miniatura|200px|Vista lateral dunha hélice α de residuos de alanina con detalla atómico. Dous hidróxenos do mesmo grupo peptídico foron destacados en cor maxenta; a distancis H-O é duns 2 Å (0,20 nm). A cadea proteica dixíxese cara arriba aquí, é dicir, o seu extremo N-terminal está abaixo e o C-terminal arriba. Nótese que as cadeas laterais (puntas grises) fai un ángulo dirixido lixeiramente cara a abaixo (cara ao extremo N-terminal), mentres que os oxíxenos peptídicos (en vermello) apuntan cara a arriba e os NHs peptídicos cara a abaixo. miniatura|Enlaces de hidróxeno (puntos amarelos) que estabilizan unha hélice alfa. A hélice alfa (hélice α) é unha estrutura secundaria das proteínas moi común e é unha conformación en espiral dextroxira (enroscada cara á dereita) ou hélice na cal cada grupo N-H pertencente ao N do enlace peptídico doa un enlace de hidróxeno a un grupo C=O do C do enlace peptídico doutro residuo de aminoácido situado catro residuos antes (enlace de hidróxeno ). Como cada aminoácido ten un grupo N-H e un grupo C=O, todos os aminoácidos da hélice establecen dúas pontes de hidróxeno, unha co cuarto aminoácido superior na hélice e outro co cuarto aminoácido inferior, os cales estabilizan a forma da hélice. As cadeas laterais dos aminoácidos están na parte externa da hélice. Esta estrutura secundaria tamén se denomina ás veces hélice alfa de Pauling–Corey–Branson clásica (véxase máis abaixo). Tamén se usa para ela o nome hélice 3,613, que indica o número de residuos por xiro de hélice (paso de rosca), que son 3,6, e que están implicados 13 átomos no anel formado pola ponte de hidróxeno. Entre os tipos de estruturas locais das proteínas, a hélice α é a máis regular e a máis predicible a partir da secuencia de aminoácidos, e tamén a máis frecuente.
Descubrimento
A inicios da década de 1930, William Astbury mostou que se producían cambios drásticos na difracción de raios X de fibras de la húmida ou de pelos estirados significativamente. Os datos suxerían que as fibras non estiradas tiñan unha estrutura molecular enrolada cunhas repeticións características cada ~51 Å (5,1 nm). Astbury propuxo inicialmente para estas fibras unha estrutura de cadea enroscada. Despois uniuse a outros investigadores (principalmente ao químico norteamericano Maurice Huggins) para propoñer que:
as moléculas de proteínas non estiradas forman unha hélice, á cal chamaron forma α. o estiramento causaba que a hélice se desenroscara, pasando a un estado máis estendido, que chamaron forma β. Aínda que os modelos de Atsbury eran incorrectos nos seus detalles, as formas que propoñía eran esencialmente correctas e correspóndense cos tipos de estrutura secundaria que se consideran modernamente, a hélice α e a folla β (mantívose a nomenclatura de Astbury), que foron desenvolvidas por Linus Pauling, Robert Corey e Herman Branson en 1951 (véxase máis abaixo); naquel artigo inicial mostrábanse tanto hélices dextroxiras coma levoxiras, aínda que en 1960 a obtención da estrutura cristalina da mioglobina mostrou que a forma dextroxira é a común. Hans Neurath foi o primeiro que demostrou que os modelos de Astbury non podían ser correctos en detalle, porque implicaban choques de átomos. Os artigos de Neurath e os datos de Astbury inspiraron a H. S. Taylor, Maurice Huggins e Bragg e colaboradores a propoñer os modelos da queratina que lembran algo á moderna hélice α.
Dous desenvolvementos clave na modelización da moderna hélice α foron: (1) a correcta xeometría dos enlaces, grazas a determinacións da estrutura cristalina de aminoácidos e péptidos e á predición de Pauling dos enlaces peptídicos planares; e (2) o abandono da idea de que había un número enteiro de residuos por volta de hélice. O momento fundamental chegou en 1948, cando Pauling estaba en cama curándose dun arrefriado, e ao estar aburrido debuxou unha cadea polipeptídica de aproximadamente as dimensións correctas nunha tira de papel e pregouna formando unha hélice, tendo coidado de manter os enlaces peptídicos planares. Despois duns poucos intentos, obtivo un modelo con enlaces de hidróxeno fisicamente aceptables. Pauling traballou despois con Corey e Branson para confirmar o seu modelo antes de publicalo. En 1954, Pauling foi galardoado co primeiro Premio Nobel "polas súas investigacións sobre a natureza dun enlace químico e a súa apicación á elucidación da estrutura de substancias complexas" (como as proteínas), incluída especialmente a estrutura da hélice α.
miniatura|dereita|200px|Vista superior da mesma hélice alfa mostrada abaixo. Catro grupos carbonilo están apuntando cara a arriba cara ao observador, espazados uns 100° no círculo, e corresponden a 3,6 residuos de aminoácidos por volta da hélice.
Estrutura
Xeometría e enlaces de hidróxeno
Os aminoácidos dunha hélice α están dispostos formando unha estrutura helicoidal que xira á dereita (dextroxira) na que cada residuo de aminoácido corresponde a un xiro de 100° na hélice (o que implica que a hélice ten 3,6 residuos por volta), e unha traslación de 15 Å (1,5 nm) ao longo do eixe da hélice. Dunitz indicou que o primeiro artigo de Pauling sobre este tema mostra, de feito, unha hélice levoxira (que xira á esquerda), o enantiómero da verdadeira estrutura. Algunhas veces aparecen partes curtas con hélice levoxira en zonas con gran contido do aminoácido aquiral glicina, pero non están favorecidas cos outros L-aminoácidos normais biolóxicos. A pendente da hélice alfa (determinada pola distancia vertical entre unha volta consecutiva da hélice) é de 54 Å (5,4 nm), o cal é o produto de 1,5 e 3,6. O máis importante é que o grupo N-H dun aminoácido forma un enlace de hidróxeno co grupo C=O do cuarto residuo de aminoácido situado antes na hélice; este enlace de hidróxeno repetido é a característica máis salientable da hélice α. A nomenclatura internacional oficial especifica dous modos de definir as hélices α, a regra 6.2 en termos de ángulos de torsión φ,ψ repetidos (véxase máis abaixo), e a regra 6.3 en termos do patrón combinado de pendente e enlaces de hidróxeno. As hélices alfa poden identificarse na estrutura das proteínas utilizando varios métodos computacionais, un dos cales é DSSP (Dictionary of Protein Secondary Structure, Dicionario da Estrutura Secundaria de Proteínas).
miniatura|esquerda|300px|Comparación entre as visións da hélice de tipo α (aproximadamente cadrado) e a 310 (triangular). Estruturas similares son a hélice 310 (con enlaces de hidróxeno ) e a hélice π (con enlaces de hidróxeno ). A hélice α pode describirse como unha hélice 3,613, xa que o espazado i + 4 engade 3 átomos máis ao bucle enlazado ao H en comparación coa hélice máis apertada de tipo 310, e como media, nun anel de hélice α están implicados 3,6 aminoácidos. O subíndice refírese ao número de átomos (incluíndo o hidróxeno) no bucle pechado formado polo enlace de hidróxeno.
miniatura|dereita|250px|Gráfico de Ramachandran (plot de φ,ψ), con puntos de datos para residuos de hélice α que forman unha agrupación diagonal mesta de puntos debaixo e á esqueda do centro, arredor do mínimo de enerxía global para a conformación do esqueleto da molécula. Os residuos nas hélices α adoptan normalmente ángulos diedros (φ, ψ) no esqueleto da molécula de -60° e -45°, como se mostra na imaxe da dereita. En termos máis xerais, adoptan ángulos diedros tales que a suma do ángulo diedro ψ dun residuo e o ángulo diedro φ do seguinte residuo suman aproximadamente -105°. Como consecuencia, os ángulos diedros da hélice alfa, en xeral, forman unha banda diagonal no diagrama de Ramachandran (de pendente -1), que vai de (-90°, -15°) a (-35°, -70°). Como comparación, a suma de ángulos diedros dunha hélice 310 é de aproximadamente -75°, mentres que nunha hélice π é de aproximadamente -130°. A fórmula xeral para o ánguilo de rotación Ω por residuo de calquera hélice polipeptídica con isómeros trans é a dada pola ecuación
A hélice α está moi estreitamente empaquetada; case non hai espazo libre na hélice. As cadeas laterais dos aminoácidos están fóra da hélice, e apuntan algo "cara abaixo" (é dicir, cara ao extremo N-terminal), como as pólas de certos abetos (efecto de árbore de Nadal). Esta direccionalidade utilízase ás veces en mapas de densidade electrónicas de baixa resolución preliminares para determinar a dirección do esqueleto da molécula proteica.
miniatura|dereita|180px|Diagrama de roda helicoidal.
Diagramas bidimensionais para representar hélices α miniatura|dereita|180px|Diagrama wenxiang. Utilízanse tres estilos de diagramas bidimensionais (2D) para representar diferentes aspectos da relación de secuencia e estrutura que lle confiren propiedades de interacción e físicas específicas a cada hélices α. Dúas destas enfatizan o lugar circular arredor dunha sección cilíndrica: O primeiro diagrama desenvolvido deste tipo é o chamado "roda helicoidal", e unha versión máis recente chámase "diagrama wenxiang". O último nome procede do feito de que o diagrama semella unha espiral de incenso como as usadas na China para repeler os mosquitos, que en chinés se pronuncia wenxiang (蚊香).
A roda helicoidal representa unha hélice por medio dunha proxección da estrutura do esqueleto de Cα da proteína ao longo do eixe da hélice, mentres que o diagrama wenxiang represéntao de forma máis abstracta como unha espiral enrolada no plano da páxina. Ambos os diagramas indican a secuencia co código de aminoácidos dunha letra (ver aminoácido) en cada posición Cα, utilizando diferentes cores ou símbolos para codificar as propiedades dos aminoácidos. Sempre se distinguen os aminoácidos hidrofóbicos dos hidrofílicos, como a propiedade máis importante que goberna as interaccións na hélice. Ás veces tamén se distinguen os aminoácidos hidrofílicos cargados negativamente dos cargados positivamente, e tamén se poden indicar os aminoácidos ambiguos como a glicina (G). Hai varias convencións para as codificacións por cores. A roda helicoidal non cambia a representación ao longo da hélice, mentres que o diagrama wenxiang pode mostrar as localizacións relativas dos aminoácidos na hélice α independentemente do longa que sexa.
Tanto o estilo circular coma o diagrama poden proporcionar unha intuitiva e doadamente visualizable imaxe en 2D que caracteriza a disposición dos residuos hidrofóbicos e hidrofílicos nas hélices α, e pode usarse para estudar as interaccións hélice-hélice, interaccións hélice-membrana cuantificadas polo momento hidrofóbico da hélice, ou interaccións proteína-proteína.
Disponse de varios servizos e sitios web que xeran rodas helicoidais, como a páxina de Kael Fischer . Recentemente, apareceu un servidor web chamado "Wenxiang" para debuxar os diagramas wenxiang de calquera secuencia de hélice α.
O terceiro estilo de diagrama bidimensional (2D) denomínase "rede helicoidal". Xérase ao abrir a superficie cilíndrica de cada hélice ao longo dunha liña paralela ao eixe e dispoñer o resultado verticalmente. A rede helicoidal non é axeitada para o estudo de interaccións de empaquetado hélice-hélice, pero converteuse no medio dominante para representar a disposición da secuencia de proteínas integrais de membrana, porque mostra importantes relacións da secuencia helicoidal coa posición vertical dentro da membrana, mesmo sen que se coñeza como está disposta tridimensionalmente (3D) a hélice.
Estabilidade