ALFA-KIERRE: RAKENNE JA TOIMINNALLINEN MERKITYS - BIOLOGIA - 2026

Alfakierteessä on yksinkertaisin sekundaarirakenne, joka proteiini voi hyväksyä avaruudessa mukaan jäykkyyden ja vapaan pyörimisen välisten sidosten sen aminohappotähdettä.

Sille on tunnusomaista, että aminohapot on järjestetty spiraalimuodossa, joka näyttää olevan järjestetty kuvitteellisen pitkittäisakselin ympäri R-ryhmien ollessa sen ulkopuolella.

Kaavio alfa-heeliksin rakenteesta (Alejandro Porto, Wikimedia Commonsin kautta)

Alfa-heliksiä kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 1951 Pauling et al., Joka käytti saatavissa olevia tietoja peptidien ja aminohappojen interatomisista etäisyyksistä, sidoskulmista ja muista rakenteellisista parametreista ennakoidakseen todennäköisimmät konfiguraatiot, jotka ketjut voisivat olettaa. polypeptidejä.

Alfa-heeliksin kuvaus syntyi etsittäessä kaikkia peptidiketjun mahdollisia rakenteita, jotka oli stabiloitu vety sidoksilla, joissa tähteet olivat stökiömetrisesti ekvivalentteja ja kunkin konfiguraatio oli tasomainen, kuten osoittavat tähän mennessä saatavissa olevien peptidisidosten resonanssi.

Tämä sekundaarinen rakenne on yleisin proteiinien keskuudessa, ja sen omaksuvat sekä liukoiset proteiinit että integraaliset membraaniproteiinit. Yli 60%: n proteiineista uskotaan olevan alfa-helix- tai beeta-arkin muodossa.

Rakenne

Yleensä jokaisessa alfa-heeliksin kierroksessa on keskimäärin 3,6 aminohappotähdettä, joka on karkeasti 5,4 Å. Kääntymiskulmat ja -pituudet vaihtelevat kuitenkin proteiineista toisiinsa riippuen tiukasti primaarirakenteen aminohapposekvenssistä.

Suurimmalla osalla alfa-helileistä on käännös oikealle, mutta nyt tiedetään, että proteiineja, joissa alfa-heliksiä on vasemmalla, on olemassa. Edellytys yhden tai toisen esiintymiselle on, että kaikki aminohapot ovat samassa konfiguraatiossa (L tai D), koska ne vastaavat spin-suunnasta.

Näiden tärkeiden proteiinimaailman rakenteellisten motiivien stabilointi annetaan vedyn sidoksilla. Nämä sidokset esiintyvät peptidisidoksen elektronegatiiviseen typpeen kiinnittyneen vetyatomin ja aminohapon elektronegatiivisen karboksyylihappiatomin välillä neljässä sijainnissa N-terminaalisella alueella itsensä suhteen.

Kukin kierre kierroksesta puolestaan ​​yhdistetään seuraavaan vety sidoksilla, jotka ovat välttämättömiä molekyylin kokonaisstabiilisuuden saavuttamiseksi.

Kaikki peptidit eivät voi muodostaa stabiilia alfa-heliksiä. Tämän antaa ketjun kunkin aminohapon luontainen kyky muodostaa helikkelia, mikä liittyy suoraan sen substituentti-R-ryhmien kemialliseen ja fysikaaliseen luonteeseen.

Esimerkiksi tietyssä pH: ssa monet polaariset jäännökset voivat hankkia saman varauksen, joten niitä ei voida sijoittaa peräkkäin kierukkaan, koska niiden välinen heijastus merkitsisi siinä suurta vääristymää.

Aminohappojen koko, muoto ja sijainti ovat myös tärkeitä spiraalista stabiilisuutta määrittäviä tekijöitä. Menemättä pidemmälle, tähteillä, kuten Asn, Ser, Thr ja Cys, jotka sijaitsevat läheisesti sekvenssin sisällä, voi myös olla negatiivinen vaikutus alfa-heeliksin konfiguraatioon.

Samalla tavalla tietyssä peptidissä olevien alfa-spiraalisegmenttien hydrofobisuus ja hydrofiilisyys riippuvat yksinomaan aminohappojen R-ryhmien identiteetistä.

Integroituneissa membraaniproteiineissa alfa-heelikkeissä on runsaasti jäännöksiä, joilla on vahva hydrofobinen luonne, jotka ovat ehdottomasti välttämättömiä segmenttien sijoittamiseksi ja konfiguroimiseksi aineosien fosfolipidien apolaaristen hännien väliin.

Liukenevilla proteiineilla on sitä vastoin alfaheliksiä, joissa on runsaasti polaarisia tähteitä, mikä mahdollistaa paremman vuorovaikutuksen sytoplasmassa tai välitiloissa olevan vesipitoisen väliaineen kanssa.

Toiminnallinen merkitys

Alfa-kierukka-aiheilla on laaja valikoima biologisia toimintoja. Spesifisillä vuorovaikutusmalleilla helikkelien välillä on kriittinen merkitys sekä membraaniproteiinien että liukoisten proteiinien toiminnassa, kokoonpanossa ja oligomeroinnissa.

Nämä domeenit ovat läsnä monissa transkriptiotekijöissä, jotka ovat tärkeitä geeniekspression säätelyn kannalta. Niitä esiintyy myös proteiineissa, joilla on rakenteellista merkitystä, ja membraaniproteiineissa, joilla on erityyppisiä kuljetus- ja / tai signaalinsiirtofunktioita.

Tässä on joitain klassisia esimerkkejä proteiineista, joissa on alfaheliksiä:

myosiinin

Myosiini on aktiinilla aktivoitu ATPaasi, joka vastaa lihaksen supistumisesta ja monista solujen liikkuvuuden muodoista. Sekä lihakselliset että ei-lihaksiset myosiinit koostuvat kahdesta palloalueesta tai "päästä", jotka on kytketty toisiinsa pitkällä alfa-kierteisellä "häntä".

kollageeni

Kollageeni edustaa yhtä kolmasosaa ihmiskehon kokonaisproteiinipitoisuudesta. Se on ylimääräinen proteiini solunulkoisessa tilassa ja sen erottuva piirre on rakenteellinen aihe, joka koostuu kolmesta rinnakkaisesta juosteesta, joilla on vasemman käden kierteinen konfiguraatio, jotka yhdistyvät muodostaen kiertävän aistikolmoisen heliksin.

keratin

Keratiinit ovat ryhmä filamenttia muodostavia proteiineja, joita tuottavat jotkut selkärankaisten epiteelisolut. Ne ovat tärkein osa kynnet, hiukset, kynnet, kilpikonnat, sarvet ja höyhenet. Osa sen fibrillaarisesta rakenteesta koostuu alfa-kierresegmenteistä.

Keratiinin jäsennys (Mlpatton, Wikimedia Commonsista)

Hemoglobiini

Veren happea kuljettaa hemoglobiini. Tämän tetrameerisen proteiinin globiiniosa koostuu kahdesta identtisestä alfa-heliksistä, joissa on 141 tähdettä jokaisessa, ja kahdesta beetaketjussa, joissa molemmissa on 146 tähtettä.

Sinkkisormi-tyyppiset proteiinit

Eukaryoottisissa organismeissa on paljon runsaasti sinkkisormiproteiineja, jotka toimivat eri tarkoituksiin: DNA: n tunnistaminen, RNA: n pakkaaminen, transkriptionaalinen aktivointi, apoptoosin säätely, proteiinien laskostuminen jne. Monissa sinkkisormeproteiineissa on alfa-heliksiä rakenteensa pääkomponenttina ja jotka ovat välttämättömiä niiden toiminnalle.

Viitteet

1. Aurora, R., Srinivasan, R., ja Rose, GD (1994). Säännöt a-alfa-heeliksin päättämiselle glysiinillä. Science, 264 (5162), 1126 - 1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., ja Matthews, B. (1993). Aminohappo alfa-helix-taipumuksen rakenteellinen perusta. Science, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, ja Matthews, BW (1989). Helix-turn-helix DNA: ta sitova aihe. Journal of Biological Chemistry, 264 (4), 1903 - 1906.
4. Eisenberg, D. (2003). Proteiinien alfa-helix- ja beeta-arkkien rakenteellisten piirteiden löytäminen, pääosa. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Alfakeratiinin rakenne. Chemistry, 43, 204 - 209.
5. Klement, W., Willens, R., ja Duwez, P. (1960). Myoglobiinin rakenne. Nature, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, ja Wright, PE (2001). Sinkkisorproteiinit: Uudet käsitykset rakenteellisesta ja toiminnallisesta monimuotoisuudesta. Nykyinen lausunto rakennebiologiassa, 11 (1), 39–46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H.,… Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. painos). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Kalvorakennebiologia: biokemiallisilla ja biofysikaalisilla perusteilla. Cambridge University Press. Haettu osoitteesta www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, ja Greathouse, DV (2018). Kierukan muodostuminen ja stabiilisuus kalvoissa. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerin biokemian periaatteet. Omega Editions (5. painos).
11. Pauling, L., Corey, RB, ja Branson, HR (1951). Proteiinien rakenne: polypeptidiketjun kaksi vety-sidottua kierteistä konfiguraatiota. Amerikan yhdysvaltojen kansallisen tiedeakatemian julkaisut, 37, 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Hemoglobiinin rakenne ja hengityskuljetukset. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Peptidien muodostama alfa-heeliksin muodostumismekanismi. Biofysiikan ja biomolekulaarisen rakenteen vuosikatsaus, 21 (1), 95–118.
14. Shoulders, MD, & Raines, RT (2009). Kollageenin rakenne ja stabiilisuus. Biokemian vuosikatsaus, 78 (1), 929 - 958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., ja Neumannli, J. (1991). Alfa-myosiinin raskaan ketjun geenipromoottorin kudosspesifinen säätely siirtogeenisissä hiirissä. Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratiini: rakenne, mekaaniset ominaisuudet, esiintyminen biologisissa organismeissa ja pyrkimykset bioinspiraatioon. Materiaalitieteen edistyminen. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, ja Spudich, J. a. (1987). Mioosiinin rakenne ja toiminta solumotilassa. Solubiologian vuosikatsaus, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., ja Degrado, WF (2015). Kalvo- ja liukoisen proteiinin helix-helix-vuorovaikutus: samanlainen geometria eri vuorovaikutusten kautta. Rakenne, 23 (3), 527–541