Α-Helix

Α-Helix
ähnlich wie auch der später entwickelte Janin-Plot.
2 Struktur
Darstellung der Strukturebenen der Proteinfaltung mit Fokus auf
die α-Helix anhand des Proteins 1EFN
Als α-Helix wird in der Biochemie ein häufiges
Sekundärstrukturelement eines Proteins bezeichnet. Sie
gehört zu den stabilsten natürlichen Konformationen einer Peptidsequenz und ist in der Sekundärstruktur nahezu allgegenwärtig. Unter der Sekundärstruktur eines
Proteins wird die räumliche Struktur der Aminosäurekette ohne Berücksichtigung der Seitengruppen verstanden. Die Sekundärstruktur eines Proteins geht aus dessen Primärstruktur (Aminosäuresequenz) hervor. Übergeordnete Strukturebenen sind die Tertiärstruktur und
die Quartärstruktur. Die dreidimensionale Struktur eines
Proteins ist entscheidend für dessen selektive Funktion
(siehe Proteinstruktur).
1
α-Helix innerhalb eines Proteins. Darstellung der Atome und
Zylinder-Darstellung.
Die α-Helix ist eine rechtshändig gedrehte Spirale (bevorzugt von L-Aminosäuren) mit durchschnittlich 3,6
Aminosäureseitenketten pro Umdrehung. Pro Windung
wird eine Länge von p = 0,54 nm (5,4 Å) erzielt. Dieser Fortschritt wird als Ganghöhe bezeichnet. Sie ist das
Produkt aus Schiebung (auch Translation genannt) (0,15
nm) und Resten pro Windung (3,6). Dieser Abstand zwischen den Resten ist der Grund dafür, dass Aminosäuren,
die in der Primärstruktur drei oder vier Stellen voneinander entfernt sind, sich in der Helixstruktur in unmittelbarer Nähe befinden. Stabilisiert wird die α-Helix durch eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem Carbonylsauerstoff der n-ten und dem Amidproton der (n+4)-ten
Aminosäure desselben Moleküls.
Geschichte
Ende der 1930er Jahre begann William Astbury
Kristallstrukturanalysen an kristallinen Peptiden durchzuführen. Dabei wurde festgestellt, dass sich bestimmte
räumliche Merkmale regelmäßig wiederholen, bei denen
Wasserstoffbrücken innerhalb des Moleküls vermutet
wurden.[1][2][3] Ihm war jedoch die Planarität der
Peptidbindung noch nicht bekannt. Die häufigsten räumlichen Strukturen wurden später α-Helix und β-Faltblatt
genannt. Linus Pauling, Robert Brainard Corey und
Herman Branson schlugen 1951 ein Modell der α-Helix
vor.[4][5] Das α in "α-Helix” enthält keine wissenschaftliche Aussage, sondern bringt nur zum Ausdruck, dass die
α-Helix vor dem β-Faltblatt gefunden wurde. Der von
G. N. Ramachandran entwickelte Ramachandran-Plot
erlaubte deren Identifikation anhand der Diederwinkel
der im Protein aufeinanderfolgenden Aminosäuren,
Die CO- und NH-Gruppen müssen zur Ausbildung der
Wasserstoffbrückenbindung dicht beieinander liegen. Die
engste Konfiguration liefert ein aufgewickelter Strang,
bei der die beiden Gruppen übereinander liegen. Die
Seitenketten zeigen dabei nach außen. Die Aminosäure Prolin („Strukturbrecher“) lässt sich nicht ohne Weiteres in die Helix einfügen (nur an den Positionen 1–4,
vom Aminoende aus gesehen, ist dies möglich). Folglich
1
2
3 GEOMETRIE DER HELIX UND HELIX-HELIX-WECHSELWIRKUNGEN
Stabilisierungsschema bei Protein-Helices: Die häufigste und stabilste Helix ist die α-Helix (dicker roter Pfeil). Alternativen existieren, sind aber seltener (dünne Linien).
kommt es an Stellen, an denen Prolin auftritt, zu Abweichungen von der regelmäßigen Struktur. α-Helices sind
sehr stabil und können als starre Zylinder eine Art Skelett
des Proteins bilden. Daher werden sie in Proteinstrukturen häufig nicht als Helices sondern als Zylinder abgebildet. Ein Protein mit überwiegender Helixstruktur ist das
Myoglobin, ein mit dem Hämoglobin verwandtes Muskelprotein.
