ALPHA HELIX: STRUCTUUR EN FUNCTIONEEL BELANG - BIOLOGIE - 2024

De alfa-helix is de eenvoudigste secundaire structuur die een eiwit in de ruimte kan aannemen volgens de stijfheid en rotatievrijheid van de bindingen tussen zijn aminozuurresiduen.

Het wordt gekenmerkt door de spiraalvorm waarin de aminozuren zijn gerangschikt, die lijken te zijn gerangschikt rond een denkbeeldige lengteas met de R-groepen naar buiten gericht.

Diagram van de alpha-helixstructuur (Alejandro Porto, via Wikimedia Commons)

Alfa-helices werden voor het eerst beschreven in 1951 door Pauling et al., Die beschikbare gegevens over interatomaire afstanden, bindingshoeken en andere structurele parameters van peptiden en aminozuren gebruikten om de meest waarschijnlijke configuraties te voorspellen die de ketens zouden kunnen aannemen. polypeptiden.

De beschrijving van de alfa-helix kwam voort uit de zoektocht naar alle mogelijke structuren in een peptideketen die werden gestabiliseerd door waterstofbruggen, waarbij de residuen stoichiometrisch equivalent waren en de configuratie van elk vlak was, zoals aangegeven door de gegevens van resonantie van de peptidebindingen die tot nu toe beschikbaar waren.

Deze secundaire structuur is de meest voorkomende onder eiwitten en wordt zowel door oplosbare eiwitten als door integrale membraaneiwitten overgenomen. Aangenomen wordt dat meer dan 60% van de eiwitten bestaat in de vorm van een alfa-helix of een bètablad.

Structuur

Over het algemeen heeft elke draai van een alfa-helix gemiddeld 3,6 aminozuurresten, die ongeveer 5,4 Å lang is. Draaihoeken en lengtes variëren echter van eiwit tot eiwit met een strikte afhankelijkheid van de aminozuursequentie van de primaire structuur.

De meeste alfa-helices hebben een draai naar rechts, maar het is nu bekend dat eiwitten met alfa-helices met een draai naar links kunnen bestaan. Voorwaarde voor het een of het ander is dat alle aminozuren in dezelfde configuratie (L of D) zijn, aangezien ze verantwoordelijk zijn voor de richting van de spin.

De stabilisatie van deze belangrijke structurele motieven voor de eiwitwereld wordt gegeven door waterstofbruggen. Deze bindingen komen voor tussen het waterstofatoom bevestigd aan de elektronegatieve stikstof van een peptidebinding en het elektronegatieve carboxylzuurstofatoom van het aminozuur vier posities verder, in het N-terminale gebied ten opzichte van zichzelf.

Elke draaiing van de helix is ​​op zijn beurt met de volgende verbonden door waterstofbruggen, die essentieel zijn om de algehele stabiliteit van het molecuul te bereiken.

Niet alle peptiden kunnen stabiele alfa-helices vormen. Dit wordt gegeven door het intrinsieke vermogen van elk aminozuur in de keten om helices te vormen, wat direct verband houdt met de chemische en fysische aard van de substituerende R-groepen.

Bij een bepaalde pH kunnen bijvoorbeeld veel polaire residuen dezelfde lading krijgen, zodat ze niet opeenvolgend in een helix kunnen worden geplaatst, omdat de afstoting ertussen een grote vervorming zou inhouden.

De grootte, vorm en positie van aminozuren zijn ook belangrijke determinanten van helixstabiliteit. Zonder verder te gaan, zouden residuen zoals Asn, Ser, Thr en Cys die dicht in de sequentie zijn gepositioneerd, ook een negatief effect kunnen hebben op de alfa-helixconfiguratie.

Op dezelfde manier hangen de hydrofobiciteit en hydrofiliciteit van de alfa-helixsegmenten in een bepaald peptide uitsluitend af van de identiteit van de R-groepen van de aminozuren.

In integrale membraaneiwitten zijn alfa-helices rijk aan residuen met een sterk hydrofoob karakter, strikt noodzakelijk voor de insertie en configuratie van de segmenten tussen de apolaire staarten van de samenstellende fosfolipiden.

Oplosbare eiwitten daarentegen hebben alfa-helices die rijk zijn aan polaire residuen, die een betere interactie mogelijk maken met het waterige medium dat aanwezig is in het cytoplasma of in de interstitiële ruimtes.

Functioneel belang

Alfa-helixmotieven hebben een breed scala aan biologische functies. Specifieke interactiepatronen tussen de helices spelen een cruciale rol bij de functie, assemblage en oligomerisatie van zowel membraaneiwitten als oplosbare eiwitten.

