АЛФА СПИРАЛА: СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛНО ЗНАЧЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

В спирала алфа е най-простият вторичната структура, че протеин може да приеме в пространството в зависимост от твърдостта и свободата на въртене на връзките между неговите аминокиселинни остатъци.

Характеризира се със спиралната форма, в която са подредени аминокиселините, които изглежда са подредени около въображаема надлъжна ос с R групите, обърнати към външната й страна.

Диаграма на структурата на алфа спиралата (Алехандро Порто, през Wikimedia Commons)

Алфа спиралите са описани за първи път през 1951 г. от Pauling et al., Които използват налични данни за междутомни разстояния, ъгли на свързване и други структурни параметри на пептиди и аминокиселини, за да предскажат най-вероятните конфигурации, които веригите могат да приемат. полипептиди.

Описанието на алфа спиралата възниква от търсенето на всички възможни структури в пептидна верига, които са стабилизирани от водородни връзки, където остатъците са стехиометрично еквивалентни и конфигурацията на всяка от тях е планова, както е посочено от данните от резонанс на пептидните връзки, които са били налични до момента.

Тази вторична структура е най-разпространена сред протеините и се възприема както от разтворими протеини, така и от протеини от интегрална мембрана. Смята се, че повече от 60% протеини съществуват под формата на алфа спирала или бета лист.

структура

По принцип всеки завой на алфа спирала има средно 3,6 аминокиселинни остатъка, което е приблизително 5,4 Å по дължина. Ъглите на завой и дължината обаче варират от протеин до протеин със строга зависимост от аминокиселинната последователност на първичната структура.

Повечето алфа хелици имат завой на дясна ръка, но вече е известно, че протеини с алфа спирали с завои вляво могат да съществуват. Условието за възникване на една или друга е всички аминокиселини да са в една и съща конфигурация (L или D), тъй като те са отговорни за посоката на въртене.

Стабилизирането на тези важни структурни мотиви за протеиновия свят се дава от водородни връзки. Тези връзки възникват между водородния атом, прикрепен към електронегативния азот на пептидна връзка, и електронегативния карбоксилен кислороден атом на аминокиселината четири позиции по-нататък, в N-крайния регион по отношение на себе си.

Всеки завой на спиралата от своя страна се присъединява към следващия чрез водородни връзки, които са от съществено значение за постигане на общата стабилност на молекулата.

Не всички пептиди могат да образуват стабилни алфа спирали. Това се дава от присъщата способност на всяка аминокиселина във веригата да образува спирали, което е пряко свързано с химическата и физическата природа на нейните заместващи R групи.

Например, при определено pH много полярни остатъци могат да придобият един и същ заряд, така че те не могат да бъдат разположени последователно в спирала, тъй като отблъскването между тях би означавало голямо изкривяване в него.

Размерът, формата и позицията на аминокиселините също са важни определящи фактори за спирална стабилност. Без да продължавате по-нататък, остатъци като Asn, Ser, Thr и Cys, разположени плътно в последователността, също могат да имат отрицателен ефект върху конфигурацията на алфа спиралата.

По същия начин хидрофобността и хидрофилността на алфа-спиралните сегменти в даден пептид зависят изключително от идентичността на R групите на аминокиселините.

В интегралните мембранни протеини алфа спиралите изобилстват от остатъци със силен хидрофобен характер, строго необходими за вмъкване и конфигуриране на сегментите между аполарните опашки на съставните фосфолипиди.

Разтворимите протеини, от друга страна, притежават алфа спирали, богати на полярни остатъци, които правят възможно по-добро взаимодействие с водната среда, присъстваща в цитоплазмата или в интерстициалните пространства.

Функционално значение

Алфа спиралните мотиви имат широк спектър от биологични функции. Специфичните модели на взаимодействие между спиралите играят критична роля във функцията, сглобяването и олигомеризацията както на мембранните протеини, така и на разтворимите протеини.

