Alfaheeliks

Alfaheeliks (α-heeliks) on bipolümeeri sekundaarstruktuur ja paremalt poolt rullis või spiraalne konformatsioon, kus on selgrooks N-H grupp, mis domineerib vesiniksideme C=O grupile aminohappes. Vastavat sekundaarstruktuuri nimetatakse ka klassikaliseks Paulingi-Corey-Bransoni alfaheeliksiks. Veel nimetatakse seda 3,6(13)-heeliksiks, nimetuses olev arv 13 viitab aatomite arvule, mida on vaja ühe vesiniksidemetest moodustatud ringi jaoks, ja 3,6 tähistab jääkide arvu ühes spiraalis. William Astbury täheldas aastal 1930 drastilist muutust röntgenikiirte kiudude difraktsioonis niiske villa või juuksekarva venitamisel. Venitamata kiududes oli molekulaarne struktuur rullis, millele oli iseloomulik kordus ~5,1 ongströmi (0,51 nm) järel. Astbury pakkus selle selgituseks, et välja venitamata valgu molekulid moodustasid heeliksi (α-vorm) ning välja venitamise puhul keris heeliks lahti, saades pikendatud vormi (β-vormi). Detailide ebakorrektsusest hoolimata suutis Astbury luua mudeli, mis sarnaneb oma tänapäevase DNA sekundaarstruktuuriga. 1960. aastal suudeti leida müoglobiini kristallstruktuur, mis lubas järeldada, et paremakäeline heeliks on laiemalt levinud kui vasakukäeline heeliks. Kaks põhilist eeldust modernse alfaheeliksi mudeli loomiseks olid õige sideme geomeetria, mis tuletati aminohapete ja peptiidsidemete determinatsioonist kristallstruktuuriga, ning Linus Paulingi ennustusest peptiidsideme planaarsusest. Valkudes võib heeliksi jääkide arv ulatuda neljast kuni üle neljakümne. Tavaline kogus on kümme aminohapet (umbes 3 spiraali). Lahustes väikestel polüpeptiididel helikaalseid struktuure eriti pole, sest entroopia, mida on vaja heeliksi moodustamiseks, ei ole kompenseeritud piisavate stabiliseerivate interaktsioonidega. Üldiselt peetakse alfaheeliksi struktuuri selgroo vesiniksidemeid nõrgemaks kui β-lehtede omi ja neid "rünnatakse" pidevalt ümbritsevate vesinikumolekulidega. Hüdrofoobses keskkonnas, nagu näiteks plasmamembraan või trifosfoetanooliga lahustid, võtavad oligopeptiidid stabiilsema alfastruktuuri. Ristsidemed lisavad konformatsiooniliselt stabiliseerivaid volte. Eriaminohappelised järjestused annavad eri tõenäosusega α-helikaalse struktuuri. Metioniin, alaniin, leutsiin, glutamaat ja lüsiin soodustavad struktuuri formeerumist. Proliinil ja glütsiinil on nõrgemad formeerivad omadused. Proliin lõhub heeliksit, kuna selles ei domineeri amiidi vesiniksidet ja selle külgahelad mõjutavad steriilset keerduvat selgroogu heeliksisiseselt, mis sunnib tegema 30° pööret heeliksi teljes. Heeliksil on üldine dipoolmoment, mis on tingitud heeliksi telje peptiidsideme karbonüülgruppide individuaalsete mikrodipoolide kogumõjust. Makrodipooli efekt on tekitanud poleemikat. Alfaheeliksid esinevad sageli N-terminaalse otsa seondumisel negatiivselt laetud grupiga, mõnikord aminohappe külgahelaga, näiteks glutamaadil ja aspartaadil või fosfaatioonil. On arvatud, et heeliksi makrodipool käitub selliste gruppidega elektrostaatiliselt. Seda on aga peetud ka eksituseks ja oldud seisukohal, et tegelikult on N-terminuses vaba N-H grupp, mis on seondunud vesiniksidemetega. Mikrodipoolide puhul on seda täheldatud niisuguste sidemete puhul nagu C=O...H-N. Alfaheeliks on defineeritud vesiniksidemete ja selgroo kuju kaudu. Kõige detailsem heeliksite kirjeldus pärineb aatomskaala resolutsiooniga röntgenkristallograafiast. On selge, et selgroo karbonüülide hapnikud on suunatud allapoole (C-terminuse suunas), kuigi veidi viltuselt, ja vesiniksidemed on umbkaudselt paralleelsed heeliksi teljega. NMRi spektroskoopia abil saadud valgustruktuurid on samuti detailselt helikaalsed, iseloomulike NOE (nuclear overhauser effect) ühendustega helikaalsete pöörete kõrval. Mõnikord võib vesiniksidemeid vaadelda kui väikest skalaarsidestust. On ka mitmeid väiksema resolutsiooniga viise helikaalse struktuuri määramiseks. NMRi keemilised nihked (eriti alfa- ja beetasüsinikes) ning residuaalsed dipolaarsed ühendused on tavaliselt ka helikaalsele struktuurile iseloomulikud. UV-kiirtega (170–250 nm) ringdikroismi spektris annab heeliks samuti isikupärase topeltmiinimumi ~208 nm ja ~222 nm juures. Infrapunaspektroskoopiat on struktuuri tuvastamiseks harva kasutatud, kuna alfahelikaalse struktuuri spekter sarnaneb täiesti juhusliku pundarstruktuuriga. Krüoelektronmikroskoopiaga suudetakse nüüdseks eristada eri alfaheelikseid valgusiseselt. Aminohapete pikki homopolümeere saab samuti tuvastada dielektrilise relaksatsiooniga ja difusioonikonstantide arvutamisega. Need meetodid tuvastavad aga ainult klassikalist välja venitatud hüdrodünaamilist heeliksi kuju või selle dipoolmomenti. Müoglobiin ja hemoglobiin on esimesed kaks valku, mille struktuur määrati röntgenkristallograafiaga. Selle abil sai näha 70% alfaheeliksist koos mittekorduvate järjestuste või silmustega, mis heelikseid ühendavad. Valkude strukturaalse klassifikatsiooni andmebaas sisaldab palju alfahelikaalseid valke. Hemoglobiinil on ulatuslik kvaternaarne struktuur, kus funktsionaalne hapnikku siduv molekul moodustub neljast allühikust. Alfaheeliksid on erilise tähtsusega DNA sidumisel motiividega, sealhulgas heeliks-pööre-heeliks-motiivi, leutsiin-luku ja tsink-sõrmedega. See tuleneb asjaolust, et heeliksi diameeter koos kõrvalahelatega on ~12 Å (1,2 nm), mis on võrdväärne DNA beetavormi suure vaoga, ning heeliksi leutsiin-luku dimeerid saab hõlpsasti paigutada interaktsioonipindade paarile kontakteerumiseks DNA kaksikheeliksi sümmeetriliste kordustega. Alfaheeliksid on ka kõige tuntum valgustruktuurielement, mis läbib bioloogilisi rakumembraane (transmembraanne valk). Valke ankurdab mõnikord üksik membraani läbiv heeliks, mõnikord nende paar või kimp, mis moodustub klassikaliselt seitsmest ringikujuliselt üles-alla järjestatud heeliksist nagu rodoposiinil või G-valgu ühendatud retseptoril. Mitmed kunstnikud on viidanud oma töös alfaheeliksile. Nende seas näiteks maalikunstnik Julie Newdoll ning skulptorid Julian Voss-Andreae, Bathsheba Grossman, Byron Rubin ja Mike Tyka. San Franciscost pärit ja mikrobioloogiat õppinud kunstniku Julie Newdolli maalid on olnud alates 1990. aastast molekulidest inspireeritud. Tema maalil "Rise of the Alpha Helix" (2003) on inimfiguurid alfaheeliksina paigutatud. Kunstniku sõnul "kujutavad lilled eri kõrvalahelaid, millega iga aminohape sirutub maailma poole". On huvitav märkida, et samasugust metafoori on kasutanud ka teadlased: "β-lehed ei ilmuta ranget korduvat regulaarsust, vaid otsekui voolavad graatsiliste kõveratena, ja isegi alfaheeliksi regulaarsus meenutab pigem lillevart, mille hargnevad rootsud annavad märku mõjust keskkonnale, arengu ajaloost ja iga osa arengu sobitumisest oma isikupärasesse funktsiooni." Julian Voss-Andreae on Saksamaal sündinud ja eksperimentaalset füüsikat õppinud skulptor. Alates 2001. aastast loob ta "valguskulptuure", mis põhinevad valgu struktuuril, alfaheeliks on üks tema eelistatuim objekt. Voss-Andreae on teinud alfaheeliksi skulptuure mitmesugustest materjalidest, muu hulgas bambusest ja terviklikust puust. 