Deze domeinen zijn aanwezig in veel transcriptiefactoren, belangrijk vanuit het oogpunt van de regulatie van genexpressie. Ze zijn ook aanwezig in eiwitten met structurele relevantie en in membraaneiwitten die verschillende soorten transport- en / of signaaltransmissiefuncties hebben.

Hier zijn enkele klassieke voorbeelden van eiwitten met alfa-helices:

Myosin

Myosine is een door actine geactiveerde ATPase die verantwoordelijk is voor spiercontractie en een verscheidenheid aan vormen van celmobiliteit. Zowel gespierde als niet-gespierde myosinen bestaan ​​uit twee bolvormige gebieden of "koppen" die met elkaar zijn verbonden door een lange alfa-spiraalvormige "staart".

Collageen

Een derde van het totale eiwitgehalte van het menselijk lichaam wordt vertegenwoordigd door collageen. Het is het meest voorkomende eiwit in de extracellulaire ruimte en het onderscheidende kenmerk is een structureel motief dat bestaat uit drie parallelle strengen met een linkshandige helixconfiguratie, die samenkomen om een ​​rechtsdraaiende drievoudige helix te vormen.

Keratine

Keratines zijn een groep van filamentvormende eiwitten die worden geproduceerd door sommige epitheelcellen bij gewervelde dieren. Ze zijn het hoofdbestanddeel van de nagels, het haar, de klauwen, de schildpadden, hoorns en veren. Een deel van de fibrillaire structuur bestaat uit alfa-helixsegmenten.

Keratine structurering (Mlpatton, van Wikimedia Commons)

Hemoglobine

Zuurstof in het bloed wordt gedragen door hemoglobine. Het globine-gedeelte van dit tetramere eiwit bestaat uit twee identieke alfa-helices van elk 141 residuen en twee bètaketens van elk 146 residuen.

Eiwitten van het type 'zinkvinger'

Eukaryote organismen bezitten een grote rijkdom aan zinkvingereiwitten, die voor verschillende doeleinden functioneren: DNA-herkenning, RNA-verpakking, transcriptionele activering, regulering van apoptose, eiwitvouwing, enz. Veel zinkvingereiwitten hebben alfa-helices als hoofdbestanddeel van hun structuur en zijn essentieel voor hun functie.

Referenties

1. Aurora, R., Srinivasan, R., en Rose, GD (1994). Regels voor beëindiging van a-alpha-Helix door Glycine. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., en Matthews, B. (1993). Structurele basis van de neiging tot alfa-helix-aminozuren. Science, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG en Matthews, BW (1989). Het helix-draai-helix-DNA-bindende motief. Journal of Biological Chemistry, 264 (4), 1903-1906.
4. Eisenberg, D. (2003). De ontdekking van de structurele kenmerken van eiwitten alpha-helix en beta-sheet, het principe. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). De structuur van alfa-keratine. Chemistry, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Structuur van myoglobine. Nature, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Zinkvingereiwitten: nieuwe inzichten in structurele en functionele diversiteit. Current Opinion in Structural Biology, 11 (1), 39–46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Moleculaire celbiologie (5e ed.). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Membraan structurele biologie: met biochemische en biofysische grondslagen. Cambridge University Press. Opgehaald van www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Helixvorming en stabiliteit in membranen. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108-2117.
10. Nelson, DL en Cox, MM (2009). Lehninger Principles of Biochemistry. Omega Editions (5e ed.).
11. Pauling, L., Corey, RB, & Branson, HR (1951). De structuur van eiwitten: twee waterstofgebonden spiraalvormige configuraties van de polypeptideketen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 37, 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Hemoglobinestructuur en luchtwegtransport. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM en Baldwin, RL (1992). Het mechanisme van alfa-helixvorming door peptiden. Jaaroverzicht van biofysica en biomoleculaire structuur, 21 (1), 95-118.
14. Schouders, MD, & Raines, RT (2009). Collageenstructuur en stabiliteit. Jaaroverzicht van biochemie, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Weefselspecifieke regulatie van de alfa-Myosine-promotor van het zware-ketengen in transgene muizen. The Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24613-24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratine: structuur, mechanische eigenschappen, voorkomen in biologische organismen en inspanningen voor bioinspiratie. Vooruitgang in materiaalkunde. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Myosinestructuur en -functie in celmotiliteit. Jaaroverzicht van celbiologie, 3, 379-421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Het membraan- en oplosbare eiwit helix-helix interactoom: vergelijkbare geometrie via verschillende interacties. Structuur, 23 (3), 527-541