Alfa hélice
A alfa hélice (α-hélice) é um motivo comum na estrutura secundária de proteínas e é uma conformação de hélice direita na qual cada estrutura N-H ligações de hidrogênio do grupo ao grupo principal C=O do aminoácido localizado quatro resíduos antes ao longo da sequência da proteína.
A alfa-hélice também é chamada de clássica Pauling–Corey–Branson α-hélice. O nome 3.613-hélice também é usado para esse tipo de hélice, denotando o número médio de resíduos por volta da hélice, com 13 átomos envolvidos no anel formado pela ligação de hidrogênio.
Entre os tipos de estrutura local nas proteínas, a α-hélice é a mais extrema e a mais previsível a partir da sequência, bem como a mais prevalente.
Descoberta
No início da década de 1930, William Astbury mostrou que havia mudanças drásticas na difração da fibra de raios X de lã úmida ou fibras capilares após alongamento significativo. Os dados sugeriram que as fibras não esticadas tinham uma estrutura molecular enrolada com uma repetição característica de ≈5,1 ångströms (0,51 nanômetros).
Astbury inicialmente propôs uma estrutura de cadeia ligada para as fibras. Mais tarde, ele se juntou a outros pesquisadores (notavelmente o químico americano Maurice Huggins) ao propor que:
- as moléculas de proteína não trituradas formaram uma hélice (que ele chamou de forma α)
- o alongamento fez com que a hélice se uncoil, formando um estado estendido (que ele chamou de forma β).
Embora incorretos em seus detalhes, os modelos de Astbury dessas formas estavam corretos em essência e correspondem a elementos modernos de estrutura secundária, a α-hélice e a β-strand (a nomenclatura de Astbury foi mantida), que foram desenvolvidos por Linus Pauling, Robert Corey e Herman Branson em 1951 (veja abaixo); aquele artigo mostrava hélices tanto destras quanto canhotas, embora em 1960 a estrutura cristalina da mioglobina mostrasse que a forma destra é a mais comum. Hans Neurath foi o primeiro a mostrar que os modelos de Astbury não podiam estar corretos em detalhes, porque envolviam choques de átomos. O artigo de Neurath e os dados de Astbury inspiraram H. S. Taylor, Maurice Huggins e Bragg e colaboradores a propor modelos de queratina que lembram um pouco a α-hélice moderna.
Dois desenvolvimentos importantes na modelagem da α-hélice moderna foram: a geometria de ligação correta, graças às determinações da estrutura cristalina de aminoácidos e peptídeos e a previsão de Pauling de peptídeo planar títulos; e sua renúncia à suposição de um número inteiro de resíduos por volta da hélice. O momento crucial ocorreu no início da primavera de 1948, quando Pauling pegou um resfriado e foi para a cama. Entediado, ele desenhou uma cadeia polipeptídica de dimensões aproximadamente corretas em uma tira de papel e a dobrou em uma hélice, tendo o cuidado de manter as ligações peptídicas planares. Depois de algumas tentativas, ele produziu um modelo com ligações de hidrogênio fisicamente plausíveis. Pauling então trabalhou com Corey e Branson para confirmar seu modelo antes da publicação. Em 1954, Pauling recebeu seu primeiro Prêmio Nobel "por sua pesquisa sobre a natureza da ligação química e sua aplicação à elucidação da estrutura de substâncias complexas" (como proteínas), incluindo proeminentemente a estrutura da α-hélice.
