Espiral 310

Helix 3 10  (hélice 3.10)  es un tipo de estructura secundaria que se encuentra en proteínas y polipéptidos. De las muchas estructuras secundarias de proteínas presentes, la hélice 310 es el cuarto tipo más comúnmente observado después de las hélices α , las láminas β y los giros β . Las 3 10 -hélices constituyen casi el 15-20% de todas las hélices en las estructuras secundarias de las proteínas y generalmente se observan como extensiones de α-hélices, que se encuentran en sus terminales N o C. Las hélices 310 en las proteínas suelen tener solo de tres a cinco residuos, en comparación con un promedio de 10-12 residuos para las hélices α . Debido a la tendencia de las hélices α a plegarse y desplegarse secuencialmente, se ha propuesto que la hélice 3 10 sirve como una especie de conformación intermedia en el plegamiento/despliegue de las hélices α [1] .

Descubrimiento

Max Perutz , director del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica de la Universidad de Cambridge , escribió el primer artículo que documenta la hélice 3 10 [2] . Con Lawrence Bragg y John Kendrew , Perutz publicó un estudio de las configuraciones de la cadena polipeptídica en 1950 basado en datos de difracción no cristalina, así como en estructuras cristalinas de moléculas pequeñas, como los cristales que se encuentran en el cabello [3] . Sus propuestas incluían lo que ahora se conoce como la hélice 3 10 , pero no incluían los dos motivos estructurales más comunes que se descubrieron algo más tarde. Al año siguiente, Linus Pauling predijo ambos motivos, la hélice alfa [4] y la hoja beta [5] , en un artículo que ahora se compara en importancia [2] con la publicación de Francis Crick y James D. Watson sobre la Doble hélice del ADN [6] . Pauling fue muy crítico con las estructuras helicoidales propuestas por Bragg, Kendrew y Perutz y afirmó que todas eran inverosímiles [2] [4] .

El artículo de Pauling y Corey me golpeó como un rayo. A diferencia de los de Kendrew y los míos, los de ellos no estaban deformados; todos los grupos amida eran planos y cada grupo carbonilo formaba un enlace de hidrógeno perfecto con uno de cada cuatro residuos de aminoácido más abajo en la cadena. El edificio se veía exactamente bien. ¿Cómo podría perderlo?
— Max Perutz , 1998 [2] .

Más tarde ese día, Perutz tuvo la idea de hacer un experimento para confirmar el modelo de Pauling y corrió al laboratorio para llevarlo a cabo. En cuestión de horas, tenía pruebas que respaldaban la hélice alfa, que mostró por primera vez a Bragg el lunes [2] . La confirmación de Perutz de la estructura de hélice alfa se publicó en Nature poco después [7] . Los principios aplicados en el artículo de 1950 a las estructuras polipeptídicas teóricas relacionadas con la hélice 3 10 incluían: [3]

• Las cadenas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno y oxígeno de varias unidades de amida (péptido) adyacentes, que se forman cuando los aminoácidos se condensan para formar una cadena polipeptídica. Forman estructuras helicoidales que no se pueden desenredar sin romper los enlaces de hidrógeno.
• Aquellas estructuras en las que todos los grupos NH y CO disponibles están unidos por enlaces de hidrógeno son inherentemente más probables porque su energía libre es presumiblemente menor.

La estructura de la hélice 3 10 fue finalmente confirmada por Kendrew en su estructura de mioglobina de 1958 [8] , y también fue redescubierta en 1960 cuando Perutz determinó la estructura de la hemoglobina [9] [10] [11] y la perfeccionó en trabajos posteriores sobre su formas desoxigenadas [12] [13] y oxigenadas [14] [14] .

Ahora se sabe que la hélice es el 3 10 cuarto tipo observado con mayor frecuencia después de las hélices α , las láminas β y los giros β [1] . Estos son casi siempre tramos cortos, casi el 96 % de los cuales contienen cuatro o menos residuos de aminoácidos [15] :44 , que aparecen en lugares como "esquinas" donde las hélices α cambian de dirección, por ejemplo, en la estructura de la mioglobina [8] . Se han observado regiones más largas, que oscilan entre siete y once residuos, en el segmento del sensor de voltaje de los canales de potasio activados por voltaje en el dominio transmembrana de algunas proteínas helicoidales [16] .

