310ヘリックス

3 ₁₀ヘリックスは、タンパク質やポリペプチドに見られる二次構造の一種です。存在する数多くのタンパク質二次構造のうち、3 _{10ヘリックスは、} α ヘリックス、β シート、逆ターンに続いて 4 番目によく見られるタイプです。3 ₁₀ヘリックスは、タンパク質二次構造中の全ヘリックスの約 10～15% を占め、通常は N 末端または C 末端のいずれかにある α ヘリックスの延長として観察されます。α ヘリックスは一貫して折りたたまれたり展開されたりする傾向があるため、3 ₁₀ヘリックスは一種の中間構造として機能し、α ヘリックスの折りたたみの開始に関する洞察を提供すると考えられています。

ケンブリッジ大学の医学研究会議 分子生物学研究所所長マックス・ペルーツは、謎に包まれた3・₁₀ヘリックスについて初めて論文を執筆した。^{[1]ペルーツは}ローレンス・ブラッグ、ジョン・ケンドリュー とともに、1950年にポリペプチド鎖の構成に関する研究を発表した。これは非結晶回折データや髪の毛に見られる結晶などの小分子結晶構造を手がかりにしたものである。^[2] 彼らの提案には、現在3・₁₀ヘリックスとして知られるものが含まれていたが、現在知られている最も一般的な2つの構造モチーフは含まれていなかった。翌年、ライナス・ポーリングは、アルファヘリックス^[3]とベータシート^[4]の両方のモチーフを予測した。この研究は、現在ではフランシス・クリックとジェームズ・D・ワトソンによるDNA二重らせんの発表に匹敵する重要性を持つ^[1]。^[5] ポーリングはブラッグ、ケンドリュー、ペルーツが提案したらせん構造を非常に批判し、勝ち誇った口調でそれらはすべてあり得ないと断言した。^{[1] [3]} ペルーツは著書『もっと早くあなたを怒らせたかった』^[6]の中で、ある土曜日の朝にポーリングの論文を読んだときの経験を次のように述べている。

私はポーリングとコーリーの論文に衝撃を受けました。ケンドリューと私のらせん構造とは対照的に、彼らのらせん構造には歪みがなく、アミド基はすべて平面で、すべてのカルボニル基は鎖に沿って 4 残基先のアミノ基と完全な水素結合を形成していました。構造は完全に正しいように見えました。どうして見逃すことができたのでしょうか。

— マックス・ペルッツ、1998年、173-175ページ。^[6]

その日遅く、ポーリングのモデルを確認するための実験のアイデアがペルツに浮かび、彼はそれを実行するために研究室に急いだ。数時間以内に、彼はαヘ​​リックスを確認する証拠を手に入れ、月曜日の朝一番にそれをブラッグに示した。^[1]ペルツによるαヘリックス構造の確認は、その後まもなくネイチャー誌 に掲載された。 ^[7] 1950年の論文で理論上のポリペプチド構造に適用された原理は、3 ₁₀ヘリックスにも当てはまるが、以下のものが含まれていた。^[2]

• 鎖は、アミノ酸が凝縮してポリペプチド鎖を形成する際に形成される近くのアミド（ペプチド）結合によって、異なる水素原子と酸素原子間の水素結合によって保持されます。これらは、水素結合を破壊せずに解くことのできないらせん構造を形成します。
• 利用可能なすべての NH 基と CO 基が水素結合している構造は、自由エネルギーが低いと考えられるため、本質的に可能性が高くなります。

3 _{10ヘリックスは、1958 年にケンドリューが発表した}ミオグロビンの構造で最終的に確認され、^{[8]また、1960 年にペルツが発表した}ヘモグロビンの構造決定でも発見されました^{[9] [10] [11] 。また、その後のヘモグロビンの脱酸素化[12] [13]}および酸素化形態の両方に関する研究でも発見されました^{[14] [15]}

3 ₁₀ヘリックスは、現在では、α ヘリックスと β シートに続いて、球状タンパク質に現れる 3 番目の主要構造であることがわかっています。 ^[16] これらはほとんど常に短いセクションであり、約 96% が 4 つ以下のアミノ酸残基を含みます。^{[17] : 44 は}、たとえば、ミオグロビン構造で α ヘリックスが方向を変える「コーナー」などの場所に現れます。^[8] 7 から 11 残基の範囲のより長いセクションは、特定のヘリカルタンパク質の膜貫通ドメインにある電位依存性カリウムチャネルの電位センサーセグメントで観察されています。^[18]

3 ₁₀ヘリックス中のアミノ酸は右巻きのヘリックス構造に配列されている。各アミノ酸はヘリックスの 120° 回転（すなわち、ヘリックスは 1 回転あたり 3 つの残基を持つ）とヘリックス軸に沿った 2.0 Å（0.20 nm）の移動に対応し、水素結合を形成することによって形成されるリング内に 10 個の原子を持つ。^{[17] : 39} 最も重要なのは、アミノ酸のNH基が3残基前のアミノ酸のC=O基と水素結合を形成することである。このi  + 3 →  i水素結合の繰り返しが3 _{10ヘリックス}を定義する。同様の構造には、α ヘリックス（i  + 4 →  i水素結合）とπ ヘリックスi  + 5 →  i水素結合がある。 ^{[17] : 44–45  [19]}

長い 3 ₁₀ヘリックス中の残基は、（−49°、−26°）付近の（φ、  ψ）二面角をとる。タンパク質中の多くの 3 ₁₀ヘリックスが短いため、これらの値から外れている。より一般的には、長い 3 ₁₀ヘリックス中の残基は、1つの残基のψ二面角と次の残基のφ二面角の合計がおよそ−75°になるような二面角をとる。比較すると、αヘリックスの二面角の合計はおよそ−105°であるのに対し、πヘリックスの二面角の合計はおよそ−125°である。^{[17] : 45}

トランス異性体を含むポリペプチドらせんの残基あたりの回転角Ωの一般式は、次式で与えられる：^{[17] : 40}

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

 理想的な3 ₁₀らせんの場合、 Ω = 120°なので、 φとψは次のように関係付けられるはずです。

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

これは−75°付近のφ  +  ψの観測値と一致する。^{[17] : 44}

3 ₁₀ヘリックスの二面角は、α ヘリックスに比べて短いため、これらのヘリックスの長さ（3 ～ 5 残基長）に起因すると考えられます。これは、同時代の α ヘリックスの 10 ～ 12 残基長と比較して低いものです。3 10 ヘリックスは_遷移状態で発生することが多く、通常は短い残基長につながるため、主鎖のねじれ角分布に偏差が生じ、不規則性が生じます。3 10 ヘリックスの水素結合ネットワークは α ヘリックスと比較すると歪んでおり、不安定性の一因となっていますが、天然タンパク質に 3 ₁₀ヘリックスが頻繁に出現することは、遷移構造におけるその重要性を証明しています。^{[19] [20]}

メアリー・カーペン、ピーター・デ・ハセス、ケネス・ニートによる研究を通じて、^[21] 3 ₁₀ヘリックスの部分的な安定性の要因が明らかになりました。ヘリックスは、非極性N末端のアスパラギン酸残基によって最も顕著に安定化され、これがヘリックスNキャップのアミド基と相互作用します。この静電相互作用により、ペプチド双極子が平行方向に安定化されます。α ヘリックスを安定化する連続ヘリックス水素結合と同様に、高レベルのアスパラギン酸は 3 _{10ヘリックスの存続に同様に重要です。3 10}ヘリックスと α ヘリックスの両方でアスパラギン酸の高頻度は、ヘリックスの開始を示していますが、同時に、α ヘリックスの伝播を阻害することで3 _{10ヘリックスの安定化に有利に働くことも示唆しています。} ^[21]

• アルファヘリックス
• πヘリックス
• 二次構造
• ベータターン
• ベータベンドリボン

• 「3 ₁₀ヘリックスは二次タンパク質の一種です。」Biochemistries . Np、2013 年 10 月 20 日。Web。2015 年 12 月 6 日。<http://biochemistri.es/the-3-10-helix ^{[ permanent dead link ‍ ]} >。