Бета-лист - Beta sheet

Вторичная структура белкаБета-листАльфа-спираль
Изображение выше содержит интерактивные ссылки
Интерактивная диаграмма из водородные связи в вторичная структура белка. Мультфильм вверху, атомы внизу с азотом синим, кислородом красным (PDB: 1AXC​)

В β-лист (также β-гофрированный лист) - распространенный мотив регулярных вторичная структура в белки. Бета-листы состоят из бета-нити (также β-цепь) соединены сбоку как минимум двумя или тремя магистралями водородные связи, образуя обычно скрученный гофрированный лист. Β-цепь представляет собой отрезок полипептид цепочка обычно от 3 до 10 аминокислоты длинный с позвоночником в вытянутом строении. Супрамолекулярная ассоциация β-листов участвует в формировании белковых агрегатов и фибрилл, наблюдаемых при многих заболеваниях человека, особенно амилоидозы Такие как Болезнь Альцгеймера.

История

Пример 4-х ниточного антипараллельный β-листовой фрагмент кристаллической структуры фермента каталаза (PDB файл 1GWE с разрешением 0,88 Å). а) 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 крутить и складка из Cαs и боковые цепи, которые попеременно выступают в противоположных направлениях из листа.

Первая β-листовая структура была предложена Уильям Эстбери в 1930-е гг. Он предложил идею водородной связи между пептидные связи параллельных или антипараллельных протяженных β-тяжей. 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 был плоским. Уточненная версия была предложена Линус Полинг и Роберт Кори в 1951 году. Их модель включала планарность пептидной связи, которую они ранее объясняли как образованную кето-енолом. таутомеризация.

Структура и ориентация

Геометрия

Большинство β-тяжей расположены рядом с другими нитями и образуют обширную водородная связь сети со своими соседями, в которых N − H группы в основе одной нити образуют водородные связи с C = O группы в хребте соседних прядей. 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, чтобы их Cα атомы смежны, и их боковые цепи указывают в одном направлении. "Гофрированный" вид β-тяжей возникает из-за тетраэдрической химической связи в Cα атом; 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 Cα
я + 2 быть примерно 6Å (0.60 нм ), а не 7,6 Å (0,76 нм), ожидаемые от двух полностью вытянутых транс пептиды. «Боковое» расстояние между соседними Cα атомы в водородная связь β-тяжи составляет примерно 5 Å (0,50 нм).

Рамачандран (φ, ψ) график примерно 100000 точек данных с высоким разрешением, показывающий широкую, благоприятную область вокруг конформации, типичную для аминокислотных остатков β-слоя.

Однако β-тяжи редко бывают полностью вытянутыми; скорее, они демонстрируют поворот. Энергетически предпочтительный двугранные углы возле (φ, ψ) = (–135 °, 135 °) (в целом, верхняя левая область Рамачандран сюжет ) значительно отклоняются от полностью вытянутой конформации (φ, ψ) = (–180°, 180°).[1] Закрутка часто связана с переменными колебаниями двугранные углы для предотвращения расщепления отдельных β-нитей в большом листе. Хороший пример сильно закрученной β-шпильки можно увидеть в протеине БПТИ.

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

Образцы водородных связей

Антипараллельный β-лист водородная связь узоры, представленные пунктирными линиями. Кислород атомы окрашены красный и азот атомы окрашены синий.
Параллельный β-лист водородная связь узоры, представленные пунктирными линиями. Кислород атомы окрашены красный и азот атомы окрашены синий.

Поскольку пептидные цепи имеют направленность, обусловленную их N-конец и C-конец, β-тяжи тоже можно назвать направленными. Обычно они представлены на диаграммах топологии белков стрелкой, указывающей на С-конец. Соседние β-тяжи 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
j смежны в двух водородная связь β-тяжи, то они образуют две взаимные водородные связи основной цепи, фланкирующие друг друга пептидные группы; это известно как близкая 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 порядка (–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 далеким по порядку[нужна 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
j смежны в двух водородная связь β-тяжи, то они нет водородные связи друг с другом; скорее, один остаток образует водородные связи с остатками, которые фланкируют другой (но не наоборот). Например, остаток я 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 вместе или вообще с ними.

Расположение водородных связей в параллельном бета-листе напоминает таковое в амидное кольцо мотив 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 стабилен, 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.

В водородная связь β-нитей не обязательно должны быть идеальными, но могут демонстрировать локальные нарушения, известные как β-выпуклости.

Водородные связи лежат примерно в плоскости листа, причем пептид карбонил группы, указывающие в чередующемся направлении с последовательными остатками; для сравнения, последовательные карбонилы указывают на одно и тоже направление в альфа спираль.

Аминокислотные склонности

Крупные ароматические остатки (тирозин, фенилаланин, триптофан ) и β-разветвленные аминокислоты (треонин, валин, изолейцин ) предпочтительнее обнаруживать в β-цепях в середина β-листов. Различные типы остатков (например, пролин ) могут быть найдены в край цепей в β-листах, по-видимому, чтобы избежать ассоциации «край к краю» между белками, которая может приводить к агрегации и амилоид формирование.[2]

Общие структурные мотивы

В β-шпилька мотив
Греческий мотив

Очень простой структурный мотив с β-листами является β-шпилька, в котором две антипараллельные нити связаны короткой петлей из двух-пяти остатков, один из которых часто является глицин или пролин, оба из которых могут принимать формы двугранного угла, необходимые для плотного повернуть или β-выпуклая петля. 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. Такая структура легко образуется во время сворачивание белка процесс.[3][4] Он был назван в честь образца греческого орнамента (см. меандр ).

Мотив β-α-β

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 петля связи часто содержит спиральную область, и в этом случае она называется β-α-β мотив. Близкородственный мотив, называемый мотивом β-α-β-α, образует основной компонент наиболее часто наблюдаемого белка. третичная структура, то ТИМ ствол.

Мотив β-меандра с внешней поверхности Белок А

β-меандровый мотив

Простой суперсредний топология белка, состоящая из 2 или более последовательных антипараллельных β-цепей, связанных вместе заколка для волос петли.[6][7] Этот мотив распространен в β-листах и ​​может быть обнаружен в нескольких структурных архитектурах, включая β-стволы и β-пропеллеры.

Пси-петля мотив из Карбоксипептидаза А

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] Для одиночных Ψ-петель существует четыре возможных топологии прядей.[9] Этот мотив встречается редко, поскольку процесс, приводящий к его формированию, маловероятен во время сворачивания белка. Ψ-петля была впервые обнаружена в аспарагиновая протеаза семья.[9]

Структурная архитектура белков с β-листами

β-листы присутствуют в все-β, α + β и α / β доменов, и во многих пептиды или небольшие белки с плохо определенной общей архитектурой.[10][11] Все-β домены может образовывать β-стволы, β-бутерброды, β-призмы, β-пропеллеры, и β-спирали.

Структурная топология

В топология β-листа описывает порядок водородная связь β-тяжи вдоль позвоночника. Например, флаводоксиновая складка имеет пятижильный 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. В вторичная структура β-листа можно грубо описать, указав количество нитей, их топологию и то, водородные связи параллельны или антипараллельны.

β-листы могут быть открыто, что означает, что у них есть две кромочные нити (как в флаводоксиновая складка или иммуноглобулиновая складка ) или они могут быть закрыто β-стволы (такой как ТИМ ствол ). β-стволы часто описываются их шататься или же срезать. Некоторые открытые β-листы очень изогнуты и загибаются сами на себя (как в SH3 домен ) или в форме подковы (как в ингибитор рибонуклеазы ). Открытые β-листы можно собирать лицом к лицу (например, β-пропеллерная область или же иммуноглобулиновая складка ) или встык, образуя один большой β-лист.

Динамические особенности

β-складчатые листовые структуры состоят из удлиненных полипептидных цепей β-цепей, которые связаны со своими соседями посредством водородные связи. Благодаря такой расширенной структуре позвоночника β-листы сопротивляются растяжение. β-листы в белках могут выполнять Низкая частота аккордеонное движение, наблюдаемое Рамановская спектроскопия[12] и проанализированы с помощью модели квазиконтинуума.[13]

Параллельные β-спирали

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

А β-спираль образован из повторяющихся структурных единиц, состоящих из двух или трех коротких β-цепей, связанных короткими петлями. 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. Увидеть β-спираль статью для получения дополнительной информации.