Eine α-Helix ist oftmals nur im Kontext eines Proteins stabil, weshalb bei isolierten α-Helices oftmals
zusätzliche stabilisierende Bindungen eingeführt werden, z. B. durch Ersatz der Wasserstoffbrückenbindung
durch eine C-C-Bindung, durch eine Quervernetzung
der Aminosäureseitenketten oder durch Ausbildung von
Disulfidbrücken.[6][7][8][9]
2.1
Helixrad (´helical wheel'). Die Endansicht (Projektion) der αHelix verdeutlicht die Wechselbeziehungen der Aminosäurereste.
Wie unter (B) dargestellt, überdeckt jede Aminosäure einen Sektor von 100° [dünne Linien in (A)]. Die nach Abb. 1 Wasserstoffverbrückten Reste 1 und 5 sind sich – als Teile aufeinanderfolgender Windungen – räumlich nahe. Ähnliches gilt für die Reste 1 und 4 (sog. „n+/−3,4 Kriterium“ gemäß Tab. 2). Während
erst der 19. Rest (R19) ekliptisch über R1 zu liegen kommt, gilt
dies angenähert bereits für den zwei Windungen entfernten Rest
8; man spricht hier von einem „Pseudorepeat“ (Heptadenrepeat)
der Form abcdefga’b’c’d’e’f’g’, wobei a dem Rest 1 und a’ dem
Rest 8 entspricht. Sind a und a’ bzw. d und d’ hydrophobe Reste,
so entsteht ein linksgewundenes „hydrophobes Band“ um den Zylinder der (rechtsgängigen) α-Helix herum. Hierdurch werden,
gemäß Abb. 3, Überstrukturen („Coiled-Coils“) ermöglicht
Andere wichtige Strukturelemente
Neben der α-Helix und dem β-Faltblatt existieren weitere Arten von Sekundärstrukturmotiven. Die nicht zu
einem Motiv gehörenden Teile der Primärstruktur eines Proteins werden Zufallsschleifen (Random-CoilStrukturen) genannt. Diese Strukturen sind maßgeblich
an der Ausbildung der gesamten Proteinstruktur beteiligt.
Weitere häufig vorkommende Motive sind:
• π-Helix
• 310 -Helix
• linksgängige Helix der Kollagene
• β-Schleife
3
Geometrie der Helix und HelixHelix-Wechselwirkungen
α-Helices sind die Grundlage typischer Faserproteine
(α-Keratin, der Grundsubstanz der Haare, Myosin, einer Komponente der Muskelfasern usw.) aber auch,
wie am Beispiel des Myoglobins eingeführt, strukturgebende Komponenten von löslichen, globulären Proteinen. Einzelne Helices können diese Aufgabe im Allgemeinen nicht übernehmen, wohl aber geordnete Aggregate aus zwei, drei, vier oder mehr Individualhelices. Abb. 3 veranschaulicht, wie sich zwei bzw. drei
Amphipathische α-Helices können sich zu Überstrukturen,
sog. „coiled-coils“ vereinigen. Grundlage sind „hydrophobe
Bänder“ (links dargestellt), die immer dann entstehen, wenn die
Aminosäuren a, d, a’, d’ in der in Abb. 2 genannten Heptade hydrophob sind. Teil (A) zeigt ein „coiled coil“ aus zwei, Teil (B) ein
solches aus drei α-Helices (Projektion). Darüber hinaus wurden
„tetrahelix bundle“-Strukturen beschrieben
α-Helices aufgrund hydrophober Wechselwirkungen zu
einer „Superhelix“ zusammenlagern können. Dies setzt
amphipathische Helices voraus, das sind Helices deren
eine Seite hydrophil (dem Wasser zugewandt) und deren
andere Seite hydrophob und damit zu Wechselwirkungen befähigt ist. Die in Abb. 1 gezeigte Geometrie bewirkt dabei, dass das „hydrophobe Band“ nicht parallel
zur Helixachse verläuft, sondern die Helix in Form einer
gedehnten, linksgängigen Spirale umgibt. Wenn sich die
hydrophoben Bänder von zwei oder mehr Helices nähern,
entsteht die als „Coiled-Coil“ bezeichnete Superhelix.
3
Nukleation und Ausbreitung von α-Helices. Die Bildung einer
α-Helix beginnt dort, wo die Reste mehrerer Helixbildner zusammenkommen, darunter insbesondere Leucin, Alanin und Valin.
Von diesem Nukleationszentrum ausgehend breitet sich die Struktur aus, bis ein Abbruchsignal erreicht wird. Das stringenteste
Abbruchsignal am N-Terminus ist, wie oben angesprochen, ein
Prolinrest.
