α-hélice

Représentation des niveaux structurels de repliement des protéines avec un accent sur l'hélice α basée sur la protéine 1EFN

En biochimie, l' hélice α est une expression courante de la structure secondaire d' une protéine . C'est l'une des conformations naturelles les plus stables d' une séquence d'acides aminés et est presque omniprésente dans la structure secondaire.

Par structure secondaire d'une protéine, on entend la structure spatiale de la chaîne d'acides aminés sans tenir compte des groupes latéraux. La structure secondaire d'une protéine est dérivée de sa structure primaire (séquence d'acides aminés). Les niveaux structurels supérieurs sont la structure tertiaire et la structure quaternaire . La structure tridimensionnelle d'une protéine est cruciale pour sa fonction sélective (voir structure de la protéine ).

l'histoire

À la fin des années 1930, William Astbury a commencé à effectuer des analyses de la structure cristalline sur des peptides cristallins . Il a été constaté que certaines caractéristiques spatiales se répètent régulièrement dans lesquelles des liaisons hydrogène au sein de la molécule étaient suspectées. Cependant, il n'était pas encore conscient de la planarité de la liaison peptidique . Les structures spatiales les plus courantes ont été appelées plus tard hélice α et feuillet β . Linus Pauling , Robert Brainard Corey et Herman Branson ont proposé un modèle de l'hélice α en 1951. Le α dans "α-hélice" ne contient aucune déclaration scientifique, mais exprime seulement le fait que α-hélice a été trouvée devant la feuille β. Le tracé de Ramachandran développé par G. N. Ramachandran a permis de les identifier en utilisant les angles dièdres des acides aminés consécutifs dans la protéine , similaire au tracé de Janin développé plus tard .

structure

α-hélice dans une protéine. Représentation des atomes et des cylindres.

L'hélice a est une spirale droite (de préférence de L-acides aminés) avec une moyenne de 3,6 chaînes latérales d'acides aminés par révolution. Une longueur de p = 0,54 nm (5,4 Â) est obtenue par tour. Cette avance est connue sous le nom de pitch. C'est le produit du décalage (également appelé translation) (0,15 nm) et des restes par tour (3,6). Cette distance entre les résidus est la raison pour laquelle les acides aminés séparés de trois ou quatre endroits dans la structure primaire sont à proximité étroite dans la structure en hélice. L'hélice α est stabilisée par une liaison hydrogène entre l'oxygène carbonyle du nième et le proton amide du (n + 3) ième acide aminé de la même molécule.

Schéma de stabilisation des hélices protéiques: L'hélice la plus courante et la plus stable est l'hélice α (flèche rouge épaisse). Des alternatives existent, mais sont moins courantes (lignes fines).

Les groupes CO et NH doivent être proches l'un de l'autre pour former la liaison hydrogène. La configuration la plus étroite est fournie par un brin enroulé dans lequel les deux groupes se superposent. Les chaînes latérales pointent vers l'extérieur. L'acide aminé proline («structure breaker») ne peut pas être facilement inséré dans l'hélice (cela n'est possible qu'aux positions 1 à 4, vu de l'extrémité amino). En conséquence, il y a des écarts par rapport à la structure régulière aux points où la proline se produit. Les α-hélices sont très stables et, en tant que cylindres rigides, peuvent former une sorte de squelette de la protéine. Par conséquent, ils ne sont souvent pas représentés comme des hélices mais comme des cylindres dans les structures protéiques. Une protéine avec une structure principalement hélicoïdale est la myoglobine , une protéine musculaire liée à l' hémoglobine .

Une hélice α n'est souvent stable que dans le contexte d'une protéine, c'est pourquoi des liaisons stabilisantes supplémentaires sont souvent introduites dans des hélices α isolées, par ex. B. en remplaçant la liaison hydrogène par une liaison CC, en réticulant les chaînes latérales d'acides aminés ou en formant des ponts disulfure .

Géométrie des interactions hélice et hélice-hélice

Roue hélicoïdale. La vue d'extrémité (projection) de l'hélice a illustre les interrelations des résidus d'acides aminés. Comme indiqué sous (B), chaque acide aminé couvre un secteur de 100 ° [lignes fines en (A)]. Les résidus 1 et 5 pontés par l'hydrogène sont spatialement proches les uns des autres - en tant que parties de spires successives. Il en est de même pour les résidus 1 et 4 (dit «critère n +/- 3,4»). Alors que seul le 19e reste (R19) vient se situer de manière écliptique au-dessus de R1, cela s'applique déjà approximativement au reste 8, qui est à deux tours de distance; on parle ici d'une "pseudo-répétition" (heptade répétée) de la forme abcdefga'b'c'd'e'f'g ', où a correspond au reste 1 et a' correspond au reste 8. Si a et a 'ou d et d' sont des résidus hydrophobes, une "bande hydrophobe" de gauche apparaît autour du cylindre de l'hélice a (droite). Cela permet des superstructures (« bobines enroulées ») (voir figure ci-dessous).

