Кіріспе
Бета-жапырақ (β-жапырақ, сондай-ақ β-бүктемелі жапырақ) – протеиннің тұрақты екінші құрылымының кең таралған мотиві. Бета-жапырақтар бета-жіпшелерден (β-жіпшелерден) тұрады, олар кем дегенде екі немесе үш тіректегі сутекті байланыстармен бүйірінен байланысып, әдетте бұрылып, бүктемелі жапырақ құрайды. β-жіпше – полипептидтік тізбектің 3-тен 10 аминқышқылына дейін созылған бөлігі, оның тірегі созылған конформацияда болады. β-жапырақтардың супрамолекулалық ассоциациясы амилоидоз, Альцгеймер ауруы және басқа протеинопатияларда байқалатын фибрилдер мен ақуыз агрегаттарының қалыптасуымен байланысты.
The beta sheet (β sheet, also β pleated sheet) is a common motif of the regular protein secondary structure. Beta sheets consist of beta strands (β strands) connected laterally by at least two or three backbone hydrogen bonds, forming a generally twisted, pleated sheet. A β strand is a stretch of polypeptide chain typically 3 to 10 amino acids long with backbone in an extended conformation. The supramolecular association of β sheets has been implicated in the formation of the fibrils and protein aggregates observed in amyloidosis, Alzheimer's disease and other proteinopathies.
Тарих
1930 жылдары Уильям Астбери алғашқы β-парақша құрылымын ұсынды. Ол параллель немесе антипараллель созылған β-тізбектердің пептидтік байланыстары арасындағы сутекті байланыс идеясын ұсынды. Дегенмен, Астбери аминқышқылдарының байланыс геометриясы туралы қажетті деректерге ие болған жоқ, әсіресе пептидтік байланыстың жазық екенін білмегендіктен, дәл модельдер құру мүмкін болмады. 1951 жылы Линус Полинг және Роберт Кори жетілдірілген нұсқасын ұсынды. Олардың моделі пептидтік байланыстың жазықтығын қамтыды, оны олар бұрын кето-энол таутомеризациясының нәтижесі деп түсіндірген.
Геометрия
β-қанатшалардың көпшілігі басқа қанатшалармен қатар орналасып, олармен кең сутекті байланыс желісін құрайды, онда бір қанатшаның тірекшесіндегі N−H топтары, іргелес қанатшалардың тірекшесіндегі C=O топтарымен сутекті байланыстар жасайды. Толық созылған β-қанатшада, бір-бірінен кейін келетін бүйір тізбектер кезектесіп жоғары және төмен қарай бағытталады. β-парақтағы іргелес β-тізбектер, олардың Cα атомдары қатар және бүйір тізбектері бір бағытта бағытталған етіп тізіледі. β-қанатшалардың "жиырылған" көрінісі Cα атомындағы тетраэдрлі химиялық байланыстардан туындайды; мысалы, егер бүйір тізбек тік жоғары бағытталса, онда C′-ға байланысқан байланыстар сәл төмен қарай бағытталуы керек, себебі оның байланыс бұрышы шамамен 109,5° құрайды. Жиырылу C және C арасындағы қашықтықтың екі толық созылған транс-пептидтерден күтілетінге қарағанда шамамен , болуына себеп болады. Сутекті байланысқан β-қанатшалардағы іргелес Cα атомдары арасындағы "қисайған" қашықтық шамамен тең. Дегенмен, β-қанатшалар сирек толық созылған болады; керісінше, олар бұрылыс көрсетеді. Энергиялық тұрғыдан қолайлы диэдрлік бұрыштар (φ, ψ) = (–135°, 135°) (Рамачандран диаграммасының жоғарғы сол жақ аймағында) толық созылған конформациядан (φ, ψ) = (–180°, 180°) айтарлықтай өзгеше. Бұрылыс көбінесе үлкен парақтағы жеке β-қанатшалардың таралып кетуіне жол бермес үшін диэдрлік бұрыштардың кезектесіп өзгеруімен байланысты. БПТИ протеинінде күшті бұрылған β-шаштық ілгектің жақсы мысалын көруге болады. Бүйір тізбектер жиырылудың бүктелуінен сыртқа қарай, парақтың жазықтығына шамамен перпендикуляр бағытта; бір-бірінен кейін келетін аминқышқыл қалдықтары парақтың кезектесіп жатқан беттерінен сыртқа қарай бағытталады.
However, β strands are rarely perfectly extended; rather, they exhibit a twist. The energetically preferred dihedral angles near (φ, ψ) = (–135°, 135°) (broadly, the upper left region of the Ramachandran plot) diverge significantly from the fully extended conformation (φ, ψ) = (–180°, 180°). The twist is often associated with alternating fluctuations in the dihedral angles to prevent the individual β strands in a larger sheet from splaying apart. A good example of a strongly twisted β hairpin can be seen in the protein BPTI. The side chains point outwards from the folds of the pleats, roughly perpendicularly to the plane of the sheet; successive amino acid residues point outwards on alternating faces of the sheet.
Сутекті байланыстар үлгілері
Пептидтік тізбектерде N және C ұштарының бағыттылығы болғандықтан, β-қатарлар да бағытталған деп айтуға болады. Олар әдетте ақуыз топологиясының схемаларында C ұшына қарай бағытталған жебемен бейнеленеді. Жақын орналасқан β-қатарлар антипараллельді, параллельді немесе аралас түрде сутекті байланыстар құрауы мүмкін. Антипараллельді орналасуда, бір-бірінен кейін келетін β-қатарлар бағыттарын ауыстырады, сондықтан бір қатардың N ұшы келесі қатардың C ұшына іргелес орналасады. Бұл ең жоғары желіаралық тұрақтылықты қамтамасыз ететін орналасу, себебі ол карбонилдер мен аминдер арасындағы желіаралық сутекті байланыстардың жазықтықта болуына мүмкіндік береді, бұл олардың қалаулы бағыты. Антипараллельді қабаттарда пептидтік тіректің диэдрлік бұрыштары (φ, ψ) шамамен (–140°, 135°) шамасында болады. Осы жағдайда, егер екі сутекті байланысқан β-қатарда C және C атомдары іргелес орналасса, онда олар бір-бірінің жанындағы пептидтік топтарына екі өзара тіректі сутекті байланыс құрайды; бұл сутекті байланыстардың жақын жұбы деп аталады. Параллельді орналасуда, бір-бірінен кейін келетін қатарлардың барлық N ұштары бір бағытта бағытталған; бұл бағыт сәл тұрақсыз болуы мүмкін, себебі ол жіптер аралық сутекті байланыс үлгісіне жазықтық емес элементтер енгізеді. Параллель қабаттарда диэдрлік бұрыштар (φ, ψ) шамамен (–120°, 115°) шамасында болады. Мотивте өзара әрекеттесетін кемінде бес параллель қатарды табу сирек, бұл аз санды қатарлардың тұрақсыз болуы мүмкін екенін көрсетеді, алайда параллель β-қабаттардың қалыптасуы да қиын, себебі N және C ұштары сәйкес келетін қатарлар тізбек бойынша бір-бірінен қашық болуы керек. Сондай-ақ, параллель β-қабаттар тұрақты болуы мүмкін, себебі кішкентай амилоидты тізбектер әдетте параллель β-қабаттардан тұратын β-қабат фибрилдеріне жинақталады, ал антипараллельді қабаттар тұрақтырақ болса, антипараллельді фибрилдер күтілуі мүмкін. Параллель β-қабат құрылымында, егер екі сутекті байланысқан β-қатарда C және C атомдары іргелес орналасса, онда олар бір-бірімен сутекті байланыс жасамайды; керісінше, бір қалдық екіншісінің жанындағы қалдықтарға сутекті байланыс құрайды (бірақ керісінше емес). Мысалы, i қалдығы j–1 және j+1 қалдықтарына сутекті байланыс құруы мүмкін; бұл сутекті байланыстардың кең жұбы деп аталады. Керісінше, j қалдығы басқа қалдықтарға немесе мүлдем ешқандай қалдыққа сутекті байланыс жасамайды. Параллель бета-қабаттағы сутекті байланыстың орналасуы 11 атомнан тұратын амидтік сақина мотивіне ұқсас. Соңында, жеке қатар бір жағынан параллельді, екінші жағынан антипараллельді қатармен аралас байланыс үлгісін көрсетуі мүмкін. Мұндай құрылымдар бейімделудің кездейсоқ таралуынан гөрі сирек кездеседі, бұл осы үлгінің антипараллельді құрылымнан тұрақсыз екенін көрсетеді, алайда биоинформатикалық талдау әрқашан толық белоктарда көптеген басқа құрылымдық ерекшеліктердің болуына байланысты құрылымдық термодинамиканы анықтауда қиындыққа тап болады. Сонымен қатар, белоктар бүктелу кинетикасымен де, бүктелу термодинамикасымен де шектеледі, сондықтан биоинформатикалық талдаудан тұрақтылық туралы қорытынды жасауда әрқашан сақ болу керек. β-қатарлардың сутекті байланысы міндетті түрде толық болуы керек емес, бірақ β-ісіктер деп аталатын жергілікті бұзылуларды көрсетуі мүмкін. Сутекті байланыстар қабаттың жазықтығында орналасады, пептидтік карбонил топтары кезекті қалдықтармен кезектесіп бағытталған; салыстыру үшін, кезекті карбонилдер альфа спиральда бірдей бағытта болады.
Амино қышқылдарға бейімделу
Ірі ароматты қалдықтар (тирозин, фенилаланин, триптофан) және β-тармақталған аминқышқылдары (треонин, валин, изолеуцин) β-парақтардың ортасындағы β-жіпшелерде жиі кездеседі. Пролин сияқты әртүрлі типтегі қалдықтар, β-парақтардың шеткі жіпшелерінде болуы мүмкін, бұл ақуыздардың "шеттен-шетке" байланысып, агрегацияға және амилоид түзілуіне алып келуінен сақтану үшін болжамдалады.
β-шаштық мотив
β-қабаттарды қамтитын өте қарапайым құрылымдық мотив – β-шашақ, онда екі антипараллель тізбек екі-бес қалдықтан тұратын қысқа тізбекшемен байланыстырылады, олардың бірі жиі глицин немесе пролин болып табылады, екеуі де тар бұрылыс немесе β-дөңгелекше үшін қажетті диэдрлік бұрыш конформацияларын қабылдай алады. Жеке тізбектер ұзын тізбекшелермен, олар α-спиральдарды қамтуы мүмкін, күрделірек жолдармен байланыстырылуы мүмкін.
Гректің негізгі мотиві
Гректің негізгі мотиві төрт қатар орналасқан антипараллель тізбектен және оларды байланыстыратын иілгіш сақиналардан тұрады. Ол үш антипараллель тізбектен, шаштықтар арқылы байланысқан, ал төртінші тізбек біріншісіне жанасып, үшіншісімен ұзын сақина арқылы байланыстырылған. Осы типтегі құрылым белоктың бүктелу процесінде оңай қалыптасады. Ол грек өнер өнімдерінде жиі кездесетін өрнек бойынша аталған (меандрды қараңыз).
β-α-β мотивтері
Аминқышқылдарының хиралдығының арқасында барлық тізбектерде жоғары деңгейдегі β-парақ құрылымдарында көрінетін оң жақты бұрылыс байқалады. Атап айтқанда, екі параллель тізбек арасындағы байланыстырғыш цикл әлдеқашан оң жақты кроссовер хиралдығын көрсетеді, бұл парақтың ішкі бұрылысымен күшті түрде ықпалдасады. Бұл байланыстырғыш цикл жиі спиральді аймақты қамтиды, мұндай жағдайда ол βαβ мотиві деп аталады. Өте ұқсас βαβα мотиві, ең көп кездесетін белоктың үшіншілік құрылысы – ТИМ баррелінің негізгі құрауыш бөлігін құрайды.
β-меандр мотиві
Екі немесе одан көп тікелей қарама-қарсы β-жіпшелерден тұратын қарапайым суперсекундрлі белок топологиясы, олар шаштық тізбекшелермен байланысқан. Бұл мотив β-парақтарында жиі кездеседі және β-цилиндрлер мен β-спиральдар сияқты бірнеше құрылымдық архитектураларда табылған. Белоктардағы β-меандр аймақтарының көп бөлігі полипептидтік тізбектің басқа мотивтерімен немесе бөлімдерімен тығыз байланысып, бүктелу құрылымын қалыптастыратын гидрофобтық ядроның бөлігін құрайды. Дегенмен, бірнеше маңызды ерекшеліктер бар, олардың ішінде дәстүрлі гидрофобтық ядроның болмауына қарамастан, бір қабатты β-парақтарын қамтитын Сыртқы Беттік Белок A (OspA) түрлері бар. Бұл β-қаныққан белоктарда кеңейтілген, бір қабатты β-меандрлы β-парақтары бар, олар негізінен β-жіпшелер арасындағы өзара әрекеттесулер және жеке жіпшелерді байланыстыратын тізбекшелердегі гидрофобтық өзара әрекеттесулер арқылы тұрақтандырылады.
Пси-керіш мотиві
Пси-шеге (Ψ-шеге) мотиві екі антипараллель тізбектен тұрады, олардың арасында екеуімен де сутекті байланыстар арқылы жалғастырылған бір тізбек орналасқан. Жеке Ψ-шегелер үшін төрт мүмкін тізбек топологиясы бар. Бұл мотив сирек кездеседі, себебі оның пайда болу процесі ақуыздың бүктелуі кезінде болуы шамалы. Ψ-шеге алғаш рет аспартик протеазалар отбасында анықталды. Барлық β-домендер β-баррельдер, β-сэндвичтер, β-призмалар, β-пропеллерлер және β-спиральдар құрауы мүмкін.
