Бета-лист: структура, свойства и роль в патологиях белков.

Введение

Белковый структурный мотив

Бета-лист (β-лист, также β-складчатый лист) – распространенный мотив регулярной вторичной структуры белка. Бета-листы состоят из бета-цепей (β-цепей), соединенных боково́й стороно́й как минимум двумя или тремя водородными связями основного скелета, формируя обычно скрученный, складчатый лист. Бета-цепь – это участок полипептидной цепи, как правило, длиной от 3 до 10 аминокислот, находящийся в расширенной конформации. Сверхмолекулярная ассоциация β-листов связана с образованием фибрилл и белковых агрегатов, наблюдаемых при амилоидозе, болезни Альцгеймера и других протеинопатиях.

История

Первая структура β-листов была предложена Уильямом Астбери в 1930-х годах. Он предложил идею водородных связей между пептидными связями параллельных или антипараллельных протяженных β-цепей. Однако у Астбери не было достаточных данных о геометрии связей аминокислот для построения точных моделей, особенно поскольку он тогда не знал, что пептидная связь является планарной. Усовершенствованная версия была предложена Линусом Полингом и Робертом Кори в 1951 году. Их модель учитывала планарность пептидной связи, которую они ранее объяснили как результат кето-энольной таутомерии.

Геометрия

Большинство β-нитей расположены рядом с другими нитями и образуют обширную сеть водородных связей со своими соседями, в которой N−H группы в основной цепи одной нити образуют водородные связи с C=O группами в основной цепи соседних нитей. В полностью развернутой β-нити последовательные боковые цепи направлены строго вверх и строго вниз в чередующемся порядке. Соседние β-нити в β-листе выровнены таким образом, что их атомы Cα находятся рядом, а их боковые цепи направлены в одном направлении. "Плиссированный" вид β-нитей обусловлен тетраэдрическим химическим связыванием у атома Cα; например, если боковая цепь направлена строго вверх, то связи с C′ должны быть направлены немного вниз, поскольку угол связи составляет примерно 109,5°. Плиссировка приводит к тому, что расстояние между C и C составляет приблизительно , а не то, которое ожидается от двух полностью развернутых транс-пептидов. "Боковое" расстояние между соседними атомами Cα в β-нитях, связанных водородными связями, составляет примерно . Однако β-нити редко бывают идеально развернутыми; скорее, они демонстрируют скручивание. Энергетически предпочтительные двугранные углы вблизи (φ, ψ) = (–135°, 135°) (в широком смысле, верхняя левая область диаграммы Рамачандрана) значительно отличаются от полностью развернутой конформации (φ, ψ) = (–180°, 180°). Скручивание часто связано с чередующимися колебаниями двугранных углов, чтобы предотвратить расхождение отдельных β-нитей в более крупном листе. Хорошим примером сильно скрученной β-шпильки может служить белок BPTI. Боковые цепи направлены наружу от складок плиссировки, примерно перпендикулярно плоскости листа; последовательные аминокислотные остатки направлены наружу на чередующихся гранях листа.