2004. aastal valmistas Voss-Andreae mälestusmärgi alfaheeliksi avastajale Linus Paulingile. See mälestusmärk kujutab endast alfaheeliksikujuliseks vormitud 3 meetri kõrgust erepunast terastala, mis seisab nüüd Paulingi lapsepõlvekodu ees Oregonis Portlandis. Bathsheb Grossman kasutab alfaheelikseid elemendina oma lasersöövitatud kristallskulptuurides. Byoron Rubin tegeles varem valkude kristalliseerimisega, nüüd on ta professionaalne skulptor, kes kujutab alfaheelikseid metallis. Biokeemikuna töötav Mike Tyka on teinud valgumolekule kujutavaid vask- ja terasskulptuure alates 2010. aastast. Neurath, H (1940). "Intramolecular folding of polypeptide chains in relation to protein structure". Journal of Physical Chemistry 44: 296–305. doi:10.1021/j150399a003. Dickerson, RE; Geis, I (1969), Structure and Action of Proteins, Harper, New York. Dunitz, J (2001). "Pauling's Left-Handed α-Helix". Angewandte Chemie International Edition 40: 4167–4173. doi:10.1002/1521-3773(20011119)40:22<4167::AID-ANIE4167>3.0.CO;2-Q. Kutchukian, PS; Yang JS; Verdine GL; Shakhnovich EI (2009). "All-Atom Model for Stabilization of alpha-Helical Structure in Peptides by Hydrocarbon Staples". Journal of the American Chemical Society 131: 4622–4627. doi:10.1021/ja805037p. PMC 2735086 PMID 19334772. Hudgins, RR; Jarrold MF (1999). "Helix Formation in Unsolvated Alanine-Based Peptides: Helical Monomers and Helical Dimers". Journal of the American Chemical Society 121: 3494–3501. doi:10.1021/ja983996a. Eisenberg D, Weiss RM, Terwilliger TC (1982). "The helical hydrophobic moment: a measure of the amphiphilicity of a helix". Nature 299 (5881): 371–4. Bibcode:1982Natur.299..371E. doi:10.1038/299371a0 PMID 7110359. Hol, WGJ; van Duijnen PT (1978). "The alpha helix dipole and the properties of proteins". Nature 273: 443–446. Bibcode:1978Natur.273..443H. doi:10.1038/273443a0. Bragg, WL; Kendrew, JC; Perutz, MF (1950). "Polypeptide chain configurations in crystalline proteins". Proceedings of the Royal Society A 203 (1074): 321–?. Bibcode:1950RSPSA.203..321B. doi:10.1098/rspa.1950.0142. Pace, C. Nick; Scholtz, J. Martin (1998). "A Helix Propensity Scale Based on Experimental Studies of Peptides and Proteins". Biophysical Journal 75. pp. 422–427. doi:10.1016/s0006-3495(98)77529-0. Schiffer M, Edmundson AB (March 1967). "Use of helical wheels to represent the structures of proteins and to identify segments with helical potential". Biophys. J. 7 : 121–35. Bibcode:1967BpJ.....7..121S. doi:10.1016/S0006-3495(67)86579-2. PMC 1368002 PMID 6048867. Hol, WGJ; van Duijnen PT (1978)."The alpha helix dipole and the properties of proteins". Nature 273: 443–446. Bibcode:1978Natur.273..443H. doi:10.1038/273443a0. Voss-Andreae, J (2005). "Protein Sculptures: Life's Building Blocks Inspire Art". Leonardo 38: 41–45. doi:10.1162/leon.2005.38.1.41.