Кіріспе

Альфа спиралі (немесе α спиралі) – ақуыздағы аминқышқылдарының спираль тәрізді бұралған тізбегі. Альфа спиралі – ақуыздардың екіншілік құрылымындағы ең көп кездесетін құрылымдық элемент. Бұл сонымен қатар ең айқын жергілікті құрылым және аминқышқылдарының тізбегінен ең оңай болжанатын жергілікті құрылым болып табылады. Альфа спиралі оң жақты спираль конформациясына ие, онда әрбір негізгі N-H тобы ақуыз тізбегіндегі төрт қалдықтан бұрынғы аминқышқылының C=O тобымен сутекті байланыс жасайды.

Геометрия және сутекті байланыс

А-спиральдағы аминқышқылдары оң жақты спиральді құрылымда орналасады, онда әрбір аминқышқыл қалдығы спиральде 100° бұрылысқа сәйкес келеді (яғни, спиральде бұрылыс бойынша 3,6 қалдық бар) және спираль осі бойымен жылжу жасалады. Дюниц Паулингтің осы тақырыптағы алғашқы мақаласында шын мәнінде сол жақты спиральды, нағыз құрылымның энантиомерін көрсеткенін сипаттайды. Сол жақты спиральдың қысқа бөліктері кейде ахиралды глицин аминқышқылдарының көп мөлшерінде кездеседі, бірақ басқа қалыпты, биологиялық аминқышқылдары үшін қолайсыз. Альфа спиральдің биіктігі (спиральдің тікелей айналымдары арасындағы вертикальді қашықтық) 1,5 және 3,6 көбейтіндісіне тең. Ең бастысы, бір аминқышқылының N H тобы төрт қалдық бұрынғы аминқышқылының C=O тобымен сутектік байланыс жасайды; бұл қайталанатын i + 4 → i сутектік байланыс α спиральдің ең ерекше қасиеті болып табылады. Ресми халықаралық номенклатура α спиральдарды анықтаудың екі тәсілін көрсетеді: 6.2 ережесі φ, ψ бұрылыс бұрыштарының қайталануы бойынша (төменде қараңыз) және 6.3 ережесі биіктік пен сутектік байланыстың біріктірілген үлгісі бойынша. α спиральдарды ақуыз құрылымында бірнеше есептеу әдістерін қолдана отырып анықтауға болады, мысалы DSSP (Ақуыздың екінші құрылымын анықтау). Ұқсас құрылымдарға 310 спираль (i + 3 → i сутектік байланыс) және π спираль (i + 5 → i сутектік байланыс) жатады. α спиральды 3,613 спираль деп сипаттауға болады, себебі i + 4 арақашықтығы H байланысқан циклға тығыз 310 спиральмен салыстырғанда үш қосымша атом қосады және орташа есеппен 3,6 аминқышқылы α спиральдің бір сақинасына қатысады. Индекстер сутектік байланыс арқылы құралған жабық циклдегі атомдардың санын (сутегін қоса алғанда) көрсетеді. α спиральдардағы қалдықтар әдетте омыртқалық (φ, ψ) диэдр бұрыштарын (−60°, −45°) қабылдайды, суретте көрсетілгендей. Жалпы алғанда, олар диэдр бұрыштарын қабылдайды, сондықтан бір қалдықтың ψ диэдр бұрышы мен келесі қалдықтың φ диэдр бұрышының қосындысы шамамен −105° тең болады. Осының салдарынан, α спиральдық диэдр бұрыштары, әдетте, Рамачандран диаграммасындағы (еңісі −1) диагональді жолақта орналасады, (−90°, −15°) мен (−70°, −35°) аралығында. Салыстыру үшін, 310 спираль үшін диэдр бұрыштарының қосындысы шамамен −75°, ал π спираль үшін шамамен −130°. Кез келген полипептидтік спиральдың бір қалдығына айналу бұрышының Ω жалпы формуласы транс-изомерлері бар жағдайда келесі теңдеумен беріледі.

α спираль тығыз жиналған; спираль ішінде дерлік бос орын жоқ. Аминқышқылдарының бүйірлік тізбектері спиральдің сыртында орналасқан және шамамен "төменге" (яғни N ұшына қарай) бағытталған, мәңгі жасыл ағаштың бұтақтары сияқты (Шыршы эффектісі). Бұл бағытты белгілі бір жағдайда, электрондық тығыздық карталарын төменгі ажыратымдылықта алдын ала анықтау үшін қолдануға болады, осы арқылы ақуыз омыртқасының бағытын анықтауға болады.

Тұрақтылық

Белоктарда байқалатын спиральдер ұзындығы төрттен қырыққа дейін қалдықтан асып түсуі мүмкін, бірақ әдеттегі спираль шамамен он аминқышқылынан (шамамен үш айналым) тұрады. Жалпы, қысқа полипептидтер ерітіндіде α спиральді құрылымды көп көрсете бермейді, себебі полипептид тізбегінің бүктелуімен байланысты энтропиялық шығын, жеткілікті мөлшердегі тұрақтандырушы өзара әрекеттесулермен толық өтелмейді. Әдетте, α спиральдердің негізгі сутекті байланыстары β-парақтардағыдай күшті болмайды және оларға қоршаған су молекулалары оңай шабуыл жасайды. Дегенмен, гидрофобты ортада, мысалы плазмалық мембранада, трифторэтанол (TFE) сияқты қосымша еріткіштердің болуында немесе еріткіштен оқшауланған газ фазасында олигопептидтер оңай тұрақты α спиральді құрылымға өтеді. Сонымен қатар, спиральді бүктелуді конформациялық тұрақтандыру үшін пептидтерге тік байланыстарды енгізуге болады. Тік байланыстар, бүктеліп қалған күйді энтропиялық тұрақсыздандыру арқылы және толық спиральді күймен бәсекелесетін, энталпиялық тұрақтандырылған "жалған" бүктелулерді жою арқылы спиральді күйді тұрақтандырады. Табиғи және жасанды белоктарда α спиральдері β-талшықтардан гөрі тұрақтырақ, мутацияларға төзімді және жобалауға қолайлы екені көрсетілген.

Көрнекілендіру

Олигопептидтік тізбектердің альфа-спиральді екінші құрылымдарын визуализациялаудың ең көп таралған 3 жолы: 1) спиральді дөңгелек, 2) вэньсян диаграммасы және 3) спиральді тор. Олардың әрқайсысын әртүрлі бағдарламалық қамтамасы және веб-серверлер арқылы көруге болады. Шамалы диаграммаларды жасау үшін Heliquest спиральді дөңгелектерге, ал NetWheels спиральді дөңгелектер мен спиральді торларға қолданылуы мүмкін. Көптеген диаграммаларды бағдарламалық жолмен жасау үшін helixvis-ті R және Python бағдарламалау тілдерінде спиральді дөңгелектер мен вэньсян диаграммаларын салу үшін пайдалануға болады.

Эксперименттік анықтау

α спираль сутекті байланыстармен және тірекше пішінімен анықталғандықтан, α спиральді құрылымның ең толық тәжірибелік дәлелі оң жақта көрсетілген мысал сияқты атомдық дәлдіктегі рентген кристаллографиясынан келеді. Барлық тірекше карбонил оттегі атомдары төмен қарай (C ұшына қарай) бағытталғанымен, сәл жайылып, ал H байланыстары спираль осіне шамамен параллель екені анық көрінеді. Ядролық магниттік резонанс (NMR) спектроскопиясынан алынған ақуыз құрылымдары да спиральдарды жақсы көрсетеді, көршілес спиральді айналымдардағы атомдар арасындағы ядролық Оверхаузер эффектісінің (NOE) ерекше байланысын көрсетеді. Кейбір жағдайларда жеке сутекті байланыстарды NMR-де шағын скалярлық байланыс ретінде тікелей байқауға болады. Жалпы спиральді құрылымды анықтау үшін бірнеше төмен ажыратымды әдістер бар. NMR химиялық ығысулары (әсіресе Cα, Cβ және C') және қалдық дипольдік байланыстар көбінесе спиральдарға тән. Шектеулі ультракүлгін (170–250 нм) дөңгелек дихроизм спектрі спиральдар үшін ерекше, 208 және 222 нм шамасында айқын екі ең төмен нүктесі бар. Инфрақызыл спектроскопия сирек қолданылады, себебі α спиральді спектр ретсіз орам спектріне ұқсайды (бірақ оларды, мысалы, сутегі-дейтерий алмасу арқылы анықтауға болады). Соңында, криоэлектрондық микроскопия қазір ақуыз ішіндегі жеке α спиральдарды ажырата алады, бірақ оларды қалдықтарға сәйкестендіру әлі де белсенді зерттеу саласы болып табылады. Аминқышқылының ұзын гомополимерлері ерітілген жағдайда көбінесе спираль құрайды. Мұндай ұзын, оқшауланған спиральдарды диэлектрлік релаксация, ағын бифрекциясы және диффузия тұрақтысын өлшеу сияқты басқа әдістермен де анықтауға болады. Қатаң айтқанда, бұл әдістер тек спиральдің ерекше пролат (ұзын сигара тәрізді) гидродинамикалық пішінін немесе оның үлкен дипольдік моментін анықтайды.

Диполды момент

Геликстің жалпы дипольдік моменті пептидтік байланыстың карбонил топтарынан шығатын, геликстің осі бойымен бағытталған жеке микродипольдердің жиынтық әсерінен пайда болады. Бұл макродипольдің әсеріне қатысты пікірлер әртүрлі. α-геликстер көбінесе N-терминальдық ұшы теріс зарядталған топпен байланысқан кезде кездеседі, мысалы, глутамат немесе аспартат сияқты аминқышқылының тізбегімен немесе фосфат ионымен. Кейбір ғалымдар геликстің макродиполі осындай топтармен электростатикалық әрекеттеседі деп санайды. Ал басқалары бұл дұрыс емес деп есептейді және α-геликстің N-ұшындағы бос NH топтарының сутекті байланыс құру мүмкіндігін сутекті байланыс арқылы қанағаттандыру орындырақ дейді; мұны 1=C=O···H−N сияқты жергілікті микродипольдер арасындағы өзара әрекеттесулер жиынтығы деп қарастыруға болады.

Бұрандалы бұрандалар

"А" орамды орамдар – екі немесе одан көп орамдардың "суперорам" құрылымында бір-біріне оралып, өте тұрақты форма құрайтын құрылымдар. Орамды орамдарда сериялық қайталану деп аталатын ерекше тізбекті мотив кездеседі, онда мотив тізбек бойымен әр жеті қалдықта қайталанады (аминоқышқыл қалдықтары, ДНК негіздері емес). Бірінші, әсіресе төртінші қалдықтар (a және d позициялары деп аталады) көбінесе гидрофобты болады; төртінші қалдық әдетте лейцин болып табылады, осыдан орамды орамның бір түрі – лейцин "жіпшесі" деп аталатын құрылымдық мотивтің атауы шыққан. Гидрофобты қалдықтар спиральдық жиынтықтың ішкі жағында жиналады. Әдетте, бесінші және жетінші қалдықтар (e және g позициялары) қарама-қарсы зарядталған болып келеді және электростатикалық өзара әрекеттесу арқылы тұз көпірін құрайды. Кератин сияқты талшықты ақуыздар немесе миозин мен кинезиннің "сабақтары" жиі орамды орам құрылымын қабылдайды, сондай-ақ бірнеше димеризацияланатын ақуыздар да осы құрылымды пайдаланады. Орамды орамдардың жұбы – төрт спиральді жиынтық – ақуыздардағы өте кең таралған құрылымдық мотив. Мысалы, ол адамның өсу гормонында және цитохромның бірнеше түрлерінде кездеседі. Бактерияларда плазмида көбеюін қамтамасыз ететін Rop протеині – бір полипептидтің орамды орам түрінде және екі мономердің төрт спиральді жиынтықты құрайтын қызықты мысал.

Беттің көрінісі

Белгілі бір спираль құрайтын аминқышқылдарын спиральді дөңгелекке түсіруге болады, бұл құраушы аминқышқылдарының бағытын көрсететін бейнелеу (мұндай диаграмма үшін лейцин ципрі туралы мақаланы қараңыз). Көбінесе шар тәрізді ақуыздарда, сондай-ақ орамды орамдар мен лейцин циптері сияқты арнайы құрылымдарда α спираль екі "бет" көрсетеді: бірі негізінен гидрофобты аминқышқылдарынан тұрады және ақуыздың ішкі, гидрофобты ядросына бағытталған, ал екіншісі негізінен полярлы аминқышқылдарынан тұрады және ақуыздың еріткішпен байланысатын бетіне бағытталған. Беттік ұйымдасқан олигопептидтерде де байланыс бағытының өзгеруі байқалады. Бұл үлгі антимикробтық пептидтерде кең таралған, және олардың функциясымен байланысын сипаттау үшін көптеген модельдер жасалған. Көптеген модельдерде ортақ нәрсе – антимикробтық пептидтің гидрофобтық беті мембраналық ядродағы майлы тізбектермен байланысқаннан кейін плазмалық мембранада тесіктер қалыптастырады.

Үлкен масштабтағы құрастырулар

Миоглобин мен гемоглобин, олардың құрылымы рентгендік кристаллография арқылы анықталған алғашқы екі ақуыз, шамамен 70% α спиральдан тұратын өте ұқсас бүктемеге ие, ал қалғаны қайталанбайтын аймақтар немесе спиральдарды байланыстыратын "ілмектер". Ақуыздарды басым бүктемелері бойынша жіктеуде, Ақуыз құрылымдық жіктеу дерекқоры барлық α ақуыздары үшін арнайы үлкен санатты ұстап тұрады. Гемоглобиннің тіпті іріктеулі төртіншілік құрылымы бар, онда функционалдық оттекті байланыстыратын молекула төрт суббірліктен тұрады.

ДНҚ-ға байлану

α Гелистер ДНК-ға байланысатын мотивтерде, оның ішінде гелистік бұрылысты гелистік мотивтерде, лейцин зиппер мотивтерінде және мырыш саусақ мотивтерінде ерекше маңызға ие. Бұл α спиральдің диаметрінің орташа бүйір тізбектерін қоса алғанда, B формасындағы ДНК-ның үлкен ойығының енімен шамалас болуына байланысты, сондай-ақ спиральдардың оралымды оралым (немесе лейцин зиппер) димерлері өзара әрекеттесу беттерінің жұбын екі спиральді ДНК-да жиі кездесетін симметриялық қайталануға тиімді орналастыра алады. Осы екі аспектінің мысалы ретінде Макс транскрипция факторын (сол жақтағы суретті қараңыз) келтіруге болады, ол димеризация үшін спиральді оралымды пайдаланады және ДНК-ның үлкен ойығының екі тізбектік айналымында өзара әрекеттесу үшін тағы бір спираль жұбын орналастырады.

Мембраналық кеңістік

α Гелистер биологиялық мембраналарды (трансмембраналық белок) кесіп өтетін ең көп кездесетін белок құрылымдық элементі болып табылады. Бұл, гелистік құрылымның барлық омыртқалық сутекті байланыстарын іштен қанағаттандыру қабілетіне байланысты, ал егер бүйір тізбектері гидрофобты болса, полярлық топтар мембранаға шығарылмайды деп есептеледі. Белоктар кейде бір спираль арқылы, кейде жұп спираль арқылы, ал кейде спиральдық жиынтық арқылы бекітіледі. Көбінесе, родопсин (оң жақтағы суретті қараңыз) және басқа G белоктарымен байланысқан рецепторлар (GPCR) сияқты, сақина тәрізді жоғары және төмен орналасқан жеті спиральден тұрады. α Гелистік трансмембраналық домендердің жұптары арасындағы құрылымдық тұрақтылық, сақталған мембраналық спиральдар аралық жинақы мотивтерге, мысалы, Глицин xxx Глицин (немесе кішкентай xxx кішкентай) мотивтеріне байланысты.

