Полипролиновая спираль

Полипролиновая спираль — это тип вторичной структуры белка, который встречается в последовательностях аминокислот, содержащих повторяющиеся остатки пролина[1]. Левозакрученная спираль полипролина II (PPII, поли-Про II) образуется, когда все последовательные аминокислотные остатки принимают двугранные углы (φ, ψ) основной цепи примерно (-75°, 150°) и имеют транс- изомеры своих пептидных связей. Эта конформация PPII также характерна для белков и полипептидов с другими аминокислотами, кроме пролина. Аналогичным образом, более компактная правозакрученная спираль полипролина I (PPI, поли-Про I) образуется, когда все последовательные остатки принимают двугранные углы (φ, ψ) основной цепи примерно (-75°, 160°) и имеют цис- изомеры своих пептидных связей. Из двадцати обычных встречающихся в природе аминокислот только пролин, вероятно, принимает цис- изомер пептидной связи, особенно пептидную связь X-Про; стерические и электронные факторы в значительной степени благоприятствуют транс- изомеру в большинстве других пептидных связей. Однако пептидные связи, которые заменяют пролин другой N- замещенной аминокислотой (такой как саркозин), также могут принимать цис- изомер.

Спираль полипролина II

Вид сверху на спираль поли-Про II из двадцати остатков, демонстрирующий тройную симметрию.

Вид сбоку на спираль поли-Про II, демонстрирующий её открытость и отсутствие внутренних водородных связей.

Спираль PPII определяется двугранными углами (φ, ψ) основной цепи примерно (-75°, 150°) и транс- изомерами пептидных связей. Угол поворота Ω на остаток любой полипептидной спирали с транс- изомерами определяется уравнением

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

Подстановка двугранных углов поли-Про II (φ, ψ) в это уравнение дает почти точно Ω = −120°, то есть Спираль PPII является левозакрученной спиралью (поскольку Ω отрицательна) с тремя остатками на оборот (360°/120° = 3). Сдвиг цепи на остаток составляет приблизительно 3,1 Å. Эта структура в некоторой степени похожа на структуру волокнистого белка коллагена, который состоит в основном из пролина, гидроксипролина и глицина. Спирали PPII специфически связываются доменами SH3; это связывание важно для многих белок-белковых взаимодействий и даже для взаимодействий между доменами одного белка.

Спираль PPII является относительно открытой и не имеет внутренних водородных связей, в отличие от более распространённых спиральных вторичных структур, α-спирали и её родственников 3₁₀-спирали и π-спирали, а также β-спирали. Атомы азота и кислорода амида расположены слишком далеко друг от друга (примерно 3,8 Å) и неправильно ориентированы для образования водородных связей. Более того, оба эти атома являются акцепторами водородной связи в пролине; нет донора Н-связи из-за циклической боковой цепи.

Двугранные углы основной цепи, как у PPII (-75°, 150°), часто наблюдаются в белках, даже для аминокислот, отличных от пролина[2]. График Рамачандрана сильно заселен в области PPII, по сравнению с областью бета-листа около (-135°, 135°). Например, двугранные углы основной цепи PPII часто наблюдаются в поворотах, чаще всего в первом остатке β-поворота типа II. «Зеркальное отображение» двугранных углов основной цепи PPII (75°, −150°) наблюдается редко, за исключением полимеров ахиральной аминокислоты глицина. Аналог спирали поли-Про II в полиглицине называется спиралью поли-Гли II . Некоторые белки, такие как антифризный белок Hypogastrura harveyi, состоят из пучков богатых глицином спиралей полиглицина II[3]. Этот выдающийся белок, трехмерная структура которого известна[4] имеет уникальные спектры ЯМР и стабилизируется за счет димеризации и 28 Cα-H··O=C водородных связей[5]. Спираль PPII не характерна для трансмембранных белков, и эта вторичная структура не пересекает липидные мембраны в естественных условиях. В 2018 году группа исследователей из Германии сконструировала и экспериментально наблюдала первую трансмембранную спираль PPII, образованную специально разработанными искусственными пептидами[6][7].

Спираль полипролина I

Вид сверху спирали поли-Про I с двадцатью остатками, показывающий нецелое число остатков на оборот.

Вид сбоку спирали поли-Про I, демонстрирующий её большее уплотнение.

