HÉLICE ALPHA: STRUCTURE ET IMPORTANCE FONCTIONNELLE - LA BIOLOGIE - 2025

L' hélice alpha est la structure secondaire la plus simple qu'une protéine puisse adopter dans l'espace en fonction de la rigidité et de la liberté de rotation des liaisons entre ses résidus d'acides aminés.

Il est caractérisé par la forme en spirale dans laquelle les acides aminés sont disposés, qui semblent être disposés autour d'un axe longitudinal imaginaire avec les groupes R face à l'extérieur de celui-ci.

Schéma de la structure de l'hélice alpha (Alejandro Porto, via Wikimedia Commons)

Les hélices alpha ont été décrites pour la première fois en 1951 par Pauling et al., Qui ont utilisé les données disponibles sur les distances interatomiques, les angles de liaison et d'autres paramètres structurels des peptides et des acides aminés pour prédire les configurations les plus probables que les chaînes pourraient supposer. polypeptides.

La description de l'hélice alpha est née de la recherche de toutes les structures possibles dans une chaîne peptidique qui étaient stabilisées par des liaisons hydrogène, où les résidus étaient stoechiométriquement équivalents et la configuration de chacun était plane, comme indiqué par les données de résonance des liaisons peptidiques disponibles à ce jour.

Cette structure secondaire est la plus courante parmi les protéines et elle est adoptée à la fois par les protéines solubles et les protéines membranaires intégrales. On pense que plus de 60% des protéines existent sous la forme d'une hélice alpha ou d'une feuille bêta.

Structure

En général, chaque tour d'hélice alpha a une moyenne de 3,6 résidus d'acides aminés, ce qui représente environ 5,4 Â de longueur. Cependant, les angles de rotation et les longueurs varient d'une protéine à l'autre avec une dépendance stricte de la séquence d'acides aminés de la structure primaire.

La plupart des hélices alpha ont un virage à droite, mais on sait maintenant que des protéines avec des hélices alpha avec des virages à gauche peuvent exister. La condition pour que l'un ou l'autre se produise est que tous les acides aminés soient dans la même configuration (L ou D), puisqu'ils sont responsables de la direction du spin.

La stabilisation de ces motifs structurels importants pour le monde des protéines est assurée par des liaisons hydrogène. Ces liaisons se produisent entre l'atome d'hydrogène attaché à l'azote électronégatif d'une liaison peptidique et l'atome d'oxygène carboxylique électronégatif de l'acide aminé quatre positions plus loin, dans la région N-terminale par rapport à lui-même.

Chaque tour d'hélice, à son tour, est relié au suivant par des liaisons hydrogène, qui sont essentielles pour obtenir la stabilité globale de la molécule.

Tous les peptides ne peuvent pas former d'hélices alpha stables. Ceci est donné par la capacité intrinsèque de chaque acide aminé de la chaîne à former des hélices, qui est directement liée à la nature chimique et physique de ses groupes R substituants.

Par exemple, à un certain pH, de nombreux résidus polaires peuvent acquérir la même charge, ils ne peuvent donc pas être placés consécutivement dans une hélice car la répulsion entre eux impliquerait une grande distorsion.

La taille, la forme et la position des acides aminés sont également des déterminants importants de la stabilité hélicoïdale. Sans aller plus loin, des résidus tels que Asn, Ser, Thr et Cys positionnés étroitement dans la séquence pourraient également avoir un effet négatif sur la configuration de l'hélice alpha.

De la même manière, l'hydrophobicité et l'hydrophilie des segments hélicoïdaux alpha dans un peptide donné dépendent exclusivement de l'identité des groupes R des acides aminés.

Dans les protéines membranaires intégrales, les hélices alpha regorgent de résidus à fort caractère hydrophobe, strictement nécessaires à l'insertion et à la configuration des segments entre les queues apolaires des phospholipides constitutifs.

Les protéines solubles, quant à elles, possèdent des hélices alpha riches en résidus polaires, qui permettent une meilleure interaction avec le milieu aqueux présent dans le cytoplasme ou dans les espaces interstitiels.

Importance fonctionnelle

Les motifs en hélice alpha ont un large éventail de fonctions biologiques. Des modèles d'interaction spécifiques entre les hélices jouent un rôle critique dans la fonction, l'assemblage et l'oligomérisation des protéines membranaires et des protéines solubles.

Ces domaines sont présents dans de nombreux facteurs de transcription, importants du point de vue de la régulation de l'expression génique. Ils sont également présents dans les protéines présentant une pertinence structurelle et dans les protéines membranaires qui ont des fonctions de transport et / ou de transmission de signaux de divers types.

Voici quelques exemples classiques de protéines avec des hélices alpha:

Myosine

La myosine est une ATPase activée par l'actine qui est responsable de la contraction musculaire et de diverses formes de mobilité cellulaire. Les myosines musculaires et non musculaires sont constituées de deux régions globulaires ou «têtes» reliées entre elles par une longue «queue» hélicoïdale alpha.

