310-спираль

Макс Перуц, глава лаборатории молекулярной биологии при Медицинском исследовательском совете Кембриджского университета, написал первую статью, в которой задокументировал спираль 3₁₀[1]. Вместе с Лоуренсом Брэггом и Джоном Кендрю Перуц опубликовал исследование конфигураций полипептидных цепей в 1950 году, основанное на данных некристаллической дифракции, а также на кристаллических структурах малых молекул, таких как кристаллы, обнаруженные в волосах[2]. Их предложения включали то, что сейчас известно как спираль 310, но не включали два наиболее распространённых структурных мотива, которые, как известно, встречаются в настоящее время. В следующем году Линус Полинг предсказал оба этих мотива, альфа-спираль[3] и бета-лист[4], в работе, которая теперь сравнивается по значимости[1] с публикацией Фрэнсиса Крика и Джеймса Д. Уотсона. о двойной спирали ДНК[5]. Полинг очень критически относился к спиральным структурам, предложенным Брэггом, Кендрю и Перутцем, и торжествующе заявлял, что все они неправдоподобны[1][3].

Позже в тот же день Перутцу пришла в голову идея провести эксперимент, чтобы подтвердить модель Полинга, и он бросился в лабораторию, чтобы осуществить её. В течение нескольких часов у него были доказательства, подтверждающие альфа-спираль, которую он первым делом показал Брэггу в понедельник[1]. Подтверждение Перуцем структуры альфа-спирали было опубликовано в журнале Nature вскоре после этого[7]. Принципы, примененные в статье 1950 года к теоретическим полипептидным структурам, относящимся к спирали 3₁₀, включали:[2]

• Цепи удерживаются вместе за счет водородной связи между атомами водорода и кислорода различных соседних амидных (пептидных) звеньев, образующихся при конденсации аминокислот с образованием полипептидной цепи. Они образуют спиральные конструкции, которые невозможно распутать без разрыва водородных связей.
• Те структуры, в которых все доступные группы NH и CO связаны водородными связями, по своей природе более вероятны, потому что их свободная энергия предположительно ниже.

Спираль 3₁₀ была в конечном итоге подтверждена Кендрю в его структуре миоглобина 1958 года[8], а также была обнаружена в 1960 году, когда Перуц определил структуру гемоглобина[9][10][11] а также в последующей работе над его деоксигенированной[12][13] и оксигенированной формами[14][15].

В настоящее время известно, что спираль 3₁₀ является третьей основной структурой, которая встречается в глобулярных белках после α-спирали и β-листа[16]. Это почти всегда короткие участки, почти 96 % которых содержат четыре или меньше аминокислотных остатков[17] ^:44, появляющиеся в таких местах, как «углы», где α-спирали меняют своё направление, например, в структуре миоглобина[8]. Более длинные участки, в диапазоне от семи до одиннадцати остатков, наблюдались в сегменте сенсора напряжения потенциал-управляемых калиевых каналов в трансмембранном домене некоторых спиральных белков[18].

Аминокислоты в спирали 3₁₀ расположены в форме правозакрученной спиральной структуры. Каждая аминокислота соответствует повороту спирали на 120° (то есть спираль имеет три остатка на виток), сдвигу на 2.0 Å (0,20 нм) вдоль оси спирали, и имеет 10 атомов в кольце, образованном водородной связью[17] ^:39. Наиболее важно то, что группа NH аминокислоты образует водородную связь с группой C=O аминокислоты тремя остатками ранее; эта повторяющаяся i + 3 → i водородная связь определяет 3₁₀-спираль. Подобные структуры построения встречаются у α-спирали (i + 4 → i водородная связь) и Пи-спирали (i + 5 → i водородная связь)[17] ^:44–45[19].

Аминокислотные остатки в длинных 3₁₀-спиралях принимают (φ , ψ) двугранные углы около (−49°, −26°). Многие 3₁₀-спирали в белках короткие, поэтому отклоняются от этих значений. В более общем смысле, остатки в длинных 3₁₀-спиралях образуют двугранные углы, так что двугранный угол ψ одного остатка и двугранный угол φ следующего остатка в сумме составляют примерно −75°. Для сравнения, сумма двугранных углов для α-спирали составляет примерно −105°, а для π-спирали — примерно −125°[17] ^:45.

Общая формула для угла поворота Ω на остаток любой полипептидной спирали с транс-изомерами дается уравнением:[17] ^:40

${\displaystyle 3\cos \Omega =1-4\cos ^{2}\left({\frac {\varphi +\psi }{2}}\right)}$

и поскольку для идеальной 3₁₀-спирали Ω = 120°, отсюда следует, что φ и ψ должны быть связаны соотношением:

${\displaystyle \cos \left({\frac {\varphi +\psi }{2}}\right)={\frac {\sqrt {10}}{4}},}$

в соответствии с наблюдаемым значением φ + ψ около −75°[17] ^:44.

Значение двугранных углов в 3₁₀-спирали относительно углов α-спирали можно объяснить короткой длиной этой спирали — от 3 до 5 остатков в длину по сравнению 10-12 остатками у α-спирали. 3₁₀-спирали часто возникают в переходных участках молекул, что определяет их небольшой размер, и приводит к отклонениям в распределении углов кручения их основной цепи и, следовательно, к неравномерностям. Их сети водородных связей искажены по сравнению с α-спиралями, что способствует их нестабильности, хотя частое появление спирали 3₁₀ в природных белках демонстрирует их важность в переходных структурах[19][20].

Благодаря исследованиям, проведенным Мэри Карпен, Питером Де Хасетом и Кеннетом Нитом[21] были выявлены факторы частичной стабильности в 3₁₀-спиралях_. Спирали наиболее заметно стабилизируются остатком аспартата на неполярном N- конце, который взаимодействует с амидной группой на спиральном N- конце. Это электростатическое взаимодействие стабилизирует пептидные диполи в параллельной ориентации. Подобно непрерывным спиральным водородным связям, которые стабилизируют α-спирали, высокие уровни аспартата столь же важны для сохранности 3₁₀-спиралей. Высокая частота встречаемости аспартата как в 3₁₀-спирали, так и в α-спиралях указывает на его влияние в инициации и распространении спирали, но в то же время предполагает, что он способствует стабилизации 3₁₀-спирали, ингибируя распространение α-спиралей[21].

• Альфа-спираль
• Пи-спираль
• β-поворот