アルファヘリックス

アルファヘリックス（またはαヘリックス）は、コイル（ヘリックス）にねじれたタンパク質内のアミノ酸の配列です。

アルファヘリックスは、タンパク質の二次構造の中で最も一般的な構造配置です。また、最も極端なタイプの局所構造でもあり、アミノ酸配列から最も簡単に予測できる局所構造でもあります。

アルファヘリックスは右巻き ヘリックス構造を持ち、バックボーンのN−H基はすべて、タンパク質配列の 4残基前にあるアミノ酸のバックボーンのC=O基に水素結合します。

アルファヘリックスは一般に次のようにも呼ばれます。

• ポーリング・コーリー・ブランソンαヘリックス（その構造を説明した3人の科学者の名前から）
• 3.6 ₁₃ヘリックス。1つのリングに 3.6 個のアミノ酸があり、13 個の原子が水素結合によって形成されたリングに関与している（アミド水素から始まりカルボニル酸素で終わる）ため。

1930 年代初頭、ウィリアム・アストベリーは、湿った羊毛や毛髪の繊維を著しく伸ばすと、 X 線 繊維回折に劇的な変化が起こることを示しました。データによると、伸ばされていない繊維は、約 5.1オングストローム(0.51ナノメートル)の特徴的な繰り返しを持つコイル状の分子構造を持っていることが示唆されました。

アストベリーは当初、繊維が連鎖構造になっていると提唱しました。その後、他の研究者（特にアメリカの化学者モーリス・ハギンズ）と協力して、次のような提唱を行いました。

• 伸ばされていないタンパク質分子はらせん状（彼はこれをα型と呼んだ）を形成した。
• 伸張によりらせんがほどけ、伸長した状態（彼はこれをβ型と呼んだ）を形成した。

アストベリーのこれらの形態のモデルは、細部では不正確であったものの、本質的には正しく、 1951年にライナス・ポーリング、ロバート・コーリー、ハーマン・ブランソンによって開発された二次構造の現代の要素であるαヘリックスおよびβストランド（アストベリーの命名法が維持された）に対応している（下記参照）。その論文では右巻きと左巻きの両方のヘリックスが示されていたが、1960年にミオグロビンの結晶構造^[1]により、右巻きの形態が一般的であることが示された。ハンス・ノイラートは、アストベリーのモデルが原子の衝突を伴うため細部では正確ではないことを初めて示した。^{[2]ノイラートの論文とアストベリーのデータは、} HSテイラー、^{[3] 、}モーリス・ハギンズ^[4]、ブラッグと共同研究者^[5]にインスピレーションを与え、現代のαヘリックスに多少似た ケラチンのモデルを提案した。

現代のαヘリックスのモデル化における2つの重要な進歩は、アミノ酸とペプチドの結晶構造の決定とポーリングによる平面ペプチド結合の予測により正確な結合形状が得られた点と、ヘリックスの回転ごとに整数個の残基が存在するという仮定を放棄した点である。決定的な瞬間は、1948年の早春、ポーリングが風邪をひいて寝込んだときに訪れた。退屈していた彼は、紙片にほぼ正確な寸法のポリペプチド鎖を描き、平面ペプチド結合を維持するように注意しながらヘリックス状に折りたたんだ。数回の試行の後、彼は物理的に妥当な水素結合を持つモデルを作成した。その後、ポーリングは、発表前にモデルを確認するためにコーリーとブランソンと協力した。^[6] 1954年、ポーリングは「化学結合の性質に関する研究と、その複雑な物質（タンパク質など）の構造の解明への応用」により、最初のノーベル賞を受賞しました。 ^[7]特にαヘリックスの構造に関する研究が評価されました。

α-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置されており、各アミノ酸残基はヘリックス内の 100° 回転 (つまり、ヘリックスは 1 回転あたり 3.6 残基) に対応し、ヘリックス軸に沿って 1.5 Å (0.15 nm) 移動します。Dunitz ^{[8] は、}このテーマに関する Pauling の最初の論文が実際には左巻きヘリックス、つまり真の構造の鏡像異性体を示していることを説明しています。左巻きヘリックスの短い断片は、アキラルなグリシンアミノ酸を大量に含む場合に時々発生しますが、他の通常の生物学的L -アミノ酸には不利です。α-ヘリックスのピッチ (ヘリックスの連続する回転間の垂直距離) は 5.4 Å (0.54 nm) で、これは 1.5 と 3.6 の積です。最も重要なことは、1 つのアミノ酸のNH基が4 つ前のアミノ酸のC=O基と水素結合を形成することです。この繰り返しのi  + 4 → i水素結合は、α-ヘリックスの最も顕著な特徴です。公式の国際命名法^{[9] [10]}では、α-ヘリックスを定義する2つの方法が指定されています。1つは、繰り返しのφ、ψねじれ角に関する規則 6.2 (下記参照) で、もう1つは、ピッチと水素結合の組み合わせパターンに関する規則 6.3 です。α-ヘリックスは、DSSP ( タンパク質の二次構造の定義) などのいくつかの計算方法を使用してタンパク質構造で識別できます。^[11]

類似の構造には、3 ₁₀ヘリックス（i  + 3 → i水素結合）とπヘリックス（i  + 5 → i水素結合）がある。αヘリックスは、 i + 4 間隔により、より密な 3 ₁₀ヘリックス と比較して水素結合ループに 3 つの原子が追加され、平均して 3.6 個のアミノ酸が α ヘリックス 1 リングに関与するため、3.6 ₁₃ヘリックスとして記述できる。下付き文字は、水素結合によって形成される閉ループ内の原子数（水素を含む）を示す。^[12]

α ヘリックス中の残基は、通常、バックボーン ( φ、  ψ )二面角を(−60°、−45°) 付近でとります (右の図を参照)。より一般的には、 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 −105° になるように二面角をとります。結果として、α ヘリックス二面角は一般に、ラマチャンドラン図(傾き −1) 上の対角線上にあり、範囲は (−90°、−15°) から (−70°、−35°) です。比較すると、3 ₁₀ヘリックスの二面角の合計はおよそ −75° ですが、π ヘリックスの二面角の合計はおよそ −130° です。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^{[14] [15]。}

3 cosΩ = 1 − 4 cos ² ⁠φ + ψ/2⁠

αヘリックスは密集しており、ヘリックス内にはほとんど空きスペースがありません。アミノ酸側鎖はヘリックスの外側にあり、常緑樹の枝のように、おおよそ「下向き」（つまり、N末端方向）を向いています（クリスマスツリー効果）。この方向性は、タンパク質骨格の方向を決定するための予備的な低解像度の電子密度マップで使用されることがあります。^[16]

タンパク質で観察されるヘリックスの長さは、4残基から40残基以上に及ぶが、典型的なヘリックスは約10個のアミノ酸（約3回転）を含む。一般に、短いポリペプチドは溶液中ではαヘリックス構造をあまり示さない。これは、ポリペプチド鎖の折り畳みに関連するエントロピーコストが十分な量の安定化相互作用によって補償されないためである。一般に、 αヘリックスのバックボーン水素結合はβシートに見られるものよりもわずかに弱いと考えられており、周囲の水分子によって容易に攻撃される。しかし、細胞膜などのより疎水的な環境、またはトリフルオロエタノール（TFE）などの共溶媒の存在下、または気相で溶媒から分離された場合、^[17]オリゴペプチドは容易に安定したαヘリックス構造をとる。さらに、架橋をペプチドに組み込むことで、ヘリカルフォールドを立体的に安定化させることができる。架橋は、エントロピー的に非折り畳み状態を不安定化し、完全ならせん状態と競合するエンタルピー的に安定化された「デコイ」折り畳みを除去することによって、らせん状態を安定化する。^[18] αヘリックスは、天然タンパク質においてβストランドよりも安定しており、変異に対して堅牢で、設計可能であることが示されている。 ^[19]また、人工的に設計されたタンパク質においても。^[20]

オリゴペプチド配列のαヘリカル二次構造を視覚化する最も一般的な3つの方法は、(1)ヘリカルホイール、^[21]、 (2)文祥図、^[22]、(3)ヘリカルネット^[23]である。これらはそれぞれ、さまざまなソフトウェアパッケージやウェブサーバーで視覚化できる。少数の図を生成するには、ヘリカルホイールにはHeliquest ^[24]を、ヘリカルホイールとヘリカルネットにはNetWheels ^[25]を使うことができる。プログラムで大量の図を生成するには、RおよびPythonプログラミング言語でヘリカルホイールと文祥図を描画するためにhelixvis ^{[26] [27]を}使うことができる。

α ヘリックスは水素結合とバックボーンの配座によって定義されるため、α ヘリックス構造の最も詳細な実験的証拠は、右に示す例のような原子分解能X 線結晶構造解析から得られます。バックボーンのカルボニル酸素はすべて下向き (C 末端方向) を向いていますが、わずかに広がっており、水素結合はヘリックス軸とほぼ平行です。NMR分光法によるタンパク質構造でもヘリックスがよく示され、隣接するヘリックスターン上の原子間の核オーバーハウザー効果(NOE) 結合の特徴的な観察が行われます。場合によっては、個々の水素結合が NMR で小さなスカラー結合として直接観察されることがあります。

一般的ならせん構造を割り当てるには、解像度の低い方法がいくつかあります。NMR化学 シフト（特にC ^α、C ^β、C′）と残留双極子結合は、多くの場合、らせんの特徴です。らせんの遠紫外線（170～250 nm）円二色性スペクトルも特異で、約208 nmと222 nmで顕著な二重極小値を示します。α-らせんスペクトルはランダムコイルのスペクトルに似ているため、赤外分光法はほとんど使用されません（ただし、水素-重水素交換などによって識別できる場合があります）。最後に、クライオ電子顕微鏡法では、タンパク質内の個々のα-らせんを識別できるようになりましたが、残基への割り当ては依然として研究が活発に行われている分野です。

アミノ酸の長いホモポリマーは、可溶性の場合、しばしばらせんを形成します。このような長く孤立したらせんは、誘電緩和、流動複屈折、拡散定数の測定などの他の方法によっても検出できます。厳密に言えば、これらの方法は、らせんの特徴的な長楕円形（長い葉巻のような）の流体力学的形状、またはその大きな双極子モーメントのみを検出します。

異なるアミノ酸配列は、α-ヘリックス構造を形成する傾向が異なります。メチオニン、アラニン、ロイシン、グルタミン酸、および無電荷リジン（アミノ酸の1文字コードでは「MALEK」 ）はすべて、特に高いヘリックス形成傾向を持ちますが、プロリンとグリシンはヘリックス形成傾向が低いです。^[28] プロリンは、アミド水素結合を供与できない（アミド水素を持たない）ため、および側鎖が先行するターンのバックボーンと立体的に干渉するため、ヘリックスを切断するかねじります。ヘリックス内部では、これによりヘリックスの軸が約30°曲がることになります。^{[12]ただし、プロリンはヘリックスの}最初の残基と見なされることが多く、これはその構造的剛性によるものと考えられています。一方、グリシンは、その高い立体配座の柔軟性により、比較的制約のあるαヘリックス構造を採用するのにエントロピー的にコストがかかることから、ヘリックスを破壊する傾向もあります。

自由エネルギー変化の推定差Δ(Δ G )。アラニンを任意にゼロに設定した場合の、α ヘリックス構成の残基あたりのkcal/mol単位で推定されます。数値が高いほど (自由エネルギー変化が正になるほど) 好ましくありません。隣接する残基の種類によっては、これらの平均数値から大幅に逸脱する可能性があります。

ヘリックスには、ヘリックス軸に沿って向いたペプチド結合のカルボニル基からの個々の微小双極子の集合効果による全体的な双極子モーメントがある。 ^[30]このマクロ双極子の効果は、議論の余地がある。αヘリックスは、多くの場合、N末端が負に帯電した基、時にはグルタミン酸やアスパラギン酸などのアミノ酸側鎖、または時にはリン酸イオンに結合した状態で発生する。ヘリックスのマクロ双極子は、そのような基と静電的に相互作用すると考える人もいる。他の人は、これは誤解を招きやすく、αヘリックスのN末端の自由NH基の水素結合ポテンシャルは水素結合によって満たされると言う方が現実的であると考えている。これは、C=O···H−Nなどの局所的な微小双極子間の相互作用の集合と見なすこともできる。^{[31] [32]}

コイルドコイルαヘリックスは、2つ以上のヘリックスが互いに巻き付いて「スーパーコイル」構造を形成する非常に安定した形態である。コイルドコイルには、ヘプタドリピートと呼ばれる非常に特徴的な配列モチーフが含まれており、このモチーフは配列に沿って7残基ごとに繰り返される（DNA塩基対ではなくアミノ酸残基）。最初の残基、特に4番目の残基（ aおよびd位置として知られる）は、ほぼ常に疎水性である。4番目の残基は通常ロイシンであり、これがコイルドコイルの一種であるロイシンジッパーと呼ばれる構造モチーフ の名前の由来となっている。これらの疎水性残基は、ヘリックス束の内部で一緒に詰め込まれている。一般に、5番目と7番目の残基（eおよびg位置）は反対の電荷を持ち、静電相互作用によって安定化された塩橋を形成する。ケラチンやミオシンやキネシンの「茎」などの繊維状タンパク質は、いくつかの二量体タンパク質と同様に、コイルドコイル構造をとることが多い。一対のコイルドコイル、つまり4つのらせん束は 、タンパク質で非常に一般的な構造モチーフである。例えば、これはヒト成長ホルモンや数種類のシトクロムに見られる。細菌のプラスミド複製を促進するRopタンパク質は、単一のポリペプチドがコイルドコイルを形成し、2つのモノマーが集まって4つのらせん束を形成する興味深い例である。

特定のヘリックスを構成するアミノ酸は、ヘリカルホイール上にプロットすることができます。これは、構成アミノ酸の方向を示す表現です (このような図については、ロイシンジッパーの記事を参照してください)。球状タンパク質や、コイルドコイルやロイシンジッパーなどの特殊な構造では、多くの場合、α ヘリックスには 2 つの「面」があります。1 つは、タンパク質の内部(疎水性コア) に向いている主に疎水性アミノ酸を含む面、もう 1 つは、タンパク質の溶媒にさらされた表面の方に向いている主に極性アミノ酸を含む面です。

結合方向の変化は、面配向オリゴペプチドでも起こる。このパターンは抗菌ペプチドで特によく見られ、これがその機能にどのように関係するかを説明するために多くのモデルが考案されている。それらの多くに共通するのは、抗菌ペプチドの疎水性面が膜コアの脂肪鎖と結合した後、細胞膜に孔を形成することである。^{[33] [34]}

ミオグロビンとヘモグロビンは、X 線結晶構造解析によって構造が解明された最初の 2 つのタンパク質であり、約 70% が α ヘリックスから構成される非常に類似した折り畳み構造を持ち、残りは非反復領域、つまりヘリックス同士を連結する「ループ」です。タンパク質を主な折り畳み構造で分類する際、タンパク質構造分類データベースでは、すべて α のタンパク質専用の大きなカテゴリが維持されています。

ヘモグロビンはさらに大規模な四次構造を持ち、機能的な酸素結合分子は 4 つのサブユニットで構成されています。

α-ヘリックスは、ヘリックスターンヘリックスモチーフ、ロイシンジッパーモチーフ、ジンクフィンガーモチーフなどのDNA結合モチーフにおいて特別な意味を持っています。これは、α-ヘリックスの直径が側鎖の平均セットを含めて約12Å（1.2nm）であり、B型DNAの主溝の幅とほぼ同じであるという構造上の都合な事実と、ヘリックスのコイルドコイル（またはロイシンジッパー）二量体が、二重らせんDNAに共通する対称的な繰り返しのようなものと接触するように一対の相互作用面を容易に配置できるためです。^[35] 両方の側面の例は転写因子Max（左の図を参照）で、これはヘリックスコイルドコイルを使用して二量体化し、DNA主溝の連続する2つのターンで相互作用するための別の一対のヘリックスの配置を行います。

αヘリックスは、生体膜を横断する最も一般的なタンパク質構造要素（膜貫通タンパク質）でもあります。^[36]これは、側鎖が疎水性であれば、ヘリックス構造がすべてのバックボーン水素結合を内部で満たすことができ、極性基が膜に露出しないためだと考えられます。タンパク質は、膜貫通ヘリックス1つで固定される場合もあれば、1対で固定される場合もあり、ヘリックス束で固定される場合もあります。最も古典的な構造は、ロドプシン（右図参照）やその他のGタンパク質共役受容体（GPCR）のように、リング状に上下に並んだ7つのヘリックスで構成されています。αヘリックス膜貫通ドメインのペア間の構造安定性は、グリシン-xxx-グリシン（またはsmall-xxx-small）モチーフなどの保存された膜ヘリックス間パッキングモチーフに依存しています。^[37]

軸方向の引張変形を受けるαヘリックスは、多くのαヘリックスに富むフィラメントや組織に現れる特徴的な荷重条件であり、硬い‐柔らかい‐硬い接線弾性率の特徴的な3相挙動を示す。^[38]フェーズIは、ヘリックスが均一に引き伸ばされる小さな変形領域に対応し、その後にフェーズIIが続き、αヘリックスの回転が水素結合グループの破壊によって切断される。フェーズIIIは、通常、大きな変形による共有結合の伸張に関連する。

タンパク質中のαヘリックスは、ラマン分光法^[39]で観測され、準連続体モデル^{[40] [41]}で解析されたように、低周波のアコーディオンのような動きをする可能性がある。三次相互作用によって安定化されていないヘリックスは、主にヘリックスの末端からのほつれに起因する動的挙動を示す。^[42]

アミノ酸のホモポリマー（ポリリジンなど）は、低温でαヘリックス構造をとり、高温で「溶け出す」ことがあります。このヘリックス-コイル転移は、かつてはタンパク質の変性に類似していると考えられていました。この転移の統計力学は、ヘリックスを開始する傾向とヘリックスを延長する傾向という2つのパラメータで特徴付けられる、 優れた転送行列法を使用してモデル化できます。

少なくとも 5 人の芸術家が、作品の中で α ヘリックスについて明示的に言及しています。絵画ではジュリー・ニュードール、彫刻ではジュリアン・フォス・アンドレー、バトシェバ・グロスマン、バイロン・ルービン、マイク・ティカです。

サンフランシスコ地域のアーティスト、ジュリー・ニュードール^[43]は、微生物学の学位を持ち、美術を副専攻とし、1990年以来、顕微鏡画像や分子からインスピレーションを得た絵画を専門としている。彼女の絵画「アルファヘリックスの台頭」（2003年）には、αヘリックス配列で配置された人物像が描かれている。アーティストによると、「花は、各アミノ酸が世界に提示するさまざまな種類の側鎖を反映している」とのこと。^[43]この同じ比喩は、科学者の側からも繰り返されている。「βシートは、堅苦しく反復的な規則性を示すのではなく、優雅でねじれた曲線を描いて流れ、αヘリックスでさえ、花の茎のように規則的であり、枝分かれした節は、環境の影響、発達の歴史、そして各部分がその固有の機能に合わせて進化したことを示している。」^[12]

ジュリアン・フォス・アンドレーは、実験物理学と彫刻の学位を持つドイツ生まれの彫刻家です。2001年以来、フォス・アンドレーはタンパク質構造に基づいた「タンパク質彫刻」^[44]を制作しており、αヘリックスはその好作品の一つです。フォス・アンドレーは、竹や丸太など、さまざまな素材からαヘリックスの彫刻を制作してきました。フォス・アンドレーが2004年にαヘリックスの発見者であるライナス・ポーリングを記念して制作した記念碑は、αヘリックスの構造に沿って再配置された大きな鉄骨で作られています。高さ10フィート（3メートル）の真っ赤な彫刻は、オレゴン州ポートランドにあるポーリングの幼少期の家の前に立っています。

αヘリックスのリボン図は、アーティストのバトシェバ・グロスマンが作成したインスリン、ヘモグロビン、DNAポリメラーゼなどのタンパク質構造のレーザーエッチング結晶彫刻の重要な要素です。^{[45]バイロン・ルービンは元タンパク質結晶学者で、現在はタンパク質、核酸、薬物分子の金属彫刻の専門家です。その多くは、}サブチリシン、ヒト成長ホルモン、ホスホリパーゼA2など、αヘリックスを特徴としています。^[46]

マイク・タイカはワシントン大学の計算生化学者で、デイビッド・ベイカーと共同研究を行っている。タイカは2010年から銅と鋼からユビキチンやカリウムチャネルテトラマーなどのタンパク質分子の彫刻を制作している。 ^[47]

• 3 ₁₀ヘリックス
• ベータシート
• ダビドフソリトン
• 折りたたみ（化学）
• ノブを穴に詰める
• πヘリックス
• プロテオペディアタンパク質のヘリックス

• NetSurfP ver. 1.1 – タンパク質表面アクセシビリティと二次構造予測
• αヘリックス回転角度計算機 2021-08-03 にWayback Machineでアーカイブ
• アーティスト ジュリー・ニュードールのウェブサイト
• アーティスト Julian Voss-Andreae のウェブサイト