Estrutura
Geometria e ligação de hidrogênio
Os aminoácidos em uma α-hélice são arranjados em uma estrutura helicoidal à direita, onde cada resíduo de aminoácido corresponde a uma volta de 100° na hélice (isto é, a hélice tem 3,6 resíduos por volta) e uma tradução de 1,5 Å (0,15 nm) ao longo do eixo helicoidal. Dunitz descreve como o primeiro artigo de Pauling sobre o tema mostra de fato uma hélice canhota, o enantiômero da verdadeira estrutura. Pedaços curtos de hélice esquerda às vezes ocorrem com um grande conteúdo de aminoácidos glicina aquirais, mas são desfavoráveis para os outros L-aminoácidos biológicos normais. O passo da alfa-hélice (a distância vertical entre voltas consecutivas da hélice) é 5,4 Å (0,54 nm), que é o produto de 1,5 e 3,6. O mais importante é que o grupo N-H de um aminoácido forma uma ligação de hidrogênio com o grupo C=O do aminoácido quatro resíduos anteriores; essa ligação de hidrogênio i + 4 → i repetida é a característica mais proeminente de uma α-hélice. A nomenclatura internacional oficial especifica duas maneiras de definir α-hélices, a regra 6.2 em termos de repetição de ângulos de torção φ, ψ (veja abaixo) e a regra 6.3 em termos do padrão combinado de piche e ligação de hidrogênio. As α-hélices podem ser identificadas na estrutura da proteína usando vários métodos computacionais, um dos quais é o DSSP (Define Secondary Structure of Protein).
Estruturas semelhantes incluem a hélice 310 (i + 3 → i ligação de hidrogênio) e a π-hélice (i + 5 → i). A α-hélice pode ser descrita como uma hélice 3,613, já que o espaçamento i + 4 adiciona mais três átomos ao loop ligado ao H em comparação com o 310 hélice e, em média, 3,6 aminoácidos estão envolvidos em um anel de α-hélice. Os subscritos referem-se ao número de átomos (incluindo o hidrogênio) no circuito fechado formado pela ligação de hidrogênio.
Resíduos em α-hélices normalmente adotam ângulos diedros de espinha dorsal (φ, ψ) em torno de (−60°, −45°), conforme mostrado na imagem à direita. Em termos mais gerais, eles adotam ângulos diedros tais que o ângulo diedro ψ de um resíduo e o ângulo diedro φ do resíduo próximo somam aproximadamente -105°. Como consequência, ângulos diedros α-helicoidais, em geral, caem em uma faixa diagonal no diagrama de Ramachandran (de inclinação −1), variando de (−90°, −15°) a (−70°, −35°). Para comparação, a soma dos ângulos diedros para uma hélice 310 é aproximadamente −75°, enquanto que para a π-hélice é aproximadamente −130°. A fórmula geral para o ângulo de rotação Ω por resíduo de qualquer hélice polipeptídica com isômeros trans é dada pela equação
- 3 cos Ω = 1 − 4 cos2 φ + ?/2
A α-hélice é compactada; quase não há espaço livre dentro da hélice. As cadeias laterais de aminoácidos estão do lado de fora da hélice e apontam aproximadamente "para baixo" (ou seja, em direção ao N-terminal), como os galhos de uma árvore perene (efeito árvore de Natal). Essa direcionalidade às vezes é usada em mapas preliminares de densidade eletrônica de baixa resolução para determinar a direção do esqueleto da proteína.
Estabilidade
As hélices observadas nas proteínas podem variar de quatro a mais de quarenta resíduos de comprimento, mas uma hélice típica contém cerca de dez aminoácidos (cerca de três voltas). Em geral, polipeptídeos curtos não exibem muita estrutura α-helicoidal em solução, uma vez que o custo entrópico associado ao enovelamento da cadeia polipeptídica não é compensado por uma quantidade suficiente de interações estabilizadoras. Em geral, as ligações de hidrogênio do esqueleto das α-hélices são consideradas ligeiramente mais fracas do que as encontradas nas folhas β e são facilmente atacadas pelas moléculas de água do ambiente. No entanto, em ambientes mais hidrofóbicos, como a membrana plasmática, ou na presença de co-solventes, como trifluoroetanol (TFE), ou isolados do solvente na fase gasosa, os oligopeptídeos adotam prontamente uma estrutura α-helicoidal estável. Além disso, as ligações cruzadas podem ser incorporadas em peptídeos para estabilizar conformacionalmente as dobras helicoidais. As ligações cruzadas estabilizam o estado helicoidal desestabilizando entropicamente o estado desdobrado e removendo a "isca" dobras que competem com o estado totalmente helicoidal. Foi demonstrado que as α-hélices são mais estáveis, robustas a mutações e designáveis do que as cadeias β em proteínas naturais e também em proteínas projetadas artificialmente.
Visualização
As 3 formas mais populares de visualizar a estrutura secundária alfa-helicoidal das sequências de oligopeptídeos são (1) uma roda helicoidal, (2) um diagrama wenxiang e (3) uma rede helicoidal. Cada um deles pode ser visualizado com vários pacotes de software e servidores web. Para gerar um pequeno número de diagramas, Heliquest pode ser usado para rodas helicoidais e NetWheels pode ser usado para rodas helicoidais e redes helicoidais. Para gerar programaticamente um grande número de diagramas, o helixvis pode ser usado para desenhar rodas helicoidais e diagramas wenxiang nas linguagens de programação R e Python.
Determinação experimental
Uma vez que a α-hélice é definida por suas ligações de hidrogênio e conformação do esqueleto, a evidência experimental mais detalhada para a estrutura α-helicoidal vem da cristalografia de raios-X de resolução atômica, como o exemplo mostrado à direita. É claro que todos os oxigênios carbonílicos da espinha dorsal apontam para baixo (em direção ao terminal C), mas se espalham ligeiramente, e as ligações H são aproximadamente paralelas ao eixo da hélice. As estruturas de proteínas da espectroscopia de RMN também mostram bem as hélices, com observações características de acoplamentos de efeito Overhauser nuclear (NOE) entre átomos em voltas helicoidais adjacentes. Em alguns casos, as ligações de hidrogênio individuais podem ser observadas diretamente como um pequeno acoplamento escalar em RMN.
Existem vários métodos de baixa resolução para atribuir a estrutura helicoidal geral. Os deslocamentos químicos de NMR (em particular de Cα, Cβ e C') e acoplamentos dipolares residuais são frequentemente característicos de hélices. O espectro de dicroísmo circular ultra-UV (170-250 nm) das hélices também é idiossincrático, exibindo um mínimo duplo pronunciado em torno de 208 e 222 nm. A espectroscopia infravermelha é raramente usada, uma vez que o espectro α-helicoidal se assemelha ao de uma bobina aleatória (embora estes possam ser discernidos por, por exemplo, troca de hidrogênio-deutério). Finalmente, a microscopia crioeletrônica agora é capaz de discernir α-hélices individuais dentro de uma proteína, embora sua atribuição a resíduos ainda seja uma área ativa de pesquisa.
Longos homopolímeros de aminoácidos geralmente formam hélices se solúveis. Essas hélices longas e isoladas também podem ser detectadas por outros métodos, como relaxação dielétrica, birrefringência de fluxo e medições da constante de difusão. Em termos mais estritos, esses métodos detectam apenas a forma hidrodinâmica característica prolato (longo charuto) de uma hélice, ou seu grande momento de dipolo.
Propensões de aminoácidos
Diferentes sequências de aminoácidos têm diferentes propensões para formar a estrutura α-helicoidal. Metionina, alanina, leucina, glutamato e lisina sem carga ("MALEK" nos códigos de 1 letra dos aminoácidos) têm propensões especialmente altas para a formação de hélices, enquanto a prolina e a glicina têm propensões baixas para a formação de hélices. A prolina quebra ou dobra uma hélice, tanto porque não pode doar uma ligação de hidrogênio amida (sem hidrogênio amida) quanto porque sua cadeia lateral interfere estericamente com a espinha dorsal da volta anterior - dentro de uma hélice, isso força uma curvatura de cerca de 30 ° no eixo da hélice. No entanto, a prolina é frequentemente vista como o primeiro resíduo de uma hélice, presumivelmente devido à sua rigidez estrutural. No outro extremo, a glicina também tende a romper as hélices porque sua alta flexibilidade conformacional torna entropicamente caro adotar a estrutura α-helicoidal relativamente restrita.
