Введение
Тип вторичной структуры белка Полипролиновая спираль - это тип вторичной структуры белка, который встречается в белках, содержащих повторяющиеся остатки пролина. Леворукая полипролиновая спираль II (PPII, poly Pro II, κ helix) образуется, когда последовательные остатки принимают (φ,ψ) диэдрические углы костного мозга примерно (75°, 150°) и имеют транс-изомеры своих пептидных связей. Эта конформация PPII также распространена в белках и полипептидах с другими аминокислотами, кроме пролина. Аналогичным образом, более компактная праворучная полипролиновая спираль I (PPI, poly Pro I) образуется, когда последовательные остатки принимают (φ,ψ) диэдрические углы костного мозга примерно (75°, 160°) и имеют цис-изомеры своих пептидных связей. Из двадцати распространенных природных аминокислот только пролин, вероятно, будет принимать цис-изомер пептидной связи, в частности, пептидную связь X Pro; стерические и электронные факторы в значительной степени благоприятствуют транс-изомеру в большинстве других пептидных связей. Однако пептидные связи, которые заменяют пролин другой N-замещенной аминокислотой (например, саркозином), также могут принимать цис-изомер.
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.
Полипролиновая спираль II
Спираль PPII определяется (φ,ψ) диэдрическими углами спинной кости примерно (75°, 150°) и транс-изомерами пептидных связей. Угол вращения Ω на остаток любой полипептидной спирали с транс-изомерами дается уравнением Замена двугранных углов полипро II (φ,ψ) в это уравнение дает почти точно Ω = 120°, т.е. спираль PPII является левосторонней спиралью (поскольку Ω отрицательна) с тремя остатками на поворот (360°/120° = 3). Увеличение на остаток составляет приблизительно 3,1 Å. Эта структура несколько похожа на структуру волоконного белка коллагена, который состоит в основном из пролина, гидроксипролина и глицина. PPII спирали специфически связаны доменами SH3; это связывание важно для многих белковых белковых взаимодействий и даже для взаимодействий между доменами одного белка. В отличие от более распространенных спиральных вторичных структур, альфа-спираль и ее родственники, спираль 310 и спираль pi, а также спираль β, спираль PPII относительно открыта и не имеет внутренних водородных связей. Атомы амидного азота и кислорода слишком далеко друг от друга (примерно 3,8 Å) и неправильно ориентированы для связи водорода. Более того, эти атомы являются акцепторами H-связи в пролине; нет донора H-связи из-за циклической боковой цепи. Угол диэдральной основы PPII (75°, 150°) часто наблюдается в белках, даже для аминокислот, отличных от пролина. Рамачандранский участок имеет высокую плотность населения в регионе PPII, сопоставимо с регионом бета-листов вокруг (135°, 135°). Например, диэдрические углы основы PPII часто наблюдаются в поворотах, чаще всего в первом остатке β-поворота типа II. "Зеркальный образ" PPII позвоночника диэдрические углы (75°, 150°) редко встречаются, за исключением полимеров ахиральной аминокислоты глицина. Аналог полипро II спирали в полиглицине называется полигли II спиралью. Некоторые белки, такие как антифризный белок Hypogastrura harveyi, состоят из пучков богатых глицином полиглицинных спиралей II. Этот замечательный белок, чья трехмерная структура известна, имеет уникальные спектры NMR и стабилизируется димеризацией и 28 водородными связями Cα H··O=C. В трансмембранных белках спираль PPII не встречается часто, и эта вторичная структура не проходит через липидные мембраны в естественных условиях. В 2018 году группа исследователей из Германии построила и экспериментально наблюдала первую трансмембранную спираль PPII, образованную специально разработанными искусственными пептидами.
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.
Полипролиновая спираль I
Полипро I спираль намного плотнее, чем PPII спираль из-за цис-изомеров его пептидных связей. Он также более редкий, чем конформация PPII, потому что цис-изомер имеет более высокую энергию, чем транс. Его типичные двугранные углы (75°, 160°) близки, но не идентичны, тем, что у спирали PPII. Однако спираль PPI является правосторонней спиралью и более плотно накрученной, с примерно 3,3 остатками на поворот (а не 3). Увеличение на остаток в спирали PPI также намного меньше, примерно 1,9 Å. Опять же, внутри гидрогеновой связи в полипро I спирали нет, как потому, что атом-донор H-связи отсутствует, так и потому, что атомы амидного азота и кислорода слишком далеки (опять-таки примерно 3,8 Å) и неправильно ориентированы.
Структурные свойства
Традиционно PPII считается относительно жестким и используется в качестве "молекулярного линейного столба" в структурной биологии, например, для калибровки измерений эффективности FRET. Однако последующие экспериментальные и теоретические исследования поставили под сомнение эту картину полипролинового пептида как "жесткого стержня". Дальнейшие исследования с использованием терагерцовой спектроскопии и расчетов теории функциональной плотности выявили, что полипролин на самом деле гораздо менее жесткий, чем первоначально предполагалось. Межконверсии между PPII и PPI спиральными формами полипролина происходят медленно из-за высокой энергии активации X Pro cis транс-изомеризации (Ea ≈ 20 ккал / моль); однако, эта межконверсия может быть катализирована специфическими изомеразами, известными как пролил-изомеразы или PPIазы. Взаимная конверсия между спиралями PPII и PPI включает изомеризацию цис-транс-пептидной связи вдоль всей пептидной цепи. Исследования, основанные на спектрометрии ионной подвижности, показали существование определенного набора промежуточных веществ в этом процессе.