.png/1280px-Alpha_beta_structure_(1).png)
Бета -лист ( β-лист , также β-складчатый лист ) — распространенный мотив регулярной вторичной структуры белка . Бета-листы состоят из бета-нитей ( β-нитей ), соединенных латерально как минимум двумя или тремя основными водородными связями , образующими обычно скрученный складчатый лист. β-цепь представляет собой участок полипептидной цепи длиной обычно от 3 до 10 аминокислот с основной цепью в вытянутой конформации . Супрамолекулярная ассоциация β-листов участвует в формировании фибрилл и белковых агрегатов, наблюдаемых при амилоидозе , болезни Альцгеймера и других протеинопатиях .
Первая структура β-листа была предложена Уильямом Эстбери в 1930-х годах. Он предложил идею образования водородных связей между пептидными связями параллельных или антипараллельных вытянутых β-цепей. Однако Эстбери не располагал необходимыми данными о геометрии связей аминокислот для построения точных моделей, тем более что он тогда не знал, что пептидная связь плоская. Усовершенствованная версия была предложена Линусом Полингом и Робертом Кори в 1951 году. Их модель включала планарность пептидной связи, которую они ранее объясняли как результат кето-енольной таутомеризации .
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 соседних. пряди. В полностью вытянутой β-цепи последовательные боковые цепи поочередно направлены вверх и вниз. Соседние β-цепи в β-листе выровнены так, что их атомы Cα расположены рядом, а их боковые цепи направлены в одном направлении. «Складчатый» вид β-цепей возникает из-за тетраэдрической химической связи у атома Cα ; например, если боковая цепь направлена прямо вверх, то связи с C 'должны быть направлены немного вниз, поскольку ее валентный угол составляет примерно 109,5 °. Складки приводят к увеличению расстояния между Cα
яи Сα
я + 2должна составлять примерно 6 Å (0,60 нм ), а не 7,6 Å (0,76 нм), ожидаемых от двух полностью вытянутых транспептидов . «Боковое» расстояние между соседними атомами Cα в β -нитях с водородными связями составляет примерно 5 Å (0,50 нм).
Однако β-цепи редко бывают идеально вытянутыми; скорее, они демонстрируют извращение. Энергетически предпочтительные двугранные углы вблизи ( φ , ψ ) = (–135°, 135°) (в широком смысле, верхняя левая область графика Рамачандрана ) значительно отличаются от полностью растянутой конформации ( φ , ψ ) = (–180°, 180°). [1] Скручивание часто связано с переменными колебаниями двугранных углов , предотвращающими расхождение отдельных β-нитей в большом листе. Хороший пример сильно скрученной β-шпильки можно увидеть в белке BPTI .
Боковые цепи направлены наружу из складок, примерно перпендикулярно плоскости листа; последовательные аминокислотные остатки направлены наружу на чередующихся сторонах листа.
Поскольку пептидные цепи обладают направленностью, определяемой их N-концом и С-концом , можно сказать, что β-цепи также являются направленными. На диаграммах топологии белков они обычно изображаются стрелкой, указывающей на С-конец. Соседние β-цепи могут образовывать водородные связи антипараллельно, параллельно или смешанно.
При антипараллельном расположении последовательные β-цепи чередуют направления так, что N-конец одной цепи примыкает к С-концу следующей. Это расположение обеспечивает наибольшую межцепочечную стабильность, поскольку оно позволяет межцепочечным водородным связям между карбонилами и аминами быть плоскими, 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
яи Сα
jсоседствуют в двух β-нитях , связанных водородными связями, тогда они образуют две взаимные основные водородные связи с фланкирующими пептидными группами друг друга ; это известно как тесная пара водородных связей.
При параллельном расположении все N-концы последовательных цепей ориентированы в одном направлении; эта ориентация может быть немного менее стабильной, поскольку она вносит непланарность в структуру межнитевых водородных связей. Двугранные углы ( φ , ψ ) составляют около (–120°, 115°) в параллельных листах. Редко можно найти менее пяти взаимодействующих параллельных нитей в мотиве, что позволяет предположить, что меньшее количество нитей может быть нестабильным, однако образование параллельных β-листов принципиально труднее, поскольку нити с выровненными N- и C-концами обязательно должны быть очень далекими по последовательности [ нужна цитация ] . Существуют также доказательства того, что параллельные β-листы могут быть более стабильными, поскольку небольшие амилоидогенные последовательности, по-видимому, обычно агрегируются в фибриллы β-листа, состоящие в основном из параллельных нитей β-листа, где можно было бы ожидать антипараллельные фибриллы, если бы антипараллельные были более стабильными. .
В параллельной структуре β-листа, если два атома Cα
яи Сα
jсоседствуют в двух водородных связях β-цепей, то они не образуют водородных связей 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 вообще или вообще ни с чем.
Расположение водородных связей в параллельном бета-листе напоминает расположение амидного кольца с 11 атомами.
Наконец, отдельная цепь может демонстрировать смешанный рисунок связи: с параллельной цепью с одной стороны и антипараллельной цепью с другой. Такое расположение менее распространено, чем можно было бы предположить по случайному распределению ориентаций, что позволяет предположить, что этот паттерн менее стабильен, чем антипараллельное расположение, однако биоинформатический анализ всегда сталкивается с трудностями при извлечении структурной термодинамики, поскольку в целых белках всегда присутствует множество других структурных особенностей. Кроме того, белки по своей природе ограничены кинетикой сворачивания, а также термодинамикой сворачивания, поэтому всегда нужно быть осторожным, делая вывод о стабильности на основе биоинформационного анализа.
Водородная связь β-цепей не обязательно должна быть идеальной, но может иметь локальные нарушения, известные как β-выпуклости .
Водородные связи лежат примерно в плоскости листа, при этом карбонильные группы пептида направлены в чередующихся направлениях с последовательными остатками; для сравнения, последовательные карбонилы указывают в одном и том же направлении в альфа-спирали .
Крупные ароматические остатки ( тирозин , фенилаланин , триптофан ) и β-разветвленные аминокислоты ( треонин , валин , изолейцин ) предпочтительно обнаруживаются в β-нитях в середине β -листов. Различные типы остатков (такие как пролин ), вероятно, будут обнаружены в краевых цепях β-листов, предположительно, чтобы избежать ассоциации «край-к-краю» между белками, которая может привести к агрегации и образованию амилоида . [2]
Очень простым структурным мотивом , включающим β-листы, является β-шпилька , в которой две антипараллельные цепи соединены короткой петлей из двух-пяти остатков, один из которых часто представляет собой глицин или пролин , оба из которых могут принимать двуэдрическую 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 состоит из четырех соседних антипараллельных нитей и соединяющих их петель. Он состоит из трех антипараллельных прядей, соединенных шпильками, при этом четвертая примыкает к первой и связана с третьей более длинной петлей. Этот тип структуры легко формируется в процессе сворачивания белка . [3] [4] Он был назван в честь узора, общего для греческих орнаментов (см. меандр ).
Из-за хиральности входящих в их состав аминокислот все цепи имеют правостороннюю закрутку, очевидную в большинстве структур β-листов более высокого порядка. В частности, соединительная петля между двумя параллельными нитями почти всегда имеет правостороннюю кроссоверную хиральность, чему в значительной степени способствует присущая листу скрутка. [5] Эта соединительная петля часто содержит спиральную область, и в этом случае ее называют мотивом β-α-β. Близкородственный мотив, называемый мотивом β-α-β-α, образует основной компонент наиболее часто наблюдаемой третичной структуры белка , ствола TIM .
Простая топология супервторичного белка, состоящая из двух или более последовательных антипараллельных β-цепей, соединенных между собой шпильками . [7] [8] Этот мотив часто встречается в β-листах и может быть найден в нескольких структурных архитектурах, включая β-бочки и β-пропеллеры .
Подавляющее большинство областей β-меандра в белках расположены напротив других мотивов или участков полипептидной цепи, образуя части гидрофобного ядра, которое канонически приводит к образованию складчатой структуры. [9] Однако несколько заметных исключений включают варианты белка A внешней поверхности (OspA) [6] и однослойные белки β-листа (SLBP) [10] , которые содержат однослойные β-листы в отсутствие традиционного гидрофобного слоя. основной. Эти β-богатые белки имеют удлиненные однослойные β-меандровые β-листы, которые в первую очередь стабилизируются посредством межβ-нитевых взаимодействий и гидрофобных взаимодействий, присутствующих в областях поворота, соединяющих отдельные нити.
Мотив пси-петли (Ψ-петли) состоит из двух антипараллельных нитей с одной нитью между ними, которая соединена с обеими водородными связями. [11] Существует четыре возможных топологии нитей для одиночных Ψ-петлей. [12] Этот мотив редок, поскольку процесс, приводящий к его образованию, кажется маловероятным, происходящим во время сворачивания белка. Ψ-петля была впервые идентифицирована в семействе аспарагиновых протеаз . [12]
β-листы присутствуют во всех доменах β , α+β и α/β , а также во многих пептидах или небольших белках с плохо определенной общей архитектурой. [13] [14] Все-β-домены могут образовывать β-бочки , β-сэндвичи , β-призмы, β-пропеллеры и β-спирали .
Топология β-листа описывает порядок β- цепей с водородными связями вдоль основной цепи. Например, складка флаводоксина имеет пятицепочечный параллельный β-лист с топологией 21345; таким образом, краевыми нитями являются β-цепь 2 и β-цепь 5 вдоль основной цепи. Явно говоря, β-цепь 2 связана H-связью с β-цепью 1, которая связана H-связью с β-цепью 3, которая H-связана с β-цепью 4, которая H-связана с β-цепью 5. , другая крайняя прядь. В той же системе описанный выше греческий ключевой мотив имеет топологию 4123. Вторичную структуру β-листа можно грубо описать, указав количество нитей, их топологию и то, являются ли их водородные связи параллельными или антипараллельными.
β-листы могут быть открытыми , то есть иметь две краевые нити (как в складке флаводоксина или в складке иммуноглобулина ), или они могут быть закрытыми β-цилиндрами (как, например, ствол TIM ). β-Бочки часто характеризуют по их смещению или сдвигу . Некоторые открытые β-листы сильно изогнуты и складываются 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 края к краю, образуя один большой β-лист.
β-складчатые листовые структуры состоят из удлиненных полипептидных цепей β-цепей, нити которых связаны со своими соседями водородными связями . Благодаря такой удлиненной конформации основной цепи β-листы сопротивляются растяжению . β-листы в белках могут осуществлять низкочастотное движение, подобное аккордеону, что наблюдается с помощью рамановской спектроскопии [15] и анализируется с помощью модели квазиконтинуума. [16]
β -спираль образуется из повторяющихся структурных единиц, состоящих из двух или трех коротких β-цепей, соединенных короткими петлями. Эти единицы «накладываются» друг на друга по спирали, так что последовательные повторения одной и той же цепи образуют водородную связь друг с другом в параллельной ориентации. Дополнительную информацию см. в статье о β-спирали .
В левых β-спиралях сами нити достаточно прямые и раскрученные; В результате спиральные поверхности становятся почти плоскими, образуя правильную треугольную форму призмы, как показано для архейной карбоангидразы 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. [17]
Правосторонние β-спирали, типичным примером которых является фермент пектатлиаза , показанный слева, или белок хвостового шипа фага P22 , имеют менее регулярное поперечное сечение, более длинное и с зазубринами на одной из сторон; из трех линкерных петель одна постоянно имеет длину всего два остатка, а остальные являются вариабельными, часто образующими связывающий или активный сайт. [18]
Двусторонняя β-спираль (правая) обнаружена у некоторых бактериальных металлопротеаз ; каждая из его двух петель имеет длину шесть остатков и связывает стабилизирующие ионы кальция, поддерживая целостность структуры, используя кислород основной цепи и боковой цепи Asp мотива последовательности GGXGXD. [19] В классификации SCOP эта складка называется β-роллом.
Некоторые белки, которые являются неупорядоченными или спиральными мономерами, такие как β-амилоид (см. амилоидные бляшки ), могут образовывать богатые β-листами олигомерные структуры, связанные с патологическими состояниями. Олигомерная форма белка β-амилоида считается причиной болезни Альцгеймера . Его структура еще полностью не определена, но недавние данные позволяют предположить, что она может напоминать необычную двухцепочечную β-спираль. [20]
Боковые цепи аминокислотных остатков, обнаруженных в структуре β-листа, также могут быть расположены таким образом, что многие из соседних боковых цепей на одной стороне листа являются гидрофобными, в то время как многие из соседних боковых цепей на другой стороне листа являются гидрофобными. являются полярными или заряженными (гидрофильными), [21] что может быть полезно, если лист должен образовывать границу между полярной/водянистой и неполярной/жирной средой.
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )