ALFA SPIRĀLE: STRUKTŪRA UN FUNKCIONĀLĀ NOZĪME - BIOLOĢIJA - 2025

Alfa spirāles ir vienkāršākais sekundāro struktūru, ka olbaltumvielas var pieņemt telpā saskaņā ar stingrību un brīvībai rotācijas obligāciju starp tās aminoskābju atliekām.

To raksturo spirālveida forma, kurā ir izvietotas aminoskābes, kuras, šķiet, ir izvietotas ap iedomātu garenisko asi ar R grupām, kas vērstas uz tās ārpusi.

Alfa spirāles struktūras diagramma (Alejandro Porto, izmantojot Wikimedia Commons)

Alfa helikli 1951. gadā pirmo reizi aprakstīja Paulings et al., Kurš izmantoja pieejamos datus par peptīdu un aminoskābju starpatomiskajiem attālumiem, saišu leņķiem un citiem strukturālajiem parametriem, lai prognozētu visticamākās konfigurācijas, kuras ķēdes varētu pieņemt. polipeptīdi.

Alfa spirāles apraksts radās, meklējot visas iespējamās peptīdu ķēdes struktūras, kuras tika stabilizētas ar ūdeņraža saitēm, kur atlikumi bija stehiometriski ekvivalenti un katra no tām konfigurācija bija plāna, kā norāda dati no līdz šim pieejamo peptīdu saišu rezonanse.

Šī sekundārā struktūra ir visizplatītākā olbaltumvielu starpā, un to pieņem gan šķīstošie proteīni, gan integrālie membrānas proteīni. Tiek uzskatīts, ka vairāk nekā 60% olbaltumvielu pastāv alfa spirāles vai beta lapas veidā.

Uzbūve

Parasti katrā alfa spirāles pagriezienā ir vidēji 3,6 aminoskābju atlikumi, kas ir aptuveni 5,4 Å garumā. Tomēr pagrieziena leņķi un garumi dažādās olbaltumvielās ir atšķirīgi, stingri atkarīgi no primārās struktūras aminoskābju secības.

Lielākajai daļai alfa helikļu ir pagrieziens pa labi, bet tagad ir zināms, ka olbaltumvielas ar alfa helikilēm ar pagriezieniem pa kreisi var būt. Viens vai otrs nosacījums ir tas, ka visas aminoskābes ir vienā konfigurācijā (L vai D), jo tās ir atbildīgas par griešanās virzienu.

Šo olbaltumvielu pasaulei svarīgo strukturālo motīvu stabilizāciju nodrošina ūdeņraža saites. Šīs saites notiek starp ūdeņraža atomu, kas piesaistīts peptīda saites elektronegatīvajam slāpeklim, un aminoskābes elektronegatīvo karboksilskābekļa atomu četrās pozīcijās tālāk, N-gala reģionā attiecībā pret sevi.

Katru spirāles pagriezienu savukārt ar nākamo savieno ūdeņraža saites, kas ir būtiskas, lai sasniegtu kopējo molekulas stabilitāti.

Ne visi peptīdi var veidot stabilas alfa helices. To nosaka katras aminoskābes iekšējā spēja veidot ķēdes, kas ir tieši saistīta ar tās aizvietotāju R grupu ķīmiskajām un fizikālajām īpašībām.

Piemēram, pie noteikta pH līmeņa daudzi polārie atlikumi var iegūt tādu pašu lādiņu, tāpēc tos nevar secīgi ievietot spirālē, jo atgrūšanās starp tiem nozīmētu lielu tā kropļojumu.

Aminoskābju lielums, forma un novietojums ir arī svarīgi spirālveida stabilitātes noteicēji. Neveicot vairāk, tādi atlikumi kā Asn, Ser, Thr un Cys, kas atrodas cieši secībā, arī varētu negatīvi ietekmēt alfa spirāles konfigurāciju.

Tādā pašā veidā alfa spirāles segmentu hidrofobitāte un hidrofilitāte noteiktā peptīdā ir atkarīga tikai no aminoskābju R grupu identitātes.

Integrētās membrānas olbaltumvielās ir daudz alfa helikilu ar spēcīgas hidrofobiskas atliekas, kas noteikti nepieciešami segmentu ievietošanai un konfigurēšanai starp fosfolipīdu sastāvdaļu apolārajām astes.

No otras puses, šķīstošajiem olbaltumvielām ir alfa spirāles, kas bagātas ar polārajiem atlikumiem, kas ļauj labāk mijiedarboties ar ūdens vidi, kas atrodas citoplazmā vai starpdzemdību telpās.

Funkcionālā nozīme

Alfa spirāles motīviem ir plašs bioloģisko funkciju klāsts. Specifiskiem mijiedarbības modeļiem starp helikām ir kritiska loma gan membrānas olbaltumvielu, gan šķīstošo olbaltumvielu funkcijā, montāžā un oligomerizācijā.

Šie domēni atrodas daudzos transkripcijas faktoros, kas ir svarīgi no gēnu ekspresijas regulēšanas viedokļa. Tie atrodas arī olbaltumvielās, kurām ir strukturāla nozīme, un membrānas olbaltumvielās, kurām ir dažāda veida transporta un / vai signāla pārraides funkcijas.

Šeit ir daži klasiski olbaltumvielu ar alfa helikilēm piemēri:

Miozīns

Miozīns ir ar aktiīnu aktivēta ATPāze, kas ir atbildīga par muskuļu kontrakciju un dažādām šūnu mobilitātes formām. Gan muskuļaini, gan nemuskulāri miozīni sastāv no diviem riņķveida reģioniem vai "galvām", kas savienotas kopā ar garu alfa spirālveida "asti".

Kolagēns

Trešdaļu no kopējā olbaltumvielu satura cilvēka ķermenī pārstāv kolagēns. Tas ir vispilnīgākais olšūna ārpusšūnu telpā, un tā atšķirīgā īpašība ir struktūras motīvs, kas sastāv no trim paralēlām dzīslām ar kreisās puses spirālveida konfigurāciju, kuras savienojas, veidojot dekstrotējošu maņu trīskāršu spirāli.

Keratīns

Keratīni ir pavedienu veidojošu olbaltumvielu grupa, ko ražo dažas mugurkaulnieku epitēlija šūnas. Tās ir nagu, matu, spīļu, bruņurupuču, ragu un spalvu galvenā sastāvdaļa. Daļu no tās fibrillārās struktūras veido alfa spirāles segmenti.

Keratīna strukturēšana (Mlpatton, no Wikimedia Commons)

Hemoglobīns

Skābekli asinīs pārnēsā hemoglobīns. Šī tetrameriskā proteīna globīna daļa sastāv no divām identiskām alfa helikām, kurās katrā ir 141 atlikums, un divām beta ķēdēm, kurās katrā ir 146 atlikumi.

“Cinka pirksta” tipa olbaltumvielas

Eikariotu organismiem ir liela bagātība ar cinka pirkstu proteīniem, kas darbojas dažādiem mērķiem: DNS atpazīšanai, RNS iesaiņošanai, transkripcijas aktivizēšanai, apoptozes regulēšanai, olbaltumvielu locīšanai utt. Daudziem cinka pirkstu proteīniem ir alfa helikles kā galvenā to struktūras sastāvdaļa, un tie ir nepieciešami to funkcijai.

Atsauces

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Noteikumi par alfa-spirāles izbeigšanu ar Glicīnu. Zinātne, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blēbers, M., Džans, X., un Metjūss, B. (1993). Aminoskābju alfa spirāles tieksmes pamats. Zinātne, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). Helix-turn-spirāles DNS saistošais motīvs. Journal of Biological Chemistry, 264 (4), 1903. – 1906.
4. Eizenbergs, D. (2003). Galvenās olbaltumvielu alfa-spirāles un beta-lapas strukturālo īpašību atklāšana. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Alfa keratīna struktūra. Ķīmija, 43, 204-209.
5. Klements, W., Willens, R., un Duwez, P. (1960). Mioglobīna struktūra. Daba, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Cinka pirkstu proteīni: jauns ieskats strukturālajā un funkcionālajā daudzveidībā. Pašreizējais atzinums strukturālajā bioloģijā, 11. (1), 39. – 46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaizers, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Molekulāro šūnu bioloģija (5. izdevums). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Membrānas struktūras bioloģija: ar bioķīmiskajiem un biofizikālajiem pamatiem. Cambridge University Press. Saņemts no vietnes www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Spirāles veidošanās un stabilitāte membrānās. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelsons, DL, & Cox, MM (2009). Lehingera bioķīmijas principi. Omega izdevumi (5. izdevums).
11. Pauling, L., Corey, RB un Branson, HR (1951). Olbaltumvielu struktūra: divas ar ūdeņradi saistītas polipeptīdu ķēdes spirālveida konfigurācijas. Amerikas Savienoto Valstu Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 37, 205–211.
12. Peruts, MF (1978). Hemoglobīna struktūra un elpceļu transports. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Peptīdu veidotais alfa-spirāles veidošanās mehānisms. Gada biofizikas un biomolekulas struktūras pārskats, 21. (1), 95–118.
14. Pleci, MD, un Raines, RT (2009). Kolagēna struktūra un stabilitāte. Gada pārskats par bioķīmiju, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Audu specifiskais alfa-miozīna smagās ķēdes gēna promotora regulējums transgēnām pelēm. The Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratīns: uzbūve, mehāniskās īpašības, sastopamība bioloģiskajos organismos un centieni veikt bioinspirāciju. Progress materiālu zinātnē. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Miozīna struktūra un funkcijas šūnu kustībā. Gada pārskats par šūnu bioloģiju, 3, 379. – 421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Membrānas un šķīstošo olbaltumvielu spirāles un spirāles interaktoms: līdzīga ģeometrija dažādās mijiedarbībās. Struktūra, 23. (3), 527–541