Tabela de propensões alfa-helicoidais de aminoácidos padrão
Diferenças estimadas na mudança de energia livre, Δ(ΔG), estimadas em kcal/mol por resíduo em uma configuração α-helicoidal, em relação à alanina definida arbitrariamente como zero. Números mais altos (mudanças de energia livre mais positivas) são menos favorecidos. Desvios significativos desses números médios são possíveis, dependendo das identidades dos resíduos vizinhos.
Diferenças na mudança de energia livre por resíduo Aminoácido 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 - 3 -
letra1...
letraPenal helicoidal kcal/mol kJ/mol Alanine. Ala A 0,00 0,00 Arginina Arg R 0,21 0,8 Asparagine Asn N 0,65 2.72 Ácido aspártico Asp D 0,69 2.89 Cisteína Ciclos C 0,68 2.85 Ácido glutâmico Glu E 0 1.6.7 Glutamina Gln Q 0,39 1.6.3 Glycine Gly! G 1.00 4.18 Histiologia O seu H. H. H. 0,61 2.55 Isoleucina Ile Eu... 0.41 1.72 Leucina Leu. L 0,21 0,8 Lysine. Lys. KK 0,26 1.09 Metionine Met M 0,24 1.00 Phenylalanine P. F 0,54 2.26 Proline Pro P 3.16 13.22 Seri Ser S 0,50 2.09 Threonine Thr T 0.66 2.76 Tryptophan Trânsito W 0,45 2.05 Tyrosine Tyr Y 0,53 2.2.2. Valine Val V 0,61 2.55
Momento dipolar
Uma hélice tem um momento dipolar geral devido ao efeito agregado dos microdipolos individuais dos grupos carbonila da ligação peptídica apontando ao longo do eixo da hélice. Os efeitos deste macrodipolo são motivo de alguma controvérsia. As α-hélices geralmente ocorrem com a extremidade N-terminal ligada por um grupo carregado negativamente, às vezes uma cadeia lateral de aminoácidos, como glutamato ou aspartato, ou às vezes um íon fosfato. Alguns consideram o macrodipolo da hélice como interagindo eletrostaticamente com tais grupos. Outros acham que isso é enganoso e é mais realista dizer que o potencial de ligação de hidrogênio dos grupos NH livres no N-terminal de uma α-hélice pode ser satisfeito por ligação de hidrogênio; isso também pode ser considerado como um conjunto de interações entre microdipolos locais, como C=O···H−N.
Bobinas enroladas
As α-hélices espiraladas são formas altamente estáveis nas quais duas ou mais hélices se enrolam uma na outra em uma "supercoil" estrutura. As bobinas espiraladas contêm um motivo de sequência altamente característico conhecido como repetição heptad, no qual o motivo se repete a cada sete resíduos ao longo da sequência (resíduos de aminoácidos, não pares de bases de DNA). O primeiro e especialmente o quarto resíduo (conhecido como as posições a e d) são quase sempre hidrofóbicos; o quarto resíduo é tipicamente leucina - isso dá origem ao nome do motivo estrutural chamado zíper de leucina, que é um tipo de bobina enrolada. Esses resíduos hidrofóbicos se agrupam no interior do feixe da hélice. Em geral, o quinto e o sétimo resíduos (as posições e e g) têm cargas opostas e formam uma ponte salina estabilizada por interações eletrostáticas. Proteínas fibrosas como a queratina ou os "talos" de miosina ou cinesina freqüentemente adotam estruturas de espiral espiralada, assim como várias proteínas dimerizantes. Um par de bobinas enroladas - um feixe de quatro hélices - é um motivo estrutural muito comum em proteínas. Por exemplo, ocorre no hormônio do crescimento humano e em diversas variedades de citocromo. A proteína Rop, que promove a replicação do plasmídeo em bactérias, é um caso interessante em que um único polipeptídeo forma uma espiral e dois monômeros se juntam para formar um feixe de quatro hélices.
Arranjos faciais
Os aminoácidos que compõem uma determinada hélice podem ser plotados em uma roda helicoidal, uma representação que ilustra as orientações dos aminoácidos constituintes (consulte o artigo sobre o zíper de leucina para tal diagrama). Muitas vezes, em proteínas globulares, bem como em estruturas especializadas, como bobinas e zíperes de leucina, uma α-hélice exibirá duas "faces" – um contendo aminoácidos predominantemente hidrofóbicos orientados para o interior da proteína, no núcleo hidrofóbico, e outro contendo aminoácidos predominantemente polares orientados para a superfície exposta ao solvente da proteína.
Mudanças na orientação de ligação também ocorrem para oligopeptídeos organizados facialmente. Esse padrão é especialmente comum em peptídeos antimicrobianos, e muitos modelos foram desenvolvidos para descrever como isso se relaciona com sua função. Comum a muitos deles é que a face hidrofóbica do peptídeo antimicrobiano forma poros na membrana plasmática após a associação com as cadeias gordurosas no núcleo da membrana.
Montagens de grande escala
A mioglobina e a hemoglobina, as duas primeiras proteínas cujas estruturas foram resolvidas por cristalografia de raios X, têm dobras muito semelhantes compostas por cerca de 70% de α-hélice, sendo o restante regiões não repetitivas, ou "loops& #34; que conectam as hélices. Ao classificar as proteínas por sua dobra dominante, o banco de dados Structural Classification of Proteins mantém uma grande categoria especificamente para todas as proteínas α.
A hemoglobina então tem uma estrutura quaternária de escala ainda maior, na qual a molécula funcional de ligação ao oxigênio é composta de quatro subunidades.
Funções funcionais
Ligação de DNA
As α-hélices têm um significado particular em motivos de ligação ao DNA, incluindo motivos de hélice-volta-hélice, motivos de zíper de leucina e motivos de dedo de zinco. Isso se deve ao fato estrutural conveniente de que o diâmetro de uma α-hélice é de cerca de 12 Å (1,2 nm), incluindo um conjunto médio de cadeias laterais, aproximadamente o mesmo que a largura do sulco principal no DNA de forma B, e também porque Os dímeros de hélices em espiral (ou zíper de leucina) podem prontamente posicionar um par de superfícies de interação para entrar em contato com o tipo de repetição simétrica comum no DNA de dupla hélice. Um exemplo de ambos os aspectos é o fator de transcrição Max (veja a imagem à esquerda), que usa uma bobina helicoidal para dimerizar, posicionando outro par de hélices para interação em duas voltas sucessivas do sulco principal do DNA.
Membrana estendida
As α-hélices também são o elemento de estrutura de proteína mais comum que atravessa membranas biológicas (proteína transmembrana), presume-se porque a estrutura helicoidal pode satisfazer internamente todas as ligações de hidrogênio do esqueleto, não deixando nenhum grupo polar exposto à membrana se as cadeias laterais são hidrofóbicos. As proteínas às vezes são ancoradas por uma única hélice que abrange a membrana, às vezes por um par e às vezes por um feixe de hélices, consistindo mais classicamente em sete hélices dispostas para cima e para baixo em um anel, como para rodopsinas (veja a imagem à direita) e outros receptores acoplados à proteína G (GPCRs). A estabilidade estrutural entre pares de domínios transmembranares α-helicoidais depende de motivos de empacotamento interhelicoidal de membrana conservados, por exemplo, o motivo Glicina-xxx-Glicina (ou pequeno-xxx-pequeno).
Propriedades mecânicas
α-hélices sob deformação de tração axial, uma condição de carga característica que aparece em muitos filamentos e tecidos ricos em alfa-hélice, resulta em um comportamento trifásico característico de módulo tangente rígido-macio-rígido. A fase I corresponde ao regime de pequenas deformações durante o qual a hélice é alongada de forma homogênea, seguida pela fase II, na qual as espiras alfa-helicoidais quebram mediadas pela ruptura de grupos de ligações de hidrogênio. A fase III é tipicamente associada ao alongamento da ligação covalente de grande deformação.
Recursos dinâmicos
Alfa-hélices em proteínas podem ter um movimento tipo sanfona de baixa frequência, conforme observado pela espectroscopia Raman e analisado por meio do modelo quasi-continuum. Hélices não estabilizadas por interações terciárias apresentam comportamento dinâmico, que pode ser atribuído principalmente ao desgaste da hélice nas extremidades.
Transição hélice-bobina
Homopolímeros de aminoácidos (como polilisina) podem adotar estrutura α-helicoidal em baixa temperatura que é "derretido" em altas temperaturas. Essa transição hélice-coil já foi considerada análoga à desnaturação de proteínas. A mecânica estatística dessa transição pode ser modelada usando um elegante método de matriz de transferência, caracterizado por dois parâmetros: a propensão a iniciar uma hélice e a propensão a estender uma hélice.
Na arte
Pelo menos cinco artistas fizeram referência explícita à α-hélice em seus trabalhos: Julie Newdoll na pintura e Julian Voss-Andreae, Bathsheba Grossman, Byron Rubin e Mike Tyka na escultura.
A artista da área de San Francisco, Julie Newdoll, formada em Microbiologia com especialização em arte, especializou-se em pinturas inspiradas em imagens e moléculas microscópicas desde 1990. Sua pintura "Rise of the Alpha Helix" (2003) apresenta figuras humanas dispostas em um arranjo α helicoidal. Segundo o artista, "as flores refletem os vários tipos de cadeias laterais que cada aminoácido oferece ao mundo". Essa mesma metáfora também ecoa do lado do cientista: as folhas "β não mostram uma regularidade rígida e repetitiva, mas fluem em curvas graciosas e sinuosas, e mesmo a α-hélice é regular mais na forma de uma caule da flor, cujos nós de ramificação mostram a influência do ambiente, história de desenvolvimento e a evolução de cada parte para corresponder à sua própria função idiossincrática."
Julian Voss-Andreae é um escultor nascido na Alemanha com formação em física experimental e escultura. Desde 2001 Voss-Andreae cria "esculturas de proteínas" baseado na estrutura da proteína com a α-hélice sendo um de seus objetos preferidos. Voss-Andreae fez esculturas de α-hélice de diversos materiais, incluindo bambu e árvores inteiras. Um monumento que Voss-Andreae criou em 2004 para celebrar a memória de Linus Pauling, o descobridor da α-hélice, é formado por uma grande viga de aço reorganizada na estrutura da α-hélice. A escultura vermelha brilhante de 3 m de altura fica em frente à casa de infância de Pauling em Portland, Oregon.
Diagramas de fita de α-hélices são um elemento proeminente nas esculturas de cristal gravadas a laser de estruturas de proteínas criadas pela artista Bathsheba Grossman, como as de insulina, hemoglobina e DNA polimerase. Byron Rubin é um ex-cristalógrafo de proteínas, agora escultor profissional em metal de proteínas, ácidos nucleicos e moléculas de drogas - muitas das quais com α-hélices, como subtilisina, hormônio do crescimento humano e fosfolipase A2.
Mike Tyka é um bioquímico computacional da Universidade de Washington que trabalha com David Baker. Tyka faz esculturas de moléculas de proteína desde 2010 a partir de cobre e aço, incluindo ubiquitina e um tetrâmero de canal de potássio.