Құрылымдық топология
β табақтың топологиясы омыртқа бойымен сутегі байланысы бар β жіптердің реттілігін сипаттайды. Мысалы, флаводоксин бүгілуінің бесті жіпті, 21345 топологиясы бар параллель β табағы бар; осылайша, шеткі жіптер омыртқа бойымен β жіп 2 және β жіп 5 болып табылады. Толық айтқанда, β жіп 2, β жіп 1-ге сутегі байланысымен байланысқан, ол β жіп 3-қа, ол β жіп 4-ке, ол β жіп 5-ке, екінші шеттік жіпке сутегі байланысымен байланысқан. Сол жүйеде жоғарыда сипатталған грек кілт мотиві 4123 топологиясына ие. β табақтың екінші құрылымын жіптердің саны, олардың топологиясы және олардың сутегі байланыстары параллель ме, әлде антипараллель ме екендігі арқылы шамамен сипаттауға болады. β табақтар ашық болуы мүмкін, яғни олардың екі шеткі жібі бар (флаводоксин немесе иммуноглобулин бүгілуіндегідей) немесе жабық β-цилиндрлер болуы мүмкін (мысалы, TIM-цилиндрі). β-цилиндрлер көбінесе олардың қабысуы немесе қиғашдығы арқылы сипатталады. Кейбір ашық β табақтар өте иілген және өздеріне қарай бүктеледі (SH3 доменіндегідей) немесе атқосшы пішінін құрайды (рибонуклеаза тежегіштеріндегідей). Ашық β табақтар бетпе-бет (мысалы, β-бұранда домені немесе иммуноглобулин бүгілуі) немесе жиекке жиек бірігіп, бір үлкен β табаққа айналуы мүмкін.
Динамикалық ерекшеліктер
β-жиырылған қабат құрылымдары созылған β-жіпше полипептидтік тізбектерден тұрады, жіпшелер сутекті байланыстар арқылы көршілерімен байланысқан. Осы созылған тірекше пішінінің арқасында β-қабаттарға керілуге төзімді. Ақуыздағы β-қабаттар Раман спектроскопиясымен байқалатын және квази-үздіксіз модельмен талданатын төмен жиілікті аккордеон сияқты қозғалысты жасай алады.
Параллель β-перекселі
β спираль қысқа тізбектермен байланысқан екі немесе үш қысқа β-қабаттан тұратын қайталанатын құрылымдық бірліктерден қалыптасады. Бұл бірліктер спираль тәрізді бірінің үстіне бірін "жинап" орналасады, нәтижесінде бір қабаттың кезектесіп қайталануы параллель бағытта сутектік байланыс арқылы өзара байланысады. Толық ақпарат алу үшін β спираль туралы мақаланы қараңыз. Сол жақ β спиральдарда қабаттардың өзі түзу және бұралмаған болады; нәтижесіндегі спиральдік беттер жақсы жазық болып келеді, оң жақтағы 1QRE археялық карбоангидразада көрсетілгендей, тұрақты үшбұрышты призма пішінін құрайды. Басқа мысалдар: липид А синтезі ферменті LpxA және бір бетінде мұздың құрылымын имитациялайтын Thr бүйір тізбектерінің реттелген тізімі бар жәндіктердің антифриз ақуыздары. Оң жақ β спиральдар, сол жақта көрсетілген пектат лиаза ферменті немесе P22 фагының құйрық ұшымен сипатталатындары, қимасының ретсіз, ұзын және бір жағында ойысқан болуымен ерекшеленеді; үш байланыстырушы тізбектердің бірі тұрақты түрде екі қалдықтан тұрады, ал қалғандары өзгергіш, көбінесе байланыс немесе белсенді орынды құру үшін кеңейтілген. Кейбір бактериялық металлопротеаздарда екі жақты β спираль (оң жақ) кездеседі; оның екі тізбегі алты қалдықтан тұрады және GGXGXD тізбек мотивін пайдаланып, құрылымның тұтастығын сақтау үшін тұрақтандыратын кальций иондарын байланыстырады. Бұл бүктелу SCOP классификациясында β-ролл деп аталады.
Патологияда
Кейбір белоктар, мономерлер ретінде ретсіз немесе спиральді құрылымға ие, мысалы, β-амилоид (амилоид плакасына қараңыз), патологиялық жағдайлармен байланысты β-қабатқа толы олигомерлік құрылымдарды қалыптастыра алады. Амилоид β протеинінің олигомерлік түрі Альцгеймер ауруының себебі деп саналады. Оның құрылымы әлі толық анықталған жоқ, бірақ соңғы деректер оның ерекше екі жіпті β-спиральға ұқсас болуы мүмкін екенін көрсетеді. β-қабат құрылымындағы аминқышқылдарының қалдықтарының тізбектері де солай орналасуы мүмкін, яғни қабаттың бір жағындағы жақын тізбектердің көп бөлігі гидрофобтық, ал қабаттың екінші жағындағы жақын тізбектердің көп бөлігі полярлы немесе зарядталған (гидрофильді) болады, бұл қабаттың полярлы/сулы және полярлы емес/майлы орталар арасындағы шекараны құруына көмектеседі.