Спираль поли-Про I намного плотнее спирали PPII из-за цис- изомеров её пептидных связей. Она также встречается реже, чем конформация PPII, потому что цис- изомер имеет более высокую энергию активации, чем транс. Её типичные двугранные углы (-75°, 160°) близки, но не идентичны углам спирали PPII. Однако спираль PPI является правозакрученной спиралью и более плотно намотана, с примерно 3,3 остатками на виток (а не 3). Сдвиг на остаток в спирали PPI также намного меньше, примерно 1,9 Å. Опять же, в спирали поли-Про I нет внутренней водородной связи как из-за отсутствия донорного атома водородной связи, так и из-за того, что амидные атомы азота и кислорода слишком удалены (снова примерно на 3,8 Å) и неправильно ориентированы.

Структурные свойства

Традиционно PPII считался относительно жесткой и использовался в качестве «молекулярной линейки» в структурной биологии, например, для калибровки измерений эффективности FRET. Однако последующие экспериментальные и теоретические исследования поставили под сомнение эту картину полипролинового пептида как «жесткого стержня»[8][9]. Дальнейшие исследования с использованием терагерцовой спектроскопии и расчетов теории функционала плотности показали, что полипролин на самом деле намного менее жесткий, чем первоначально предполагалось[10]. Взаимопревращения спиральных форм полипролина PPII и PPI происходят медленно из-за высокой энергии активации цис-транс- изомеризации X-Pro (E_a ≈ 20 ккал/моль); однако, это взаимопревращение может быть катализировано специфическими изомеразами, известными как пролилгидроксилазы изомераз или PPIases. Взаимопревращение между спиралями PPII и PPI включает изомеризацию цис-транс- пептидной связи по всей пептидной цепи. Исследования, основанные на спектрометрии ионной подвижности, показали наличие определённого набора промежуточных соединений в этом процессе[11].

См. также

• α-спираль
• 3₁₀ спираль
• β-спираль

Примечания

 

1. Adzhubei, Alexei A. (2013). "Polyproline-II Helix in Proteins: Structure and Function". Journal of Molecular Biology. 425 (12): 2100–2132. doi:10.1016/j.jmb.2013.03.018. ISSN 0022-2836. PMID 23507311.
2. Adzhubei, Alexei A. (1993). "Left-handed Polyproline II Helices Commonly Occur in Globular Proteins". Journal of Molecular Biology. 229 (2): 472–493. doi:10.1006/jmbi.1993.1047. ISSN 0022-2836. PMID 8429558.
3. Davies, Peter L. (21 октября 2005). "Glycine-Rich Antifreeze Proteins from Snow Fleas". Science (англ.). 310 (5747): 461. doi:10.1126/science.1115145. ISSN 0036-8075. PMID 16239469.
4. Pentelute, Brad L. (1 июля 2008). "X-ray Structure of Snow Flea Antifreeze Protein Determined by Racemic Crystallization of Synthetic Protein Enantiomers". Journal of the American Chemical Society. 130 (30): 9695–9701. doi:10.1021/ja8013538. ISSN 0002-7863. PMID 18598029.
5. Treviño, Miguel Ángel (15 ноября 2018). "The Singular NMR Fingerprint of a Polyproline II Helical Bundle". Journal of the American Chemical Society (англ.). 140 (49): 16988–17000. doi:10.1021/jacs.8b05261. PMID 30430829.
6. Kubyshkin, Vladimir (2018). "Transmembrane Polyproline Helix". The Journal of Physical Chemistry Letters (англ.). 9 (9): 2170–2174. doi:10.1021/acs.jpclett.8b00829. PMID 29638132.
7. Kubyshkin, Vladimir (2019). "Bilayer thickness determines the alignment of model polyproline helices in lipid membranes". Physical Chemistry Chemical Physics (англ.). 21 (40): 22396–22408. Bibcode:2019PCCP...2122396K. doi:10.1039/c9cp02996f. PMID 31577299.
8. S. Doose, H. Neuweiler, H. Barsch, and M. Sauer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 17400 (2007)
9. M. Moradi, V. Babin, C. Roland, T. A. Darden, and C. Sagui, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 106, 20746 (2009)
10. M. T. Ruggiero, J. Sibik, J. A. Zeitler, and T. M. Korter, Agnew. Chemie. Int. Ed. 55, 6877 (2016)
11. El-Baba, Tarick J. (2019). "Solvent Mediation of Peptide Conformations: Polyproline Structures in Water, Methanol, Ethanol, and 1-Propanol as Determined by Ion Mobility Spectrometry-Mass Spectrometry". Journal of the American Society for Mass Spectrometry (англ.). 30 (1): 77–84. Bibcode:2019JASMS..30...77E. doi:10.1007/s13361-018-2034-7. PMID 30069641.