Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Protein secondary structureBeta sheetAlpha helix
Изображение выше содержит интерактивные ссылки
Интерактивная диаграмма , из водородных связей в вторичной структуре белка . Мультфильм выше, атомы азота ниже с синим, кислород в красном ( PDB : 1AXC )

Β-лист (также β-складчатый лист ) представляет собой общий мотив регулярной вторичной структуры в белках . Бета-листы состоят из бета-прядей (также β-прядей ), соединенных по бокам, по крайней мере, двумя или тремя водородными связями основной цепи , образуя обычно 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 белковых агрегатов и фибрилл, наблюдаемых при многих заболеваниях человека, особенно в амилоидозах, таких какБолезнь Альцгеймера .

История [ править ]

Пример 4-нитевого антипараллельного фрагмента β-листа из кристаллической структуры фермента каталазы ( файл PDB 1GWE с разрешением 0,88 Å). a) Вид спереди, показывающий антипараллельные водородные связи (пунктирные) между группами пептида NH и CO на соседних цепях. Стрелки указывают направление цепи, а контуры электронной плотности очерчивают неводородные атомы. Атомы кислорода представляют собой красные шары, атомы азота - синие, а атомы водорода для простоты опущены; боковые цепи показаны только до первого атома углерода боковой цепи (зеленый). б) Вид сбоку двух центральных β-нитей в a, показывающий правостороннюю скрутку и складку C α.s и боковые цепи, которые попеременно выступают в противоположных направлениях из листа.

Первая β-листовая структура была предложена Уильямом Эстбери в 1930-х годах. Он предложил идею водородной связи 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 еще 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 объяснили как результат таутомеризации кето-енола .

Структура и ориентация [ править ]

Геометрия [ править ]

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 вытянутой β-цепи последовательные боковые цепи указывают прямо вверх, затем прямо вниз, затем прямо вверх и т. Д. Соседние β-цепи в β-листе выровнены так, что их атомы C α являются смежными, а их боковые цепи указывают в в том же направлении. "Гофрированный" вид β-тяжей возникает из-за тетраэдрической химической связи в C αатом; 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).

График Рамачандрана ( φ ,  ψ ), состоящий из примерно 100000 точек данных с высоким разрешением, показывающий широкую благоприятную область вокруг конформации, типичную для аминокислотных остатков β-складки.

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 цепочки направлены наружу от складок складок примерно перпендикулярно плоскости листа; последовательные аминокислотные остатки указывают наружу на чередующихся сторонах листа.

Образцы водородных связей [ править ]

Параллельные образцы водородных связей β-листа , представленные пунктирными линиями. Атомы кислорода окрашены в красный цвет, а атомы азота - в синий .

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 ( φ ,  ψ ) пептидного остова составляют примерно (–140 °, 135 °) в антипараллельных листах. В этом случае, если два атома Cα
я и Cα
jявляются соседними 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, потому что она вносит непланарность в структуру межцепочечных водородных связей. Двугранные углы ( φ ,  ψ ) составляют примерно (–120 °, 115 °) в параллельных листах. Редко можно найти менее пяти взаимодействующих параллельных цепей в мотиве, что свидетельствует о том, 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 [ необходима 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 бы антипараллельные были более стабильными. .

В параллельной β-листовой структуре, если два атома Cα
я и Cα
jнаходятся рядом в двух связанных водородными связями β-нитях, 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 образовывать водородные связи с разными остатками в целом или вообще с ними.

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 существует 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 [ править ]

Крупные ароматические остатки ( тирозин , фенилаланин , триптофан ) и β-разветвленные аминокислоты ( треонин , валин , изолейцин ), как правило, 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 [ править ]

Β-шпилька мотив
Греческий мотив

Очень простой структурный мотив, включающий β-листы, - это β-шпилька , в которой две антипараллельные нити 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 [ править ]

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 [ править ]

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 .

Мотив β-меандр с внешней поверхности Белок А

β-меандровый мотив [ править ]

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-пропеллеры .

Мотив Psi-петли из карбоксипептидазы A

Пси-петля [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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 пряди. 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 цепи (как в складке флаводоксина или складке иммуноглобулина ), или они могут быть закрытыми β-стволами (например, 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 форму подковы (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 функции [ править ]

β-складчатые листовые структуры состоят из протяженных полипептидных цепей с β-цепями, которые связаны со своими соседями водородными связями . Благодаря этой расширенной структуре основной цепи 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 [ править ]

Вид с торца 3-сторонней левой β-спирали ( PDB : 1QRE )

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 довольно прямые и раскрученные; Полученные спиральные поверхности почти плоские, образуя правильную форму треугольной призмы , как показано для архейной карбоангидразы 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]

Вид с торца 3-сторонней правой β-спирали ( PDB : 2PEC )

Правосторонние β-спирали, представленные ферментом пектатлиазой, показанным слева, или белком хвостовой иглы фага P22, имеют менее регулярное поперечное сечение, более длинное и с выемками на одной из сторон; из трех линкерных петель одна постоянно состоит всего из двух остатков, а другие являются вариабельными, часто разработанными для образования связывающего или активного сайта. [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 [ править ]

Некоторые белки, которые неупорядочены или имеют спиральную форму в виде мономеров, такие как амилоид β (см. Амилоидная бляшка ), могут образовывать олигомерные структуры, богатые β-слоями, связанные с патологическими состояниями. Олигомерная форма амилоидного β-протеина 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, чтобы многие из соседних боковых цепей на одной стороне листа были 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.

См. Также [ править ]

  • Коллагеновая спираль
  • Фолдамеры
  • Складывание (химия)
  • Третичная структура
  • α-спираль
  • Структурный мотив

Ссылки [ править ]

  1. ^ Voet D, Voet JG (2004). Биохимия (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. С.  227–231 . ISBN 0-471-19350-X.
  2. ^ Ричардсон JS, Ричардсон DC (март 2002). «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 .  
  3. ^ Структура третичного белка и складки: раздел 4.3.2.1 . От принципов структуры белка, сравнительного моделирования белков и визуализации
  4. Перейти ↑ Hutchinson EG, Thornton JM (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 . 
  5. ^ См. Разделы II B и III C, D в Richardson JS (1981). Анатомия и систематика белковых структур . Успехи в химии белков . 34 . С. 167–339. DOI : 10.1016 / s0065-3233 (08) 60520-3 . ISBN 0-12-034234-0.
  6. ^ "SCOP: Fold: WW доменное" . Архивировано из оригинала на 2012-02-04 . Проверено 1 июня 2007 .
  7. ^ PPS '96 - Супер вторичная структура
  8. Перейти ↑ Hutchinson EG, Thornton JM (февраль 1996). «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 .  
  9. ^ a b 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 . 
  10. ^ Хаббард TJ, Мурзин А. Г., Brenner SE, Chothia C (январь 1997). «SCOP: структурная классификация базы данных белков» . Исследования нуклеиновых кислот . 25 (1): 236–9. DOI : 10.1093 / NAR / 25.1.236 . PMC 146380 . PMID 9016544 .  
  11. ^ Fox NK, Brenner SE, Chandonia JM (январь 2014). "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 .  
  12. Перейти ↑ Painter PC, Mosher LE, Rhoads C (июль 1982 г.). «Низкочастотные моды в рамановских спектрах белков» . Биополимеры . 21 (7): 1469–72. DOI : 10.1002 / bip.360210715 . PMID 7115900 . 
  13. ^ Chou KC (август 1985). «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 .  
  14. ^ Liou YC, Tocilj A, Davies PL, Цзя Z (июль 2000). «Мимикрия структуры льда поверхностными гидроксилами и водой антифриза бета-спирали». Природа . 406 (6793): 322–4. DOI : 10.1038 / 35018604 . PMID 10917536 . 
  15. ^ Бранден С, Tooze J (1999). Введение в структуру белка . Нью-Йорк: Гарленд. С. 20–32. ISBN 0-8153-2305-0.
  16. Перейти ↑ Baumann U, Wu S, Flaherty KM, McKay DB (сентябрь 1993 г.). «Трехмерная структура щелочной протеазы Pseudomonas aeruginosa: двухдоменный белок с кальциевым параллельным мотивом бета-ролла» . Журнал EMBO . 12 (9): 3357–64. PMC 413609 . PMID 8253063 .  
  17. ^ Нельсон R, Sawaya М.Р., Balbirnie М, Madsen Ao, Riekel С, Гроте R, Айзенберг D (июнь 2005 г.). «Структура кросс-бета сосновых амилоидоподобных фибрилл» . Природа . 435 (7043): 773–8. DOI : 10,1038 / природа03680 . PMC 1479801 . PMID 15944695 .  
  18. ↑ Zhang S, Holmes T, Lockshin C, Rich A (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 [ править ]

  • Купер Дж. (31 мая 1996 г.). «Супервторичная структура - Часть II» . Принципы построения белков с использованием Интернета . 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 [ править ]

  • Анатомия и таксономия белковых структур - исследование
  • NetSurfP - средство прогнозирования вторичной структуры и доступности поверхности