В левосторонних β-спиралях сами нити довольно прямые и раскрученные; в результате винтовые поверхности почти плоские, образуя правильную форму. треугольная призма форма, как показано для карбоангидразы архей 1QRE справа. Другими примерами являются фермент синтеза липида А. LpxA и белки-антифризы насекомых с регулярным набором боковых цепей Thr на одной стороне, которые имитируют структуру льда.[14]

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

Правосторонние β-спирали, представленные пектатлиаза фермент, показанный слева или Фаг P22 белок хвостовой шипы, имеет менее правильное поперечное сечение, более длинный и с выемкой 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) встречается у некоторых бактериальных металлопротеазы; 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 как мономеры, 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 Болезнь 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. полярные или заряженные (гидрофильные),[18] что может быть полезно, если лист должен образовывать границу между полярной / водянистой и неполярной / жирной средами.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Воет Д., Воет Дж. Г. (2004). Биохимия (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. стр.227–231. ISBN  0-471-19350-X.
  2. ^ 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. Дои:10.1073 / pnas.052706099. ЧВК  122420. PMID  11880627.
  3. ^ Структура третичного белка и складки: раздел 4.3.2.1. Из Принципы структуры белка, сравнительное моделирование белков и визуализация
  4. ^ Хатчинсон Э. Г., Торнтон Дж. М. (апрель 1993 г.). «Греческий ключевой мотив: извлечение, классификация и анализ». Белковая инженерия. 6 (3): 233–45. Дои:10.1093 / белок / 6.3.233. PMID  8506258.
  5. ^ 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. Дои:10.1016 / с0065-3233 (08) 60520-3. ISBN  0-12-034234-0.
  6. ^ "SCOP: Fold: WW доменное". Архивировано из оригинал на 2012-02-04. Получено 2007-06-01.
  7. ^ PPS '96 - Супер вторичная структура
  8. ^ 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. Дои:10.1002 / pro.5560050204. ЧВК  2143354. PMID  8745398.
  9. ^ а б Хатчинсон EG, Торнтон JM (1990). «HERA - программа для построения схематических диаграмм вторичных структур белков». Белки. 8 (3): 203–12. Дои:10.1002 / prot.340080303. PMID  2281084.
  10. ^ 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. Дои:10.1093 / nar / 25.1.236. ЧВК  146380. PMID  9016544.
  11. ^ 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. Дои:10.1093 / nar / gkt1240. ЧВК  3965108. PMID  24304899.
  12. ^ Painter PC, Mosher LE, Rhoads C (июль 1982 г.). «Низкочастотные моды в рамановских спектрах белков». Биополимеры. 21 (7): 1469–72. Дои:10.1002 / bip.360210715. PMID  7115900.
  13. ^ Chou KC (август 1985 г.). «Низкочастотные движения в белковых молекулах. Бета-лист и бета-баррель». Биофизический журнал. 48 (2): 289–97. Дои:10.1016 / S0006-3495 (85) 83782-6. ЧВК  1329320. PMID  4052563.
  14. ^ Лиу YC, Tocilj A, Davies PL, Jia Z (июль 2000 г.). «Мимикрия структуры льда поверхностными гидроксилами и водой антифриза бета-спирали». Природа. 406 (6793): 322–4. Дои:10.1038/35018604. PMID  10917536.
  15. ^ Бранден С., Туз Дж. (1999). Введение в структуру белка. Нью-Йорк: Гарленд. С. 20–32. ISBN  0-8153-2305-0.
  16. ^ 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. ЧВК  413609. PMID  8253063.
  17. ^ 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. Дои:10.1038 / природа03680. ЧВК  1479801. PMID  15944695.
  18. ^ 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. Дои:10.1073 / пнас.90.8.3334. ЧВК  46294. PMID  7682699.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка