Введение

Тип вторичной структуры белков

Альфа-спираль (или α-спираль) — это последовательность аминокислот в белке, скрученная в спираль. Альфа-спираль является наиболее распространенной структурной организацией во вторичной структуре белков. Она также представляет собой наиболее выраженный тип локальной структуры и является той локальной структурой, которую легче всего предсказать на основе последовательности аминокислот. Альфа-спираль имеет правозакрученную конформацию, в которой каждая N−H группа пептидной связи образует водородную связь с C=O группой аминокислоты, расположенной на четыре аминокислотных остатка ранее в последовательности белка.

Геометрия и водородная связь

Аминокислоты в α-спирали расположены в правосторонней спиральной структуре, где каждый аминокислотный остаток соответствует повороту спирали на 100° (т.е. спираль содержит 3,6 остатка на оборот) и сдвигу вдоль спиральной оси. Дюниц описывает, как первая статья Полинга на эту тему фактически демонстрирует леворукую спираль, энантиомер истинной структуры. Короткие фрагменты левой спирали иногда встречаются при высоком содержании ахирального глицина, но неблагоприятны для других нормальных, биологических аминокислот. Шаг α-спирали (вертикальное расстояние между последовательными витками спирали) равен , что является произведением 1,5 и 3,6. Самое важное, что N-H группа одной аминокислоты образует водородную связь с C=O группой аминокислоты, расположенной на четыре остатка ранее; это повторяющееся водородное связывание i + 4 → i является наиболее характерной чертой α-спирали. Официальная международная номенклатура определяет два способа определения α-спиралей: правило 6.2, основанное на повторяющихся углах кручения φ и ψ (см. ниже), и правило 6.3, основанное на комбинированной схеме, учитывающей шаг спирали и водородные связи. α-спирали могут быть идентифицированы в структуре белка с использованием различных вычислительных методов, таких как DSSP (определение вторичной структуры белка). К схожим структурам относятся 310-спираль (водородное связывание i + 3 → i) и π-спираль (водородное связывание i + 5 → i). α-спираль можно описать как спираль 3.613, поскольку интервал i + 4 добавляет три дополнительных атома к H-связанному циклу по сравнению с более плотной 310-спиралью, и в среднем 3,6 аминокислот участвуют в одном витке α-спирали. Индексы относятся к числу атомов (включая водород) в замкнутом цикле, образованном водородной связью. Остатки в α-спиралях обычно принимают основные (φ, ψ) двугранные углы около (−60°, −45°), как показано на рисунке справа. В более общем виде они принимают двугранные углы, при которых сумма ψ двугранного угла одного остатка и φ двугранного угла следующего остатка составляет примерно −105°. Следовательно, двугранные углы α-спирали, как правило, располагаются на диагональной полосе на диаграмме Рамачандрана (с наклоном −1) в диапазоне от (−90°, −15°) до (−70°, −35°). Для сравнения, сумма двугранных углов для 310-спирали составляет примерно −75°, а для π-спирали – примерно −130°. Общая формула для угла поворота Ω на остаток любой полипептидной спирали с транс-изомерами задается уравнением: α-спираль плотно упакована; внутри спирали практически нет свободного пространства. Боковые цепи аминокислот находятся снаружи спирали и направлены примерно "вниз" (т.е. к N-концу), подобно ветвям хвойного дерева (эффект рождественской елки). Эта направленность иногда используется в предварительных картах электронной плотности с низким разрешением для определения направления белкового скелета.

