thumb|Trodimenzijska struktura alfa-heliksa u proteinu krambinu Alpha heliks (α-heliks) ili alfa-spirala je čest motiv u sekundarnoj strukturi proteina i predstavlja desnoruko spiralnu konformaciju u kojoj svaka okosnica N-H grupa ima vodikove veze sa okosnicom, C=O grupom aminokiselina, sa tri ili četiri ostatka duž proteinske sekvence.
Alfa-heliks naziva se i klasično kao Pauling-Corey-Bransonov α-heliks. Za ovaj tip zavojnica također se koristi i naziv 3.613–heliks, označavajući prosječni broj ostataka po spiralnom zavoju, s 13 atoma koji su uključeni u prsten koji tvori vodikova veza.
Među tipovima lokalne strukture u proteinima, α-heliks je najekstremnija i najpredvidljivija u nizu, kao i najrasprostranjenija
Otkriće
Ranih 1930-ih, William Astbury pokazao je da je došlo do drastičnih promjena u rendgenskom snimanju difrakcije vlakana vlažne vune ili vlakana kose, nakon značajnog istezanja. Podaci sugeriraju da su nerazvučena vlakna imala smotanu molekulsku strukturu s karakterističnim ponavljanjem ≈ 5,1 Å.
Astbury je za vlakna u početku predložio strukturu previjenog lanca. Kasnije se pridružio drugim istraživačima (posebno američkom hemičaru Mauriceu Hugginsu) predlažući da su: nerazvučene molekule proteina tvorile heliks (koju je nazvao α-oblik) zbog istezanja spirala se odmotala, formirajući produženo stanje (koje je nazvao β-oblik).
Iako netačni u svim pojedinostima, Astburyjevi modeli ovih oblika bili su u biti tačni i odgovaraju modernim elementima sekundarne strukture, α-heliksa i β-lanca (zadržana je Astburyjeva nomenklatura) , koje su razvili Linus Pauling, Robert Corey i Herman Branson, 1951. (vidi dolje); taj rad pokazivao je i desni i lijevi heliks, iako je 1960. kristalna struktura mioglobina pokazala da je desnoruki oblik uobičajen. Hans Neurath prvi je pokazao da Astburyjevi modeli ne mogu biti u detaljima tačni, jer su uključivali sukobe atoma. Neurathov članak i podaci Astburyja nadahnuli su H. S. Taylora, Maurice Huggins i Bragga sa suradnicima da predlože modele keratina koji donekle nalikuju modernom α-heliksu.
Dva ključna razvojma koraka u modeliranju suvremene strukture α-heliksa bila su: pravilna geometrija veze, zahvaljujući određivanje kristalne strukture aminokiselina i peptida i Paulingovo predviđanje planarnih peptidnih veza , kao i njegovo odustajanje od pretpostavke o integralnom broju ostataka po zavoju heliksa. Ključna spoznaja pojavila se u rano proljeće 1948. godine, kada se Pauling prehladio i legao u krevet. Dosađujući se, nacrtao je polipeptidni lanac na traci papira, otprilike tačnih dimenzija i presavio ga u zavojnicu, vodeći računa da održava ravne peptidne veze. Nakon nekoliko pokušaja izradio je model s fizički vjerojatnim vodikovim vezama. Pauling je zatim surađivao s Coreyem i Bransonom kako bi potvrdio svoj model prije objave. Pauling je 1954. dobio svoju prvu Novelovu nagradu "za istraživanje prirode hemijske veze i njene primjene na rasvjetljavanje strukture kompleksnih supstanci" , kao što je istaknuto, uključujući i strukturu α-zavojnice.
Struktura Zbog svoje strukture, sa izuzetkom biljnog GCR2, svi receptori povezani sa G-proteinima pripadaju nadporodici heptaheliksnim transmembranski proteinima (uobičajeni sinonimi: sedam receptora za transmembranski domen, 7-TM receptori i heptahelskiki receptori). Sastoje se od podjedinice sa sedam (grčki hepta) (transmembranskih) heliksnih struktura, koje obuhvataju ćelijsku membranu i povezane su s tri unutarćelijske i tri vanćelijske petlje. Receptori povezani sa G-proteinima imaju vanćelijski ili transmembranski domen vezanja za ligande. G-protein se veže za ćelijsku unutrašnju (unutarćelijsku) stranu receptora. Kako bi se međusobno upoređivale strukture različitih receptora povezanih sa G-proteinima, razvijen je Ballesteros-Weinsteinov sistem nomenklature.
Dugo vremena, struktura receptora povezanih sa G-proteinima mogla se predvidjeti samo na osnovu analogije sa poznatom strukturom bakterijrskog rodopsina. Trodimenzijsko utvrđivanje strukture receptora vezanog za G-protein kod kičmenjaka, rodopsina domaće stoke postignuto je 2000. Godine, analizom rendgenske strukture.K. Palczewski, T. Kumasaka, T. Hori, C. A. Behnke, H. Motoshima, B. A. Fox, I. Le Trong, D. C. Teller, T. Okada, R. E. Stenkamp, M. Yamamoto, M. Miyano: Crystal structure of rhodopsin: A G protein-coupled receptor. In: Science. Band 289, Nummer 5480, August 2000, S. 739–745, PMID 10926528. S druge strane, kristalizacija i objašnjenje strukture ostalih receptora povezanih sa G-proteinima teža je, zbog njihovih fizičko-kemijskih svojstava i zbog male gustine receptora u membrani. Stoga je tek 2007. godine mogla biti utvrđena kristalna struktura ligandom aktiviranog receptora vezanog za G-protein (ljudski) β2–adrenoceptor pomoću tehničkih trikova kao što je upotreba stabilizirajućih antitijela ili fuzija sa proteinima koji se lahko kristaliziraju.
U međuvremenu je uspostavljena trodimenzijska struktura, uključujući strukturu transmembranskih domena, za brojne receptore povezane sa G-proteinima, kao što je fiziološki i terapeutski važna klasa A. Struktura je uglavnom određena uz pomoć rentgenske kristalne analize, pomoću fuzijskih proteina ili metoda termičke stabilizacije. Na taj način, između ostalog, rtazjašnjena jwe struktura β 1–adrenoceptor. Struktura beta (1) -adrenergičnog receptora vezanog za G-protein. A 2A-adenozinski receptori. Na taj način, između ostalog, struktura β1-adrenoceptori,T. Warne +: Structure of a beta(1)-adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature. 2008 Jun 25. Epub ahead of print, PMID 18594507 A2A–adenozinreceptora,V Jaakola et al.: The 2.6Å Crystal Structure of a Human A2A Adenosine Receptor Bound to an Antagonist. In: Science, Epub 2008 Oct 2, PMID 18832607 D3–dopaminreceptora,PDB: 3PBL Structure Summary d opioidrceptora κ, μ,A Manglik et al. (2012) PMID 22437502 δ,S. Granier et + (2012) PMID 22596164 nociceptin,A. A. Thompson, W. Liu, E. Chun, V. Katritch, H. Wu, E. Vardy, X. P. Huang, C. Trapella, R. Guerrini, G. Calo, B. L. Roth, V. Cherezov, R. C. Stevens: Structure of the nociceptin/orphanin FQ receptor in complex with a peptide mimetic. In: Nature. Band 485, Nummer 7398, Mai 2012, S. 395–399, doi:10.1038/nature11085, PMID 22596163. S1P1–receptora, muskarinskog acetilholinskog receptor M2 und M3,A. C. Kruse, J. Hu, A. C. Pan, D. H. Arlow, D. M. Rosenbaum, E. Rosemond, H. F. Green, T. Liu, P. S. Chae, R. O. Dror, D. E. Shaw, W. I. Weis, J. Wess, B. K. Kobilka: Structure and dynamics of the M3 muscarinic acetylcholine receptor. In: Nature. Band 482, Nummer 7386, Februar 2012, S. 552–556, doi:10.1038/nature10867, PMID 22358844. Histaminski-H1-receptori, serotoninski receptori 5-HT1B i 5-HT2B, hemokinski receptori CCR5 mini| Shematski prikaz strukture i numeriranja zavojnica GPCR (rodopsin)
Geometrija i vodikova veza Aminokiseline u α-heliksu raspoređene su u strukturu desnoruke zavojnica, pri čemu svaki aminokiselinski ostatak odgovara zavoju od 100 ° u zavojnici (tj. zavojnica ima 3,6 ostataka po zavoju), a prevedena sekvenca ima 1,5 Å nm, duž zavojne osi. Dunitz ga opisuje kako Paulingov prvi članak na tu temu zapravo prikazuje lijevoruku zavojnicu, enantiomer prave strukture. Kratki komadići ljevoruke zavojnice javljaju se ponekad s velikim sadržajem ahiralnih glicinskih aminokiselina, ali su nepovoljni za ostale normalne, biološke L– aminokiseline. Visina alfa-heliksa (vertikalna udaljenost između uzastopnih zavoja heliksa) je 5,4 Å, što je umnožak 1,5 x 3,6. Ono što je najvažnije je da NH grupa aminokiseline formira vodikovu vezu sa C = O grupom aminokiselinskih ostataka ranije rezidua. Ovo se ponavlja u i + 4 → i vodikova veza je najistaknutije obilježje α-heliksa. Službena međunarodna nomenklatura specificira dva načina definiranja α-heliksa, pravilo 6.2 u smislu ponavljanja torzijskih uglova φ, ψ (vidi dolje) i pravilo 6.3 u pogledu kombiniranog uzorka visine nagiba i vodika. α-heliksi se mogu identificirati u strukturi proteina pomoću nekoliko računskih metoda, od kojih je jedna DSSP.