Тези домейни присъстват в много транскрипционни фактори, важни от гледна точка на регулирането на генната експресия. Те също присъстват в протеини със структурно значение и в мембранните протеини, които имат транспортни и / или функции за предаване на сигнал от различни видове.

Ето някои класически примери за протеини с алфа спирали:

Myosin

Миозинът е активирана с актин АТФаза, която е отговорна за свиването на мускулите и разнообразните форми на мобилност на клетките. Както мускулните, така и немускулните миозини се състоят от две кълбовидни области или "глави", свързани заедно с дълга алфа спирална "опашка".

колаген

Една трета от общото съдържание на протеини в човешкото тяло е представена от колаген. Той е най-изобилният протеин в извънклетъчното пространство и неговата отличителна характеристика е структурен мотив, съставен от три успоредни нишки с лява спирална конфигурация, които се съединяват, за да образуват тройна спирала с дескротаторен смисъл.

кератин

Кератините са група от образуващи нишки протеини, които се произвеждат от някои епителни клетки в гръбначни животни. Те са основният компонент на ноктите, косата, ноктите, черупката на костенурките, рогата и перата. Част от фибрилярната му структура е съставена от алфа спирални сегменти.

Кератиново структуриране (Mlpatton, от Wikimedia Commons)

хемоглобин

Кислородът в кръвта се пренася от хемоглобин. Глобиновата част на този тетрамерен протеин се състои от две еднакви алфа спирали от 141 остатъка всяка и две бета вериги от по 146 остатъка.

Протеини от типа "цинков пръст"

Еукариотичните организми притежават голямо богатство от протеини на цинкови пръсти, които функционират за различни цели: разпознаване на ДНК, опаковане на РНК, активиране на транскрипция, регулиране на апоптоза, сгъване на протеини и др. Много протеини с цинков пръст имат алфа спирали като основен компонент в структурата им и които са от съществено значение за тяхната функция.

Препратки

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Правила за прекратяване на a-alpha-Helix от Glycine. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Структурна основа на склонността на аминокиселина към алфа спирала. Наука, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). Мотивът на свързване на ДНК на спирала-завой-спирала. Journal of Biological Chemistry, 264 (4), 1903-1906.
4. Айзенберг, Д. (2003). Откриването на структурните особености на протеините алфа-спирала и бета-лист, основни. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Хъгинс, ML (1957). Структурата на алфа кератин. Химия, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Структура на миоглобина. Природа, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Протеини с цинков пръст: Нова представа за структурно и функционално многообразие. Настоящо мнение в структурната биология, 11 (1), 39–46.
7. Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригър, М., Бретшер, А., Плое, Х.,… Мартин, К. (2003). Молекулярна клетъчна биология (5-то изд.). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Мембранна структурна биология: с биохимични и биофизични основи. Cambridge University Press. Извлечено от www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Образуване на спирала и стабилност в мембраните. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи на биохимията на Ленингер. Омега издания (5-то издание).
11. Pauling, L., Corey, RB и Branson, HR (1951). Структурата на протеините: две спираловидни конфигурации на полипептида, свързани с водород. Трудове на Националната академия на науките на Съединените американски щати, 37, 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Структура на хемоглобина и респираторен транспорт. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Механизмът на образуване на алфа-спирала от пептиди. Годишен преглед на биофизиката и биомолекулярната структура, 21 (1), 95–118.
14. Раменете, MD, & Raines, RT (2009). Структура и стабилност на колаген Годишен преглед на биохимията, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Тъканно-специфична регулация на генния промотор на алфа-миозиновата тежка верига при трансгенни мишки. The Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Кератин: Структура, механични свойства, поява в биологични организми и усилия за биоинспирация. Напредък в материалознанието. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Структура и функция на миозина в клетъчната подвижност. Годишен преглед на клетъчната биология, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Мембранният и разтворимият протеин хеликс-спирала взаимодейства: Подобна геометрия чрез различни взаимодействия. Структура, 23 (3), 527–541