Стабильность

Гелики, наблюдаемые в белках, могут содержать от четырех до более чем сорока аминокислотных остатков, но типичный геликс состоит примерно из десяти аминокислот (около трех витков). Как правило, короткие полипептиды не проявляют выраженной α-спиральной структуры в растворе, поскольку энтропийные издержки, связанные со сворачиванием полипептидной цепи, не компенсируются достаточным количеством стабилизирующих взаимодействий. В общем случае, водородные связи в α-спиралях считаются несколько слабее, чем в β-листах, и подвержены атаке окружающих молекул воды. Однако в более гидрофобных средах, таких как плазматическая мембрана, или в присутствии сорастворителей, таких как трифторэтанол (TFE), или в отсутствие растворителя в газовой фазе, олигопептиды легко приобретают стабильную α-спиральную структуру. Кроме того, в пептиды можно вводить сшивки для конформационной стабилизации спиральных структур. Сшивки стабилизируют спиральное состояние, энтропийно дестабилизируя развернутое состояние и устраняя энталпийно стабилизированные конкурирующие структуры ("ловушки"), препятствующие формированию полностью спирального состояния. Показано, что α-спирали более стабильны, устойчивы к мутациям и поддаются проектированию, чем β-цепи как в природных белках, так и в искусственно сконструированных белках.

Визуализация

3 наиболее популярных способа визуализации альфа-спиральной вторичной структуры олигопептидных последовательностей: (1) спиральное колесо, (2) диаграмма Вэньсяна и (3) спиральная сеть. Каждый из этих способов может быть реализован с помощью различных программных пакетов и веб-серверов. Для генерации небольшого числа диаграмм Heliquest можно использовать для создания спиральных колес, а NetWheels – для спиральных колес и спиральных сетей. Для программной генерации большого количества диаграмм helixvis можно использовать для отрисовки спиральных колес и диаграмм Вэньсяна на языках программирования R и Python.

Экспериментальное определение

Поскольку α-спираль определяется водородными связями и конформацией ее пептидной цепи, наиболее детальные экспериментальные доказательства α-спиральной структуры поступают из рентгеноструктурного анализа с атомным разрешением, как показано в примере справа. Очевидно, что все карбонильные кислороды пептидной цепи направлены вниз (к C-концу), но слегка расставлены, а водородные связи приблизительно параллельны оси спирали. Структуры белков, полученные с помощью ЯМР-спектроскопии, также хорошо отображают спирали, с характерными наблюдениями ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) между атомами на соседних витках спирали. В некоторых случаях отдельные водородные связи можно наблюдать непосредственно как небольшое скалярное взаимодействие в ЯМР. Существует несколько методов с более низким разрешением для определения общей спиральной структуры. Химические сдвиги ЯМР (в частности, Cα, Cβ и C') и остаточные диполярные связи часто характерны для спиралей. Спектр кругового дихроизма в дальнем ультрафиолете (170–250 нм) спиралей также имеет специфические особенности, демонстрируя выраженный двойной минимум примерно при 208 и 222 нм. Инфракрасная спектроскопия используется редко, поскольку спектр α-спирали похож на спектр случайной катушки (хотя их можно различить, например, с помощью обмена водорода и дейтерия). Наконец, криоэлектронная микроскопия теперь способна различать отдельные α-спирали в белке, хотя их отнесение к конкретным аминокислотным остаткам все еще является активной областью исследований. Длинные гомополимеры аминокислот часто образуют спирали, если они растворимы. Такие длинные изолированные спирали также могут быть обнаружены другими методами, такими как диэлектрическая релаксация, течение с двойным лучепреломлением и измерения константы диффузии. В более строгом смысле, эти методы обнаруживают только характерную пролатную (вытянутую, как сигар) гидродинамическую форму спирали или ее большой дипольный момент.

Дипольный момент

Геликс обладает общим дипольным моментом благодаря суммарному эффекту отдельных микродиполей карбонильных групп пептидной связи, направленных вдоль оси геликса. Влияние этого макродиполя является предметом дискуссий. В α-спиралях часто наблюдается, что N-концевой конец связан с отрицательно заряженной группой, иногда боковой цепью аминокислоты, такой как глутамат или аспартат, а иногда и с фосфат-ионом. Некоторые полагают, что макродиполь спирали электростатически взаимодействует с такими группами. Другие считают, что это вводит в заблуждение, и более правильно говорить о том, что потенциал водородных связей свободных NH-групп на N-конце α-спирали может быть реализован посредством образования водородных связей; это также можно рассматривать как совокупность взаимодействий между локальными микродиполями, например, 1=C=O···H−N.