Механикалық қасиеттері

α Аксиалды созу деформациясы, көптеген альфа-спиральға толы жіпшелер мен тіндерде кездесетін ерекше жүктеме жағдайы, қатты-жұмсақ-қатты тангенттік модульдің үш фазалық қасиеттеріне алып келеді. I фаза спиральдың біркелкі созылуына сәйкес келетін кішкентай деформация режимін көрсетеді, одан кейін II фаза басталады, онда альфа-спиральді бұрылыстар H байланыстары топтарының үзілуі нәтижесінде бұзылады. III фаза әдетте үлкен деформация кезінде коваленттік байланыстың созылуымен байланысты.

Динамикалық ерекшеліктері

Ақуыздағы альфа-спиральдар Раман спектроскопиясы арқылы байқалатын және квази-континуумдық модельмен талдалатын, төмен жиілікті аккордеон сияқты қозғалысқа ие болуы мүмкін. Үшіншілік өзара әрекеттесулермен бекітілмеген спиральдар динамикалық мінез-құлық көрсетеді, бұл негізінен спиральдың ұштарынан бұзылуына байланысты.

Геликс-кольцоның ауысуы

Аминқышқылдарының гомополимерлері (мысалы, полилизин) төмен температурада α спиральді құрылымға ие болады, ол жоғары температурада "бұзылады". Бұл спираль-орамдық өту бұрын ақуыздың денатурациялануымен салыстырылған. Бұл өтудің статистикалық механикасы екі параметрмен сипатталатын әсем көшіру матрицасы әдісі арқылы модельделуге болады: спиральды бастауға бейімділік және спиральды ұзартуға бейімділік.

Өнер саласында

Кем дегенде бес суретші өз жұмыстарында α спиральға тікелей сілтеме жасады: суретші Джули Ньюдолл және мүсінші Джулиан Восс Андреа, Батшеба Гроссман, Байрон Рубин және Майк Тайка. Сан-Францисколық суретші Джули Ньюдолл 1990 жылдан бері микробиология және өнер саласындағы білімін пайдаланып, микроскопиялық бейнелер мен молекулалардан шабыттанған суреттермен айналысып келеді. Оның "Альфа спиральінің өрлеуі" (2003) атты суретінде α спираль түрінде орналасқан адам фигуралары бейнеленген. Суретшінің сөзіне сәйкес, "гүлдер әрбір аминқышқылының әлемге ұсынатын әртүрлі тізбектерін көрсетеді". Ал спиральды ол өте жақсы көретін нысан ретінде қарастырады, оның негізі белок құрылымы. Восс Андреа бамбук және толық ағаштар сияқты әртүрлі материалдардан α спираль мүсіндерін жасаған. А спиральді ашқан Линус Полингтің есін сақтау үшін 2004 жылы жасалған Восс Андреаның ескерткіші α спираль құрылымына келтірілген үлкен болат арқалықтан жасалған. 3 метрлік, жарқыраған қызыл түсті мүсін Полингтің балалық шағындағы Портлендтегі үйінің алдында орналасқан. Батшеба Гроссман жасаған инсулин, гемоглобин және ДНК полимераза сияқты белок құрылымдарының лазермен кесілген кристалды мүсіндерінде α спиральдерінің ленталық диаграммалары маңызды элемент болып табылады. Байрон Рубин – бұрынғы белок кристаллографы, қазір белоктардың, нуклеин қышқылдарының және дәрілік молекулалардың металдан жасалған мүсіншісі, олардың көпшілігі α спиральдарды қамтиды, мысалы, субтилизин, адам өсу гормоны және фосфолипаза А2. Майк Тайка – Вашингтон университетінде Дэвид Бейкермен жұмыс істейтін есептеу биохимигі. Тайка 2010 жылдан бері мыс пен болаттан, соның ішінде убиквитин және калий арнасы тетрамерінен ақуыз молекулаларының мүсіндерін жасап келеді.