Bookshelf

3.3.1. The Alpha Helix Is a Coiled Structure Stabilized by Intrachain Hydrogen Bonds

W ocenie potencjalnych struktur, Pauling i Corey rozważali, które konformacje peptydów były sterycznie dozwolone i które najpełniej wykorzystywały zdolność wiązania wodorowego grup NH i CO w rdzeniu. Pierwsza z zaproponowanych przez nich struktur, helisa α, jest strukturą przypominającą pręt (Rysunek 3.29). Ciasno zwinięty szkielet tworzy wewnętrzną część pręta, a łańcuchy boczne rozciągają się na zewnątrz w układzie spiralnym. Helisa α jest stabilizowana przez wiązania wodorowe pomiędzy grupami NH i CO łańcucha głównego. W szczególności, grupa CO każdego aminokwasu tworzy wiązanie wodorowe z grupą NH aminokwasu znajdującego się cztery reszty przed nim w sekwencji (rysunek 3.30). Tak więc, z wyjątkiem aminokwasów znajdujących się w pobliżu końców helisy α, wszystkie grupy CO i NH łańcucha głównego są połączone wiązaniem wodorowym. Każda reszta jest związana z następną poprzez wzniesienie o 1,5 Å wzdłuż osi helisy i rotację o 100 stopni, co daje 3,6 reszty aminokwasowej na jeden obrót helisy. Tak więc aminokwasy oddalone od siebie o trzy i cztery w sekwencji s± przestrzennie bardzo blisko siebie w helisie α. Z kolei aminokwasy oddalone od siebie o dwa w sekwencji znajdują się po przeciwnych stronach helisy, a więc ich kontakt jest mało prawdopodobny. Skok helisy α, który jest równy iloczynowi translacji (1,5 Å) i liczby reszt na skręt (3,6), wynosi 5,4 Å. Skręt helisy może być prawoskrętny (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) lub lewoskrętny (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Diagram Ramachandrana pokazuje, że zarówno heliksy prawoskrętne jak i lewoskrętne należą do dozwolonych konformacji (Rysunek 3.31). Jednakże, heliksy prawoskrętne są energetycznie korzystniejsze, ponieważ występuje w nich mniejsze zderzenie steryczne pomiędzy łańcuchami bocznymi a szkieletem. Zasadniczo wszystkie heliksy α występujące w białkach są prawoskrętne. Na schematach białek, heliksy α są przedstawiane jako skręcone wstęgi lub pręty (Rysunek 3.32).

Rysunek 3.29

Struktura helisy α. (A) Przedstawienie wstęgi z pokazanymi atomami węgla α i łańcuchami bocznymi (zielony). (B) Widok z boku wersji kulistej przedstawia wiązania wodorowe (linie przerywane) pomiędzy grupami NH i CO. (C) Widok końcowy pokazuje (więcej…)

Rysunek 3.30

Schemat wiązania wodorowego dla helisy α. W helisie α grupa CO reszty n tworzy wiązanie wodorowe z grupą NH reszty n+ 4.

Rysunek 3.31

Schemat Ramachandrana dla helis. Zarówno heliksy prawo- jak i lewoskrętne leżą w regionach dozwolonych konformacji na diagramie Ramachandrana. Jednakże, zasadniczo wszystkie heliksy α w białkach są prawoskrętne.

Rysunek 3.32

Schematyczne widoki helis α. (A) Model kulisty. (B) Przedstawienie wstęgi. (C) Model cylindryczny.

Pauling i Corey przewidzieli strukturę helisy α 6 lat przed tym, jak została ona faktycznie zaobserwowana w rentgenowskiej rekonstrukcji struktury mioglobiny. Wyjaśnienie struktury helisy α jest przełomowym wydarzeniem w biochemii, ponieważ wykazało, że konformacja łańcucha polipeptydowego może być przewidziana, jeśli właściwości jego składników są rygorystycznie i dokładnie znane.

Zawartość helisy α w białkach waha się w szerokim zakresie, od prawie żadnej do prawie 100%. Na przykład około 75% reszt w ferrytynie, białku, które pomaga magazynować żelazo, znajduje się w helisach α (rysunek 3.33). Pojedyncze heliksy α mają zwykle długość mniejszą niż 45 Å. Jednak dwa lub więcej heliksów α może się spleść, tworząc bardzo stabilną strukturę, która może mieć długość 1000 Å (100 nm, czyli 0,1 μm) lub więcej (rysunek 3.34). Takie α-helikalne spirale występują w miozynie i tropomiozynie w mięśniach, w fibrynie w skrzepach krwi i w keratynie we włosach. Spiralne przewody w tych białkach pełnią rolę mechaniczną, tworząc sztywne wiązki włókien, jak w dudkach jeżozwierza. Cytoszkielet (wewnętrzne rusztowanie) komórek jest bogaty w tak zwane filamenty pośrednie, które również są dwuniciowymi α-helikalnymi spiralami. Wiele białek, które obejmują błony biologiczne, również zawiera helisy α.

Rysunek 3.33

Białko o kształcie dużej helisy α. Ferrytyna, białko magazynujące żelazo, jest zbudowana z wiązki helikali α.

Ryc. 3.34

Wiązka α -helikalna. Dwie helisy owijają się wokół siebie, tworząc superhelisę. Takie struktury występują w wielu białkach, w tym w keratynie we włosach, dudkach, pazurach i rogach.