Estructura

Los aminoácidos en la hélice 3-10 están dispuestos en una estructura helicoidal de mano derecha . Cada aminoácido corresponde a un giro de 120° de la hélice (es decir, la hélice tiene tres residuos por giro), un desplazamiento de 2,0  Å a lo largo del eje de la hélice y tiene 10 átomos en el anillo formado por un enlace de hidrógeno . 15] :44-45 . Lo que es más importante, el grupo NH del aminoácido forma un enlace de hidrógeno con el grupo C=O del aminoácido tres residuos antes; este enlace de hidrógeno repetido i + 3 →  i define una hélice 3 10 . Se encuentran estructuras de construcción similares en la hélice α ( i  + 4 →  i enlace de hidrógeno) y la hélice Pi ( i  + 5 →  i enlace de hidrógeno) [15] :44–45 [1] .

Los residuos de aminoácidos en 3 10 hélices largas toman ( φ ,  ψ ) ángulos diédricos alrededor de (−49°, −26°). Muchas 3 10 hélices en las proteínas son cortas y, por lo tanto, se desvían de estos valores. De manera más general, los residuos en hélices largas de 3 x 10 forman ángulos diedros, de modo que el ángulo diedro ψ de un residuo y el ángulo diedro φ del siguiente residuo suman aproximadamente −75°. A modo de comparación, la suma de los ángulos diedros para la hélice α es de aproximadamente −105°, y para la hélice π, de aproximadamente −125° [15] :44–45 .

La fórmula general para el ángulo de rotación Ω por residuo de cualquier hélice polipeptídica con isómeros trans viene dada por la ecuación: [15] :40

y dado que para una hélice ideal 3 10 Ω  = 120°, se sigue que φ y ψ deben estar relacionados por:

de acuerdo con el valor observado de φ  +  ψ alrededor de −75° [15] :44 .

La importancia de los ángulos diédricos en la hélice 3 10 en relación con los ángulos de la hélice α puede explicarse por la corta longitud de esta hélice: de 3 a 5 residuos de longitud en comparación con los 10-12 residuos en la hélice α. . 3 10 - Las hélices aparecen a menudo en las regiones de transición de las moléculas, lo que determina su pequeño tamaño y conduce a desviaciones en la distribución de los ángulos de torsión de su cadena principal y, en consecuencia, a irregularidades. Sus redes de enlaces de hidrógeno están distorsionadas en comparación con las hélices α, lo que contribuye a su inestabilidad, aunque la frecuente aparición de la hélice 3-10 en las proteínas naturales demuestra su importancia en las estructuras de transición [1] [1] .

Estabilidad

A través de la investigación de Mary Karpen, Peter De Hasset y Kenneth Neath [17] , se han identificado factores de estabilidad en 3 10 hélices. Las hélices están estabilizadas de manera más prominente por el residuo de aspartato en el extremo N -terminal no polar , que interactúa con el grupo amida en el extremo N - terminal helicoidal. Esta interacción electrostática estabiliza los dipolos peptídicos en una orientación paralela. Al igual que los enlaces de hidrógeno helicoidales continuos que estabilizan las hélices α, los altos niveles de aspartato son igualmente importantes para el mantenimiento de las hélices 310 . La alta frecuencia de aspartato tanto en la hélice 310 como en las hélices α indica su influencia en la iniciación y propagación de la hélice, pero al mismo tiempo sugiere que contribuye a la estabilización de la hélice 310 al inhibir la propagación de α. -hélices [17] .

