Bookshelf

3.3.1. Die Alpha-Helix ist eine gewundene Struktur, die durch intrakettige Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird

Bei der Bewertung potenzieller Strukturen berücksichtigten Pauling und Corey, welche Konformationen von Peptiden sterisch erlaubt sind und welche die Kapazität der Wasserstoffbrückenbindungen der NH- und CO-Gruppen des Rückgrats am besten ausnutzen. Die erste der von ihnen vorgeschlagenen Strukturen, die α-Helix, ist eine stabförmige Struktur (Abbildung 3.29). Ein eng gewundenes Rückgrat bildet den inneren Teil des Stabs und die Seitenketten erstrecken sich in einer schraubenförmigen Anordnung nach außen. Die α-Helix wird durch Wasserstoffbrücken zwischen den NH- und CO-Gruppen der Hauptkette stabilisiert. Insbesondere bildet die CO-Gruppe jeder Aminosäure eine Wasserstoffbrücke mit der NH-Gruppe der Aminosäure, die sich vier Reste weiter vorne in der Sequenz befindet (Abbildung 3.30). Mit Ausnahme der Aminosäuren in der Nähe der Enden einer α-Helix sind also alle CO- und NH-Gruppen der Hauptkette über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden. Jeder Rest ist mit dem nächsten durch einen Anstieg von 1,5 Å entlang der Helixachse und eine Drehung von 100 Grad verbunden, was 3,6 Aminosäurereste pro Helixwindung ergibt. Somit liegen Aminosäuren, die in der Sequenz drei und vier voneinander beabstandet sind, in einer α-Helix räumlich recht nahe beieinander. Im Gegensatz dazu befinden sich Aminosäuren, die in der Sequenz zwei voneinander entfernt sind, auf gegenüberliegenden Seiten der Helix und haben daher wahrscheinlich keinen Kontakt. Die Steigung der α-Helix, die gleich dem Produkt aus der Translation (1,5 Å) und der Anzahl der Reste pro Windung (3,6) ist, beträgt 5,4 Å. Der Schraubensinn einer Helix kann rechtshändig (im Uhrzeigersinn) oder linkshändig (gegen den Uhrzeigersinn) sein. Das Ramachandran-Diagramm zeigt, dass sowohl die rechtshändige als auch die linkshändige Helix zu den erlaubten Konformationen gehören (Abbildung 3.31). Allerdings sind rechtshändige Helices energetisch günstiger, weil es weniger sterische Konflikte zwischen den Seitenketten und dem Rückgrat gibt. Im Wesentlichen sind alle in Proteinen vorkommenden α-Helices rechtshändig. In schematischen Darstellungen von Proteinen werden α-Helices als verdrehte Bänder oder Stäbe dargestellt (Abbildung 3.32).

Abbildung 3.29

Aufbau der α-Helix. (A) Eine Banddarstellung mit Darstellung der α-Kohlenstoffatome und Seitenketten (grün). (B) Eine Seitenansicht zeigt die Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) zwischen NH- und CO-Gruppen. (C) Eine Endansicht zeigt (mehr…)

Abbildung 3.30

Wasserstoffbrückenbindungsschema für eine α-Helix. In der α-Helix bildet die CO-Gruppe des Restes n eine Wasserstoffbrücke mit der NH-Gruppe des Restes n+ 4.

Abbildung 3.31

Ramachandran-Diagramm für Helices. Sowohl rechts- als auch linkshändige Helices liegen im Ramachandran-Diagramm in den Bereichen der erlaubten Konformationen. Allerdings sind im Wesentlichen alle α-Helices in Proteinen rechtshändig.

Abbildung 3.32

Schematische Ansichten von α-Helices. (A) Ein Ball-and-Stick-Modell. (B) Eine bandförmige Darstellung. (C) Eine zylindrische Darstellung.

Pauling und Corey sagten die Struktur der α-Helix voraus, 6 Jahre bevor sie tatsächlich in der Röntgenrekonstruktion der Struktur von Myoglobin zu sehen war. Die Aufklärung der Struktur der α-Helix ist ein Meilenstein in der Biochemie, weil sie zeigte, dass die Konformation einer Polypeptidkette vorhergesagt werden kann, wenn die Eigenschaften ihrer Komponenten genau bekannt sind.

Der α-Helix-Gehalt von Proteinen ist sehr unterschiedlich und reicht von fast keinem bis zu fast 100%. Zum Beispiel befinden sich etwa 75 % der Reste in Ferritin, einem Protein, das bei der Speicherung von Eisen hilft, in α-Helices (Abbildung 3.33). Einzelne α-Helices sind normalerweise weniger als 45 Å lang. Zwei oder mehr α-Helices können sich jedoch zu einer sehr stabilen Struktur verschlingen, die eine Länge von 1000 Å (100 nm bzw. 0,1 μm) oder mehr haben kann (Abbildung 3.34). Solche α-helical coil coils findet man in Myosin und Tropomyosin im Muskel, in Fibrin in Blutgerinnseln und in Keratin im Haar. Die helikalen Kabel in diesen Proteinen haben eine mechanische Funktion, indem sie steife Faserbündel bilden, wie z. B. in Stachelschweinkielen. Das Zytoskelett (inneres Gerüst) von Zellen ist reich an so genannten Intermediärfilamenten, die ebenfalls zweisträngige α-helicale Spiralwindungen sind. Viele Proteine, die biologische Membranen überspannen, enthalten ebenfalls α-Helices.

Abbildung 3.33

Ein weitgehend α-helikales Protein. Ferritin, ein eisenspeicherndes Protein, ist aus einem Bündel von α-Helices aufgebaut.

Abbildung 3.34

Eine α -Helical Coiled Coil. Die beiden Helices winden sich umeinander und bilden eine Superhelix. Solche Strukturen finden sich in vielen Proteinen, zum Beispiel im Keratin der Haare, in Federkielen, Krallen und Hörnern.