3.1
Helix-Vorhersage
→ Hauptartikel: Proteinstrukturvorhersage
Erste Bemühungen zur Vorhersage von ProteinSekundärstrukturen gehen auf die 1960er Jahre zurück
und konnten mit dem Aufkommen der modernen
Röntgenstrukturanalyse kontinuierlich verfeinert werden. Ein überaus hilfreicher, rationaler Ansatz zur
Vorhersage der α-Helix verbindet sich mit dem Namen
Marianne Schiffer und schließt an die obigen Überlegungen an. So illustriert Abb. 1 das n+/−3,4 Kriterium,
wonach ein Rest n mit Resten paaren kann, die drei bzw.
vier Positionen entfernt sind. Sind so z. B. die Reste 1,
4 und 5 hydrophob, so können sie wechselwirken und
damit eine Helixstruktur stabilisieren. Gleiches gilt für
die Reste 6, 3 und 2 usw. Dieses Vorhersageschema
zeigte zunächst für Insulin und Myoglobin seinen Wert.
Mit der Veröffentlichung weiterer Röntgenstrukturanalysen wich der „helical-wheel“-Ansatz zunehmend statistischen Verfahren. Ein früher Ansatz dieser Art geht
auf Chou und Fasman (1974, 1978) zurück. Nachfolgend wird eine Tabelle wiedergegeben, die die Helixpotentiale von Aminosäureresten wiedergibt. Als „Helixbildner“, wird eine Aminosäure bezeichnet, wenn ihr Potential (Pα) deutlich über 1 liegt und als „Helixbrecher“,
wenn es deutlich kleiner ist. [10]
3.2
4
Zusammenfassung
Parameter
der
Helix-
Einzelnachweise
[1] William T. Astbury, S. Dickinson, K. Bailey: The X-ray
interpretation of denaturation and the structure of the seed
globulins. In: The Biochemical journal. Band 29, Nummer
10, Oktober 1935, S. 2351–2360.1, ISSN 0264-6021.
PMID 16745914. PMC 1266766 (freier Volltext).
[2] William T. Astbury: The structural proteins of the cell. In:
Eine Plastik des deutsch-amerikanischen Künstlers Julian VossAndreae in der Stadt Portland im US-amerikanischen Bundesstaat Oregon. Die 3.00 m hohe Stahlskulptur beruht auf kristallographischen Daten des Proteinstrukturmotivs und steht vor
dem Haus, in dem der Entdecker der Alphahelix, Linus Pauling,
aufwuchs.[11][12]
The Biochemical journal. Band 39, Nummer 5, 1945, S.
lvi, ISSN 0264-6021. PMID 21020817.
[3] W. T. Astbury, R. Reed, L. C. Spark: An X-ray and
electron microscope study of tropomyosin. In: The Biochemical journal. Band 43, Nummer 2, 1948, S. 282–287,
ISSN 0264-6021. PMID 16748402. PMC 1274681 (freier Volltext).
[4] Linus Pauling, Robert Brainard Corey, Herman R. Branson: The structure of proteins; two hydrogen-bonded helical
configurations of the polypeptide chain. In: Proceedings of
the National Academy of Sciences of the United States of
America. Band 37, Nummer 4, April 1951, S. 205–211,
ISSN 0027-8424. PMID 14816373. PMC 1063337 (freier Volltext).
[5] J. M. Scholtz, R. L. Baldwin: The mechanism of
alpha-helix formation by peptides. In: Annual review of biophysics and biomolecular structure.
Band 21, 1992, S. 95–118, ISSN 1056-8700.
doi:10.1146/annurev.bb.21.060192.000523.
PMID
1525475. PDF.
[6] A. Winter, A. P. Higueruelo, M. Marsh, A. Sigurdardottir, W. R. Pitt, T. L. Blundell: Biophysical and computational fragment-based approaches to targeting protein-protein
interactions: applications in structure-guided drug discovery. In: Quarterly reviews of biophysics. Band 45, Nummer 4, November 2012, S. 383–426, ISSN 1469-8994.
doi:10.1017/S0033583512000108. PMID 22971516.
4
4
[7] L. K. Henchey, A. L. Jochim, P. S. Arora: Contemporary strategies for the stabilization of peptides in the alphahelical conformation. In: Current opinion in chemical biology. Band 12, Nummer 6, Dezember 2008, S. 692–
697, ISSN 1879-0402. doi:10.1016/j.cbpa.2008.08.019.
PMID 18793750. PMC 2650020 (freier Volltext).
[8] R. J. Platt, T. S. Han, B. R. Green, M. D. Smith,
J. Skalicky, P. Gruszczynski, H. S. White, B. Olivera,
G. Bulaj, J. Gajewiak: Stapling mimics noncovalent interactions of ?-carboxyglutamates in conantokins, peptidic antagonists of N-methyl-D-aspartic acid receptors. In:
The Journal of biological chemistry. Band 287, Nummer 24, Juni 2012, S. 20727–20736, ISSN 1083-351X.
doi:10.1074/jbc.M112.350462. PMID 22518838. PMC
3370255 (freier Volltext).
