3₁₀-спираль

Спираль 3₁₀ (спираль 3.10) — тип вторичной структуры, встречающийся в белках и полипептидах. Из множества присутствующих вторичных структур белка 3₁₀-спираль является четвёртым наиболее часто наблюдаемым типом после α-спиралей, β-листов и β-поворотов^[англ.]. 3₁₀-спирали составляют почти 15-20 % от всех спиралей во вторичных структурах белков и обычно наблюдаются как продолжения α-спиралей, обнаруживаемые либо на их N-, либо на C-концах. 3₁₀-спирали в белках обычно имеют длину всего от трёх до пяти остатков по сравнению со средним значением 10-12 остатков для α-спиралей. Из-за тенденции α-спиралей к последовательному сворачиванию и разворачиванию было предложено, что 3₁₀-спираль служит своего рода промежуточной конформацией при сворачивании/разворачивании α-спиралей^[1].

Макс Перуц, глава лаборатории молекулярной биологии при Медицинском исследовательском совете Кембриджского университета, написал первую статью, в которой задокументировал спираль 3₁₀^[2]. 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^[3]. Их предложения включали то, что сейчас известно как спираль 3₁₀, но не включали два более распространённых структурных мотива, которые были открыты несколько позже. В следующем году Линус Полинг предсказал оба этих мотива, альфа-спираль^[4] и бета-лист^[5], в работе, которая теперь сравнивается по значимости^[2] с публикацией Фрэнсиса Крика и Джеймса Д. Уотсона о двойной спирали ДНК^[6]. Полинг очень критически относился к спиральным структурам, предложенным Брэггом, Кендрю и Перуцем, и заявлял, что все они неправдоподобны^[2][4].

Позже в тот же день Перуцу 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^[2]. Подтверждение Перуцем структуры альфа-спирали было опубликовано в журнале Nature вскоре после этого^[7]. Принципы, применённые в статье 1950 года к теоретическим полипептидным структурам, относящимся к спирали 3₁₀, включали:^[3]

• Цепи удерживаются вместе за счёт 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.

Структура спирали 3₁₀ была в конечном итоге подтверждена Кендрю в его структуре миоглобина 1958 года^[8], а также была повторно обнаружена в 1960 году, когда Перуц определил структуру гемоглобина^[9][10][11] и уточнена в последующих трудах над его деоксигенированной^[12][13] и оксигенированной формами^[14][14].

В настоящее время известно, что спираль является 3₁₀ четвёртым наиболее часто наблюдаемым типом после α-спиралей, β-листов и β-поворотов^{[англ.][1]}. Это почти всегда короткие участки, почти 96 % которых содержат четыре или меньше аминокислотных остатков^{[15] :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^[16].

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 вдоль оси спирали, и имеет 10 атомов в кольце, образованном водородной связью^[15]:44-45. 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)^{[1][15] :44–45}.

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°^[15]:44–45 .

Общая формула для угла поворота Ω на остаток любой полипептидной спирали с транс-изомерами даётся уравнением:^{[15] :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°^{[15] :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^[1][1].

Благодаря исследованиям, проведённым Мэри Карпен, Питером Де Хасетом и Кеннетом Нитом^[17], были выявлены факторы 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^[17].

• Альфа-спираль
• Пи-спираль
• β-поворот^[англ.]