. Однако в более гидрофобных средах, таких как плазматическая мембрана, или в присутствии сорастворителей, таких как трифторэтанол (TFE), или выделенных из растворителя в газовой фазе, олигопептиды легко принять стабильную α-спиральную структуру. Кроме того, в пептиды могут быть включены поперечные связи для конформационной стабилизации спиральных складок. Сшивки стабилизируют спиральное состояние, энтропийно дестабилизируя развернутое состояние и удаляя энтальпийно стабилизированные «ложные» складки, которые конкурируют с полностью спиральным состоянием. Было показано, что α-спирали более стабильны, устойчивы к мутациям и поддаются конструированию, чем β-цепи в природных белках, а также в искусственно созданных белках.

α-спирали в контурах электронной плотности сверхвысокого разрешения с атомами кислорода красным цветом, атомы азота синим, а водородные связи - зелеными пунктирными линиями (файл PDB 2NRL, 17-32). Здесь N-конец находится вверху.

Экспериментальное определение

Поскольку α-спираль определяется ее водородными связями и конформацией основной цепи, наиболее подробные экспериментальные доказательства α-спиральной структуры получены из атомной -разрешение Рентгеновская кристаллография, как в примере, показанном справа. Ясно, что все карбонильные атомы кислорода основной цепи направлены вниз (к С-концу), но слегка расширяются, а Н-связи приблизительно параллельны оси спирали. Белковые структуры из ЯМР-спектроскопии также хорошо демонстрируют спирали с характерными наблюдениями ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) связей между атомами на соседних витках спирали. В некоторых случаях отдельные водородные связи можно наблюдать непосредственно как небольшую скалярную связь в ЯМР.

Существует несколько методов с низким разрешением для задания общей спиральной структуры. ЯМР химические сдвиги (в частности, C, C и C ') и остаточные диполярные связи часто характерны для спиралей. Спектр спиралей в дальнем УФ (170–250 нм) круговом дихроизме также является идиосинкразическим, демонстрируя ярко выраженный двойной минимум в области 208 и 222 нм. Инфракрасная спектроскопия используется редко, поскольку α-спиральный спектр напоминает спектр случайной катушки (хотя это можно различить, например, обменом водород-дейтерий ). Наконец, крио электронная микроскопия теперь способна различать отдельные α-спирали в белке, хотя их отнесение к остаткам все еще является активной областью исследований.

Длинные гомополимеры аминокислот, если они растворимы, часто образуют спирали. Такие длинные изолированные спирали также можно обнаружить другими способами, такими как диэлектрическая релаксация, двулучепреломление потока и измерения постоянной диффузии. Если говорить более строго, эти методы обнаруживают только характерную вытянутую (длинную сигару) гидродинамическую форму спирали или ее большой дипольный момент.

Аминокислотные склонности

Различные аминокислотные последовательности имеют разную склонность к образованию α-спиральной структуры. метионин, аланин, лейцин, глутамат и лизин незаряженные («МАЛЕК» в аминокислоты однобуквенные коды) все имеют особенно высокую склонность к образованию спиралей, тогда как пролин и глицин имеют плохую склонность к образованию спиралей. Пролин либо разрывает, либо изгибает спираль, потому что она не может отдавать амидную водородную связь (не имеющую амидного водорода), а также потому, что ее боковая цепь стерически мешает основной цепи предыдущего витка - внутри спирали это вынуждает изгиб около 30 ° оси спирали. Однако пролин часто рассматривается как первый остаток спирали, что предполагается из-за его структурной жесткости. С другой стороны, глицин также имеет тенденцию разрушать спирали, потому что его высокая конформационная гибкость делает энтропийно дорогостоящим принятие относительно ограниченной α-спиральной структуры.

Таблица стандартных альфа-спиральных склонностей аминокислот

Расчетные различия в свободной энергии, Δ (ΔG), рассчитанные в ккал / моль на остаток в α-спиральной конфигурации относительно аланина, произвольно установленный равным нулю. Более высокие числа (более положительные свободные энергии) менее предпочтительны. Возможны значительные отклонения от этих средних чисел в зависимости от идентичности соседних остатков.

Разница в свободной энергии на остаток
Аминокислота3-. буква1-. букваСпиральный штраф
ккал / моль кДж / моль
Аланин AlaA0,000,00
Аргинин ArgR0,210,88
Аспарагин AsnN0,652,72
Аспарагиновая кислота AspD0,692,89
Цистеин CysC0,682,85
Глутаминовая кислота GluE0,401,67
Глютамин GlnQ0,391,63
Глицин GlyG1,004,18
Гистидин HisH0,612,55
Изолейцин IleI0,411,72
лейцин LeuL0,210,88
Лизин ЛизK0,261,09
Метионин МетM0,241,00
Фенилаланин PheF0,542,26
Пролин ProP3,1613,22
Серин SerS0,502,09
Треонин ThrT0,662,76
Триптофан TrpW0,492,05
Тирозин Ty rY0,532,22
Валин ValV0,612,55

