πヘリックス

πヘリックス（またはπヘリックス）は、タンパク質に見られる二次構造の一種です。1952年に結晶学者バーバラ・ローによって発見され^{[1] 、かつては珍しいと考えられていましたが、短いπヘリックスは既知のタンパク質構造の15％に見られ、} αヘリックスに単一のアミノ酸が挿入されたことで生じた進化的適応であると考えられています。^[2]このような挿入は非常に不安定であるため、^[3] πヘリックスの形成は、タンパク質に何らかの機能的利点をもたらさない限り、選択されない傾向があります。そのため、πヘリックスは通常、タンパク質の機能部位の近くに見られます。^{[2] [4] [5] [6]}

標準的な π ヘリックス内のアミノ酸は、右巻きのヘリックス構造で配置されています。各アミノ酸は、ヘリックスの 87° 回転 (つまり、ヘリックスは 1 回転あたり 4.1 残基) と、ヘリックス軸に沿った 1.15  Å (0.115  nm ) の移動に対応しています。最も重要なのは、アミノ酸のNH基が5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す。このi  + 5 → i水素結合の繰り返しがπ ヘリックスを定義します。同様の構造には、 3 ₁₀ヘリックス( i  + 3 → i水素結合) とα ヘリックス( i  + 4 → i水素結合) があります。

π ヘリックスの大部分は、長さが 7 残基のみで、α ヘリックスや β シートのように、構造全体にわたって規則的に繰り返される ( φ、  ψ )二面角を採用しています。このため、π ヘリックスのすべての残基に対して単一の二面角の値を提供する教科書は誤解を招きます。ただし、ある程度の一般化は可能です。最初と最後の残基のペアを除外すると、 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 -125° になるような二面角が存在します。最初と最後の残基のペアの合計は、それぞれ -95° と -105° 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° であるのに対し、α ヘリックスの二面角の合計はおよそ -105° です。プロリンは、π ヘリックスの端の直後によく見られます。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、次の式で与えられる。

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

原理的には、π ヘリックスを左巻きバージョンにするには、( φ、  ψ )二面角の符号を (55°、70°) に反転します。この疑似「鏡像」ヘリックスは、1 回転あたりの残基数 (4.1) とヘリカルピッチ (1.5 Å [150 pm]) がほぼ同じです。アミノ酸残基は依然として左巻きのキラリティーを持っているため、これは真の鏡像ではありません。長い左巻き π ヘリックスがタンパク質で観察される可能性は低いです。これは、天然アミノ酸の中で、グリシンだけが55° などの 正のφ二面角を採用する可能性が高いためです。

DSSPなどの一般的に使用されている自動二次構造割り当てプログラムでは、タンパク質の 1% 未満に π ヘリックスが含まれていることが示されています。この誤った特徴付けは、天然の π ヘリックスの長さが通常短く (7 ～ 10 残基)、ほとんどの場合、どちらかの端で α ヘリックスと関連している (つまり、両側に並んでいる) という事実に起因しています。そのため、ほぼすべての π ヘリックスは、π ヘリックス残基が誤って α ヘリックスまたは「ターン」として割り当てられているという点で不可解です。最近開発されたプログラムは、タンパク質構造の π ヘリックスを適切に注釈付けするように書かれており、6 分の 1 のタンパク質 (約 15%) には実際に少なくとも 1 つの π ヘリックスセグメントが含まれていることがわかりました。^[2]

天然のπヘリックスは、構造内ではより長いαヘリックス内の「膨らみ」として簡単に識別できます。このようなヘリカル膨らみは、これまでα動脈瘤、α膨らみ、π膨らみ、ワイドターン、ループアウト、πターンなどと呼ばれてきましたが、実際にはi  + 5 → i水素結合の繰り返しによって決まるπヘリックスです。^[2] これらの膨らみ、つまりπヘリックスは、既存のαヘリックスに1つの追加のアミノ酸を挿入することによって生成されることが証拠から示唆されています。したがって、αヘリックスとπヘリックスは、1つのアミノ酸の挿入と削除によって相互変換できます。^{[2] [3]} πヘリックスの発生率が比較的高いことと、タンパク質の機能部位（活性部位）との関連性が注目されていることから、αヘリックスとπヘリックスを相互変換するこの能力は、進化の過程でタンパク質の機能性を変化させ、多様化させる重要なメカニズムとなってきました。^[2]

こうした進化のメカニズムによって機能の多様化が大きく影響されたと思われるタンパク質の最も注目すべきグループの一つは、フェリチン様スーパーファミリーであり、これにはフェリチン、バクテリオフェリチン、ルブレリトリン、クラス Iリボヌクレオチド還元酵素、可溶性メタンモノオキシゲナーゼが含まれる。可溶性メタンモノオキシゲナーゼは、現在、単一酵素中の π ヘリックスの最多数 (13 個) の記録保持者である ( PDBコード 1MTY)。しかし、Na ⁺ /Cl ⁻依存性神経伝達物質トランスポーターの細菌ホモログ(PDB コード 2A65) は、単一ペプチド鎖中の π ヘリックスの最多数 (8 個) の記録を保持している。^[2]

• アルファヘリックス
• 3 ₁₀ヘリックス
• 二次構造