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3.3.1. L’elice alfa è una struttura a spirale stabilizzata da legami idrogeno intracatena

Nella valutazione delle strutture potenziali, Pauling e Corey hanno considerato quali conformazioni dei peptidi erano stericamente permesse e quali sfruttavano più pienamente la capacità di legame idrogeno dei gruppi NH e CO della spina dorsale. La prima delle strutture da loro proposte, l’elica α, è una struttura simile a un’asta (Figura 3.29). Una spina dorsale strettamente avvolta forma la parte interna dell’asta e le catene laterali si estendono verso l’esterno in una serie di eliche. L’elica α è stabilizzata da legami a idrogeno tra i gruppi NH e CO della catena principale. In particolare, il gruppo CO di ogni aminoacido forma un legame a idrogeno con il gruppo NH dell’aminoacido che si trova quattro residui più avanti nella sequenza (Figura 3.30). Così, ad eccezione degli aminoacidi vicini alle estremità di un’elica α, tutti i gruppi CO e NH della catena principale sono legati a idrogeno. Ogni residuo è legato al successivo da un aumento di 1,5 Å lungo l’asse dell’elica e da una rotazione di 100 gradi, che dà 3,6 residui aminoacidici per giro di elica. Così, gli aminoacidi distanziati di tre e quattro nella sequenza sono spazialmente abbastanza vicini l’uno all’altro in un’elica α. Al contrario, gli aminoacidi distanziati di due nella sequenza sono situati sui lati opposti dell’elica e quindi è improbabile che entrino in contatto. Il passo dell’elica α, che è uguale al prodotto della traslazione (1,5 Å) e del numero di residui per giro (3,6), è di 5,4 Å. Il senso della vite di un’elica può essere destro (in senso orario) o sinistro (in senso antiorario). Il diagramma di Ramachandran rivela che sia l’elica destrorsa che quella sinistrorsa sono tra le conformazioni permesse (Figura 3.31). Tuttavia, le eliche destre sono energeticamente più favorevoli perché c’è meno scontro sterico tra le catene laterali e la spina dorsale. Essenzialmente tutte le eliche α trovate nelle proteine sono destre. Nei diagrammi schematici delle proteine, le α-eliche sono rappresentate come nastri o aste ritorte (Figura 3.32).

Figura 3.29

Struttura dell’elica α. (A) Una rappresentazione a nastro con gli atomi di carbonio α e le catene laterali (verdi) mostrate. (B) Una vista laterale di una versione con palla e bastone mostra i legami a idrogeno (linee tratteggiate) tra i gruppi NH e CO. (C) Una vista finale mostra (più…)

Figura 3.30

Schema di legame a idrogeno per un’elica α. Nell’elica α, il gruppo CO del residuo n forma un legame a idrogeno con il gruppo NH del residuo n+ 4.

Figura 3.31

Diagramma di Ramachandran per gli elici. Sia le eliche destre che quelle sinistre si trovano in regioni di conformazioni permesse nel diagramma di Ramachandran. Tuttavia, essenzialmente tutte le eliche α nelle proteine sono destre.

Figura 3.32

Viste schematiche di α Helices. (A) Un modello a sfera e bastone. (B) Una rappresentazione a nastro. (C) Una rappresentazione cilindrica.

Pauling e Corey predissero la struttura dell’elice α 6 anni prima che fosse effettivamente vista nella ricostruzione a raggi X della struttura della mioglobina. L’elucidazione della struttura dell’α-elica è una pietra miliare nella biochimica perché ha dimostrato che la conformazione di una catena polipeptidica può essere prevista se le proprietà dei suoi componenti sono rigorosamente e precisamente note.

Il contenuto α-elico delle proteine varia ampiamente, da quasi nessuno a quasi il 100%. Per esempio, circa il 75% dei residui nella ferritina, una proteina che aiuta a conservare il ferro, sono in α-eliche (Figura 3.33). Le singole eliche α sono solitamente lunghe meno di 45 Å. Tuttavia, due o più α-eliche possono intrecciarsi per formare una struttura molto stabile, che può avere una lunghezza di 1000 Å (100 nm, o 0,1 μm) o più (Figura 3.34). Tali bobine α-elicoidali si trovano nella miosina e nella tropomiosina nei muscoli, nella fibrina nei coaguli di sangue e nella cheratina nei capelli. I cavi elicoidali in queste proteine hanno un ruolo meccanico nel formare fasci rigidi di fibre, come negli aculei di porcospino. Il citoscheletro (impalcatura interna) delle cellule è ricco dei cosiddetti filamenti intermedi, che sono anch’essi bobine elicoidali a due filamenti. Molte proteine che attraversano le membrane biologiche contengono anch’esse α-eliche.

Figura 3.33

Una proteina largamente α elicoidale. La ferritina, una proteina che immagazzina il ferro, è costruita da un fascio di α eliche.

Figura 3.34

Una bobina α-elica. Le due eliche si avvolgono l’una sull’altra per formare una superelica. Tali strutture si trovano in molte proteine tra cui la cheratina nei capelli, gli aculei, gli artigli e le corna.