The 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 dicirikan oleh bentuk spiral di mana asam amino tersusun, yang tampaknya tersusun mengelilingi sumbu longitudinal imajiner dengan gugus R menghadap ke luar.
Diagram struktur alfa heliks (Alejandro Porto, via 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 diasumsikan oleh rantai. polipeptida.
Deskripsi alfa heliks muncul dari pencarian semua kemungkinan struktur dalam rantai peptida yang distabilkan oleh ikatan hidrogen, di mana residu secara stoikiometri ekivalen dan konfigurasi masing-masing adalah planar, seperti yang ditunjukkan oleh data dari resonansi ikatan peptida yang tersedia hingga 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.
Struktur
Secara umum, setiap putaran alfa heliks memiliki rata-rata 3,6 residu asam amino, yang kira-kira panjangnya 5,4 Å. Namun, sudut dan panjang belok bervariasi dari protein ke protein dengan ketergantungan ketat pada urutan asam amino dari struktur primer.
Sebagian besar heliks alfa memiliki belokan ke kanan, tetapi sekarang diketahui bahwa protein dengan heliks alfa dengan belokan kiri dapat ada. Kondisi terjadinya satu atau lainnya adalah bahwa semua asam amino berada dalam konfigurasi yang sama (L atau D), karena mereka bertanggung jawab atas arah putaran.
Stabilisasi motif struktural penting untuk dunia protein ini 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 daerah terminal-N terhadap dirinya sendiri.
Setiap putaran heliks, pada gilirannya, digabungkan ke putaran berikutnya oleh ikatan hidrogen, 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 berkaitan dengan sifat kimia dan fisik gugus R substituennya.
Misalnya, pada pH tertentu, banyak residu kutub dapat memperoleh muatan yang sama, sehingga tidak dapat ditempatkan secara berurutan dalam 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 ditempatkan berdekatan 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 dari asam amino.
Dalam protein membran integral, heliks alfa berlimpah dengan residu dengan karakter hidrofobik yang kuat, sangat diperlukan untuk penyisipan dan konfigurasi segmen antara ekor apolar dari fosfolipid penyusun.
Sebaliknya, protein terlarut memiliki heliks alfa yang kaya akan residu kutub, yang memungkinkan interaksi yang lebih baik dengan media berair yang ada di sitoplasma atau di ruang interstisial.
Kepentingan fungsional
Motif alfa heliks memiliki berbagai macam fungsi biologis. Pola interaksi khusus antara heliks memainkan peran penting dalam fungsi, perakitan, dan oligomerisasi protein membran dan protein terlarut.
Domain-domain ini terdapat di banyak faktor transkripsi, penting dari sudut pandang regulasi ekspresi gen. Mereka juga hadir dalam protein dengan relevansi struktural dan dalam protein membran yang memiliki fungsi transportasi dan / atau transmisi sinyal dari berbagai jenis.
Berikut beberapa contoh klasik protein dengan heliks alfa:
Myosin
Miosin adalah ATPase yang diaktifkan oleh aktin yang bertanggung jawab untuk kontraksi otot dan berbagai bentuk mobilitas sel. Baik miosin berotot dan non-otot terdiri dari dua wilayah bola atau "kepala" yang dihubungkan bersama oleh "ekor" alfa heliks panjang.
Kolagen
Sepertiga dari total kandungan protein tubuh manusia diwakili oleh kolagen. Ini adalah protein paling melimpah di ruang ekstraseluler dan ciri khasnya adalah motif struktural yang terdiri dari tiga untai paralel dengan konfigurasi heliks kidal, yang bergabung untuk membentuk triple helix dextrorotatory sense.
Keratin
Keratin adalah sekelompok protein pembentuk filamen yang diproduksi oleh beberapa sel epitel pada vertebrata. Mereka adalah komponen utama dari kuku, rambut, cakar, cangkang kura-kura, tanduk dan bulu. Bagian dari struktur fibrilarnya terdiri dari segmen alfa heliks.
Penataan Keratin (Mlpatton, dari Wikimedia Commons)
Hemoglobin
Oksigen dalam darah dibawa oleh hemoglobin. Porsi globin dari protein tetrameric ini terdiri dari dua heliks alfa identik masing-masing 141 residu, dan dua rantai beta masing-masing 146 residu.
Protein tipe 'jari seng'
Organisme eukariotik memiliki banyak sekali protein zinc finger, yang berfungsi untuk berbagai tujuan: pengenalan DNA, pengemasan RNA, aktivasi transkripsi, regulasi apoptosis, pelipatan protein, dll. Banyak protein jari seng memiliki heliks alfa sebagai komponen utama strukturnya dan yang penting untuk fungsinya.
Referensi
- Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Aturan untuk a-alpha-Helix Termination oleh Glycine. Sains, 264 (5162), 1126-1130.
- Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Basis struktural kecenderungan asam amino alfa heliks. Sains, 260 (1), 1637-1640.
- Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). Motif pengikatan DNA helix-turn-helix. Jurnal Kimia Biologi, 264 (4), 1903-1906.
- Eisenberg, D. (2003). Penemuan fitur struktural dari protein alpha-helix dan beta-sheet, yang utama. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). Struktur alpha keratin. Kimia, 43, 204-209.
- Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Struktur mioglobin. Alam, 185, 422-427.
- 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.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., … Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (edisi ke-5th). Freeman, WH & Company.
- Luckey, M. (2008). Biologi struktur membran: dengan dasar biokimia dan biofisik. Cambridge University Press. Diambil dari www.cambridge.org/9780521856553
- McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Pembentukan helix dan stabilitas pada membran. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108–2117.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Prinsip Lehninger Biokimia. Omega Editions (edisi ke-5).
- Pauling, L., Corey, RB, & Branson, HR (1951). Struktur protein: dua konfigurasi heliks berikatan hidrogen dari rantai polipeptida. Prosiding National Academy of Sciences of the United States of America, 37, 205–211.
- Perutz, MF (1978). Struktur hemoglobin dan transportasi pernapasan. Scientific American, 239 (6), 92–125.
- Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). Mekanisme Pembentukan Alfa-Heliks oleh Peptida. Tinjauan Tahunan Biofisika dan Struktur Biomolekuler, 21 (1), 95–118.
- Shoulders, MD, & Raines, RT (2009). Struktur dan Stabilitas Kolagen. Review Tahunan Biokimia, 78 (1), 929-958.
- Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Regulasi spesifik jaringan promotor gen rantai berat alfa-miosin pada tikus transgenik. The Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24613-24620.
- Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Struktur, sifat mekanik, kejadian dalam organisme biologis, dan upaya bioinspirasi. Kemajuan dalam Ilmu Material. Elsevier Ltd.
- Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Struktur dan fungsi miosin dalam motilitas sel. Review Tahunan Biologi Sel, 3, 379–421.
- Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & Degrado, WF (2015). Membran dan protein terlarut heliks-heliks berinteraksi: Geometri serupa melalui interaksi yang berbeda. Structure, 23 (3), 527–541