HÈLIX ALFA: ESTRUCTURA I IMPORTÀNCIA FUNCIONAL - BIOLOGIA - 2025

La hèlix alfa és l'estructura secundària més senzilla que una proteïna pot adoptar en l'espai d'acord amb la rigidesa i llibertat de rotació dels enllaços entre els seus residus aminoacídics.

Es caracteritza per la forma espiral en la qual es troben disposats els aminoàcids, que semblen ordenar al voltant d'un eix longitudinal imaginari amb els grups R cap a l'exterior d'aquest.

Diagrama de l'estructura de l'hèlix alfa (Alejandro Porto, via Wikimedia Commons)

Les hèlixs alfa van ser descrites per primera vegada en l'any 1951 per Pauling i col·laboradors, els qui van emprar les dades disponibles sobre les distàncies interatòmiques, els angles d'enllaç i altres paràmetres estructurals de pèptids i aminoàcids per predir les configuracions més probables que podrien assumir les cadenes polipeptídiques.

La descripció de l'hèlix alfa va sorgir de la recerca de totes les estructures possibles en una cadena peptídica que fossin estabilitzades per ponts d'hidrogen, on els residus eren estequiomètricament equivalents i la configuració de cada un fos planar, tal com ho indicaven les dades de ressonància dels enllaços peptídics que estaven disponibles per a la data.

Aquesta estructura secundària és la més comuna entre les proteïnes, i la mateixa és adoptada tant per proteïnes solubles com per proteïnes integrals de membrana. Es creu que més de el 60% de les proteïnes existeix en forma d'hèlix alfa o làmina beta.

estructura

En general, cada gir d'una hèlix alfa té de mitjana 3.6 residus aminoacídics, el que equival més o menys a 5.4 Å de longitud. No obstant això, els angles i les longituds de gir varien d'una proteïna a una altra amb estricta dependència de la seqüència d'aminoàcids de l'estructura primària.

La majoria de les hèlixs alfa tenen un gir dextrogir, però en l'actualitat se sap que poden existir proteïnes amb hèlixs alfa amb girs levógiros. La condició perquè passi un o altre és que tots els aminoàcids es trobin en la mateixa configuració (L o D), ja que són aquests els responsables de la direcció de l'gir.

L'estabilització d'aquests importants motius estructurals per al món proteic està donada per enllaços d'hidrogen. Aquests enllaços es donen entre l'àtom d'hidrogen unit a l'nitrogen electronegatiu d'un enllaç peptídic i l'àtom d'oxigen carboxílic electronegatiu de l'aminoàcid quatre posicions més endavant, a la regió N-terminal respecte a si mateix.

Cada volta d'hèlix, al seu torn, s'uneix a la següent per enllaços d'hidrogen, que són fonamentals per aconseguir l'estabilitat global de la molècula.

No tots els pèptids poden formar hèlixs alfa estables. Això està donat per la capacitat intrínseca de cada aminoàcid de la cadena per formar hèlixs, que es relaciona directament amb la naturalesa química i física dels seus grups R substituents.

Per exemple, a determinat pH molts residus polars poden adquirir la mateixa càrrega, de manera que no poden situar-se consecutivament en una hèlix ja que la repulsió entre ells implicaria una gran distorsió en la mateixa.

La mida, la forma i la posició dels aminoàcids també són importants determinants de l'estabilitat helicoïdal. Sense anar més lluny, residus com Asn, Ser, Thr i Cys posicionats en estreta proximitat dins la seqüència també podrien tenir un efecte negatiu sobre la configuració de l'hèlix alfa.

De la mateixa manera, la hidrofobicitat i la hidrofilicitat dels segments alfa helicoïdals en un pèptid determinat depenen exclusivament de la identitat dels grups R dels aminoàcids.

En proteïnes integrals de membrana abunden hèlixs alfa amb residus de fort caràcter hidrofòbic, estrictament necessàries per a la inserció i configuració dels segments entre les cues apolars dels fosfolípids constituents.

Les proteïnes solubles, per contra, posseeixen hèlixs alfa riques en residus polars, que fan possible una millor interacció amb el medi aquós present en el citoplasma o en els espais intersticials.

importància funcional

Els motius hèlix alfa tenen un ampli rang de funcions biològiques. Patrons d'interacció específics entre les hèlixs juguen un paper crític en la funció, l'acoblament i la oligomerització tant de proteïnes de membrana com de proteïnes solubles.

Aquests dominis són presents en molts factors de transcripció, importants des del punt de vista de la regulació de l'expressió genètica. També són presents en proteïnes amb rellevància estructural i en proteïnes membranals que tenen funcions de transport i / o transmissió de senyals de diversa índole.

A continuació, alguns exemples clàssics de proteïnes amb hèlixs alfa:

miosina

La miosina és una ATPasa activada per actina que s'encarrega de la contracció muscular i de gran varietat de formes de mobilitat cel·lular. Tant les miosinas musculars com les no musculars consisteixen en dues regions o "caps" globulars unides entre si per una llarga "cua" alfa helicoïdal.

col·lagen

Un terç de l'contingut proteic total de el cos humà està representat pel col·lagen. És la proteïna més abundant de l'espai extracel·lular i té com a característica distintiva un motiu estructural compost per tres fils paral·leles amb una configuració helicoïdal levogira, que s'ajunten per formar una hèlix triple de sentit dextrogir.

queratina

Les queratines són un grup de proteïnes formadores de filaments que són produïdes per algunes cèl·lules epitelials en els vertebrats. Són el principal component de les ungles, el cabell, les urpes, la closca de les tortugues, les banyes i les plomes. Part de la seva estructura fibril·lar està formada per segments d'hèlix alfa.

Estructuració de la queratina (Mlpatton, from Wikimedia Commons)

hemoglobina

L'oxigen a la sang és transportat per l'hemoglobina. La porció globina d'aquesta proteïna tetramèrica consisteix en dues hèlixs alfa idèntiques de 141 residus cadascuna, i de dues cadenes beta de 146 residus cadascuna.

Proteïnes tipus «dits de zinc»

Els organismes eucariotes posseeixen una gran riquesa de proteïnes tipus dits de zinc, que funcionen per a diferents propòsits: reconeixement d'ADN, empaquetat d'ARN, activació transcripcional, regulació de l'apoptosi, plegament de proteïnes, etc. Moltes proteïnes dits de zinc posseeixen hèlixs alfa com a component principal de la seva estructura i que són essencials per a la seva funció.

referències

1. Aurora, R., Srinivasan, R., & Rose, GD (1994). Rules for a-alpha-Helix Termination by Glycine. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X., & Matthews, B. (1993). Structural basis of amino acid alpha helix propensity. Science, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG, & Matthews, BW (1989). The helix-turn-helix DNA binding motif. Journal of Biological Chemistry, 264 (4), 1903-1906.
4. Eisenberg, D. (2003). The discovery of the structural features of proteins alpha-helix and beta-sheet, the principal. PNAS, 100 (20), 11.207-11.210. Huggins, ML (1957). The structure of alpha Keratin. Chemistry, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R., & Duwez, P. (1960). Structure of myoglobin. Nature, 185, 422-427.
6. Laity, JH, Lee, BM, & Wright, PE (2001). Zinc finger proteins: New insights into structural and functional diversity. Current Opinion in Structural Biology, 11 (1), 39-46.
7. Lodish et, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H.,… Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5th ed.). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Membrane structural biology: with biochemical and biophysical foundations. Cambridge University Press. Retrieved from www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE, & Greathouse, DV (2018). Helix formation and stability in membranes. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108-2117.
10. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger Principis de Bioquímica. Edicions Omega (5th ed.).
11. Pauling, L., Corey, RB, & Branson, HR (1951). The structure of proteïnes: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 37, 205-211.
12. Perutz, MF (1978). Hemoglobin structure and respiratory transport. Scientific American, 239 (6), 92-125.
13. Scholtz, JM, & Baldwin, RL (1992). The Mechanism of alpha-Helix Formation by Peptides. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 21 (1), 95-118.
14. Shoulders, MD, & Raines, RT (2009). Collagen Structure and Stability. Annual Review of Biochemistry, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., & Neumannli, J. (1991). Tissue-specific Regulation of the alpha-Myosin heavy chain gene promoter in Transgenic mice. The Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24.613-24.620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Structure, mechanical properties, occurrence in biological organisms, and efforts at Bioinspiration. Progress in Materials Science. Elsevier Ltd
17. Warrick, HM, & Spudich, J. a. (1987). Myosin structure and function in cell motility. Annual Review of Cell Biology, 3, 379-421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., & degradar, WF (2015). The membrane- and soluble-protein helix-helix interactome: Similar geometry via different interactions. Structure, 23 (3), 527-541