Alpha-Helix

Die Alpha-Helix ist ein häufig auftretendes Motiv der Sekundärstruktur eines Polypeptids bzw. Proteins. Andere Motive sind das beta-Faltblatt und drei verschiedene Arten von beta-turns. Als Sekundärstruktur bezeichnet man die räumliche Lage der Aminosäurenketten ohne Berücksichtigung der Seitengruppen (allgemeine Bezeichnung: "R"). Die nicht zu einem Motiv gehörenden Teile der Aminosäureketten eines Proteins nennt man random-coil-Strukturen.

Inhaltsverzeichnis
1 Struktur und Funktion
2 Geometrie der Helix und Helix-Helix Wechselwirkungen

2.1 Helix-Vorhersage
2.2 Helix-Parameter zusammengefasst
2.3 Literatur

Struktur und Funktion

Die Alpha-Helix ist eine rechtshändig gedrehte Spirale mit durchschnittlich 3,6 Aminosäureseitenketten pro Umdrehung. Pro Windung wird so ein Fortschritt von p = 0,54 nm (5,4 Å) erzielt. Stabilisiert wird sie durch eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem Carbonylsauerstoff der n-ten und der Aminogruppe der (n+4)-ten Aminosäure desselben Moleküls.

Wasserstoffbrücken

Abbildung 1: Stabilisierungsschema bei Protein-Helices. Die häufigste und stabilste Helix ist die alpha-Helix (dicker roter Pfeil). Alternativen existieren, sind aber seltener (dünne Linien)

thumb|Alpha-Helix innerhalb eines Proteins, Darstellung der Atome und Zylinder-Darstellung. Die CO- und NH-Gruppen müssen zur Ausbildung der Wasserstoffbrückenbildung dicht beieinander liegen. Die engste Konfiguration liefert dabei ein aufgewickelter Strang, bei der die beiden Gruppen übereineinander zu liegen kommen. 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). Wo Prolin auftritt, kommt es zu Abweichungen von der regelmäßigen Struktur.

Alpha-Helices sind ziemlich stabil und können als starre Zylinder eine Art Skelett des Proteins bilden. Deshalb findet man sie in der Darstellung von Proteinstrukturen nicht nur als Helix, sondern auch als Zylinder abgebildet.

Ein Protein mit überwiegender Helixstruktur ist das Myoglobin, ein dem Hämoglobin verwandtes Muskelprotein.

Geometrie der Helix und Helix-Helix Wechselwirkungen

Helixrad

Abbildung 2: Helixrad (´helical wheel'). Die Endansicht (Projektion) der alpha-Helix verdeutlicht die Wechselbeziehungen der Aminosäurereste. Wie unter (B) dargestellt, überdeckt jede Aminosäure einen Sektor von 100° [dünne Linien in (A)]. Die nach Abb. 1 Wasserstoff-verbrückten 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 19te 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) alpha-Helix herum. Hierdurch werden, gemäß Abb. 3, Überstrukturen ("coiled coils") ermöglicht

Die alpha-Helix ist Grundlage von Faserproteinen (alpha-Keratin, die Grundsubstanz der Haare, Myosin, eine 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 alpha-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.

coiled Coil

Abbildung 3: Amphipathische alpha-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 alpha-Helices Projektion). Darüber hinaus wurden "tetrahelix bundle" - Strukturen beschrieben

Helix-Vorhersage

Erste Bemühungen zur Vorhersage von Protein-Sekundärstrukturen gehen auf die sechziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts zurück und konnten mit dem Aufkommen der modernen Röntgenstrukturanalyse kontinuierlich verfeinert werden. Ein überaus hilfreicher, rationaler Ansatz zur Vorhersage der alpha-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. Dabei spricht man von "Helixbildnern", wenn das Potential (Pα) deutlich über 1 liegt und von "Helixbrechen", wenn es deutlich kleiner ist.

Tabelle 1: Helixpotentiale(Pα und Pαi)der Aminosäurereste. Pα entspricht der Wahrscheinlichkeit, mit der ein Rest generell in der Helix vertreten ist, Pαi ist die Wahrscheinlichkeit, mit der er im Inneren der Helix vorkommt. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass Prolin einen realen Wert für Pα aufweist, im Zentrum einer Helix jedoch nicht existieren kann (Pαi = 0). Wie in Abb. 1 dargestellt fungieren die Reste 1-4 einer Helix als Akzeptoren einer H-Brücke, ab Rest 5 jedoch gleichzeitig als Wasserstoffdonoren. Diese Funktion scheidet bei Pro aufgrund einer fehlenden NH2-Gruppe aus.

Aminosäure Pα
Glu 1,53 1,45
Ala 1,45 1,59
Leu 1,34 1,91
His 1,24 0,87
Met 1,20 1,25
Gln 1,17 0,98
Trp 1,14 1,33
Val 1,14 1,42
Phe 1,12 1,12
Lys 1,07 1,13
Ile 1,00 1,22
Asp 0,98 0,53
Thr 0,82 0,75
Ser 0,79 0,70
Arg 0,79 0,67
Cys 0,77 0,33
Asn 0,73 0,53
Tyr 0,61 0,58
Pro 0,59 0
Gly 0,53 0,53

Abbildung 4 gibt eine Interpretation dieser Gegebenheiten: die Bildung einer alpha-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.

Nukleation und Abbruch

Abbildung 4: Nukleation und Ausbreitung von alpha-Helices

Helix-Parameter zusammengefasst

Tabelle 2

A - Relation der Reste zueinander
n+4 Reste 1 und 5 H-Brücke -C=O---HN-
n+/- 3, 4 Reste 1 und 4 oder 5 gleiche Seite „hydrophober Bogen“, α-Potenzial
n+18 Reste 1 und 19 ekliptisch 5 x 3,6 = 18; „repeat unit“
n+7 Reste 1 und 8 „fast ekliptisch“ 2 x 3,6; „Heptadenrepeat“
B - Physikalische Parameter
n =3,6 Reste pro Windung
d = 1.5 A axiale Verschiebung je Rest
p = 5,4 Å = n x d “Pitch” (Abstand zwischen den Windungen)
a = 100° = 360° : n Winkel (Sektor) je Aminosäure

Literatur

See also: Alpha-Helix, Aminogruppe, Aminosäure, Beta-Faltblatt, Beta-turn, Hydrophil, Hydrophob, Hämoglobin, Myoglobin, N-Terminus