Бета-цилиндар

Бета-цилиндар — бета-плоча составена од тандемски повторувања кои се вртат и намотуваат за да формираат затворена тороидна структура, во која првата бета нишка водородно е поврзана за последната бета нишка. Во многу бета цилиндри, бета нишките се антипаралелни. Повеќето белковини кои содржат бета цилиндри се растворливи во вода и често врзуваат хидрофобни лиганди во центарот на цилиндарот, како кај липокалините. Други, пак, се хидрофобни и се наоѓаат во составот на клеточните мембрани, како што е случајот со порините. Кај Грам-негативните бактерии околу 2-3% од гените кодираат за порини со структура на бета цилиндар.^[1]

β цилиндар изграден од 18 бета нишки. Бактериски порин специфичен за сахароза од видот S. typhimurium. (PDB: 1A0S )

β цилиндар изграден од 8 бета нишки. Човечки ретинол-врзувачка белковина, врзан за ретинол (витамин А) прикажан со сина боја. (PDB: 1RBP )

Во многу случаи, бета нишките содржат наизменично распоредени поларни и неполарни аминокиселини, така што хидрофобните аминокиселински остатоци се ориентирани кон внатрешноста на цилиндарот за да формираат хидрофобно јадро, а поларните аминокиселински остатоци се ориентирани кон надворешноста на цилиндарот. Кај порините и другите мембрански белковини што содржат бета цилиндри, оваа шема е обратна; т.е. хидрофобните аминокиселински остатоци се ориентирани кон надворешноста на цилиндарот, каде стапуваат во контакт со околните липиди, а хидрофилните аминокиселински остатоци се ориентирани кон внатрешната водена пора.

Сите бета цилиндри може да се класифицираат во однос на два параметра: бројот на бета нишки во бета-плочата, n, и „бројот на смолкнување“, S, кој е мерка за смолкнувањето на бета нишките во бета-плочата.^[2] Овие два параметра (n и S) се поврзани со аголот на наклон на бета нишките во однос на оската на цилиндарот.^[3]^[4]^[5]

Видови

Глувчешка голема мочна белковина. Цилиндарот формира џеб за врзување на глувчешкиот феромон, 2-sec-бутил-4,5-дихидротиазол.^[6] (PDB: 1MUP )

Нагоре-надолу

Нагоре-надолу цилиндрите имаат наједноставна топологија на бета цилиндар и се состојат од серија на бета нишки, од кои секоја е водородно поврзана со нишките непосредно пред и по неа во првичната низа.

Склоп на „швајцарски ролат“

Склопот на „швајцарски ролат“ обично се состои од осум бета нишки кои се распоредени во две бета плочи, од кои секоја содржи по четири нишки. Соседните нишки во низата наизменично се менуваат помеѓу двете бета плочи, така што тие се „завиткани“ во три димензии, формирајќи цилиндар.

Примери

Порини

Нагоре-надолу бета цилиндри со шеснаесет или осумнаесет бета нишки се среќаваат кај порините, кои функционираат како транспортери за јони и мали молекули кои не можат да дифундираат низ клеточната мембрана. Овие белковини се среќаваат во надворешните мембрани на Грам-негативните бактерии, хлоропластите и митохондриите. Централната пора на белковината, понекогаш позната и како прозорче, се состои од наелектризирани аминокиселински остатоци, поредени на тој начин што позитивните и негативните полнежи се наоѓаат на спротивните страни на пората. Помеѓу две бета нишки се наоѓа една долга петелка која делумно го затвора (блокира) централниот канал; нејзината точно одредена должина и конформација помага во дискриминацијата на молекулите кои минуваат низ транспортерот.

Транслокази на пребелковини

Бета цилиндрите, исто така, функционираат во рамките на органелите, како митохондриите и хлоропластите, за транспорт на белковини.^[7] Во рамките на митохондријата постојат два комплекси кои во структурата имаат бета цилиндар; Tom40 (Транслоказа на надворешната мембрана) и Sam50 (Машинерија за сортирање и асемблирање). Кај хлоропластот постојат слични комплекси што содржат бета цилиндар, а најдобро опишан е Toc75 на TOC комплексот (Транслокон на надворешната мембрана на хлоропластите).

Липокалини

Липокалините се белковини со нагоре-надолу бета цилиндри со, најчесто, осум бета нишки, кои се излачуваат во вонклеточната средина. Нивна карактеристична особина е способноста да врзуваат и транспортираат мали хидрофобни молекули во каликсот на цилиндарот. Примери за оваа белковинска фамилија се ретинол-врзувачките белковини (RBPs) и големите уринарни белковини (англ. Major urinary proteins - Mups). RBP врзува и транспортира ретинол (витамин А), додека Mups врзуваат голем број на мали, органски феромони, вклучувајќи ги 2-sec-бутил-4,5-дихидротиазол (скратено, SBT или DHT), 6-хидрокси-6-метил-3-хептанон (HMH) и 2,3 дихидро-ексо-бревикомин (DHB).^[8]^[9]^[10]

Број на смолкнување

Преден изглед

Изглед од десна страна (ротација од 90°)

Изглед одзади (ротација од 180°)

Изглед од лева страна (ротација од 270°)

Водородно врзување во бета-плочата на GFP. Аминокиселинските остатоци се обележани со број и код од една буква. Прикажани се само атомите на полипептидниот `рбет, обоени од сино (N-терминал) до црвено (C-терминал). (PDB: 1RRX )

Еден лист хартија може да се обликува во цилиндар на тој начин што ќе се приближат спротивните страни. Двата раба се спојуваат за да формираат линија. Ако се лизгаат двата раба паралелно со таа линија се формира смолкнување. На сличен начин, бета цилиндарот се формира со спојување на рабовите на бета-плочата. Ако тие рабови се поместени, се создава смолкнување.

Слична дефиниција на смолкнување се користи и во геологијата, каде смолкувањето се однесува на поместување во склоп на карпата, нормално на површината на карпата. Во физиката, степенот на поместување се нарекува изобличување, а има единица мерка должина. За бројот на смолкнување кај бета цилиндрите, поместувањето се мери со единица мерка од еден аминокиселински остаток.

Одредувањето на бројот на смолкнување се врши под претпоставка дека секоја аминокиселина во една бета нишка на бета-плочата е соседна само на една аминокиселина во соседната бета нишка (оваа претпоставка не важи доколку, на пример, има присуство на бета испакнатина).^[11] За илустрирација, S ќе биде пресметан за зелената флуоресцентна белковина (англ. green fluorescent protein - GFP). Оваа белковина е избрана бидејќи нејзиниот бета цилиндар содржи и паралелни и антипаралелни бета нишки. За да се утврди кои аминокиселински остатоци се соседни во бета нишките, се одредува локацијата на водородните врски.

Табела за пресметување на бројот на смолкнување. Редоследот на бета нишките во овој бета цилиндар (GFP) е: 1 6 5 4 9 8 7 10 11 3 2.

Водородните врски помеѓу бета нишките може да се прикажат во табела. Секоја колона ги содржи аминокиселинските остатоци на една бета нишка (првата нишка се повторува во последната колона). Стрелките ги прикажуваат водородните врски. Релативната насока на секоја нишка е наведена со знаците „+“ и „-“ на дното од табелата. Освен нишките 1 и 6, сите други нишки се антипаралелни. Паралелната интеракција помеѓу нишките 1 и 6 е одговорна за различноста во шемата на водородното поврзување. (Некои стрелки недостасуваат, бидејќи не биле идентификувани сите очекувани водородни врски. Нестандардните аминокиселини се означени со "?") Страничните ланци кои се насочени кон надворешноста на цилиндарот се одбележани со задебелени букви.

Да не беше присутно смолкнување во овој бета цилиндар, тогаш аминокиселинскиот остаток 12 V, да речеме, во нишката 1 треба во последната нишка да заврши на истото ниво на кое почнал. Меѓутоа, поради смолкнувањето, 12 V не е на истото ниво: тој е 14 остатоци повисоко одошто започнал, па затоа неговиот број на смолкување, S, изнесува 14.

Наводи

↑ „The versatile beta-barrel membrane protein“. Current Opinion in Structural Biology. 13 (4): 404–11. August 2003. doi:10.1016/S0959-440X(03)00099-X. PMID 12948769.
↑ „Principles determining the structure of beta-sheet barrels in proteins. I. A theoretical analysis“. Journal of Molecular Biology. 236 (5): 1369–81. March 1994. doi:10.1016/0022-2836(94)90064-7. PMID 8126726.
↑ „Principles determining the structure of beta-sheet barrels in proteins. II. The observed structures“. Journal of Molecular Biology. 236 (5): 1382–400. March 1994. doi:10.1016/0022-2836(94)90065-5. PMID 8126727.
↑ „Shear numbers of protein beta-barrels: definition refinements and statistics“. Journal of Molecular Biology. 275 (4): 541–5. January 1998. doi:10.1006/jmbi.1997.1501. PMID 9466929.
↑ „Geometrical principles of homomeric β-barrels and β-helices: Application to modeling amyloid protofilaments“ (PDF). Proteins. 85 (10): 1866–1881. October 2017. doi:10.1002/prot.25341. PMID 28646497.
↑ „Pheromone binding to two rodent urinary proteins revealed by X-ray crystallography“. Nature. 360 (6400): 186–8. November 1992. doi:10.1038/360186a0. PMID 1279439.
↑ „Membrane protein insertion: mixing eukaryotic and prokaryotic concepts“. EMBO Reports. 6 (11): 1023–7. November 2005. doi:10.1038/sj.embor.7400563. PMC 1371041. PMID 16264426.
↑ „Structure and function of the vomeronasal system: an update“ (PDF). Progress in Neurobiology. 70 (3): 245–318. June 2003. doi:10.1016/S0301-0082(03)00103-5. PMID 12951145. Архивирано од изворникот (PDF) на 2017-11-07. Посетено на 2019-03-07.
↑ „Structural basis of pheromone binding to mouse major urinary protein (MUP-I)“. Protein Science. 10 (5): 997–1004. May 2001. doi:10.1110/ps.52201. PMC 2374202. PMID 11316880.
↑ „Structural and functional differences in isoforms of mouse major urinary proteins: a male-specific protein that preferentially binds a male pheromone“. The Biochemical Journal. 391 (Pt 2): 343–50. October 2005. doi:10.1042/BJ20050404. PMC 1276933. PMID 15934926.
↑ „Barrel structures in proteins: automatic identification and classification including a sequence analysis of TIM barrels“. Protein Science. 8 (10): 2072–84. October 1999. doi:10.1110/ps.8.10.2072. PMC 2144152. PMID 10548053.

Дополнителна литература

Branden C, Tooze J (1999). Introduction to protein structure (2. изд.). New York: Garland Pub. ISBN 978-0-8153-2304-4.
Michalik M, Orwick-Rydmark M, Habeck M, Alva V, Arnold T, Linke D (2017). „An evolutionarily conserved glycine-tyrosine motif forms a folding core in outer membrane proteins“. PLOS One. 12 (8): e0182016. doi:10.1371/journal.pone.0182016. PMC 5542473. PMID 28771529.
Hayward S, Milner-White EJ (October 2017). „Geometrical principles of homomeric β-barrels and β-helices: Application to modeling amyloid protofilaments“ (PDF). Proteins. 85 (10): 1866–1881. doi:10.1002/prot.25341. PMID 28646497.

Надворешни врски

Објаснување за исклучиво-бета топологиите Архивирано на 12 мај 2021 г. (англиски)
Исклучиво-бета белковински склопови во SCOP базата на податоци Архивирано на 9 мај 2012 г. (англиски)
CATH база на податоци - склопови и хомологни натсемејства со архитектура на бета цилиндар (англиски)

[Wimley-1] „The versatile beta-barrel membrane protein“. Current Opinion in Structural Biology. 13 (4): 404–11. August 2003. doi:10.1016/S0959-440X(03)00099-X. PMID 12948769.

[2] „Principles determining the structure of beta-sheet barrels in proteins. I. A theoretical analysis“. Journal of Molecular Biology. 236 (5): 1369–81. March 1994. doi:10.1016/0022-2836(94)90064-7. PMID 8126726.

[3] „Principles determining the structure of beta-sheet barrels in proteins. II. The observed structures“. Journal of Molecular Biology. 236 (5): 1382–400. March 1994. doi:10.1016/0022-2836(94)90065-5. PMID 8126727.

[Liu-4] „Shear numbers of protein beta-barrels: definition refinements and statistics“. Journal of Molecular Biology. 275 (4): 541–5. January 1998. doi:10.1006/jmbi.1997.1501. PMID 9466929.

[pmid28646497-5] „Geometrical principles of homomeric β-barrels and β-helices: Application to modeling amyloid protofilaments“ (PDF). Proteins. 85 (10): 1866–1881. October 2017. doi:10.1002/prot.25341. PMID 28646497.

[Böcskei-6] „Pheromone binding to two rodent urinary proteins revealed by X-ray crystallography“. Nature. 360 (6400): 186–8. November 1992. doi:10.1038/360186a0. PMID 1279439.

[7] „Membrane protein insertion: mixing eukaryotic and prokaryotic concepts“. EMBO Reports. 6 (11): 1023–7. November 2005. doi:10.1038/sj.embor.7400563. PMC 1371041. PMID 16264426.

[Halpern1-8] „Structure and function of the vomeronasal system: an update“ (PDF). Progress in Neurobiology. 70 (3): 245–318. June 2003. doi:10.1016/S0301-0082(03)00103-5. PMID 12951145. Архивирано од изворникот (PDF) на 2017-11-07. Посетено на 2019-03-07.

[Timm1-9] „Structural basis of pheromone binding to mouse major urinary protein (MUP-I)“. Protein Science. 10 (5): 997–1004. May 2001. doi:10.1110/ps.52201. PMC 2374202. PMID 11316880.

[Armstrong1-10] „Structural and functional differences in isoforms of mouse major urinary proteins: a male-specific protein that preferentially binds a male pheromone“. The Biochemical Journal. 391 (Pt 2): 343–50. October 2005. doi:10.1042/BJ20050404. PMC 1276933. PMID 15934926.

[11] „Barrel structures in proteins: automatic identification and classification including a sequence analysis of TIM barrels“. Protein Science. 8 (10): 2072–84. October 1999. doi:10.1110/ps.8.10.2072. PMC 2144152. PMID 10548053.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]