Collagène

Un tiers de la teneur totale en protéines du corps humain est représenté par le collagène. C'est la protéine la plus abondante dans l'espace extracellulaire et sa caractéristique distinctive est un motif structurel composé de trois brins parallèles avec une configuration hélicoïdale gauche, qui se rejoignent pour former une triple hélice sens dextrogyre.

Kératine

Les kératines sont un groupe de protéines filamenteuses produites par certaines cellules épithéliales chez les vertébrés. Ils sont le composant principal des ongles, des cheveux, des griffes, de la carapace des tortues, des cornes et des plumes. Une partie de sa structure fibrillaire est constituée de segments d'hélice alpha.

Structuration de la kératine (Mlpatton, de Wikimedia Commons)

Hémoglobine

L'oxygène dans le sang est transporté par l'hémoglobine. La partie globine de cette protéine tétramère est constituée de deux hélices alpha identiques de 141 résidus chacune, et de deux chaînes bêta de 146 résidus chacune.

Protéines de type `` doigt de zinc ''

Les organismes eucaryotes possèdent une grande richesse en protéines à doigts de zinc, qui fonctionnent à des fins différentes: reconnaissance de l'ADN, conditionnement de l'ARN, activation transcriptionnelle, régulation de l'apoptose, repliement des protéines, etc. De nombreuses protéines à doigts de zinc ont des hélices alpha comme composant principal de leur structure et qui sont essentielles à leur fonction.

Références

1. Aurora, R., Srinivasan, R. et Rose, GD (1994). Règles pour la terminaison a-alpha-Helix par la glycine. Science, 264 (5162), 1126-1130.
2. Blaber, M., Zhang, X. et Matthews, B. (1993). Base structurelle de la propension à l'hélice alpha des acides aminés. Science, 260 (1), 1637-1640.
3. Brennan, RG et Matthews, BW (1989). Motif de liaison à l'ADN hélice-tour-hélice Journal of Biological Chemistry, 264 (4), 1903-1906.
4. Eisenberg, D. (2003). La découverte des caractéristiques structurelles des protéines alpha-helix et beta-sheet, le principal. Pnas, 100 (20), 11207-11210. Huggins, ML (1957). La structure de l'alpha kératine. Chimie, 43, 204-209.
5. Klement, W., Willens, R. et Duwez, P. (1960). Structure de la myoglobine. Nature, 185, 422-427.
6. Laïcs, JH, Lee, BM et Wright, PE (2001). Protéines à doigts de zinc: nouvelles perspectives sur la diversité structurelle et fonctionnelle. Opinion actuelle en biologie structurale, 11 (1), 39–46.
7. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H.,… Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5e éd.). Freeman, WH & Company.
8. Luckey, M. (2008). Biologie structurale membranaire: avec fondements biochimiques et biophysiques. La presse de l'Universite de Cambridge. Récupéré de www.cambridge.org/9780521856553
9. McKay, MJ, Afrose, F., Koeppe, RE et Greathouse, DV (2018). Formation d'hélice et stabilité dans les membranes. Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, 1860 (10), 2108-2117.
10. Nelson, DL et Cox, MM (2009). Principes de Lehninger de biochimie. Omega Editions (5e éd.).
11. Pauling, L., Corey, RB et Branson, HR (1951). La structure des protéines: deux configurations hélicoïdales liées à l'hydrogène de la chaîne polypeptidique. Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, 37, 205–211.
12. Perutz, MF (1978). Structure de l'hémoglobine et transport respiratoire. Scientific American, 239 (6), 92–125.
13. Scholtz, JM et Baldwin, RL (1992). Le mécanisme de formation d'alpha-hélice par les peptides. Revue annuelle de la biophysique et de la structure biomoléculaire, 21 (1), 95–118.
14. Shoulders, MD et Raines, RT (2009). Structure et stabilité du collagène. Revue annuelle de biochimie, 78 (1), 929-958.
15. Subramaniams, A., Jones, WK, Gulick, J., et Neumannli, J. (1991). Régulation tissulaire spécifique du promoteur du gène de la chaîne lourde alpha-myosine chez les souris transgéniques. Le Journal of Biological Chemistry, 266 (36), 24613–24620.
16. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., et Meyers, MA (2016). Kératine: structure, propriétés mécaniques, présence dans les organismes biologiques et efforts de bioinspiration. Progrès en science des matériaux. Elsevier Ltd.
17. Warrick, HM et Spudich, J. a. (1987). Structure et fonction de la myosine dans la motilité cellulaire. Revue annuelle de la biologie cellulaire, 3, 379–421.
18. Zhang, SQ, Kulp, DW, Schramm, CA, Mravic, M., Samish, I., et Degrado, WF (2015). Interactome hélice-hélice à membrane et protéine soluble: géométrie similaire via différentes interactions. Structure, 23 (3), 527–541