Дипольный момент

Спираль имеет общую дипольный момент из-за совокупного эффекта отдельных микродиполей из карбонильных групп пептидной связи, указывающих вдоль оси спирали. Эффекты этого макродиполя вызывают некоторые разногласия. α-спирали часто встречаются с N-концом, связанным с отрицательно заряженной группой, иногда с боковой цепью аминокислоты, такой как глутамат или аспартат, или иногда фосфат-ион. Некоторые считают, что спиральный макродиполь электростатически взаимодействует с такими группами. Другие считают, что это заблуждение, и более реалистично сказать, что потенциал водородной связи свободных NH-групп на N-конце α-спирали может быть удовлетворен за счет водородной связи; это также можно рассматривать как набор взаимодействий между локальными микродиполями, такими как C = O ··· H − N.

Coiled-coil

Coiled-coil α-спирали являются высокостабильными формами, в которых две или несколько спиралей наматываются друг на друга в виде «суперспиральной» структуры. Спиральные спирали содержат очень характерный мотив последовательности, известный как гептадный повтор, в котором мотив повторяется через каждые семь остатков вдоль последовательности. (аминокислотные остатки, а не пары оснований ДНК). Первый и особенно четвертый остатки (известные как положения a и d) почти всегда гидрофобны ; четвертый остаток обычно представляет собой лейцин - это дает начало названию структурного мотива, называемого лейциновой застежкой, который является типом спиральной спирали. Эти гидрофобные остатки собираются вместе внутри спирального пучка. В общем, пятый и седьмой остатки (положения e и g) имеют противоположные заряды и образуют солевой мостик, стабилизированный электростатическими взаимодействиями. Волокнистые белки, такие как кератин или «стебли» миозина или кинезина, часто имеют структуру спиральной спирали, как и некоторые димеризация белков. Пара спиральных спиралей - пучок из четырех спиралей - очень распространенный структурный мотив в белках. Например, он встречается в человеческом гормоне роста и нескольких разновидностях цитохрома. Белок Rop, который способствует репликации плазмиды в бактериях, представляет собой интересный случай, когда один полипептид образует спиральную спираль, а два мономера собираются, чтобы сформировать пучок из четырех спиралей.

Расположение на лице

Аминокислоты, составляющие конкретную спираль, могут быть нанесены на спиральное колесо, представление, которое иллюстрирует ориентацию составляющих аминокислот (см. артикул для лейциновой молнии для такой схемы). Часто в глобулярных белках, а также в специализированных структурах, таких как спиральные спирали и лейциновые молнии, α-спираль будет иметь две «грани» - одна, содержащая преимущественно гидрофобные аминокислоты, ориентированные внутрь белка, в гидрофобном ядре, и одна, содержащая преимущественно полярные аминокислоты, ориентированные на открытую для растворителя поверхность белка.

Изменения ориентации связывания также происходят для олигопептидов с лицевой структурой. Этот паттерн особенно характерен для антимикробных пептидов, и было разработано множество моделей, чтобы описать, как это связано с их функцией. Общим для многих из них является то, что гидрофобная сторона антимикробного пептида образует поры в плазматической мембране после связывания с жировыми цепями в ядре мембраны.

Сборки большего размера

Гемоглобин состоит из четырех гем-связывающих субъединиц, каждая из которых состоит в основном из α-спиралей.

миоглобин и гемоглобин, первые два белка, структуры которых были определены с помощью рентгеновской кристаллографии, имеют очень похожие складки, состоящие примерно на 70% из α-спирали, а остальные представляют собой неповторяющиеся области или «петли», соединяющие спирали. При классификации белков по их доминантной складке база данных Структурная классификация белков поддерживает большую категорию специально для белков всех альфа.

Гемоглобин тогда имеет еще более крупномасштабную четвертичную структуру, в которой функциональная молекула, связывающая кислород, состоит из четырех субъединиц.

Функциональные роли

Спирали с лейциновой застежкой-спиралью и ДНК-связывающие спирали : фактор транскрипции Макс (PDB файл 1HLO) Бычий родопсин (PDB файл 1GZM) с пучком из семи спиралей, пересекающих мембрану (поверхности мембраны отмечены горизонтальными линиями)

Связывание ДНК

α-Спирали имеют особое значение в ДНК связывающих мотивах, включая мотивы спираль-поворот-спираль, мотивы лейциновой застежки и мотивы цинкового пальца. Это связано с тем удобным структурным фактом, что диаметр α-спирали составляет около 12 Å (1,2 нм), включая средний набор боковых цепей, примерно такой же, как ширина большой бороздки в B-форме ДНК, а также потому, что димеры спиралей coiled-coil (или лейциновая застежка-молния) могут легко позиционировать пару поверхностей взаимодействия, чтобы контактировать с симметричным повторением, обычным в двойной спирали ДНК. Примером обоих аспектов является фактор транскрипции Макс (см. Изображение слева), который использует спиральную спиральную катушку для димеризации, позиционируя другую пару спиралей для взаимодействия в двух последовательных витках большой бороздки ДНК.

