Alpha helix: struktur dan kepentingan fungsional

alpha helix adalah struktur sekunder yang paling sederhana bahwa protein dapat mengadopsi dalam ruang sesuai dengan kekakuan dan kebebasan rotasi ikatan antara residu asam amino-nya.

Hal ini ditandai dengan bentuk spiral di mana asam amino diatur, yang tampaknya diatur di sekitar sumbu longitudinal imajiner dengan gugus R menghadap ke luarnya.

Diagram struktur heliks alfa (Alejandro Porto [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], melalui Wikimedia Commons)

Heliks alfa pertama kali dijelaskan pada tahun 1951 oleh Pauling et al., Yang menggunakan data yang tersedia tentang jarak antar atom, sudut ikatan, dan parameter struktural peptida dan asam amino lainnya untuk memprediksi konfigurasi yang paling mungkin yang dapat diasumsikan oleh rantai polipeptida.

Deskripsi heliks alfa muncul dari pencarian semua struktur yang mungkin dalam rantai peptida yang distabilkan oleh ikatan hidrogen , di mana residunya secara stoikiometri setara dan konfigurasi masing-masing adalah planar, seperti yang ditunjukkan oleh data dari resonansi peptida. obligasi yang tersedia sampai saat ini.

Struktur sekunder ini adalah yang paling umum di antara protein, dan diadopsi oleh protein larut dan protein membran integral. Lebih dari 60% protein diyakini ada dalam bentuk heliks alfa atau lembaran beta.

Indeks artikel

Struktur

Secara umum, setiap putaran heliks alfa rata-rata memiliki 3,6 residu asam amino, yang panjangnya kira-kira 5,4 . Namun, sudut dan panjang lilitan bervariasi dari satu protein ke protein lain dengan ketergantungan yang ketat pada urutan asam amino dari struktur primer.

Sebagian besar heliks alfa memiliki belokan kiri, tetapi sekarang diketahui bahwa protein dengan heliks alfa dengan belokan kiri dapat eksis. Kondisi untuk satu atau yang lain terjadi adalah bahwa semua asam amino berada dalam konfigurasi yang sama (L atau D), karena mereka bertanggung jawab atas arah putaran.

Stabilisasi motif struktural penting ini untuk dunia protein diberikan oleh ikatan hidrogen. Ikatan ini terjadi antara atom hidrogen yang terikat pada nitrogen elektronegatif dari ikatan peptida dan atom oksigen karboksilat elektronegatif dari asam amino empat posisi lebih jauh, di wilayah terminal-N sehubungan dengan dirinya sendiri.

Setiap putaran heliks, pada gilirannya, bergabung dengan ikatan hidrogen berikutnya, yang penting untuk mencapai stabilitas keseluruhan molekul.

Tidak semua peptida dapat membentuk heliks alfa yang stabil. Ini diberikan oleh kapasitas intrinsik setiap asam amino dalam rantai untuk membentuk heliks, yang secara langsung berhubungan dengan sifat kimia dan fisik dari gugus R substituennya.

Misalnya, pada pH tertentu, banyak residu polar dapat memperoleh muatan yang sama, sehingga mereka tidak dapat ditempatkan secara berurutan dalam sebuah heliks karena tolakan di antara mereka akan menyiratkan distorsi yang besar di dalamnya.

Ukuran, bentuk, dan posisi asam amino juga merupakan penentu penting stabilitas heliks. Tanpa melangkah lebih jauh, residu seperti Asn, Ser, Thr dan Cys yang diposisikan dekat dalam urutan juga dapat memiliki efek negatif pada konfigurasi alfa heliks.

Dengan cara yang sama, hidrofobisitas dan hidrofilisitas segmen alfa heliks dalam peptida tertentu bergantung secara eksklusif pada identitas gugus R asam amino.

Dalam protein membran integral, heliks alfa berlimpah dengan residu karakter hidrofobik yang kuat, sangat diperlukan untuk penyisipan dan konfigurasi segmen antara ekor apolar dari fosfolipid penyusunnya.

Protein larut, di sisi lain, memiliki heliks alfa yang kaya akan residu polar, yang memungkinkan interaksi yang lebih baik dengan media berair yang ada di sitoplasma atau di ruang interstisial.

Kepentingan fungsional

Motif alfa heliks memiliki berbagai fungsi biologis. Pola interaksi spesifik antara heliks memainkan peran penting dalam fungsi, perakitan, dan oligomerisasi protein membran dan protein terlarut.