Смотры

Скрученные катушки (coiled coils) – это высокостабильные структуры, в которых две или более α-спирали обвиваются друг вокруг друга, образуя "суперкатушку". Скрученные катушки содержат весьма характерный мотив последовательности, известный как повторение гептады, в котором мотив повторяется каждые семь остатков вдоль последовательности (аминокислотные остатки, а не пары оснований ДНК). Первый и особенно четвертый остатки (известные как a и d позиции) почти всегда гидрофобные; четвертый остаток, как правило, лейцин, что и дало название структурному мотиву – "лейцинная молния" (leucine zipper), который является типом скрученной катушки. Эти гидрофобные остатки упаковываются вместе во внутренней части спирального пучка. В общем случае, пятый и седьмой остатки (позиции e и g) имеют противоположные заряды и образуют солевой мостик, стабилизированный электростатическими взаимодействиями. Волокнистые белки, такие как кератин, или "ножки" миозина и кинезина часто принимают структуру скрученных катушек, как и некоторые димеризующие белки. Пара скрученных катушек, то есть четырехспиральный пучок, является очень распространенным структурным мотивом в белках. Например, он встречается в гормоне роста человека и различных разновидностях цитохрома. Белок Rop, способствующий репликации плазмид у бактерий, представляет собой интересный пример, когда одна полипептидная цепь формирует скрученную катушку, а два мономера собираются, образуя четырехспиральный пучок.

Покрытие лица

Аминокислоты, составляющие определенную спираль, могут быть изображены на спиральном колесе – схеме, иллюстрирующей ориентацию составляющих аминокислот (см. статью о лейциновой молнии для примера такой диаграммы). Часто в глобулярных белках, а также в специализированных структурах, таких как коилы и лейциновые молнии, α-спираль проявляет два "лицевых" признака: одно лицевое содержит преимущественно гидрофобные аминокислоты, ориентированные к внутреннему пространству белка, в гидрофобное ядро, а другое – преимущественно полярные аминокислоты, ориентированные к поверхности белка, контактирующей с растворителем. Изменения в ориентации связывания также наблюдаются для олигопептидов, организованных по лицевому принципу. Такая закономерность особенно распространена в антимикробных пептидах, и было разработано множество моделей для описания связи этого явления с их функцией. Общим для многих из них является то, что гидрофобная поверхность антимикробного пептида формирует поры в плазматической мембране после взаимодействия с жирными цепями в ядре мембраны.

Большие сборы

Миоглобин и гемоглобин, первые два белка, чьи структуры были определены с помощью рентгеновской кристаллографии, имеют очень похожие укладки, состоящие примерно на 70% из α-спиралей, а остальное – это неповторяющиеся участки, или "петли", соединяющие спирали. При классификации белков по преобладающей укладке база данных структурной классификации белков (SCOP) содержит обширную категорию, специально предназначенную для белков, состоящих преимущественно из α-спиралей. Гемоглобин, в свою очередь, обладает еще более крупной четвертичной структурой, в которой функциональная молекула, связывающая кислород, состоит из четырех субъединиц.

Связывание с ДНК

α-спирали имеют особое значение в мотивах связывания ДНК, включая мотивы «спираль-поворот-спираль», мотивы «лейциновой молнии» и мотивы «цинковых пальцев». Это обусловлено удобным структурным фактом, что диаметр α-спирали, включая средний набор боковых цепей, примерно равен ширине большой бороздки ДНК формы B, а также тем, что димеры спиралей, образующие коилы (или «лейциновые молнии»), могут легко позиционировать пару взаимодействующих поверхностей для контакта с типом симметричных повторов, часто встречающихся в двухцепочечной ДНК. Примером обоих аспектов является транскрипционный фактор Max (см. изображение слева), который использует спиральный коил для димеризации, позиционируя другую пару спиралей для взаимодействия в двух последовательных витках большой бороздки ДНК.

Обширное протяжение мембраны

α-спирали также являются наиболее распространенным структурным элементом белков, пересекающим биологические мембраны (трансмембранные белки). Это объясняется тем, что спиральная структура способна формировать все необходимые водородные связи внутри себя, не оставляя полярные группы, подверженные воздействию мембраны, при условии, что боковые цепи гидрофобны. Белки могут быть закреплены одной спиралью, проходящей через мембрану, парой спиралей или пучком спиралей. Наиболее классическим примером является пучок из семи спиралей, расположенных вверх и вниз, образуя кольцо, как в родопсинах (см. изображение справа) и других G-белок-связанных рецепторах (GPCR). Структурная стабильность между парами α-спиральных трансмембранных доменов обеспечивается консервативными мотивами упаковки спиралей в мембране, например, мотивом Glycine xxx Glycine (или small xxx small).

Механические свойства

α-спирали при осевом растяжении, типичное условие нагрузки, возникающее во многих нитях и тканях, богатых α-спиралями, демонстрируют характерное трехфазное поведение с последовательностью "жесткий-мягкий-жесткий" для тангенциального модуля упругости. Фаза I соответствует области малых деформаций, в течение которой спираль растягивается равномерно, за ней следует фаза II, характеризующаяся разрывом α-спиральных витков из-за разрыва групп водородных связей. Фаза III обычно связана с большими деформациями и растяжением ковалентных связей.

Динамические особенности

Альфа-спирали в белках могут демонстрировать низкочастотные аккордеонные движения, наблюдаемые с помощью рамановской спектроскопии и анализируемые в рамках квазиконтинуальной модели. Спирали, не стабилизированные третичными взаимодействиями, проявляют динамическое поведение, которое в основном связано с расплетанием спирали с концов.

Переход спиральной катушки

Гомополимеры аминокислот (такие как полилизин) могут приобретать α-спиральную структуру при низкой температуре, которая разрушается при высоких температурах. Этот спираль-катушка переход когда-то считался аналогичным денатурации белков. Статистическая механика этого перехода может быть смоделирована с использованием элегантного метода матрицы переноса, характеризующегося двумя параметрами: предрасположенностью к образованию спирали и предрасположенностью к её удлинению.

В искусстве

По крайней мере пять художников сделали явную ссылку на α-спираль в своих работах: Джули Ньюдолл в живописи и Джулиан Восс-Андреа, Батшеба Гроссман, Байрон Рубин и Майк Тайка в скульптуре. Художница из района Сан-Франциско Джули Ньюдолл, получившая степень бакалавра в области микробиологии со специализацией в искусстве, с 1990 года специализируется на картинах, вдохновленных микроскопическими изображениями и молекулами. Ее картина "Восхождение α-спирали" (2003) изображает человеческие фигуры, расположенные в форме α-спирали. По словам художницы, "цветы отражают различные типы боковых цепей, которые каждая аминокислота демонстрирует миру". Джулиан Восс-Андреа создает скульптуры, основанные на структуре белка, где α-спираль – один из его любимых объектов, из различных материалов, включая бамбук и целые деревья. В 2004 году Восс-Андреа создал памятник в память о Линусе Полинге, открывшем α-спираль, который выполнен из большой стальной балки, переформированной в структуру α-спирали. Ярко-красная скульптура высотой 3 метра (10 футов) стоит перед домом детства Полинга в Портленде, штат Орегон. Ленточные диаграммы α-спиралей являются заметным элементом в лазерно-выгравированных кристаллических скульптурах белковых структур, созданных художником Батшебой Гроссман, таких как инсулин, гемоглобин и ДНК-полимераза. Байрон Рубин – бывший рентгеноструктурный аналитик белков, а ныне профессиональный скульптор, работающий с металлом и создающий скульптуры белков, нуклеиновых кислот и молекул лекарств, многие из которых содержат α-спирали, например, субтилизин, гормон роста человека и фосфолипаза А2. Майк Тайка – вычислительный биохимик из Университета Вашингтона, работающий с Дэвидом Бейкером. С 2010 года Тайка создает скульптуры молекул белков из меди и стали, включая убиквитин и тетрамер калийного канала.