Alfa-helix

Rozbalit box

Obsah boxu

Alfa-helix (též α-helix nebo alfa-šroubovice) je jedním ze dvou hlavních typů sekundární struktury proteinů, společně s beta-skládaným listem. Jedná se o pravotočivou spirálovitou strukturu, ve které je polypeptidový řetězec uspořádán do pravidelné šroubovice. Tato struktura je mimořádně stabilní díky síti vodíkových vazeb, které se tvoří uvnitř samotného řetězce. Alfa-helix je základním stavebním kamenem mnoha globulárních i vláknitých proteinů a hraje klíčovou roli v jejich biologické funkci.

📜 Historie a objev

Struktura alfa-helixu byla teoreticky předpovězena v roce 1951 americkými vědci Linusem Paulingem, Robertem Coreym a Hermanem Bransonem. Jejich práce byla založena na detailní znalosti krystalografické struktury jednotlivých aminokyselin a peptidové vazby. Pauling a Corey správně odvodili, že peptidová vazba je planární a rigidní, což výrazně omezuje možné konformace polypeptidového řetězce.

Na základě těchto poznatků a s využitím přesných modelů molekul navrhli dvě stabilní periodické struktury: alfa-helix a beta-skládaný list. Jejich model alfa-helixu s 3,6 aminokyselinovými zbytky na jednu otáčku a vodíkovými vazbami mezi každým prvním a čtvrtým zbytkem byl později experimentálně potvrzen. První přímý důkaz existence alfa-helixu v reálném proteinu poskytla rentgenová krystalografie myoglobinu, kterou provedl John Kendrew a jeho tým v roce 1958. Tento objev byl milníkem v biochemii a strukturní biologii a Pauling za něj (a za svou práci na povaze chemické vazby) obdržel v roce 1954 Nobelovu cenu za chemii.

🔬 Struktura a geometrie

Alfa-helix je charakterizován specifickými geometrickými parametry, které jsou důsledkem maximalizace počtu vodíkových vazeb při zachování optimálních vazebných úhlů a délek.

🧬 Základní uspořádání

Polypeptidový řetězec se stáčí do pravotočivé šroubovice. Boční řetězce aminokyselin (R-skupiny) směřují ven z osy helixu, což minimalizuje sterické pnutí a umožňuje jim interagovat s okolním prostředím (např. s vodou nebo jinými částmi proteinu).

🔗 Vodíkové vazby

Klíčovým stabilizačním prvkem je systém intramolekulárních vodíkových vazeb. Tyto vazby se tvoří mezi karbonylovou skupinou (C=O) aminokyselinového zbytku n a aminoskupinou (N-H) aminokyselinového zbytku n+4. To znamená, že karbonylový kyslík každé aminokyseliny je vodíkovou vazbou spojen s amidovým vodíkem aminokyseliny, která je v sekvenci o čtyři pozice dále. Tento vzorec (n → n+4) je pro alfa-helix naprosto charakteristický a vede k vytvoření velmi pevné a rigidní struktury. Všechny karbonylové a aminoskupiny v hlavním řetězci (kromě těch na koncích helixu) jsou zapojeny do vodíkových vazeb.

📐 Geometrické parametry

• Počet zbytků na otáčku: 3,6. To znamená, že na jednu plnou otáčku šroubovice o 360° připadá 3,6 aminokyselinových zbytků.
• Stoupání (pitch): Vzdálenost podél osy helixu na jednu plnou otáčku je 5,4 Å (0,54 nm).
• Posun na jeden zbytek: Vzdálenost mezi ekvivalentními atomy dvou sousedních aminokyselin podél osy je 1,5 Å (0,15 nm).
• Torzní úhly (Ramachandranův diagram): Alfa-helix zaujímá specifickou oblast v Ramachandranově diagramu. Jeho průměrné torzní úhly hlavního řetězce jsou přibližně φ = -60° a ψ = -45°.

⚡ Dipólový moment

Vzhledem k tomu, že všechny peptidové vazby jsou v alfa-helixu orientovány přibližně stejným směrem, jejich jednotlivé dipólové momenty se sčítají. Výsledkem je významný celkový dipólový moment celé šroubovice. N-konec (začátek) helixu nese parciální kladný náboj a C-konec (konec) parciální záporný náboj. Tento makrodipól může hrát roli v interakcích s jinými molekulami, zejména při vazbě záporně nabitých ligandů (jako jsou fosfátové skupiny v ATP nebo DNA) poblíž N-konce helixu.

🧬 Stabilita a destabilizující faktory

Ne všechny aminokyseliny tvoří alfa-helix stejně ochotně. Schopnost aminokyseliny být součástí této struktury se nazývá "helikální propensita".

👍 Stabilizující aminokyseliny

• Alanin (Ala): Je považován za nejlepší "helix-former". Jeho malý, nepolární boční řetězec nezpůsobuje sterické pnutí a dobře zapadá do struktury.
• Leucin (Leu), Methionin (Met), Glutamát (Glu): Tyto a další aminokyseliny mají vysokou tendenci tvořit alfa-helixy.