thumb|left|300px|Kontrast ispoljenih krajnjih dijelova heliksa između α (četverouglovi) i 310 (trouglovi) Slične strukture uključuju 310heliks (i 3 → i vodikova veza) i π-heliks ( i + 5 → i vodikova veza). α-heliks može se opisati kao zavojnica od 3,6 13, jer razmak i 4 dodaje još tri atoma u H-vezanu petlju, u odnosu na čvršću 310heliks, a u jedan prsten α-heliksa prosječno su uključene 3,6 aminokiseline. Indeksi se odnose na broj atoma (uključujući i vodik) u zatvorenoj petlji, formiranoj vodikovom vezom.
thumb|right|250px| Ramachandranov plot (φ, ψ plot), sa tačkama podataka za ostatke α-heliksa koji čine gusti dijagonalni skup ispod i lijevo od centra, oko globalnog minimuma energije za okosnicu konformacija. Ostaci u α-heliksa obično usvajaju oblik okosnice (φ, ψ) diedarskog ugla ogo (−60°, −45°), kao što je prikazano na slici desnos. Općenitije govoreći, usvajaju dvostrane uglove, takve da je zbir ψ diedarskog ugla jednog ostatka i φ diedarskog ugla slijedećeg ostatka oko −105°. Kao posljedica toga, α-heliksni dvostruki uglovi, općenito, padaju na dijagonalnu prugu na Ramachandranovog dijagrama (nagiba –1), u rasponu od (x –90°, –15°) do (–35°, –70°). Za usporedbu, zbroj dvostranih uglova za zavojnicu310 iznosi otprilike –75 °, dok je za heliks π, približno –130°. Opća formula za kut rotacije Ω po ostatku bilo koje polipeptidne zavojnice sa trans izomerima data je jednadžbom
α-heliks je čvrsto zbijen; gotovo nema slobodnog prostora unutar zavojnice. Aminokiselinski bočni lanci nalaze se na vanjskoj strani zavojnice i usmjeravaju se otprilike "prema dolje" (tj. prema N-kraju), poput grana zimzelenog stabla (božićno drvce efekt). Ova usmjerenost se ponekad koristi u preliminarnim mapama elektronske gustine niske rezolucije za određivanje smjera proteinske okosnice/kičme.
Stabilnost Heliksi u proteinima mogu biti u rasponu od četiri do preko četrdeset ostataka, ali tipska spirala sadrži oko deset aminokiselina (oko tri zavoja). Općenito, kratki polipeptidi ne pokazuju puno α-spiralne strukture u rastvoru, jer entropijski trošak povezan sa preklapanjem polipeptidnog lanca nije kompenziran dovoljnom količinom stabilizacijskih interakcija . Općenito se smatra da su okosnice vodikovih veza α-heliksa nešto slabije od onih koje se nalaze u β-listovima i da ih molekule vode lahko napadaju. Međutim, u više hidrofobnim okruženjima kao što je plazmatska membrana ili u prisustvu surastvarača kao što je trifluoroetanol (TFE) ili izoliranih od rastvarača u plinskoj fazi, oligopeptidi lahko usvajaju stabilnu α-heliksnu strukturu. Nadalje, umrežene veze mogu se ugraditi u peptid kako bi konformacijski stabilizirale spiralne nabore. Umrežene veze stabiliziraju spiralno stanje, entropijski destabilizirajući rasklopljeno stanje i uklanjanjem entalpijskih stabiliziranih nabora "mamaca", koji se natječu s rormom u potpuno spiralnom stanju. Pokazano je da su α-heliksni spojevi stabilniji, robusniji na mutacije i da se u prirodnim proteinima mogu oblikovati od β-lanaca, a također i u veštački dizajniranim proteinima.
thumb|right|220px|α-heliks u konturama elektronske gustine ultravisoke rezolucije, s atomima kisika u crvenoj, atomima dušika u plavoj boji i vodikovim vezama (zelene isprekidane linije) (PDB datoteka 2NRL, 17-32). N-kraj je ovdje, na vrhu.
Eksperimentalno određivanje