Pi spiral

En pi-helix (eller π-helix ) är en typ av sekundär struktur som finns i proteiner [1] . Upptäckt av kristallografen Barbara Lowe 1952 [2] och en gång ansett som en sällsynthet, korta π-helixar finns i 15 % av kända proteinstrukturer och tros vara evolutionära anpassningar gjorda genom att infoga en enda aminosyra i en α-helix [3 ] . Eftersom sådana insättningar är mycket destabiliserande för proteinkedjan [4] kommer π-helixbildningen att tendera att bli föremål för evolutionärt urval om det inte ger någon funktionell fördel för proteinet. Därför finns π-helixar vanligtvis nära de funktionella platserna för proteiner [3] [5] [6] .

Standardstruktur

Aminosyrorna i standard π-helixen är ordnade i en högerhänt spiralstruktur . Varje aminosyra motsvarar en 87° vridning av helixen (d.v.s. helixen har 4,1 rester per varv) och en förskjutning på 1,15 Å (0,115 nm ) längs spiralens axel. Det viktigaste är att NH-gruppen i aminosyran bildar en vätebindning med C=O -gruppen i aminosyran fem rester tidigare; denna upprepade i  + 5 → i vätebindning definierar π-helixen. Liknande konstruktionsstrukturer finns i 3 10 helix ( i  + 3 → i vätebindning) och α-helix ( i  + 4 → i vätebindning).

De flesta π-spiraler är bara 7 rester långa och har inte regelbundet upprepade ( φ ,  ψ ) dihedriska vinklar genom hela strukturen som α-helixar eller β-ark. Vissa generaliseringar kan dock göras. När det första och sista paret av aminosyrarester elimineras, existerar de dihedrala vinklarna så att ψ dihedrisk vinkel för en rest och φ dihedrisk vinkel för nästa rest är ungefär -125°. Summan av det första och sista paret av rester är −95° respektive −105°. Som jämförelse är summan av de dihedriska vinklarna för 3 10 -helixen cirka −75°, medan det för α-spiralen är cirka −105°. Prolin observeras ofta omedelbart efter avslutningen av π-helixar. Den allmänna formeln för rotationsvinkeln Ω per rest av en polypeptidhelix med transisomerer ges av ekvationen

Vänsterhänt struktur

En vänsterhänt version av π-helixen är möjlig genom att ändra tecknet ( φ ,  ψ ) för de dihedrala vinklarna till (55°, 70°). Denna pseudo-"spegel"-helix har ungefär samma antal rester per varv (4,1) och helixdelning (1,5 Å). Detta är inte en sann spegelbild eftersom aminosyraresterna fortfarande har vänsterhänt kiralitet . En lång vänsterhänt π-helix är osannolikt att se i proteiner eftersom bland naturligt förekommande aminosyror är det bara glycin som sannolikt har positiva dihedriska φ-vinklar som 55°.

π-helixer i naturen

Vanligt använda program för automatiserad sekundär strukturbestämning, såsom DSSP , antar att <1% av proteinerna innehåller en π-helix. Denna felkarakterisering är ett resultat av det faktum att naturligt förekommande π-helixar vanligtvis är korta i längd (7 till 10 rester) och är nästan alltid associerade med (d.v.s. flankerade) a-helixar i båda ändar. Sålunda är nästan alla π-helixar dolda i den meningen att π-spiralrester felaktigt tilldelas antingen en α-helix eller "vändningar". Nyligen utvecklade program skrivna för att korrekt kommentera π-helixer i proteinstrukturer har funnit att ett av sex proteiner (cirka 15%) faktiskt innehåller minst ett π-helixsegment [3] .

Naturliga π-helixar kan lätt identifieras i strukturen som en "utbuktning" inom en längre α-helix. Sådana spiralformade utbuktningar kallades tidigare α-aneurysm, α-utbuktningar, π-utbuktningar, breda varv, looputgångar och π-varv, men är egentligen π-spiraler, definierade av deras upprepade i + 5 → i -vätebindningar [3] . Bevis tyder på att dessa utbuktningar eller π-helixar skapas genom att infoga en extra aminosyra i en redan existerande α-helix. Således kan α-helixar och π-helixar transformeras ömsesidigt genom insättning och deletion av en aminosyra [4] . Med tanke på både den relativt höga frekvensen av förekomst av π-helixar och deras noterade association med funktionella ställen (dvs. aktiva ställen ) av proteiner, har denna förmåga att interkonvertera mellan α-helixar och π-helixar varit en viktig mekanism för att förändra och diversifiera funktionalitet hos proteiner under evolutionens gång.

En av de mest anmärkningsvärda grupperna av proteiner vars funktionella diversifiering verkar ha påverkats starkt av en sådan evolutionär mekanism är den ferritinliknande superfamiljen , som inkluderar ferritiner , bakterioferritiner , rubrerytriner , klass I- ribonukleotidreduktaser och lösliga metanmonooxygenaser . Lösligt metanmonooxygenas har det nuvarande rekordet för det största antalet π-helixar i ett enskilt enzym (13). ( PDB-kod 1MTY). Bakteriehomologen av Na + /Cl - beroende signalsubstanstransportör (PDB-kod 2A65) håller dock rekordet för antalet π-helixar i en peptidkedja (8 stycken) [3] .

Se även

• a-helix
• 3 10 spiral
• β-helix

Anteckningar

1. ^ "Strukturen av proteiner: två vätebundna spiralkonfigurationer av polypeptidkedjan". Proc. Natl. Acad. sci. USA . 37 (4): 205-211. 1951. doi : 10.1073/ pnas.37.4.205 . PMID 14816373 . 
2. ↑ (IUCr) Barbara Wharton Low (1920-2019) . www.iucr.org . Hämtad 2 oktober 2019. Arkiverad från originalet 25 februari 2020. (obestämd)
3. ↑ 1 2 3 4 5 Richard B. Cooley, Daniel J. Arp, P. Andrew Karplus. Evolutionärt ursprung för en sekundär struktur: π-Helices som kryptiska men utbredda insättningsvariationer av α-Helices That Enhance Protein Functionality  //  Journal of Molecular Biology. — 2010-11. — Vol. 404 , utg. 2 . — S. 232–246 . - doi : 10.1016/j.jmb.2010.09.034 . Arkiverad 26 maj 2021.
4. ↑ 1 2 L. J. Keefe, J. Sondek, D. Shortle, E. E. Lattman. Alfa-aneurismen: ett strukturellt motiv avslöjat i en insättningsmutant av stafylokocknukleas.  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 1993-04-15. — Vol. 90 , iss. 8 . — S. 3275–3279 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.90.8.3275 .
5. ↑ Weaver TM (2000). "Pi-helixen översätter struktur till funktion." protein vetenskap . 9 (1): 201-206. DOI : 10.1110/ps.9.1.201 . PMID  10739264 .
6. ↑ "Förekomst, konformationsdrag och aminosyrabenägenhet för pi-helixen". ProteinEng . 15 (5): 353-358. 2002. DOI : 10.1093/protein/15.5.353 . PMID  12034854 .