Les hélices α amphipathiques peuvent s'unir pour former des superstructures, appelées «bobines enroulées». Il est basé sur des «bandes hydrophobes» (représentées à gauche), qui apparaissent toujours lorsque les acides aminés a, d, a ', d' de l'heptade sont hydrophobes (pour l'heptade, voir l'explication de la figure ci-dessus).
La partie A montre une «bobine enroulée» composée de deux, la partie B une constituée de trois hélices α (projection). De plus, des structures de «faisceau tétrahélix» ont été décrites.

Nucléation et propagation des hélices α. La formation d'une hélice a commence là où les résidus de plusieurs formateurs d'hélice se rejoignent, notamment la leucine, l'alanine et la valine. A partir de ce centre de nucléation, la structure se propage jusqu'à ce qu'un signal de terminaison soit atteint. Comme mentionné ci-dessus, le signal de terminaison le plus rigoureux à l' extrémité N-terminale est un résidu proline.

Les α-hélices sont à la base des protéines typiques des fibres (α-kératine, la substance de base des cheveux, myosine, un composant des fibres musculaires, etc.) mais aussi, comme introduit dans l'exemple de la myoglobine, des composants structurants des solubles, protéines globulaires. En général, les hélices individuelles ne peuvent pas assumer cette tâche, mais des agrégats ordonnés constitués de deux, trois, quatre hélices individuelles ou plus le peuvent.

L'assemblage pour former une telle «superhélice» est basé sur des interactions hydrophobes en hélices amphipathiques . Ce sont des hélices dont une face est hydrophile (face à l'eau) et l'autre est hydrophobe et donc susceptible d'interactions. La structure de l'hélice signifie que la «bande hydrophobe» ne s'étend pas parallèlement à l'axe de l'hélice, mais entoure l'hélice sous la forme d'une spirale étirée à gauche. Lorsque les bandes hydrophobes de deux ou plusieurs hélices se rapprochent, la superhélice connue sous le nom de « bobine enroulée » est formée.

Prédiction Helix

Les efforts initiaux pour prédire les structures secondaires des protéines remontent aux années 1960 et ont été continuellement affinés avec l'avènement de l' analyse moderne des structures aux rayons X. Une approche extrêmement utile et rationnelle pour prédire l'hélice α est associée au nom de Marianne Schiffer et fait suite aux considérations ci-dessus. Selon le critère n +/- 3,4, un reste n peut s'apparier à des résidus éloignés de trois ou quatre positions. Sont z. Si, par exemple, les résidus 1, 4 et 5 sont hydrophobes, ils peuvent interagir et ainsi stabiliser une structure en hélice. Il en est de même pour les résidus 6, 3 et 2 etc. Ce schéma de prédiction a initialement montré sa valeur pour l'insuline et la myoglobine.

Avec la publication de nouvelles analyses de structure aux rayons X, l'approche «roue hélicoïdale» a de plus en plus cédé la place aux méthodes statistiques. Une première approche de ce type remonte à Chou et Fasman (1974, 1978).

Le tableau ci-dessous montre les potentiels hélicoïdaux (Pα) des résidus d'acides aminés. Pα correspond à la fréquence relative avec laquelle l'acide aminé est représenté dans l'hélice. Avec un Pα bien au-dessus de 1, un acide aminé est appelé "formateur d'hélice", avec un Pα bien inférieur à 1 en tant que "casseur d'hélice".

Résumé des paramètres d'hélice

Autres formes de structure secondaire

Le plastique Alpha Helix pour Linus Pauling à Portland , Oregon , USA. La sculpture en acier de 3 mètres de haut de Julian Voss-Andreae (2004) est basée sur des données cristallographiques de l'hélice α et se trouve devant la maison où son découvreur Linus Pauling a grandi.

En plus de l'hélice α et de la feuille β, il existe d'autres types de structure secondaire (motifs de structure secondaire). D'autres motifs communs sont:

• π hélice
• 3 ₁₀ -Hélix
• hélice gauche des collagènes
• Boucle β

Les parties de la structure primaire d'une protéine qui n'appartiennent pas à un motif sont appelées structures à bobines aléatoires . Ces structures sont également impliquées de manière significative dans la formation de toute la structure protéique .

Littérature

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liens web

Preuve individuelle

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