náhled|Schematické znázornění spirály alfa-helix Alfa-helix (α-helix, alfa-šroubovice) je jeden ze dvou základních typů prostorového uspořádání (sekundární struktury) bílkovin. Tato struktura je mimořádně stabilní díky síti vodíkových vazeb uvnitř šroubovice. Alfa-helix je základním stavebním kamenem mnoha vláknitých, ale i globulárních bílkovin. Hraje klíčovou roli v jejich biologické funkci. Druhým nejznámějším pravidelným uspořádáním sekundární struktury bílkovin je beta-skládaný list.

Alfa-helix má pravotočivou spirálovitou strukturu, ve které je polypeptidový řetězec aminokyselin uspořádán do pravidelné šroubovice. Při pohledu shora tvoří šroubovici bílkovinná kostra složená z aminokyselin. Mezi jednotlivými patry šroubovice vznikají vodíkové můstky mezi skupinou C=O a skupinou N-H, které patří aminokyselinám vzdáleným od sebe vždy o čtyři aminokyseliny. Aminokyselinové zbytky (označované R) směřují ven ze šroubovice.

Typickými aminokyselinami vyskytujícími se v alfa-helixu jsou zejména alanin, glutamin, leucin, lysin a methionin. Pokud se někde vyskytne prolin, zpravidla způsobí ohyb celé šroubovice.Murray Robert K. et al., Harperova biochemie (2002); dvacáté třetí vydání (čtvrté české vydání)

Historie

William Astbury již ve 30. letech 20. století zkoumal krystalografii bílkovin (například vlny a vlasů) pomocí RTG difrakce a rozlišil alfa-formu (nenataženou) a beta-formu (nataženou). Jeho modely však selhávaly v přesné geometrii. Většina vědců té doby předpokládala, že šroubovice musí obsahovat celočíselný počet aminokyselinových zbytků na jednu otáčku (přesně 3 nebo 4). Tato svazující podmínka bránila nalezení správné struktury. William Lawrence Bragg, John Kendrew a Max Perutz z univerzity v Cambridgi publikovali v roce 1950 výzkum konfigurací polypeptidových řetězců. Jejich návrhy zahrnovaly to, co je dnes známé jako 310-helix. Struktura alfa-helixu byla teoreticky předpovězena v roce 1951 americkými vědci Linusem Paulingem, Robertem Coreym a Hermanem Bransonem. Jejich práce byla založena na detailní znalosti krystalografické struktury jednotlivých aminokyselin a peptidové vazby. Pauling a Corey správně odvodili, že peptidová vazba je planární a rigidní, což výrazně omezuje možné konformace polypeptidového řetězce. Předpověděli obě struktury, alfa-helix a beta-skládaný list. Pauling za své výzkumy chemické vazby a struktury komplexních sloučen získal v roce 1954 Nobelovu cenu za chemii. O dva roky později na Paulingův teoretický přístup modelování makromolekul navázali James Dewey Watson a Francis Crick při objasnění struktury DNA. Oba objevy, šroubovice alfa-helix bílkoviny a dvojitá šroubovice DNA, lze označit za milníky v biochemii a strukturní biologii. John Kendrew a Max Perutze v roce 1958 provedli pomocí rentgenové krystalografie první přímý důkaz existence alfa-helixu v reálné bílkovině myoglobinu a hemoglobinu. Dokázali tak, že α-helix není jen matematicky model, ale skutečný a velmi rozšířený stavební prvek bílkovin. Během dalších let se Paulingův objev alfa-helixu stal impulzem k rychle se rozvíjejícímu výzkumu aminokyselin a bílkovin. Vědci zkoumali vlastnosti alfa-helixu a popsali strukturu řady bílkovin. V současnosti se pomocí počítačových programů a umělé inteligence snaží odhalit nejen strukturu stávajících bílkovin, ale navrhovat i nové bílkoviny s požadovaným tvarem a funkcemi.

Vodíkové vazby v alfa-helix náhled|Struktura alfa-helix s vyznačenými vodíkovými vazbami mezi skupinami N-H a C=O (R - postranní řetězec) Vodíkové vazby v alfa-helixu vznikají mezi atomy ve šroubovici bílkoviny a následně ji drží pohromadě v pravidelném spirálovitém uspořádání. Alfa-helix si tak můžeme představit jako spirálovitě stočený řetězec, jehož závity jsou uvnitř pravidelně zpevněné vodíkovými vazbami.

Vodíkové vazby v této spirále se vytvářejí mezi skupinou N–H a skupinou C=O dvou aminokyselin, které jsou navzájem spojeny peptidovou vazbou –CO–NH–. Vodík navázaný na dusík ve skupině N–H má mírně kladný náboj, zatímco kyslík v karbonylové skupině C=O má mírně záporný náboj. Proto se mohou přitahovat vodíkovou vazbou N–H···O=C (vodíková vazba je vyznačena třemi tečkami).

Všechny aminoskupiny v hlavním řetězci alfa-helixu (kromě těch na jeho koncích) jsou zapojeny do vodíkových vazeb. Platí, že se vážou vždy aminokyselina 1 s aminokyselinou 5, aminokyselina 2 s aminokyselinou 6, aminokyselina 3 s aminokyselinou 7 a tak dále. Obecně tedy platí vzorec (n → n+4). Toto pravidelné opakování vodíkových vazeb způsobí, že se řetězec stabilizuje ve tvaru šroubovice.

Vodíkové vazby nevznikají mezi postranními skupinami aminokyselin (označeny R). Postranní skupiny směřují převážně ven ze šroubovice a mohou mezi sebou vytvářet další jiné interakce.

Parametry alfa-helix Pro alfa-helix platí tyto parametry:

počet aminokyselin na jeden závit (otáčku o 360°) alfa-helixu je 3,6 aminokyselinových zbytků výška jednoho závitu (měřeno podél osy šroubovice) je 0,54 nanometru. vzdálenost mezi ekvivalentními atomy dvou sousedních aminokyselin podél osy kostry šroubovice je 0,15 nanometru.

Aminokyseliny v alfa-helixu Schopnosti aminokyselin být součástí struktury alfa-helixu jsou různé. Ne všechny aminokyseliny tvoří alfa-helix stejně ochotně a můžeme je rozdělit na stabilizující a destabilizující. náhled|139x139pixelů|Aminokyselina alanin Stabilizující aminokyseliny (helix-former)

Aminokyselina alanin (Ala) je považována za nejlepší helix-former. Její krátký, nepolární boční řetězec nezpůsobuje sterické pnutí a dobře zapadá do struktury. Další aminokyseliny, které mají vysokou tendenci tvořit alfa-helixy, jsou leucin (Leu), methionin (Met), glutamin (Gln). náhled|141x141pixelů|Aminokyselina prolin Destabilizující aminokyseliny (helix breakers)

Aminokyselina prolin (Pro) je známá jako největší helix breaker. Její cyklický boční řetězec je spojen s atomem dusíku v hlavním řetězci, což znemožňuje rotaci kolem vazby N-C. Navíc prolinu chybí vodíkový atom na amidovém dusíku, takže nemůže fungovat jako donor vodíkové vazby. Přítomnost prolinu v řetězci způsobí v helixu ostrý ohyb nebo jeho úplné přerušení.

Aminokyselina glycin (Gly) je příliš flexibilní a také působí jako helix breaker. Její boční řetězec je pouze atom vodíku, což umožňuje velkou konformační volnost. Polypeptidový řetězec s vysokým obsahem glycinu má tendenci zaujímat spíše náhodné, neuspořádané struktury (random coil - náhodná cívka), protože vytvoření rigidního helixu je entropicky nevýhodné.

Aminokyseliny s velkými bočními řetězci blízko hlavního řetězce, například valin (Val), isoleucin (Ile), threonin (Thr), mohou také destabilizovat helix.

Varianty alfa-helixu Kromě klasického pravotočivého alfa-helixu existují i další, méně časté struktury:

Levotočivý alfa-helix je energeticky méně výhodný než pravotočivý a v přírodě se vyskytuje jen velmi vzácně, obvykle v krátkých úsecích a často s vysokým obsahem glycinu. 310-helix je těsnější a delší než alfa-helix. Vodíkové vazby se zde tvoří mezi zbytkem n a n+3. Na jednu otáčku připadají pouze 3 aminokyselinové zbytky. Často se vyskytuje na koncích alfa-helixů jako jejich zakončení. π-helix je širší a kratší než alfa-helix. Vodíkové vazby se tvoří mezi zbytkem n a n+5. Na jednu otáčku připadá 4,4 zbytku. Tato struktura je energeticky méně stabilní a v bílkovinách je velmi vzácná. Obvykle se vyskytuje jako vložka jednoho zbytku uprostřed alfa-helixu. Β-smyčka je méně častá struktura. Vyskytuje se vzácně u některých peptidů a proteinů.

Dipólový moment Celkový dipólový moment celé šroubovice je výsledkem součtu dipólových momentů jednotlivých vodíkových můstků. Všechny donory vodíkových můstků jsou orientovány přibližně jedním směrem a akceptory směrem opačným. Proto N-konec helixu nese parciální kladný náboj a C-konec parciální záporný náboj. Tento celkový dipól může hrát roli v interakcích s jinými molekulami poblíž N-konce helixu (například při vazbě záporně nabitých ligandů jako jsou fosfátové skupiny v ATP nebo DNA) .

Šroubovice alfa-helix by tedy ve vakuu byla relativně silný elektrický dipól. Ve vodním rozpouštědle je však náboj odstíněn a dipólový moment alfa-helixů zřejmě nepřispívá ke stabilizaci bílkovinné struktury. Výjimkou mohou být některé alfa-helixy, jejichž aspoň jeden konec je uvnitř bílkovinné struktury, například řada DNA vazebných bílkovin (DNA-binding proteins).

Odkazy

Reference

Související články

Biochemie Biofyzika Biologie Skládání proteinů Sekundární struktura proteinů

Externí odkazy

Kategorie:Struktura bílkovin Kategorie:Bílkoviny