Бета - лист , ( β-лист ) (также β-складчатый лист ) является общим мотивом регулярной вторичной структуры белка . Бета-листы состоят из бета-нитей ( β-нитей ), соединенных сбоку, по крайней мере, двумя или тремя водородными связями основной цепи , образующих, как правило, скрученный гофрированный лист. Β-цепь представляет собой отрезок полипептидной цепи, обычно длиной от 3 до 10 аминокислот с основной цепью в расширенной конформации . Супрамолекулярная ассоциация β-слоев участвует в формировании фибрилл ибелковые агрегаты, наблюдаемые при амилоидозе , особенно при болезни Альцгеймера .
История
Первая β-листовая структура была предложена Уильямом Эстбери в 1930-х годах. Он предложил идею образования водородных связей между пептидными связями параллельных или антипараллельных протяженных β-цепей. Однако у Астбери не было необходимых данных о геометрии связи аминокислот для построения точных моделей, тем более что он тогда не знал, что пептидная связь плоская. Уточненная версия была предложена Линусом Полингом и Робертом Кори в 1951 году. Их модель включала планарность пептидной связи, которую они ранее объясняли как результат таутомеризации кето-енола .
Структура и ориентация
Геометрия
Большинство β-цепей расположены рядом с другими цепями и образуют обширную сеть водородных связей со своими соседями, в которой группы N-H в основной цепи одной цепи устанавливают водородные связи с группами C = O в основной цепи соседней цепи. пряди. В полностью расширенном бета-цепи, последовательные боковые цепи указывают прямо вверх, а затем вертикально вниз, а затем вертикально вверх, и т.д. Смежные бета-нити в бета-листе выровнены таким образом , что их С а атомы являются смежными и их боковые цепи в точке в том же направлении. "Гофрированный" вид β-тяжей возникает из-за тетраэдрической химической связи у атома C α ; например, если боковая цепь указывает прямо вверх, то связи с C 'должны указывать немного вниз, так как ее угол связи составляет приблизительно 109,5 °. Плиссировка приводит к тому, что расстояние между Cα
я и Cа
я + 2быть приблизительно 6 Å (0,60 нм ), а не 7,6 Å (0,76 нм), ожидаемым от двух полностью протяженных транс- пептидов . «Боковое» расстояние между соседними атомами C α в β-цепях с водородными связями составляет примерно 5 Å (0,50 нм).
Однако β-тяжи редко бывают полностью вытянутыми; скорее, они демонстрируют поворот. Энергетически предпочтительные двугранные углы вблизи ( φ , ψ ) = (–135 °, 135 °) (в целом, верхняя левая область графика Рамачандрана ) значительно расходятся с полностью вытянутой конформацией ( φ , ψ ) = (–180 °, 180 °). [1] Скручивание часто связано с чередующимися колебаниями двугранных углов, чтобы предотвратить расхождение отдельных β-нитей в более крупном листе. Хороший пример сильно закрученной β-шпильки можно увидеть в белке BPTI .
Боковые цепи направлены наружу от складок складок примерно перпендикулярно плоскости листа; последовательные аминокислотные остатки указывают наружу на чередующихся сторонах листа.
Образцы водородных связей
Поскольку пептидные цепи имеют направленность, определяемую их N-концом и C-концом , β-цепи также могут быть названы направленными. Обычно они представлены на диаграммах топологии белков стрелкой, указывающей на С-конец. Соседние β-нити могут образовывать водородные связи в антипараллельном, параллельном или смешанном расположении.
В антипараллельном расположении последовательные β-цепи чередуются в направлениях, так что N-конец одной цепи примыкает к C-концу следующей. Это расположение, которое обеспечивает самую сильную межцепочечную стабильность, поскольку оно позволяет межцепочечным водородным связям между карбонилами и аминами быть планарными, что является их предпочтительной ориентацией. Двугранные углы пептидного остова ( φ , ψ ) составляют около (–140 °, 135 °) в антипараллельных листах. В этом случае, если два атома Cα
я и Cα
jявляются смежными в двух связанных водородными связями β-цепях, тогда они образуют две взаимные водородные связи основной цепи с фланкирующими пептидными группами друг друга ; это известно как тесная пара водородных связей.
При параллельном расположении все N-концы следующих друг за другом нитей ориентированы в одном направлении; эта ориентация может быть немного менее стабильной, поскольку она вносит непланарность в структуру межцепочечных водородных связей. Двугранные углы ( φ , ψ ) составляют около (–120 °, 115 °) в параллельных листах. Редко можно найти менее пяти взаимодействующих параллельных цепей в мотиве, что позволяет предположить, что меньшее количество цепей может быть нестабильным, однако формирование параллельных β-листов также существенно сложнее, поскольку цепи с N- и C-концами обязательно должны быть выровнены. быть очень далекими по порядку [ цитата ] . Есть также свидетельства того, что параллельный β-лист может быть более стабильным, поскольку небольшие амилоидогенные последовательности, по-видимому, обычно агрегируют в β-листовые фибриллы, состоящие в основном из параллельных цепей β-слоев, где можно было бы ожидать антипараллельные фибриллы, если антипараллельные были более стабильными .
В параллельной β-листовой структуре, если два атома Cα
я и Cα
jнаходятся рядом в двух связанных водородными связями β-цепях, тогда они не связываются водородом друг с другом; скорее, один остаток образует водородные связи с остатками, которые фланкируют другой (но не наоборот). Например, остаток i может образовывать водородные связи с остатками j - 1 и j + 1; это известно как широкая пара водородных связей. Напротив, остаток j может водородно связываться с разными остатками в целом или вообще ни с одним из них.
Расположение водородных связей в параллельном бета-листе напоминает мотив амидного кольца с 11 атомами.
Наконец, отдельная нить может демонстрировать смешанный рисунок скрепления с параллельной нитью с одной стороны и антипараллельной нитью с другой. Такое расположение менее распространено, чем можно было бы предположить при случайном распределении ориентаций, предполагая, что этот образец менее устойчив, чем антипараллельное расположение, однако биоинформатический анализ всегда борется с извлечением структурной термодинамики, поскольку всегда есть множество других структурных особенностей, присутствующих в целых белках. Кроме того, белки по своей природе ограничены кинетикой сворачивания, а также термодинамикой сворачивания, поэтому всегда нужно быть осторожным при заключении о стабильности на основе биоинформатического анализа.
Водородные связи из беты-цепей не должны быть идеальными, но могут демонстрировать локализованные нарушения , известные как бета-выпуклости .
Водородные связи лежат примерно в плоскости листа, причем карбонильные группы пептида указывают в чередующихся направлениях с последовательными остатками; для сравнения, следующие друг за другом карбонилы указывают в одном направлении в альфа-спирали .
Аминокислотные склонности
Крупные ароматические остатки ( тирозин , фенилаланин , триптофан ) и β-разветвленные аминокислоты ( треонин , валин , изолейцин ) предпочтительно находятся в β-цепях в середине β-листов. Различные типы остатков (такие как пролин ), вероятно, будут обнаружены в краевых цепях в β-листах, по-видимому, чтобы избежать ассоциации «край к краю» между белками, которая может приводить к агрегации и образованию амилоида . [2]
Общие структурные мотивы
Очень простым структурным мотивом, включающим β-листы, является β-шпилька , в которой две антипараллельные цепи связаны короткой петлей из двух-пяти остатков, один из которых часто является глицином или пролином , оба из которых могут принимать двугранную форму. -угловые конформации, необходимые для крутого поворота или петли β-выпуклости . Отдельные нити также могут быть связаны более сложными способами с помощью более длинных петель, которые могут содержать α-спирали .
Греческий ключевой мотив
Греческий ключевой мотив состоит из четырех соседних антипараллельных нитей и их соединительных петель. Он состоит из трех антипараллельных прядей, соединенных шпильками, четвертая прилегает к первой и связана с третьей более длинной петлей. Этот тип структуры легко образуется в процессе сворачивания белка . [3] [4] Он был назван в честь образца греческого орнамента (см. Меандр ).
β-α-β мотив
Из-за хиральности входящих в их состав аминокислот все цепи демонстрируют правостороннее скручивание, очевидное в большинстве структур β-листов более высокого порядка. В частности, соединительная петля между двумя параллельными нитями почти всегда имеет правостороннюю перекрестную хиральность, чему в значительной степени способствует внутреннее скручивание листа. [5] Эта связывающая петля часто содержит спиральную область, и в этом случае ее называют мотивом β-α-β . Тесно родственный мотив, называемый мотивом β-α-β-α, образует основной компонент наиболее часто наблюдаемой третичной структуры белка , цилиндра TIM .
β-меандровый мотив
Простая супервторичная белковая топология, состоящая из 2 или более последовательных антипараллельных β-цепей, связанных вместе петлями шпильки . [6] [7] Этот мотив распространен в β-листах и может быть обнаружен в нескольких структурных архитектурах, включая β-стволы и β-винты .
Пси-петля мотив
Мотив пси-петли (Ψ-петля) состоит из двух антипараллельных цепей с одной цепью между ними, которая соединена с обеими водородными связями. [8] Существует четыре возможных топологии нитей для одиночных-петель. [9] Этот мотив встречается редко, поскольку процесс, приводящий к его формированию, маловероятен во время сворачивания белка. Ψ-петля была впервые идентифицирована в семействе аспарагиновых протеаз . [9]
Структурная архитектура белков с β-листами
β-листы присутствуют во всех доменах -β , α + β и α / β и во многих пептидах или небольших белках с плохо определенной общей архитектурой. [10] [11] Все-β домены могут образовывать β-цилиндры , β-сэндвичи , β-призмы, β-пропеллеры и β-спирали .
Структурная топология
Топологии из беты-листа описывает порядок водородных связей беты-нити вдоль позвоночника. Например, флаводоксиновая складка имеет пятицепочечный параллельный β-лист с топологией 21345; таким образом, краевые нити представляют собой β-нить 2 и β-нить 5 вдоль основной цепи. В явном виде, β-цепь 2 H-связана с β-цепью 1, которая H-связана с β-цепью 3, которая H-связана с β-цепью 4, которая H-связана с β-цепью 5. , другой край прядь. В той же системе греческий ключевой мотив, описанный выше, имеет топологию 4123. Вторичная структура из беты-листа может быть описана примерно давая количество нитей, их топологии, и будет ли их водородные связи параллельны или антипараллельны.
β-листы могут быть открытыми , что означает, что у них есть две краевые нити (как в складке флаводоксина или складке иммуноглобулина ), или они могут быть закрытыми бета-стволами (такими как цилиндр TIM ). β-Бочки часто характеризуют их смещением или сдвигом . Некоторые открытые β-листы очень изогнуты и загибаются сами по себе (как в домене SH3 ) или образуют подковообразную форму (как в ингибиторе рибонуклеазы ). Открытые β-листы могут собираться лицом к лицу (например, домен β-пропеллера или складка иммуноглобулина ) или встык, образуя один большой β-лист.
Динамические особенности
β-складчатые листовые структуры состоят из протяженных полипептидных цепей с β-цепями, которые связаны со своими соседями водородными связями . Благодаря такой расширенной структуре позвоночника β-листы сопротивляются растяжению . β-листы в белках могут совершать низкочастотные аккордеонные движения, наблюдаемые с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния [12] и анализируемые с помощью модели квазиконтинуума. [13]
Параллельные β-спирали
Β-спираль формируется из повторяющихся структурных единиц , состоящих из двух или трех коротких бета-цепей , соединенных короткими циклами. Эти элементы «укладываются» друг на друга по спирали, так что последовательные повторения одной и той же цепи водородной связи друг с другом в параллельной ориентации. См. Статью о β-спирали для получения дополнительной информации.
В левосторонних β-спиралях сами нити достаточно прямые и раскрученные; Полученные спиральные поверхности почти плоские, образуя правильную форму треугольной призмы , как показано для карбоангидразы архей 1QRE справа. Другими примерами являются фермент синтеза липида A LpxA и антифризные белки насекомых с регулярным набором боковых цепей Thr на одной стороне, имитирующих структуру льда. [14]
Правосторонние β-спирали, типичным примером которых является фермент пектатлиаза, показанный слева, или белок хвостовой иглы фага P22, имеют менее правильное поперечное сечение, более длинное и с отступом на одной из сторон; из трех линкерных петель одна постоянно состоит всего из двух остатков, а другие являются вариабельными, часто образующими связывающий или активный сайт. [15]
Двусторонняя β-спираль (правая) обнаружена у некоторых бактериальных металлопротеиназ ; две его петли имеют длину по шесть остатков каждая и связывают стабилизирующие ионы кальция для поддержания целостности структуры с использованием кислорода основной цепи и боковой цепи Asp мотива последовательности GGXGXD. [16] Эта складка называется β-броском в классификации SCOP.
В патологии
Некоторые белки, которые неупорядочены или имеют спиралевидную форму в качестве мономеров, такие как амилоид β (см. Амилоидная бляшка ), могут образовывать олигомерные структуры, богатые β-слоями, связанные с патологическими состояниями. Олигомерная форма амилоидного β-белка считается причиной болезни Альцгеймера . Его структура еще не определена полностью, но недавние данные позволяют предположить, что он может напоминать необычную двухцепочечную β-спираль. [17]
Боковые цепи из аминокислотных остатков, обнаруженных в структуре β-листа, также могут быть расположены так, что многие из соседних боковых цепей на одной стороне листа являются гидрофобными, в то время как многие из тех, которые примыкают друг к другу на альтернативной стороне листа. являются полярными или заряженными (гидрофильными) [18], что может быть полезно, если лист должен образовывать границу между полярной / водянистой и неполярной / жирной средами.
Смотрите также
- Коллагеновая спираль
- Фолдамеры
- Складывание (химия)
- Третичная структура
- α-спираль
- Структурный мотив
Рекомендации
- ^ Voet D, Voet JG (2004). Биохимия (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. С. 227–231 . ISBN 0-471-19350-X.
- ^ Ричардсон Дж. С., Ричардсон, округ Колумбия (март 2002 г.). «Природные белки с бета-слоями используют негативный дизайн, чтобы избежать агрегации от края до края» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (5): 2754–9. DOI : 10.1073 / pnas.052706099 . PMC 122420 . PMID 11880627 .
- ^ Структура третичного белка и складки: раздел 4.3.2.1 . От принципов структуры белка, сравнительного моделирования белков и визуализации
- ^ Хатчинсон Э. Г., Торнтон Дж. М. (апрель 1993 г.). «Греческий ключевой мотив: извлечение, классификация и анализ». Белковая инженерия . 6 (3): 233–45. DOI : 10,1093 / белок / 6.3.233 . PMID 8506258 .
- ^ См. Разделы II B и III C, D в Ричардсон Дж. С. (1981). Анатомия и систематика белковых структур . Достижения в химии белков . 34 . С. 167–339. DOI : 10.1016 / s0065-3233 (08) 60520-3 . ISBN 0-12-034234-0.
- ^ «SCOP: Fold: WW domain-like» . Архивировано из оригинала на 2012-02-04 . Проверено 1 июня 2007 .
- ^ PPS '96 - Супер вторичная структура
- ^ Хатчинсон Э.Г., Торнтон Дж.М. (февраль 1996 г.). «PROMOTIF - программа для выявления и анализа структурных мотивов в белках» . Белковая наука . 5 (2): 212–20. DOI : 10.1002 / pro.5560050204 . PMC 2143354 . PMID 8745398 .
- ^ а б Хатчинсон EG, Торнтон JM (1990). «HERA - программа для построения схематических диаграмм вторичных структур белков». Белки . 8 (3): 203–12. DOI : 10.1002 / prot.340080303 . PMID 2281084 .
- ^ Хаббард Т.Дж., Мурзин А.Г., Бреннер С.Е., Чотия С. (январь 1997 г.). «SCOP: структурная классификация базы данных белков» . Исследования нуклеиновых кислот . 25 (1): 236–9. DOI : 10.1093 / NAR / 25.1.236 . PMC 146380 . PMID 9016544 .
- ^ Фокс Н.К., Бреннер С.Е., Чандония Дж. М. (январь 2014 г.). «SCOPe: Структурная классификация белков - расширенная, интеграция данных SCOP и ASTRAL и классификация новых структур» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (Проблема с базой данных): D304-9. DOI : 10.1093 / NAR / gkt1240 . PMC 3965108 . PMID 24304899 .
- ^ Painter PC, Mosher LE, Rhoads C (июль 1982 г.). «Низкочастотные моды в спектрах комбинационного рассеяния белков» . Биополимеры . 21 (7): 1469–72. DOI : 10.1002 / bip.360210715 . PMID 7115900 .
- ^ Chou KC (август 1985 г.). «Низкочастотные движения в белковых молекулах. Бета-лист и бета-баррель» . Биофизический журнал . 48 (2): 289–97. DOI : 10.1016 / S0006-3495 (85) 83782-6 . PMC 1329320 . PMID 4052563 .
- ^ Лиу Ю.К., Тосиль А., Дэвис П.Л., Цзя З. (июль 2000 г.). «Мимикрия структуры льда поверхностными гидроксилами и водой антифриза бета-спирали». Природа . 406 (6793): 322–4. DOI : 10.1038 / 35018604 . PMID 10917536 .
- ^ Бранден С., Туз Дж. (1999). Введение в структуру белка . Нью-Йорк: Гарленд. С. 20–32. ISBN 0-8153-2305-0.
- ^ Бауманн У., Ву С., Флаэрти К.М., Маккей Д.Б. (сентябрь 1993 г.). «Трехмерная структура щелочной протеазы Pseudomonas aeruginosa: двухдоменный белок с кальциево-связывающим параллельным бета-роликовым мотивом» . Журнал EMBO . 12 (9): 3357–64. PMC 413609 . PMID 8253063 .
- ^ Нельсон Р., Савая М.Р., Балбирни М., Мадсен А.О., Рикель С., Гроте Р., Айзенберг Д. (июнь 2005 г.). «Структура кросс-бета сосновых амилоидоподобных фибрилл» . Природа . 435 (7043): 773–8. DOI : 10,1038 / природа03680 . PMC 1479801 . PMID 15944695 .
- ^ Чжан С., Холмс Т., Локшин С., Рич А. (апрель 1993 г.). «Спонтанная сборка самокомплементарного олигопептида с образованием стабильной макроскопической мембраны» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (8): 3334–8. DOI : 10.1073 / pnas.90.8.3334 . PMC 46294 . PMID 7682699 .
дальнейшее чтение
- Купер Дж. (31 мая 1996 г.). «Супервторичная структура - Часть II» . Принципы построения белков в Интернете . Проверено 25 мая 2007 года .
- «Открытый бета-меандр» . Структурная классификация белков (SCOP) . 20 октября 2006 года архивации с оригинала на 4 февраля 2012 года . Проверено 31 мая 2007 года .
Внешние ссылки
- Анатомия и систематика белковых структур - исследование
- NetSurfP - предсказатель доступности вторичной структуры и поверхности