Схемы водородных связей

Поскольку пептидные цепи обладают направленностью, определяемой их N-концом и C-концом, можно сказать, что β-цепи также направлены. Обычно они изображаются на топологических диаграммах белка стрелкой, указывающей в сторону C-конца. Соседние β-цепи могут образовывать водородные связи в антипараллельной, параллельной или смешанной конфигурациях. В антипараллельной конфигурации последовательные β-цепи чередуют направления так, что N-конец одной цепи соседствует с C-концом следующей. Такая конфигурация обеспечивает наибольшую стабильность между цепями, поскольку позволяет межцепочечным водородным связям между карбонильными группами и аминами быть плоскими, что является их предпочтительной ориентацией. Диэдрические углы пептидного остова (φ, ψ) составляют примерно (–140°, 135°) в антипараллельных листах. В этом случае, если два атома C и C соседствуют в двух β-цепях, связанных водородными связями, они образуют две взаимные водородные связи остова с соседними пептидными группами друг друга; это известно как тесная пара водородных связей. В параллельной конфигурации все N-концы последовательных цепей ориентированы в одном направлении; эта ориентация может быть немного менее стабильной, поскольку вносит непланарность в схему водородных связей между цепями. Диэдрические углы (φ, ψ) составляют примерно (–120°, 115°) в параллельных листах. Редко можно встретить менее пяти взаимодействующих параллельных цепей в мотиве, что позволяет предположить, что меньшее количество цепей может быть нестабильным; однако параллельным β-листам также принципиально сложнее формироваться, поскольку цепи с выровненными N- и C-концами обязательно должны быть значительно удалены друг от друга в последовательности. Существуют также данные, свидетельствующие о том, что параллельные β-листы могут быть более стабильными, поскольку небольшие амилоидогенные последовательности, как правило, агрегируют в β-листные фибриллы, состоящие в основном из параллельных β-листных цепей, в то время как можно было бы ожидать антипараллельные фибриллы, если бы антипараллельные структуры были более стабильными. В параллельной структуре β-листов, если два атома C и C соседствуют в двух β-цепях, связанных водородными связями, они не образуют водородные связи друг с другом; скорее, один остаток образует водородные связи с остатками, фланкирующими 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 совершенно другими остатками или вообще не образовывать их. Расположение водородных связей в параллельном β-листе напоминает расположение в амидном кольцевом мотиве, состоящем из 11 атомов. Наконец, отдельная цепь может демонстрировать смешанный характер связывания, с параллельной цепью с одной стороны и антипараллельной цепью с другой. Такие конфигурации встречаются реже, чем можно было бы ожидать при случайном распределении ориентаций, что позволяет предположить, что эта модель менее стабильна, чем антипараллельная; однако биоинформатический анализ всегда сталкивается с трудностями при извлечении структурной термодинамики, поскольку в целых белках всегда присутствуют многочисленные другие структурные особенности. Кроме того, белки по своей природе ограничены кинетикой сворачивания, а также термодинамикой сворачивания, поэтому при выводе стабильности на основе биоинформатического анализа всегда следует соблюдать осторожность. Водородные связи β-цепей не обязательно должны быть идеальными, но могут проявлять локализованные нарушения, известные как β-выпуклости. Водородные связи лежат примерно в плоскости листа, при этом карбонильные группы пептидов указывают в чередующихся направлениях с последовательными остатками; для сравнения, последовательные карбонильные группы указывают в одном и том же направлении в α-спирали.

Because peptide chains have a directionality conferred by their N terminus and C terminus, β strands too can be said to be directional. They are usually represented in protein topology diagrams by an arrow pointing toward the C terminus. Adjacent β strands can form hydrogen bonds in antiparallel, parallel, or mixed arrangements. In an antiparallel arrangement, the successive β strands alternate directions so that the N terminus of one strand is adjacent to the C terminus of the next. This is the arrangement that produces the strongest inter strand stability because it allows the inter strand hydrogen bonds between carbonyls and amines to be planar, which is their preferred orientation. The peptide backbone dihedral angles (φ, ψ) are about (–140°, 135°) in antiparallel sheets. In this case, if two atoms C and C are adjacent in two hydrogen bonded β strands, then they form two mutual backbone hydrogen bonds to each other's flanking peptide groups; this is known as a close pair of hydrogen bonds. In a parallel arrangement, all of the N termini of successive strands are oriented in the same direction; this orientation may be slightly less stable because it introduces nonplanarity in the inter strand hydrogen bonding pattern. The dihedral angles (φ, ψ) are about (–120°, 115°) in parallel sheets. It is rare to find less than five interacting parallel strands in a motif, suggesting that a smaller number of strands may be unstable, however it is also fundamentally more difficult for parallel β sheets to form because strands with N and C termini aligned necessarily must be very distant in sequence There is also evidence that parallel β sheet may be more stable since small amyloidogenic sequences appear to generally aggregate into β sheet fibrils composed of primarily parallel β sheet strands, where one would expect anti parallel fibrils if anti parallel were more stable. In parallel β sheet structure, if two atoms C and C are adjacent in two hydrogen bonded β strands, then they do not hydrogen bond to each other; rather, one residue forms hydrogen bonds to the residues that flank the other (but not vice versa). For example, residue i may form hydrogen bonds to residues j − 1 and j + 1; this is known as a wide pair of hydrogen bonds. By contrast, residue j may hydrogen bond to different residues altogether, or to none at all. The hydrogen bond arrangement in parallel beta sheet resembles that in an amide ring motif with 11 atoms. Finally, an individual strand may exhibit a mixed bonding pattern, with a parallel strand on one side and an antiparallel strand on the other. Such arrangements are less common than a random distribution of orientations would suggest, suggesting that this pattern is less stable than the anti parallel arrangement, however bioinformatic analysis always struggles with extracting structural thermodynamics since there are always numerous other structural features present in whole proteins. Also proteins are inherently constrained by folding kinetics as well as folding thermodynamics, so one must always be careful in concluding stability from bioinformatic analysis. The hydrogen bonding of β strands need not be perfect, but can exhibit localized disruptions known as β bulges. The hydrogen bonds lie roughly in the plane of the sheet, with the peptide carbonyl groups pointing in alternating directions with successive residues; for comparison, successive carbonyls point in the same direction in the alpha helix.