Перекрывающие мембраны

α-Спирали также являются наиболее распространенным элементом структуры белка, который пересекает биологические мембраны (трансмембранный белок ). Предполагается, что спиральная структура может удовлетворить все водородные связи основной цепи внутри, не оставляя полярных групп, открытых для мембраны, если боковые цепи гидрофобны. Белки иногда закрепляются одной спиралью, проходящей через мембрану, иногда парой, а иногда и пучком спиралей, чаще всего состоящим из семи спиралей, расположенных вверх и вниз по кольцу, например, для родопсинов ( см. изображение справа) или для рецепторов, связанных с G-белком (GPCR).

Механические свойства

α-Спирали при осевой деформации растяжения, характерное условие нагружения, которое проявляется во многих богатых альфа-спиралями филаментах и ​​тканях, приводит к характерному трехфазному поведению жестких мягко-жесткий касательный модуль. Фаза I соответствует режиму малых деформаций, во время которого спираль однородно растягивается, за ней следует фаза II, в которой альфа-спиральные витки разрываются за счет разрыва групп Н-связей. Фаза III обычно связана с растяжением ковалентной связи с большой деформацией.

Динамические особенности

Альфа-спирали в белках могут иметь аккордеоноподобное движение, что наблюдается с помощью рамановской спектроскопии и анализируется с помощью модели квазиконтинуума. Спирали, не стабилизированные третичными взаимодействиями, демонстрируют динамическое поведение, которое в основном может быть связано с истиранием спирали с концов.

Переход спираль – клубок

Гомополимеры аминокислот (например, полилизин ) может принимать α-спиральную структуру при низкой температуре, которая «плавится» при высоких температурах. Этот переход спираль-клубок когда-то считался аналогом денатурации белка . Статистическая механика этого перехода может быть смоделирована с использованием элегантного метода матрицы передачи, который характеризуется двумя параметрами: склонностью к возникновению спирали и склонностью к расширению спирали.

В арте

Альфа-спираль Джулиана Фосс-Андреэ для Лайнуса Полинга (2004), сталь с порошковым покрытием, высота 10 футов (3 м). Скульптура стоит перед домом, где прошло детство Полинга на 3945 SE Hawthorne Boulevard в Портленде, штат Орегон, США.

По крайней мере пять художников явно упомянули α-спираль в их работы: Джули Ньюдолл в живописи и Джулиан Фосс-Андреэ, Батшеба Гроссман, Байрон Рубин и Майк Тайка в скульптуре.

Художница из Сан-Франциско Джули Ньюдолл, имеющая ученую степень в области микробиологии с небольшим художественным уклоном, с 1990 года специализируется на картинах, вдохновленных микроскопическими изображениями и молекулами. изображает человеческие фигуры, расположенные по спирали. По словам художника, «цветы отражают различные типы боковых цепей, которые каждая аминокислота передает миру». Эта же метафора повторяется и со стороны ученого: «β-листы не показывают жесткой повторяющейся регулярности, но текут в изящных извилистых кривых, и даже α-спираль имеет правильную форму, больше похожую на стебель цветка, узлы ветвления которого показывают влияние окружающей среды, истории развития и эволюции каждой части, чтобы соответствовать ее собственной идиосинкразической функции. "

Юлиан Фосс-Андреэ - скульптор немецкого происхождения, имеющий ученые степени в области экспериментальной физики и скульптуры. С 2001 года Восс-Андреэ создает «белковые скульптуры» на основе структуры белка, причем α-спираль является одним из его любимых объектов. Фосс-Андреа создал скульптуры α-спирали из различных материалов, включая бамбук и целые деревья. Памятник Восс-Андреэ, созданный в 2004 году в память о Линусе Полинге, первооткрывателе α-спирали, сделан из большой стальной балки, преобразованной в структуру α-спирали. Ярко-красная скульптура высотой 10 футов (3 м) стоит перед домом, где прошло детство Полинга, в Портленде, штат Орегон.

Ленточные диаграммы α-спиралей являются заметным элементом гравированного лазером хрустальные скульптуры белковых структур, созданные художником Батшебой Гроссман, например, из инсулина, гемоглобина и ДНК-полимеразы. Байрон Рубин - бывший кристаллограф белков, а теперь профессиональный скульптор в области металлов, белков, нуклеиновых кислот и молекул лекарств, многие из которых имеют α-спирали, такие как субтилизин, гормон роста человека, и фосфолипаза A2.

Майк Тайка - вычислительный биохимик из Вашингтонского университета, работающий с Дэвидом Бейкером. Tyka с 2010 года создает скульптуры белковых молекул из меди и стали, включая убиквитин и калиевый канал тетрамер.

См. Также

Список литературы

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-11 02:05:25
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте