Бета-шпилька

Бета -шпилька (иногда также называемая бета-лентой или бета-бета-единицей ) представляет собой простой белка, структурный мотив включающий две бета-цепи , которые выглядят как шпилька . Мотив состоит из двух соседних по первичной структуре нитей , ориентированных в антипараллельном направлении ( N-конец одного листа примыкает к С-концу следующего) и связанных короткой петлей из двух-пяти аминокислот. . Бета-шпильки могут встречаться изолированно или как часть ряда нитей, связанных водородными связями , которые вместе составляют бета-лист .

Такие исследователи, как Франсиско Бланко и др. использовали ЯМР белков, чтобы показать, что бета-шпильки могут образовываться из изолированных коротких пептидов в водном растворе, предполагая, что шпильки могут образовывать центры зародышеобразования для сворачивания белка . ^{[ 1 ]}

Классификация

Первоначально бета-шпильки классифицировались исключительно по количеству аминокислотных остатков в их петлевых последовательностях, поэтому их называли одноостаточными, двухостаточными и т. Д. ^{[ 2 ]} Эта система, однако, несколько неоднозначна, поскольку не учитывает, имеют ли остатки, сигнализирующие о конце шпильки, одинарные или двойные водородные связи друг с другом. С тех пор Милнер-Уайт и Поэт предложили улучшенные средства классификации. ^{[ 3 ]} Бета-шпильки разбиты на четыре отдельных класса, как показано на рисунке 1 в публикации. Каждый класс начинается с наименьшего возможного числа остатков петли и постепенно увеличивает размер петли за счет удаления водородных связей в бета-листе. Первичная шпилька класса 1 представляет собой петлю из одного остатка, в которой связанные остатки имеют две водородные связи. Затем одна водородная связь удаляется, образуя петлю из трех остатков, которая является вторичной шпилькой класса 1. Одинарные связанные остатки учитываются в последовательности петли, но также сигнализируют об окончании петли, таким образом определяя эту шпильку как шпильку из трех остатков. петля. Эта одинарная водородная связь затем удаляется, образуя третичную шпильку; петля из пяти остатков с дважды связанными остатками. Этот шаблон продолжается бесконечно и определяет все бета-шпильки в классе. Класс 2 следует той же схеме, начиная с петли из двух остатков с концевыми остатками, имеющими две общие водородные связи. Класс 3 начинается с тройки, а класс 4 — с четверки. Класса 5 не существует, поскольку основная шпилька уже определена в классе 1. Пи Эта классификационная схема не только учитывает различные степени водородных связей, но также кое-что говорит о биологическом поведении шпильки. Замены отдельных аминокислот могут разрушить определенную водородную связь, но не развернут шпильку и не изменят ее класс. С другой стороны, вставки и делеции аминокислот должны будут развернуть и реформировать весь организм. бета-цепь , чтобы избежать бета-выпуклости во вторичной структуре. В процессе это изменит класс шпильки. Поскольку замены являются наиболее распространенными аминокислотными мутациями, белок потенциально может подвергнуться преобразованию, не влияя на функциональность бета-шпильки. ^{[ 3 ]}

Динамика складывания и переплета

Pin1 WWDomain — Домен Pin1. Пептидил-пролил-цис-транс-изомераза, взаимодействующая с NIMA 1 (Pin1) – белок из 34 остатков – изображена выше двумя разными способами. Слева обратные витки хорошо видны зеленым цветом, а β-цепи — желтым. Они собираются вместе, образуя мотив β-шпильки. На рисунке справа тот же фермент изображен в более трехмерном виде.

Понимание механизма сворачивания микродоменов может помочь пролить свет на закономерности сворачивания целых белков . Исследования бета-шпильки, называемой хинолин (см. Шигнолин в «Протеопедии »), выявили ступенчатый процесс складывания, который приводит к сворачиванию бета-шпильки. Эта шпилька имеет характеристики последовательности, аналогичные более чем 13 000 известных шпилек, и, таким образом, может служить более общей моделью образования бета-шпильки. Формирование области собственного поворота сигнализирует о начале каскада сворачивания, где собственный поворот — это тот, который присутствует в окончательной складчатой структуре.

При сворачивании всех белков поворот может происходить не в области нативного поворота, а в С-цепи бета-шпильки. Затем этот поворот распространяется через С-цепь (бета-цепь, ведущую к С-концу), пока не достигнет области нативного поворота. Иногда взаимодействия остатков, ведущие к области нативного поворота, слишком сильны, вызывая обратное распространение. Однако как только нативный поворот действительно формируется, взаимодействие между пролинами и остатками триптофана (видно на изображении справа) в этом регионе помогает стабилизировать поворот, предотвращая «откат» или растворение.

Исследователи полагают, что повороты не возникают в N-цепи из-за повышенной жесткости (часто вызванной пролином, ведущим к нативной области поворота) и меньшего количества конформационных вариантов. Формирование начального витка происходит примерно за 1 мкс. Как только первоначальный поворот был установлен, были предложены два механизма того, как складывается остальная часть бета-шпильки: гидрофобный коллапс с перестройками на уровне боковых цепей или более общепринятый механизм, подобный застежке-молнии. ^{[ 4 ]}

Мотив петли β-шпильки можно найти во многих макромолекулярных белках. Однако маленькие и простые β-шпильки могут существовать и сами по себе. Чтобы это было ясно, Pin1 в качестве примера слева показан белок домена .

Белки, богатые β-листами, также называемые WW-доменами , функционируют путем присоединения к богатым пролином и/или фосфорилированным пептидам, опосредуя белок-белковые взаимодействия . «WW» относится к двум остаткам триптофана (W), которые консервативны в последовательности и способствуют сворачиванию β-листов с образованием небольшого гидрофобного ядра. ^{[ 5 ]} Эти остатки триптофана можно увидеть ниже (справа) красным цветом.

Этот фермент связывает свой лиганд посредством сил Ван-дер-Ваальса консервативных триптофана и богатых пролином участков лиганда. Другие аминокислоты затем могут связываться с гидрофобным ядром структуры β-шпильки, обеспечивая надежное связывание. ^{[ 6 ]}

Также часто можно обнаружить остатки пролина внутри самой петли β-шпильки, поскольку эта аминокислота является жесткой и способствует образованию «поворота». Эти остатки пролина можно увидеть как красные боковые цепи на изображении WW-домена Pin1 ниже (слева).

Искусственно созданная бета-шпилька

Разработка пептидов, которые принимают структуру β-шпильки (не полагаясь на связывание металлов, необычные аминокислоты или дисульфидные сшивки), достигла значительного прогресса и дала понимание динамики белков. В отличие от α-спиралей , β-шпильки не стабилизированы регулярным паттерном водородных связей. В результате первые попытки требовали как минимум 20–30 аминокислотных остатков для достижения стабильных третичных складок β-шпильок. Однако этот нижний предел был снижен до 12 аминокислот за счет повышения стабильности, достигнутого за счет включения пар перекрестных цепей триптофан-триптофан. Было показано, что две пары триптофана, не имеющие водородных связей, сцепляются в виде застежки-молнии, стабилизируя структуру β-шпильки, в то же время позволяя ей оставаться водорастворимой . ЯМР - структура β-пептида триптофановой застежки (trpzip) демонстрирует стабилизирующий эффект благоприятных взаимодействий между соседними индольными кольцами. ^{[ 7 ]}

Синтез пептидов β-шпильки trpzip включает фотопереключатели, которые облегчают точный контроль над сворачиванием. Несколько аминокислот, в свою очередь, заменяются азобензолом , который можно заставить переключиться из транс-конформации в цис-конформацию под действием света с длиной волны 360 нм. Когда азобензольный фрагмент находится в цис-конформации, аминокислотные остатки выравниваются правильно, образуя β-шпильку. Однако транс-конформация не имеет правильной геометрии поворота β-шпильки. ^{[ 8 ]} Это явление можно использовать для исследования конформационной динамики пептидов с помощью фемтосекундной абсорбционной спектроскопии. ^{[ 8 ]}

Ссылки

^ Бланко, Ф.Дж.; Ривас, Г.; Серрано, Л. (1994). «Короткий линейный пептид, который в водном растворе сворачивается в нативную стабильную бета-шпильку». Нат Структ Биол . 1 (9): 584–590. дои : 10.1038/nsb0994-584 . ПМИД 7634098 . S2CID 35065527 .
^ Сибанда, БЛ; Бланделл, ТЛ; Тортон, Дж. М. (1985). «Конформации бета-шпильок в белковых структурах». Природа (Лондон) 316 170–174.
^ Jump up to: ^а ^б Милнер-Уайт, Дж.; Поэт Р. (1986). «Четыре класса бета-шпильок в белках». Биохимический журнал 240 289–292.
^ Jump up to: ^а ^б Энемарк, Сорен; Курниаван, Николас А.; Раджагопалан, Радж (11 сентября 2012 г.). «β-шпилька образуется путем свертывания от С-конца: топологическое руководство динамикой ранней складки» . Научные отчеты . 2 : 649. Бибкод : 2012NatSR...2E.649E . дои : 10.1038/srep00649 . ПМЦ 3438464 . ПМИД 22970341 .
^ Ягер, Маркус; Дичонгкит, Сонгпон; Кепф, Эдвард К.; Нгуен, Хуби; Гао, Цзяньминь; Пауэрс, Эван Т.; Грюбеле, Мартин; Келли, Джеффри В. (2008). «Понимание механизма сворачивания β-листа с химической и биологической точки зрения». Биополимеры . 90 (6): 751–758. дои : 10.1002/bip.21101 . ПМИД 18844292 .
^ Кей, БК; Уильямсон, член парламента; Судол, М. Важность быть пролином: взаимодействие богатых пролином мотивов в сигнальных белках с их родственными доменами. Журнал ФАСЭБ. 2000, 14, 231–241.
^ Кокран, Андреа Г.; Скелтон, Николас Дж.; Старовасник, Мелисса А. (8 мая 2001 г.). «Триптофановые молнии: стабильные мономерные β-шпильки» . Труды Национальной академии наук . 98 (10): 5578–5583. Бибкод : 2001PNAS...98.5578C . дои : 10.1073/pnas.091100898 . ISSN 0027-8424 . ПМК 33255 . ПМИД 11331745 .
^ Jump up to: ^а ^б Донг, Шоу-Лян; Левенек, Маркус; Шрейдер, Тобиас Э.; Шрайер, Вольфганг Дж.; Зинт, Вольфганг; Мородер, Луис; Реннер, Кристиан (23 января 2006 г.). «Фотоконтролируемый β-шпильчатый пептид». Химия – Европейский журнал . 12 (4): 1114–1120. дои : 10.1002/chem.200500986 . ISSN 1521-3765 . ПМИД 16294349 .

[Blanco-1] Бланко, Ф.Дж.; Ривас, Г.; Серрано, Л. (1994). «Короткий линейный пептид, который в водном растворе сворачивается в нативную стабильную бета-шпильку». Нат Структ Биол . 1 (9): 584–590. дои : 10.1038/nsb0994-584 . ПМИД 7634098 . S2CID 35065527 .

[2] Сибанда, БЛ; Бланделл, ТЛ; Тортон, Дж. М. (1985). «Конформации бета-шпильок в белковых структурах». Природа (Лондон) 316 170–174.

[Milner-White-3] Jump up to: ^а ^б Милнер-Уайт, Дж.; Поэт Р. (1986). «Четыре класса бета-шпильок в белках». Биохимический журнал 240 289–292.

[C-terminal_p._2,_649-4] Jump up to: ^а ^б Энемарк, Сорен; Курниаван, Николас А.; Раджагопалан, Радж (11 сентября 2012 г.). «β-шпилька образуется путем свертывания от С-конца: топологическое руководство динамикой ранней складки» . Научные отчеты . 2 : 649. Бибкод : 2012NatSR...2E.649E . дои : 10.1038/srep00649 . ПМЦ 3438464 . ПМИД 22970341 .

[Jager-5] Ягер, Маркус; Дичонгкит, Сонгпон; Кепф, Эдвард К.; Нгуен, Хуби; Гао, Цзяньминь; Пауэрс, Эван Т.; Грюбеле, Мартин; Келли, Джеффри В. (2008). «Понимание механизма сворачивания β-листа с химической и биологической точки зрения». Биополимеры . 90 (6): 751–758. дои : 10.1002/bip.21101 . ПМИД 18844292 .

[6] Кей, БК; Уильямсон, член парламента; Судол, М. Важность быть пролином: взаимодействие богатых пролином мотивов в сигнальных белках с их родственными доменами. Журнал ФАСЭБ. 2000, 14, 231–241.

[7] Кокран, Андреа Г.; Скелтон, Николас Дж.; Старовасник, Мелисса А. (8 мая 2001 г.). «Триптофановые молнии: стабильные мономерные β-шпильки» . Труды Национальной академии наук . 98 (10): 5578–5583. Бибкод : 2001PNAS...98.5578C . дои : 10.1073/pnas.091100898 . ISSN 0027-8424 . ПМК 33255 . ПМИД 11331745 .

[:0-8] Jump up to: ^а ^б Донг, Шоу-Лян; Левенек, Маркус; Шрейдер, Тобиас Э.; Шрайер, Вольфганг Дж.; Зинт, Вольфганг; Мородер, Луис; Реннер, Кристиан (23 января 2006 г.). «Фотоконтролируемый β-шпильчатый пептид». Химия – Европейский журнал . 12 (4): 1114–1120. дои : 10.1002/chem.200500986 . ISSN 1521-3765 . ПМИД 16294349 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]