Склонности к аминокислотам

Большие ароматические остатки (тирозин, фенилаланин, триптофан) и β-разветвленные аминокислоты (треонин, валин, изолеуцин) чаще встречаются в β-цепях в середине β-листов. Различные типы аминокислотных остатков (например, пролин) с большей вероятностью располагаются в краевых β-цепях β-листов, вероятно, чтобы избежать "край-в-край" ассоциации между белками, которая может приводить к агрегации и образованию амилоидов.

Мотив β-шнурка

Очень простым структурным мотивом, включающим β-листы, является β-шпилька, в которой две антипараллельные цепи соединены коротким циклом из двух-пяти аминокислотных остатков, одним из которых часто является глицин или пролин, оба из которых способны принимать конформации торсионных углов, необходимые для резкого поворота или петли β-выпуклости. Отдельные цепи также могут быть соединены более сложными способами с более длинными петлями, которые могут содержать α-спирали.

Мотив греческого ключа

Греческий ключевой мотив состоит из четырех смежных антипараллельных цепей и соединяющих их петель. Он образован тремя антипараллельными цепями, соединенными шпильками, а четвертая цепь прилегает к первой и связана с третьей более длинной петлей. Этот тип структуры легко формируется в процессе сворачивания белка. Он получил свое название по образцу, часто встречающемуся в греческом орнаментальном искусстве (см. Меандр).

Мотив β-α-β

Из-за хиральности составляющих их аминокислот, все цепи демонстрируют правостороннюю спираль, заметную в большинстве структур β-листов более высокого порядка. В частности, связующая петля между двумя параллельными цепями почти всегда обладает правосторонней кроссоверной хиральностью, которая сильно благоприятствуется присущей листу спиральностью. Эта связующая петля часто содержит спиральный участок, и в этом случае её называют βαβ-мотивом. Тесно связанный мотив, называемый βαβα-мотивом, является основным компонентом наиболее часто встречающейся третичной структуры белка – TIM-бочки.

Мотив β-меандры

Простая суперсекундная топология белка, состоящая из двух или более последовательно расположенных антипараллельных β-нитей, соединенных шпилечными петлями. Этот мотив часто встречается в β-листах и может быть обнаружен в различных структурных архитектурах, включая β-бочки и β-пропеллеры. Подавляющее большинство β-меандров в белках упакованы в контакте с другими мотивами или участками полипептидной цепи, формируя части гидрофобного ядра, которое обычно способствует образованию правильно свернутой структуры. Однако существуют заметные исключения, такие как варианты внешнего поверхностного белка A (OspA), которые содержат однослойные β-листы без традиционного гидрофобного ядра. Эти белки, богатые β-структурами, характеризуются протяженными однослойными β-меандрами, стабилизированными преимущественно взаимодействиями между β-нитями и гидрофобными взаимодействиями в поворотных областях, соединяющих отдельные нити.

Мотив Psi-loop

Мотив пси-цикла (Ψ-цикла) состоит из двух антипараллельных цепей, между которыми расположена одна цепь, соединенная с обеими водородными связями. Существует четыре возможных топологии цепей для отдельных Ψ-циклов. Этот мотив встречается редко, поскольку процесс, приводящий к его формированию, кажется маловероятным в ходе сворачивания белка. Ψ-цикл был впервые идентифицирован в семействе аспартических протеаз. Все β-домены могут формировать β-бочки, β-сэндвичи, β-призмы, β-пропеллеры и β-спирали.

Структурная топология

Топология β-листа описывает порядок β-нитей, связанных водородными связями, вдоль основной цепи. Например, структура флаводоксина содержит пятинитевый параллельный β-лист с топологией 21345; таким образом, краевыми нитями являются β-нить 2 и β-нить 5 вдоль основной цепи. Если рассматривать это подробно, β-нить 2 образует водородную связь с β-нитью 1, которая образует водородную связь с β-нитью 3, которая образует водородную связь с β-нитью 4, которая, в свою очередь, образует водородную связь с β-нитью 5, другой краевой нитью. В той же системе греческий ключевой мотив, описанный выше, имеет топологию 4123. Вторичную структуру β-листа можно приблизительно описать, указав количество нитей, их топологию и то, являются ли водородные связи между ними параллельными или антипараллельными. β-листы могут быть открытыми, то есть иметь две краевые нити (как в структуре флаводоксина или иммуноглобулина), или они могут быть замкнутыми β-бочками (например, TIM-бочка). β-бочки часто описываются их смещением или сдвигом. Некоторые открытые β-листы сильно изогнуты и замыкаются на себя (как в домене SH3) или образуют форму подковы (как в ингибиторе рибонуклеазы). Открытые β-листы могут собираться лицом к лицу (например, в β-пропеллерном домене или структуре иммуноглобулина) или краем к краю, формируя один большой β-лист.

Динамические особенности

β-складчатые структуры состоят из протяженных полипептидных цепей β-нитей, соединенных с соседними цепями водородными связями. Благодаря такой протяженной конформации основного скелета, β-листы устойчивы к растяжению. β-листы в белках могут выполнять низкочастотные колебания, подобные движению аккордеона, как это наблюдается с помощью рамановской спектроскопии и анализируется с использованием квазиконтинуальной модели.

Параллельные β-спирали

β-спираль формируется из повторяющихся структурных единиц, состоящих из двух или трех коротких β-нитей, соединенных короткими петлями. Эти единицы "накладываются" друг на друга по спирали, так что последовательные повторения одной и той же нити образуют водородные связи друг с другом в параллельной ориентации. Подробная информация представлена в статье о β-спирали. В левозакрученных β-спиралях сами нити достаточно прямые и не скручены; образующиеся спиральные поверхности почти плоские, формируя правильную треугольную призму, как показано на примере археальной карбоангидразы 1QRE справа. Другие примеры включают фермент синтеза липида А LpxA и антифризные белки насекомых с регулярным рядом боковых цепей треонина на одной стороне, имитирующих структуру льда. Правозакрученные β-спирали, типичным примером которых является фермент пектат-лиаза, показанный слева, или белок шипа хвоста фага P22, имеют менее регулярное поперечное сечение, более длинное и с углублением на одной стороне; из трех связывающих петель одна всегда состоит всего из двух аминокислотных остатков, а другие варьируются, часто развиты для формирования связывающего или активного центра. Двусторонняя β-спираль (правозакрученная) встречается в некоторых бактериальных металлопротеазах; ее две петли, каждая из шести остатков, связывают стабилизирующие ионы кальция для поддержания целостности структуры, используя атомы основной цепи и кислородные атомы боковых цепей аспарагина из мотива последовательности GGXGXD. Эта укладка называется β-роллом в классификации SCOP.

В патологии

Некоторые белки, которые являются неупорядоченными или спиральными в виде мономеров, такие как амилоид β (см. амилоидный бляшка), могут образовывать олигомерные структуры, богатые β-листами, связанные с патологическими состояниями. Олигомерная форма бета-амилоида считается причиной болезни Альцгеймера. Его структура пока не определена полностью, но последние данные указывают на то, что она может напоминать необычную двухнитевую β-спираль. Боковые цепи аминокислотных остатков, входящих в структуру β-листа, также могут быть расположены таким образом, что многие смежные боковые цепи с одной стороны листа являются гидрофобными, а многие смежные друг с другом с противоположной стороны листа – полярными или заряженными (гидрофильными), что может быть полезно, если лист должен формировать границу между полярной/водной и неполярной/жировой средами.