👎 Destabilizující aminokyseliny ("Helix breakers")

• Prolin (Pro): Je známý jako "lamač helixu" (helix breaker). Jeho cyklický boční řetězec je spojen s atomem dusíku v hlavním řetězci, což znemožňuje rotaci kolem vazby N-Cα a fixuje úhel φ na přibližně -60°. Navíc prolinu chybí vodíkový atom na amidovém dusíku, takže nemůže fungovat jako donor vodíkové vazby. Přítomnost prolinu v řetězci způsobí v helixu ostrý ohyb nebo jeho úplné přerušení.
• Glycin (Gly): Je příliš flexibilní. Jeho boční řetězec je pouze atom vodíku, což umožňuje velkou konformační volnost. Polypeptidový řetězec s vysokým obsahem glycinu má tendenci zaujímat spíše náhodné, neuspořádané struktury (random coil), protože vytvoření rigidního helixu je entropicky nevýhodné.
• Objemné boční řetězce: Aminokyseliny s velkými bočními řetězci blízko hlavního řetězce (např. valin, isoleucin, threonin) mohou způsobovat sterické kolize a destabilizovat helix.
• Elektrostatické odpuzování: Pokud se v sekvenci nachází blízko sebe několik aminokyselin se stejným nábojem (např. lysin a arginin s kladným nábojem, nebo aspartát a glutamát se záporným nábojem), jejich boční řetězce se budou elektrostaticky odpuzovat, což může narušit stabilitu helixu.

⚙️ Funkce a význam v proteinech

Alfa-helixy jsou všudypřítomné a plní širokou škálu funkcí.

• Strukturní podpora: Vláknité proteiny, jako je α-keratin (vlasy, nehty, vlna) nebo myosin a tropomyosin (svalové proteiny), jsou tvořeny převážně alfa-helixy. V keratinu se dva helixy obtáčejí kolem sebe a tvoří superhelikální strukturu zvanou "coiled-coil" (stočená cívka), která dodává vláknu obrovskou pevnost v tahu.
• Transmembránové domény: Mnoho transmembránových proteinů používá jeden nebo více alfa-helixů k překlenutí buněčné membrány. Tyto helixy jsou typicky složeny z hydrofobních aminokyselin, jejichž boční řetězce dobře interagují s nepolárním vnitřkem lipidové dvojvrstvy. Příkladem jsou receptory spřažené s G-proteinem, které mají sedm transmembránových helixů.
• Vazba na DNA: Specifické strukturní motivy, jako je "helix-turn-helix" (šroubovice-otočka-šroubovice) nebo "leucinový zip", využívají alfa-helixy k rozpoznání a vazbě na specifické sekvence DNA. Tyto motivy jsou běžné u transkripčních faktorů, které regulují genovou expresi.
• Enzymatická aktivita: Alfa-helixy často tvoří rámec aktivních míst enzymů a správně orientují klíčové aminokyselinové zbytky pro katalýzu.
• Transport a skladování: Globulární proteiny jako myoglobin a hemoglobin, které transportují a skladují kyslík, jsou z velké části tvořeny alfa-helixy. Myoglobin je složen z osmi alfa-helixů, které vytvářejí kapsu pro vazbu hemové skupiny.

🧪 Varianty a příbuzné struktury

Kromě klasického pravotočivého alfa-helixu existují i další, méně časté helikální struktury.

• Levotočivý α-helix: Je energeticky méně výhodný než pravotočivý a v přírodě se vyskytuje jen velmi vzácně, obvykle v krátkých úsecích a často s vysokým obsahem glycinu.
• 3₁₀ helix: Je těsnější a delší než alfa-helix. Vodíkové vazby se zde tvoří mezi zbytkem n a n+3. Na jednu otáčku připadají pouze 3 aminokyselinové zbytky. Často se vyskytuje na koncích alfa-helixů jako jejich zakončení.
• π-helix (pí-helix): Je širší a kratší než alfa-helix. Vodíkové vazby se tvoří mezi zbytkem n a n+5. Na jednu otáčku připadá 4,4 zbytku. Tato struktura je energeticky méně stabilní a v proteinech je velmi vzácná, obvykle se vyskytuje jako vložka jednoho zbytku uprostřed alfa-helixu.

💡 Pro laiky

Představte si protein jako velmi dlouhý provázek (polypeptidový řetězec), který se musí nějak úhledně sbalit, aby mohl plnit svou funkci. Alfa-helix je jedním z nejčastějších způsobů, jak se tento provázek lokálně uspořádá.

• Analogie se spirálovým schodištěm: Alfa-helix si můžete představit jako spirálové schodiště. Jednotlivé aminokyseliny jsou "schody" a "zábradlí" je tvořeno páteří proteinového řetězce.
• Drží to pohromadě: Tvar schodiště je udržován pomocí "magnetů" – vodíkových vazeb. Každý čtvrtý schod je spojen magnetem s tím pod ním, což celé struktuře dodává velkou pevnost a stabilitu.
• Boční řetězce trčí ven: Z každého "schodu" (aminokyseliny) trčí do prostoru nějaká specifická část (boční řetězec). Tyto části pak mohou interagovat s okolím, například se vázat na jiné molekuly nebo se zanořit do buněčné membrány.
• Proč to někdy nefunguje: Některé aminokyseliny se do tohoto "schodiště" nehodí. Například aminokyselina prolin je jako "zlomený schod" – má takový tvar, že spirálu ohne a přeruší. Proto se jí říká "lamač helixu".

Stručně řečeno, alfa-helix je elegantní, efektivní a velmi častý způsob, jak se část proteinu sbalí do pevné a funkční spirály.

Šablona:Aktualizováno