Кіріспе
Белсенің екіншілік құрылымының түрі Полипролин спираль - қайталанатын пролин қалдықтарын қамтитын белоктарда кездесетін екіншілік құрылымның түрі. Сол жақ полипролин II спираль (PPII, poly Pro II, κ спираль) ретті қалдықтардың барлығы (φ,ψ) тірек диэдрлік бұрыштарын шамамен (75°, 150°) қабылдағанда және олардың пептидтік байланыстарының транс изомерлері болған кезде қалыптасады. Бұл PPII конформациясы пролиннен басқа басқа амин қышқылдары бар ақуыздар мен полипептидтерде де жиі кездеседі. Сол сияқты, бірізді қалдықтардың барлығы (φ,ψ) тірек диэдрлік бұрыштарын шамамен (75°, 160°) қабылдағанда және олардың пептидтік байланыстарының цис изомерлері болған кезде, компактті оң жақты полипролин I спираль (PPI, poly Pro I) пайда болады. Табиғи кездесетін жиырма жалпы амин қышқылдарының ішінде тек пролин пептидтік байланыстың цис изомерін, атап айтқанда X Pro пептидтік байланысын қабылдауы мүмкін; стерикалық және электрондық факторлар басқа пептидтік байланыстардың көпшілігінде транс изомерін қатты қолданады. Алайда пролинді басқа N алмастырылған амин қышқылымен (мысалы, саркозинмен) алмастыратын пептидтік байланыстар да цис изомерін қабылдауы мүмкін.
A polyproline helix is a type of protein secondary structure which occurs in proteins comprising repeating proline residues. A left handed polyproline II helix (PPII, poly Pro II, κ helix) is formed when sequential residues all adopt (φ,ψ) backbone dihedral angles of roughly ( 75°, 150°) and have trans isomers of their peptide bonds. This PPII conformation is also common in proteins and polypeptides with other amino acids apart from proline. Similarly, a more compact right handed polyproline I helix (PPI, poly Pro I) is formed when sequential residues all adopt (φ,ψ) backbone dihedral angles of roughly ( 75°, 160°) and have cis isomers of their peptide bonds. Of the twenty common naturally occurring amino acids, only proline is likely to adopt the cis isomer of the peptide bond, specifically the X Pro peptide bond; steric and electronic factors heavily favor the trans isomer in most other peptide bonds. However, peptide bonds that replace proline with another N substituted amino acid (such as sarcosine) are also likely to adopt the cis isomer.
Полипролин II спираль
PPII спиральді (φ,ψ) тірек диэдрлік бұрыштары шамамен (75°, 150°) және пептидтік байланыстардың транс изомерлері анықтайды. Транс-изомерлері бар кез келген полипептидтік спиральдің қалдыққа айналу бұрышы Ω теңдеумен беріледі. Бұл теңдеуге полипро II (φ,ψ) диэдрлік бұрыштарын ауыстыру шамамен дәл Ω = 120° береді, яғни PPII спираль - сол жақ спираль (о Ω теріс болғандықтан) айналымда үш қалдықпен (360°/120° = 3). Қалдықтың өсуі шамамен 3,1 Å құрайды. Бұл құрылым негізінен пролин, гидроксипролин және глициннен тұратын талшықты протеин коллагенінің құрылысына ұқсас. PPII спиральдері SH3 домендерімен ерекше байланысады; бұл байланысу көптеген ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулері үшін және тіпті бір ақуыздың домендері арасындағы өзара әрекеттесулер үшін маңызды. PPII спираль салыстырмалы түрде ашық және ішкі сутекті байланысы жоқ, бұдан да көп таралған спиральді екінші құрылымдар, альфа спираль және оның туыстары 310 спираль және пи спираль, сондай-ақ β спиральге қарама-қайшы. Амид азот пен оттегі атомдары бір-бірінен тым алыс (шамамен 3,8 Å) және сутекті байланыстыру үшін дұрыс емес бағытта орналасқан. Сонымен қатар, бұл атомдар пролиндегі H байланысын қабылдайтын элементтер болып табылады; циклдік жақтау тізбегінің арқасында H байланысы доноры жоқ. PPII тірек диэдрлік бұрыштары (75°, 150°) ақуыздарда, тіпті пролиннен басқа амин қышқылдары үшін де жиі байқалады. Рамачандран учаскесі PPII аймағында бета-қапшықты аймақпен салыстырғанда көп орналасқан (135°, 135°). Мысалы, PPII арқалық диэдрлік бұрыштар жиі кезекпен байқалады, көбінесе II типті β кезегінің бірінші қалдықтарында. PPII арқалық диэдрлік бұрыштарының "көрініс суреті" (75°, 150°) ахиралдық аминокислота глициннің полимерлерінде болғаннан басқа, сирек кездеседі. Полиглициндегі полипро II спиральдің аналогы полиглик II спираль деп аталады. Гипогаструра харвейдің антифриз ақуыздары сияқты кейбір ақуыздар глицинге бай полиглицин II спиральдерінің бундельдерінен тұрады. Бұл ерекше ақуыздың 3D құрылымы белгілі, оның бірегей NMR спектрлері бар және димеризация және 28 Cα H·O=C сутекті байланыстар арқылы тұрақтандырылады. PPII спиральді трансмембраналық белоктарда жиі кездеспейді және бұл екінші құрылым табиғи жағдайларда липидтік мембраналарды кесіп өтпейді. 2018 жылы Германиядан келген зерттеушілер тобы арнайы жасалған жасанды пептидтер арқылы құрылған алғашқы трансмембраналық PPII спиральді құрастырды және тәжірибелік бақылау жасады.
Substitution of the poly Pro II (φ,ψ) dihedral angles into this equation yields almost exactly Ω = 120°, i. e., the PPII helix is a left handed helix (since Ω is negative) with three residues per turn (360°/120° = 3). The rise per residue is approximately 3.1 Å. This structure is somewhat similar to that adopted in the fibrous protein collagen, which is composed mainly of proline, hydroxyproline, and glycine. PPII helices are specifically bound by SH3 domains; this binding is important for many protein protein interactions and even for interactions between the domains of a single protein. The PPII helix is relatively open and has no internal hydrogen bonding, as opposed to the more common helical secondary structures, the alpha helix and its relatives the 310 helix and the pi helix, as well as the β helix. The amide nitrogen and oxygen atoms are too far apart (approximately 3.8 Å) and oriented incorrectly for hydrogen bonding. Moreover, these atoms are both H bond acceptors in proline; there is no H bond donor due to the cyclic side chain. The PPII backbone dihedral angles ( 75°, 150°) are observed frequently in proteins, even for amino acids other than proline. The Ramachandran plot is highly populated in the PPII region, comparably to the beta sheet region around ( 135°, 135°). For example, the PPII backbone dihedral angles are often observed in turns, most commonly in the first residue of a type II β turn. The "mirror image" PPII backbone dihedral angles (75°, 150°) are rarely seen, except in polymers of the achiral amino acid glycine. The analog of the poly Pro II helix in poly glycine is called the poly Gly II helix. Some proteins, such as the antifreeze protein of Hypogastrura harveyi consist of bundles of glycine rich polyglycine II helices. This remarkable protein, whose 3D structure is known, has unique NMR spectra and is stabilized by dimerization and 28 Cα H··O=C hydrogen bonds. The PPII helix is not common in transmembrane proteins, and this secondary structure does not traverse lipid membranes in natural conditions. In 2018, a group of researcher from Germany constructed and experimentally observed the first transmembrane PPII helix formed by specifically designed artificial peptides.
Полипролин I спираль
Полипро I спиральінің тығыздығы PPII спиральінен оның пептидтік байланыстарының цис изомерлеріне байланысты әлдеқайда тығыз. Оның типтік диэдрлік бұрыштары (75°, 160°) PPII спиральді бұрыштарға жақын, бірақ бірдей емес. Алайда, PPI спираль оң жақ спираль және тығыз ораулы, бір айналымда шамамен 3,3 қалдық бар (3-ге қарағанда). PPI спиральіндегі қалдықтар бойынша өсу де әлдеқайда аз, шамамен 1,9 Å. Тағы да, полипро I спиральінде ішкі сутек байланысы жоқ, өйткені H байланысы донор атомның болмауы және амид азот пен оттегі атомдарының тым алыстауы (қайтадан шамамен 3,8 Å) және дұрыс емес бағытталуы.
Құрылымдық қасиеттері
Дәстүрлі түрде PPII салыстырмалы түрде қатты болып саналады және құрылымдық биологияда "молекулалық билеуші" ретінде қолданылады, мысалы, FRET тиімділігін өлшеуді калибрлеу үшін. Алайда, кейінгі тәжірибелік және теориялық зерттеулер полипролин пептидінің "қатаң таяқ" ретінде осы суретіне күмән келтірді. Терахерц спектроскопиясы мен тығыздық функционалдық теориясының есептеулерін пайдалана отырып, жүргізілген қосымша зерттеулер полипролиннің бастапқыда ойланғаннан әлдеқайда аз қатаң екенін көрсетті. Полипролиннің PPII және PPI спиральдік формалары арасындағы өзара конверсиялар X Pro cis транс изомеризациясының жоғары активациялық энергиясына байланысты баяу (Ea ≈ 20 ккал / моль); дегенмен, бұл өзара конверсияны пролил изомеразалары немесе PPIазалар деп аталатын белгілі изомеразалар катализациялауы мүмкін. PPII және PPI спиральдері арасындағы өзара конверсия бүкіл пептидтік тізбекте цис транс пептидтік байланыстың изомеризациясын қамтиды. Иондық мобильділік спектрометриясына негізделген зерттеулер осы процесте аралық заттардың белгілі бір жиынтығының бар екенін көрсетті.