Domain-domain ini hadir dalam banyak faktor transkripsi, penting dari sudut pandang regulasi ekspresi gen. Mereka juga hadir dalam protein dengan relevansi struktural dan protein membran yang memiliki fungsi transpor dan / atau transmisi sinyal dari berbagai jenis.

Berikut adalah beberapa contoh klasik protein dengan heliks alfa:

miosin

Myosin adalah ATPase yang diaktifkan aktin yang bertanggung jawab untuk kontraksi otot dan berbagai bentuk mobilitas sel. Baik miosin berotot dan non-otot terdiri dari dua daerah globular atau “kepala” yang dihubungkan bersama oleh “ekor” heliks alfa yang panjang.

kolagen

Sepertiga dari total kandungan protein tubuh manusia diwakili oleh kolagen. Ini adalah protein yang paling melimpah di ruang ekstraseluler dan ciri khasnya adalah motif struktural yang terdiri dari tiga untaian paralel dengan konfigurasi heliks tangan kiri, yang bergabung membentuk triple helix rasa dextrorotatory.

Keratin

Keratin adalah sekelompok protein pembentuk filamen yang diproduksi oleh beberapa sel epitel pada vertebrata . Mereka adalah komponen utama dari kuku, rambut, cakar, cangkang penyu, tanduk dan bulu. Bagian dari struktur fibrilarnya terdiri dari segmen alfa heliks.

Penataan keratin (Mlpatton [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) atau GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], dari Wikimedia bersama)

Hemoglobin

Oksigen dalam darah dibawa oleh hemoglobin. Bagian globin dari protein tetramerik ini terdiri dari dua heliks alfa identik dengan 141 residu masing-masing, dan dua rantai beta masing-masing 146 residu.

Protein tipe “jari seng”

organisme eukariotik memiliki kekayaan jenis seng protein jari, operasi untuk tujuan yang berbeda: pengakuan DNA , RNA kemasan, aktivasi transkripsi, regulasi apoptosis, protein folding, dll Banyak protein jari seng memiliki heliks alfa sebagai komponen utama strukturnya dan yang penting untuk fungsinya.

Referensi

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Aturan untuk Pemutusan a-alpha-Helix oleh Glycine. Sains , 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Dasar struktural kecenderungan asam amino alfa heliks. Sains , 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). Motif pengikatan DNA helix-turn-helix. Jurnal Kimia Biologi , 264 (4), 1903–1906.
4. Eisenberg, D. (2003). Penemuan fitur struktural protein alpha-helix dan beta-sheet, prinsipal. Pnas , 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Struktur alfa keratin. Kimia , 43 , 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Struktur mioglobin. Alam , 185 , 422-427.
6. Awam, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Protein jari seng: Wawasan baru tentang keragaman struktural dan fungsional. Opini Saat Ini dalam Biologi Struktural , 11 (1), 39–46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Biologi Sel Molekuler (edisi ke-5). Freeman, WH & Perusahaan.
8. Lucky, M. (2008). Biologi struktural membran: dengan dasar biokimia dan biofisika . Pers Universitas Cambridge. Diperoleh dari www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Pembentukan dan stabilitas heliks dalam membran. Biochimica et Biophysica Acta – Biomembran , 1860 (10), 2108–2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Prinsip Biokimia Lehninger . Edisi Omega ( edisi ke-5).
11. Pauling, L., Corey, RB, & Branson, HR (1951). Struktur protein: dua konfigurasi heliks ikatan hidrogen dari rantai polipeptida. Prosiding National Academy of Sciences Amerika Serikat , 37 , 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Struktur hemoglobin dan transportasi pernapasan. Scientific American , 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Mekanisme Pembentukan Alfa-Helix oleh Peptida. Tinjauan Tahunan Biofisika dan Struktur Biomolekuler , 21 (1), 95–118.
14. Bahu, MD, & Raines, RT (2009). Struktur dan Stabilitas Kolagen. Tinjauan Tahunan Biokimia , 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Regulasi spesifik jaringan dari promotor gen rantai berat alpha-Myosin pada tikus transgenik. Jurnal Kimia Biologi , 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Struktur, sifat mekanik, kejadian dalam organisme biologis, dan upaya bioinpirasi. Kemajuan dalam Ilmu Material . Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM, & Spudich, J.a. (1987). Struktur dan fungsi miosin dalam motilitas sel. Tinjauan Tahunan Biologi Sel , 3 , 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Interaksi heliks-heliks membran dan protein terlarut: Geometri serupa melalui interaksi yang berbeda. Struktur , 23 (3), 527–541