Véase también

• hélice alfa
• pi espiral
• β-turn

Notas

1. ↑ 1 2 3 4 5 Roger Armen, Darwin OV Alonso, Valerie Daggett. El papel de las hélices α, 3 10 y π en las transiciones hélice → bobina  //  Protein Science. — 2003-06. — vol. 12 , edición. 6 _ — pág. 1145–1157 . -doi : 10.1110 / ps.0240103 .
2. ↑ 1 2 3 4 5David Eisenberg. El descubrimiento de la hélice α y la lámina β, las principales características estructurales de las proteínas  // Actas de la Academia Nacional de Ciencias. — 2003-09-09. - T. 100 , núm. 20 _ — S. 11207–11210 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . -doi : 10.1073/ pnas.2034522100 .
3. ↑ 1 2 Configuraciones de cadenas polipeptídicas en proteínas cristalinas  (inglés)  // Actas de la Royal Society of London. Serie A. Ciencias Matemáticas y Físicas. — 1950-10-10. — vol. 203 , edición. 1074 . — págs. 321–357 . — ISSN 2053-9169 0080-4630, 2053-9169 . -doi : 10.1098/ rspa.1950.0142 .
4. ↑ 1 2 Linus Pauling, Robert B. Corey, H. R. Branson. La estructura de las proteínas: dos configuraciones helicoidales unidas por hidrógeno de la cadena polipeptídica  (inglés)  // Actas de la Academia Nacional de Ciencias. - 1951-04. — vol. 37 , edición. 4 . — pág. 205–211 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . -doi : 10.1073/ pnas.37.4.205 .
5. ↑ Linus Pauling, Robert B. Corey. La hoja plisada, una nueva configuración de capas de cadenas polipeptídicas  //  Actas de la Academia Nacional de Ciencias. - 1951-05. — vol. 37 , edición. 5 . — págs. 251–256 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . -doi : 10.1073/ pnas.37.5.251 .
6. ↑ Watson, James D. (1953). "Estructura molecular de los ácidos nucleicos: una estructura para el ácido nucleico desoxirribosa". naturaleza _ 171 (4356): 737-738. Código Bib : 1953Natur.171..737W . DOI : 10.1038/171737a0 . PMID  13054692 .
7. ↑ MF Perutz. Nueva evidencia de rayos X sobre la configuración de cadenas polipeptídicas: cadenas polipeptídicas en poli-γ-bencil-L-glutamato, queratina y hemoglobina  //  Nature. - 1951-06. — vol. 167 , edición. 4261 . - Pág. 1053-1054 . — ISSN 1476-4687 0028-0836, 1476-4687 . -doi : 10.1038/ 1671053a0 . Archivado desde el original el 13 de agosto de 2021.
8. ↑ 1 2 J. C. Kendrew, G. Bodo, H. M. Dintzis, R. G. Parrish, H. Wyckoff. Un modelo tridimensional de la molécula de mioglobina obtenido por análisis de rayos X   // Naturaleza . — 1958-03-08. — vol. 181 , edición. 4610 . — pág. 662–666 . — ISSN 1476-4687 0028-0836, 1476-4687 . -doi : 10.1038/ 181662a0 .
9. ↑ MF Perutz, MG Rossmann, Ann F. Cullis, Hilary Muirhead, Georg Will. Estructura de la hemoglobina: una síntesis de Fourier tridimensional a 5,5 Å. Resolución, Obtenida por Análisis de Rayos X   // Nature . - 1960-02. — vol. 185 , edición. 4711 . — págs. 416–422 . — ISSN 1476-4687 0028-0836, 1476-4687 . -doi : 10.1038/ 185416a0 .
10. ↑ MF Perutz. La molécula de hemoglobina  // Scientific American. — 1964-11. - T. 211 , n. 5 . — S. 64–76 . — ISSN 0036-8733 . -doi : 10.1038 / cientificamerican1164-64 .
11. ↑ La ciencia no es una vida tranquila: desentrañando el mecanismo atómico de la hemoglobina . - Londres [Inglaterra]: Imperial College Press, 1997. - xxi, 636 páginas p. - ISBN 981-02-2774-4 , 978-981-02-2774-6, 981-02-3057-5, 978-981-02-3057-9.
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14. ↑ 1 2 M. F. Perutz, H. Muirhead, J. M. Cox, LCG Goaman. Síntesis de Fourier tridimensional de la oxihemoglobina de caballo a una resolución de 2,8 Å: el modelo atómico   // Naturaleza . - 1968-07. — vol. 219 , edición. 5150 . — pág. 131–139 . — ISSN 1476-4687 0028-0836, 1476-4687 . -doi : 10.1038/ 219131a0 .
15. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ulo Langel. Introducción a los Péptidos y Proteínas. . - Hoboken: Taylor and Francis, 2009. - 1 recurso en línea (440 páginas) p. - ISBN 978-1-4398-8204-7 , 1-4398-8204-5.
16. ↑ Ricardo Simão Vieira-Pires, João Henrique Morais-Cabral. 310 hélices en canales y otras proteínas de membrana  (inglés)  // Journal of General Physiology. — 2010-12-01. — vol. 136 , edición. 6 _ — pág. 585–592 . — ISSN 0022-1295 1540-7748, 0022-1295 . -doi : 10.1085 / jgp.201010508 .
17. ↑ 1 2 Mary E. Karpen, Pieter L. De Haseth, Kenneth E. Neet. Diferencias en las distribuciones de aminoácidos de 3 10 -hélices y α -hélices  (inglés)  // Protein Science. — 1992-10. — vol. 1 , edición. 10 _ - P. 1333-1342 . -doi : 10.1002/ pro.5560011013 .