[9] P. Barthe, S. Rochette, C. Vita, C. Roumestand: Synthesis and NMR solution structure of an alpha-helical
hairpin stapled with two disulfide bridges. In: Protein science : a publication of the Protein Society. Band
9, Nummer 5, Mai 2000, S. 942–955, ISSN 09618368. doi:10.1110/ps.9.5.942. PMID 10850804. PMC
2144636 (freier Volltext).
[10] Berg, Jeremy M.: Stryer Biochemie, 6. Auflage,Spektrum
Akademischer Verlag, Heidelberg (2007), S. 56.
[11] : PDB Community Focus: Julian Voss-Andreae, Protein
Sculptor. In: Protein Data Bank Newsletter. Nr. 32, Winter 2007.
[12] Moran L, Horton RA, Scrimgeour G, Perry M: Principles of Biochemistry. Pearson, Boston, MA 2011, ISBN
0-321-70733-8, S. 127.
• M. Schiffer, A. B. Edmundson: Use of helical wheels
to represent the structures of proteins and to identify
segments with helical potential. In: Biophysical Journal 7, 1967, ISSN 0006-3495, S. 121–135.
• P. Y. Chou, G. D. Fasman: Empirical predictions of
protein conformation. In: Annual Review of Biochemistry 47, 1978, ISSN 0066-4154, S. 251–276.
• C. Cohen, D. A. D. Parry: α-Helical coiled-coils – a
widespread motif in proteins. In: Trends in biochemical sciences 11, 1986, ISSN 0376-5067, S. 245–248.
• S. Kamtekar, J. M. Schiffer, H. Xiong, J. M. Babik,
M. H. Hechtr: Protein design by binary patterning
of polar and nonpolar amino acids. In: Science 262,
1993, ISSN 0036-8075, S. 1680–1685.
EINZELNACHWEISE
5
5
Text- und Bildquellen, Autoren und Lizenzen
5.1
Text
• Α-Helix Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/%CE%91-Helix?oldid=131056536 Autoren: Aka, Sebastian Wallroth, MauriceKA, Juergen
Bode, Srbauer, Zwobot, Robbot, MichaelHaeckel, Nina, Aloiswuest, Pinguin.tk, Olenz, Bananeweizen, Uwe Gille, Zaxxon, Postman Lee,
Gebauer, FlaBot, Quirin, Jan R, Suirenn, Hydro, RobotQuistnix, Reenpier, PortalBot, Aegon, Griensteidl, Dv, Ayacop, FelixP, Thijs!bot,
Hoffmeier, Escarbot, ComillaBot, Morgus, Kuebi, SashatoBot, VolkovBot, TXiKiBoT, Rei-bot, Spid, Idioma-bot, AlleborgoBot, Loveless,
Alnilam, Woches, NjardarBot, LaaknorBot, Turan MUC, Luckas-bot, Rubinbot, Shisha-Tom, Xc!te, Mmru, RibotBOT, Josse, D'ohBot,
Pinnipedia, Mabschaaf, Ghilt, Patriciathomas2011, Himbear, Holger87, Addbot, IMarko, ZdBdLaLaLa und Anonyme: 16
5.2
Bilder
• Datei:AlphHelixForLinusPauling.jpg Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/AlphHelixForLinusPauling.jpg
Lizenz: CC-BY-SA-3.0 Autoren: Eigenes Werk Originalkünstler: Julianva
• Datei:Alpha1.png Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/Alpha1.png Lizenz: CC-BY-SA-3.0 Autoren: ? Originalkünstler: ?
• Datei:Alpha2.png Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/Alpha2.png Lizenz: CC-BY-SA-3.0 Autoren: ? Originalkünstler: ?
• Datei:Alpha3.png Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f4/Alpha3.png Lizenz: CC-BY-SA-3.0 Autoren: ? Originalkünstler: ?
• Datei:Alpha4.png Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/Alpha4.png Lizenz: CC-BY-SA-3.0 Autoren: ? Originalkünstler: ?
• Datei:AlphaHelixBALL.png Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5f/AlphaHelixBALL.png Lizenz: CC-BY-SA3.0 Autoren: ? Originalkünstler: ?
• Datei:Protein-α-Helix.png Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/Protein-%CE%B1-Helix.png Lizenz: CCBY-SA-3.0 Autoren: Eigenes Werk Originalkünstler: Holger87
5.3
Inhaltslizenz
• Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0