Pi spiral

En pi-helix (eller π-helix ) er en type sekundær struktur, der findes i proteiner [1] . Opdaget af krystallografen Barbara Lowe i 1952 [2] og engang betragtet som en sjældenhed, findes korte π-helixer i 15 % af kendte proteinstrukturer og menes at være evolutionære tilpasninger lavet ved at indsætte en enkelt aminosyre i en α-helix [3 ] . Fordi sådanne inserts er stærkt destabiliserende for proteinkæden [4] , vil π-helix-dannelse have tendens til at være genstand for evolutionær selektion, medmindre det giver en funktionel fordel for proteinet. Derfor findes π-helixer normalt nær de funktionelle steder af proteiner [3] [5] [6] .

Standardstruktur

Aminosyrerne i standard π-helixen er arrangeret i en højrehåndet helixstruktur . Hver aminosyre svarer til en 87° drejning af helixen (dvs. helixen har 4,1 rester pr. drejning) og et skift på 1,15 Å (0,115 nm ) langs helixens akse. Vigtigst er det, at NH-gruppen i aminosyren danner en hydrogenbinding med C=O -gruppen i aminosyren fem rester tidligere; denne gentagne i  + 5 → i hydrogenbinding definerer π-helixen. Lignende konstruktionsstrukturer findes i 3 10 helix ( i  + 3 → i hydrogenbinding) og α-helix ( i  + 4 → i hydrogenbinding).

De fleste π-spiraler er kun 7 rester lange og har ikke regelmæssigt gentagne ( φ ,  ψ ) dihedrale vinkler i hele strukturen, ligesom α-spiraler eller β-ark. Der kan dog foretages nogle generaliseringer. Når det første og sidste par af aminosyrerester er elimineret, eksisterer de dihedriske vinkler således, at den dihedriske ψ-vinklen for en rest og den φ-dihedriske vinkel for den næste rest er ca. -125°. Summen af ​​det første og sidste par af rester er henholdsvis -95° og -105°. Til sammenligning er summen af ​​de dihedriske vinkler for 3 10 helixen omkring −75°, mens den for α helixen er omkring −105°. Prolin observeres ofte umiddelbart efter afslutningen af ​​π-helixer. Den generelle formel for rotationsvinklen Ω pr. rest af enhver polypeptidhelix med transisomerer er givet ved ligningen

Venstrehåndsstruktur

En venstrehåndsversion af π-helixen er mulig ved at ændre tegnet ( φ ,  ψ ) for de dihedrale vinkler til (55°, 70°). Denne pseudo-"spejl" helix har omtrent det samme antal rester pr. omdrejning (4,1) og helix-pitch (1,5 Å). Dette er ikke et sandt spejlbillede, fordi aminosyreresterne stadig har venstrehåndet chiralitet . En lang venstrehåndet π-helix er usandsynligt at se i proteiner, fordi blandt naturligt forekommende aminosyrer er det kun glycin , der sandsynligvis har positive dihedrale φ-vinkler såsom 55°.

π-helixer i naturen

Almindeligt anvendte programmer til automatiseret sekundær strukturbestemmelse, såsom DSSP , antager, at <1% af proteinerne indeholder en π-helix. Denne fejlkarakterisering skyldes det faktum, at naturligt forekommende π-helixer sædvanligvis er korte i længden (7 til 10 rester) og næsten altid er forbundet med (dvs. flankerede) a-helixer i begge ender. Næsten alle π-spiraler er således skjulte i den forstand, at π-spiralrester er forkert tildelt enten en α-helix eller "drejninger". Nyligt udviklede programmer skrevet til korrekt annotering af π-helixer i proteinstrukturer har fundet ud af, at et ud af seks proteiner (ca. 15%) faktisk indeholder mindst ét ​​π-helixsegment [3] .

Naturlige π-helixer kan let identificeres i strukturen som en "bule" i en længere α-helix. Sådanne spiralformede buler blev tidligere kaldt α-aneurismer, α-buler, π-buler, brede drejninger, loop-udgange og π-sving, men er faktisk π-spiraler, defineret ved deres gentagne i + 5 → i hydrogenbindinger [3] . Beviser tyder på, at disse buler eller π-helixer skabes ved at indsætte en ekstra aminosyre i en allerede eksisterende α-helix. Således kan α-helixer og π-helixer transformeres indbyrdes ved insertion og deletion af en aminosyre [4] . I betragtning af både den relativt høje hyppighed af forekomst af π-helixer og deres bemærkede association med funktionelle steder (dvs. aktive steder ) af proteiner, har denne evne til at interkonvertere mellem α-helixer og π-helixer været en vigtig mekanisme til at ændre og diversificere funktionalitet af proteiner i løbet af evolutionen.

En af de mest bemærkelsesværdige grupper af proteiner, hvis funktionelle diversificering synes at være blevet stærkt påvirket af en sådan evolutionær mekanisme, er den ferritinlignende superfamilie , som omfatter ferritiner , bakterioferritiner , rubrerythriner , klasse I ribonukleotidreduktaser og opløselige methanmonooxygenaser . Opløselig metanmonooxygenase har den nuværende rekord for det største antal π-helixer i et enkelt enzym (13). ( FBF-kode 1MTY). Bakteriehomologen af ​​Na + /Cl - afhængig neurotransmittertransporter (PDB-kode 2A65) har imidlertid rekorden for antallet af π-helixer i én peptidkæde (8 stykker) [3] .

Se også

• α-helix
• 3 10 spiral
• β-helix

Noter

1. ↑ "Strukturen af ​​proteiner: to hydrogenbundne spiralkonfigurationer af polypeptidkæden". 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 . Hentet 2. oktober 2019. Arkiveret fra originalen 25. februar 2020. (ubestemt)
3. ↑ 1 2 3 4 5 Richard B. Cooley, Daniel J. Arp, P. Andrew Karplus. Evolutionær oprindelse af en sekundær struktur: π-helixer som kryptiske, men udbredte indsættelsesvariationer af α-helicer, der forbedrer proteinfunktionalitet  //  Journal of Molecular Biology. – 2010-11. — Bd. 404 , udg. 2 . — S. 232–246 . - doi : 10.1016/j.jmb.2010.09.034 . Arkiveret 26. maj 2021.
4. ↑ 1 2 L. J. Keefe, J. Sondek, D. Shortle, E. E. Lattman. Alfa-aneurismen: et strukturelt motiv afsløret i en insertionsmutant af stafylokokknuklease.  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 1993-04-15. — Bd. 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 oversætter struktur til funktion." protein videnskab . 9 (1): 201-206. DOI : 10.1110/ps.9.1.201 . PMID  10739264 .
6. ↑ "Forekomst, konformationelle træk og aminosyretilbøjeligheder til pi-helixen". ProteinEng . 15 (5): 353-358. 2002. DOI : 10.1093/protein/15.5.353 . PMID  12034854 .