Отвори го главното мени

Бета плоча (β-плоча), исто така наречена и β-набрана плоча, е чест мотив на секундарната структура на белковините (протеините). Бета плочите се состојат од бета нишки (β-нишка), кои латерално (странично) се поврзани со најмалку две или три водородни врски на полипептидниот ‘рбет. Бета нишка е дел од полипептиден ланец, најчесто три до десет аминокиселински остатоци долг, кој се наоѓа во издолжена конформација. Супрамолекуларната асоцијација на β-плочите е одговорна за појавата на белковинските агрегати и фибрили кои се забележуваат кај многу болести, особено амилоидозите, како Алцхајмеровата болест.

ИсторијаУреди

 
Пример за 4-верижен антипаралелен фрагмент на β-плоча, од кристалната структура на ензимот каталаза (PDB-датотека 1GWE со резолуција од 0,88 Å). а) Преден поглед, кој ги прикажува антипаралелните водородни врски (точки) помеѓу пептидните NH и CO групи на соседните нишки. Стрелките ја покажуваат насоката на синџирот, а контурите на електронска густина ги прикажуваат не-водородните атоми. Кислородните атоми се црвени топчиња, азотните се сини, а водородните атоми се изоставени заради едноставност; страничните ланци се прикажани само до првиот страничен јаглероден атом (зелен). б) Страничен поглед на двете централни β-нишки во а, покажувајќи го десногирото завртување и набраноста на Cαs и страничните ланци кои наизменично излегуваат од спротивни насоки на плочата.

Структурата на β-плоча за првпат била предложена од англискиот физичар и молекуларен биолог Вилијам Естбури, во 1930-тите години.[1] Тој предложил водородно врзување меѓу пептидните врски на паралелни и антипаралелни, издолжени β-нишки. Меѓутоа, Естбури немал доволно податоци за геометријата на ковалентната врска која се гради меѓу аминокиселините за да можел да постави точни модели, а особено бидејќи во тоа време сè уште не била позната планарноста на пептидната врска. Дури во 1951 година, Лајнус Полинг и Роберт Кори предложиле точен модел за структурата на β-набраната плоча, кој ја инкорпорирал планарноста на пептидната врска.[1] Претходно тие покажале дека планарноста на пептидната врска се должи на кето-енол тавтомеризација.

Структура и ориентацијаУреди

ГеометријаУреди

Мнозинството на β-нишки се подредуваат во близина на други β-нишки и со нив формираат екстензивни водородни врски, така што N-H гругите од полипептидниот ‘рбет на една нишка градат водородни врски со C=O групите од ‘рбетот на соседната нишка.[2] Кај потполно издолжената β-нишка, последователните аминокиселински странични ланци се насочени право нагоре, па право надолу, па повторно право нагоре, итн. Соседните β-нишки во една β-плоча се така порамнети што нивните Cα атоми се наоѓаат еден до друг, а нивните странични ланци се насочени во иста насока. Изгледот на „набраност“ на β-нишките произлегува од тетраедарската геометрија на хемиските врски на Cα атомот; на пример, доколку еден страничен ланец е насочен право нагоре, тогаш хемиската врска за C’ атомот мора да е насочена малку надолу, бидејќи аголот на врската изнесува околу 109.5°.[3] Набраноста прави да растојанието помеѓу Cαi и C αi+2 изнесува околу 6 Å (0.60 nm), а не 7.6 Å (0.76 nm), што би се очекувало од две потполно издолжени транс пептидни виртуелни врски. Страничното растојание помеѓу соседните Cα атоми кај водородно-поврзаните β-нишки изнесува околу 5 Å (0.50 nm).

 
Рамачандранов (φ, ψ) дијаграм, од околу 100,000 податочни точки со висока резолуција, го покажува широкиот, поволен регион околу конформацијата типична за аминокиселинските остатоци на β-плоча.

β-нишките многу ретко се совршено издолжени; наместо тоа, тие најчесто покажуваат благо завртување. Енергетски претпочитаните диедарски агли (φ, ψ) = (-135°, 135°) (горниот лев регион од Рамачандрановиот дијаграм) значително се разликуваат од потполно издолжената конформација (φ, ψ) = (-180°, 180°).[3] Завртувањето најчесто е поврзано со наизменични флуктуации во диедарските агли, што спречува разделување на индивидуалните β-нишки во состав на поголема β-плоча. Типичен пример за исклучително извртена β-шнола (анг. β-hairpin) може да се види во протеинот BPTI (анг. bovine pancreatic trypsin inhibitor).

Аминокиселинските странични ланци се насочени нанадвор од наборите на плочата, скоро под прав агол во однос на рамнината на плочата; последователните аминокиселински остатоци се насочени кон надвор на наизменични лица од плочата.

Шеми на водородно врзувањеУреди

Антипаралелно водородно поврзување кај β-плоча, претставено со испрекинати линии. Кислородните атоми се обоени црвено, а азотните атоми се обоени сино.
Паралелно водородно поврзување кај β-плоча, претставено со испрекинати линии. Кислородните атоми се обоени црвено, а азотните атоми се обоени сино.

Бидејќи полипептидните синџири поседуваат насоченост, која потекнува од N- и C-терминалите, може да се каже дека и β-нишките се насочени. Обично во тополшките протеински дијаграми, насоката на нишките е прикажана со стрелка која е насочена кон C-терминалот. Соседните β-нишки можат да градат водородни врски во антипаралелни, паралелни или мешани аранжмани.[2][3]

Кај антипаралелниот аранжман, последователните β-нишки ги менуваат насоките на тој начин што N-терминалот од едната нишка е соседен со C-терминалот од следната нишка. Овој аранжман е најстабилен од сите, бидејќи обезбедува планарност на водородните врски помеѓу соседните нишки.[3] Диедарските агли на полипептидниот ‘рбет изнесуваат околу (-140°, 135°) кај антипаралелните плочи. Во овој случај, доколку два атома, Cαi и Cαј, се соседни во две водородно-поврзани β-нишки, тогаш тие формираат т.н. близок пар на водородни врски.

Кај паралелниот аранжман, сите N-терминали на последователните нишки се ориентирани во истата насока; оваа ориентација е послаба од антипаралелната бидејќи постои непланарност на водородното поврзување помеѓу соседните нишки.[3] Диедарските агли (φ, ψ) се околу (-120°, 115°) кај паралелните β-плочи. Во структурните мотиви ретко се среќаваат помалку од пет водородно-поврзани паралелни β-нишки, што укажува дека плочата со помал број на нишки не би била доволно стабилна за да се формира. Општо земено, многу потешко е да се формираат паралелни β-плочи отколку антипаралелни β-плочи, бидејќи за N- и C-терминалите да бидат порамнети во структурата, нишките би требало да се оддалечени во секвенцата.

Кај паралелната структура на β-плоча, ако два атома, Cαi и Cαј, се соседни во две водородно-поврзани β-нишки, тогаш тие меѓусебно не се поврзуваат со водородни врски; наместо тоа, еден аминокиселински остаток создава водородни врски со остатоците кои се соседни на другиот остаток (но не обратно). На пример, остатокот i може да формира водородни врски со остатоците j-1 и ј+1; ова се нарекува широк пар на водородни врски. Од друга страна, остатокот ј може водородно да се врзе со било кој друг остаток, или за ниту еден.

На крај, индивидуална нишка може да има мешана шема на водородно врзување, со паралелна нишка од едната страна и антипаралелна нишка од другата страна. Ваквиот аранжман е исто така доста редок кај протеините, што укажува дека веројатно е помалку стабилен од антипаралелниот аранжман.

Водородното врзување на β-нишките не мора да биде совршено, но понекогаш може да се јават локализирани нарушувања во водородните врски наречени β-испакнатини (анг. β-bulges).

Водородните врски лежат приближно на рамнината на плочата, каде пептидните карбонилни групи наизменично се насочени во спротивни насоки; за споредба, последователните карбонилни групи во алфа хеликсот се насочени во иста насока.    

Склоност на аминокиселините за формирање на β-плочаУреди

Големите ароматични остатоци (тирозин, фенилаланин, триптофан) и β-разгранетите аминокиселини (треонин, валин, изолеуцин) често се среќаваат во β-нишките во средината на β-плочите. Разни други остатоци (како што е пролинот) може да се најдат во нишките кои се на работ од β-плочите, веројатно за да се избегне „раб-со-раб“ асоцијацијата помеѓу протеините, која би можела да доведе до агрегација и појава на амилоид.[4]

Чести структурни мотивиУреди

 
β-шнола мотив
 
Грчки клуч мотив

Многу едноставен структурен мотив кој вклучува во својот состав β-плочи е β-шнолата (анг. β-hairpin), во која две антипаралелни нишки се поврзани преку кратка петелка, составена од две до пет аминокиселински остатоци, од кои едниот најчесто е глицин или пролин. И двата остатока можат да завземат конформации на диедарските агли кои се потребни за образување на тесен свијок или петелка на β-испакнатина. Одделните нишки, исто така, можат да бидат поврзани на посложени начини со подолги петелки, кои можат да содржат α-хеликси.

Грчки клуч мотивУреди

Овој мотив се состои од четири соседни антипаралелни нишки и нивните поврзувачки петелки. Тој се состои од три антипаралелни нишки поврзани преку β-шноли, додека четвртиот е во непосредна близина на првиот, а е поврзан со третиот преку подолга петелка. Овој тип на структура многу лесно се создава во текот на процесот на склопување на протеините.[5][6] Мотивот бил именуван по шара која е честа кај старогрчките уметнички дела.

β-α-β мотивУреди

Поради хиралноста на нивните аминокиселински компонентни, сите β-нишки имаат десногиро завртување кое е очигледно кај повеќето β-плочести структури од повисок ред. Особено, поврзувачката петелка помеѓу две паралелни β-нишки речиси секогаш има десногира вкрстена хиралност, која е силно фаворизирана од инхерентното завртување на плочата.[7] Оваа поврзувачка петелка често содржи хеликсен регион, во кој случај се нарекува β-α-β мотив. Блиску сродниот мотив, наречен β-α-β-α мотив, ја формира основната компонента на најчесто забележаната терциерна структура на протеините, TIM цилиндерот (анг. TIM barrel).

 
Мотив на β-меандра од протеин А

Мотив на β-меандраУреди

Овој мотив претставува едноставна суперсекундарна протеинска топологија, составена од две или повеќе последователни антипаралелни β-нишки кои се поврзани меѓусебе со β-шноли.[8][9] Овој мотив е чест кај β-плочите и може да се најде во неколку структурни архитектури, вклучувајќи ги β-цилиндрите (анг. β-barrel) и β-пропелерите (анг. β-propeller).

 
Пси-петелка мотив од карбоксипептидаза А

Пси-петелка мотивУреди

Мотивот пси-петелка (Ψ-петелка) се состои од две антипаралелни нишки меѓу кои има уште една нишка, која е поврзана со двете преку водородни врски.[10] Постојат четири можни топологии на нишките кај една Ψ-петелка.[11] Овој мотив е редок бидејќи процесот што резултира со негово формирање малку е веројатно да се одвие за време на процесот на склопување на протеините. Ψ-петелката првпат била идентификувана во протеинската фамилија на протеази на аспарагинска киселина.[11]

Структурни архитектури на белковините со β-плочиУреди

β-плочите се присутни во исклучиво-β, α+β и α/β домените, како и во многу пептиди или мали протеини со слабо дефинирана севкупна архитектура.[12][13] Исклучиво-β домените може да формираат β-цилиндри, β-сендвичи, β-пропелери и β-хеликси.

Структурна топологијаУреди

Топологијата на β-плочата го опишува редоследот на водородно-поврзаните β-нишки долж полипептидниот ‘рбет. На пример, флаводоксинскиот склоп има β-плоча составена од пет паралелни нишки со топологија 21345; што означува дека рабните нишки се β-нишка 2 и β-нишка 5 долж полипептидниот ‘рбет. Изразено експлицитно, β-нишката 2 водородно е врзана за β-нишката 1, која водородно е врзана за β-нишката 3, која водородно е врзана за β-нишката 4, која водородно е врзана за β-нишката 5. Во истиот систем, мотивот грчки клуч, опишан погоре, има 4123 топологија. Секундарната структура на β-плочата може грубо да се опише со давање на бројот на нишки, нивната топологија и дали нивните водородни врски се паралелни или антипаралелни.

β-плочите можат да бидат отворени, што значи дека имаат две рабни нишки (како кај флаводоксинскиот склоп или имуноглобулинскиот склоп) или можат да бидат затворени β-цилиндри (како што е TIM цилиндерот). Некои отворени β-плочи се многу закривени и се свиткуваат околу себе (како кај SH3 доменот) или формираат потковични форми (како кај рибонуклеазниот инхибитор). Отворените β-плочи можат да се состават лице-в-лице (како β-пропелер доменот или имуноглобулинскиот склоп) или раб-до-раб, формирајќи една голема β-плоча.

Динамички особиниУреди

β-набраните плочи се изградени од издолжени полипептидни синџири на β-нишки, каде нишките се поврзуваат со своите соседи преку водородни врски. Поради издолжената конформација на ‘рбетот на полипептидниот синџир, β-плочите се спротивставуваат на истегнување. β-плочите во протеините може да покажуваат ниско-фреквентно движење, слично на движењето на хармоника, што било набљудувано со Раманова спектроскопија[14] и анализирано со квази-континуум моделот.[15]

Паралелни β-хеликсиУреди

 
Триаголен, левогир β-хеликс (PDB: 1QRE )

Бета хеликсот (β-хеликс) е формиран од повторувачки структурни единици кои се состојат од две или три куси β-нишки поврзани со кратки петелки. Овие структурни единици се „напластуваат“ една врз друга во облик на хеликс, на тој начин што последователните повторувања на истата нишка се поврзуваат меѓусебе со водородни врски во паралелна ориентација.

Кај левогирите β-хеликси, самите нишки се сосема прави и неизвиени; резултирачките хеликсни површини се речиси рамни, со што се добива форма на правилна триаголна призма, каков што е примерот прикажан десно на 1QRE архејската карбонска анхидраза. Други примери се LpxA ензимот за синтеза на липид А и инсектните антифриз протеини со правилна низа од треонински (Thr) странични ланци на едното лице, кои ја имитираат структурата на мразот.[16]

 
Триаголен, десногир β-хеликс (PDB: 2PEC )

Десногирите β-хеликси, чиј репрезентативен претставник е ензимот пектатна лиаза, прикажан од лево, или протеинот на P22 бактериофагот, имаат помалку правилен пресек, подолг и вовлечен на една од страните; од трите линкер петелки, едната е секогаш долга само два остатоци, а другите се варијабилни, често елаборирани за да формираат врзувачко или активно место.

Двостран β-хеликс (десногир) се среќава кај некои бактериски металопротеази; неговите две петелки се долги шест остатоци и се врзуваат за стабилизирачки калциумови јони за да им се одржи интегритетот на структурата, со користење на полипептидниот 'рбет и кислородните атоми од страничниот ланец на аспарагинска киселина (Asp), кој е дел од GGXGXD секвенцискиот мотив.[17] Овој склоп се нарекува β-ролна во SCOP класификацијата.

Во патологијатаУреди

Некои протеини кои се неструктурирани или хеликсни како мономери, како што е амилоидот β, можат да формираат олигомерни структури богати со β-плочи, кои се поврзани со патолошки состојби. Олигомерната форма на амилоид β протеинот се смета дека се јавува кај Алцхајмеровата болест. Нејзината структура допрва треба да се утврди во целост, но неодамнешните податоци сугерираат дека таа може да личи на невообичаен двоверижен β-хеликс.[18]

ПоврзаноУреди

НаводиУреди

  1. 1,0 1,1 Dubey, R. C. (2014) (на en). Advanced Biotechnology. S. Chand Publishing. стр. 477. ISBN 9788121942904. https://books.google.mk/books?id=SKgrDAAAQBAJ&pg=PA477&lpg=PA477&dq=William+Astbury+beta&source=bl&ots=FPLzAvGjLr&sig=zIcT-8eSkd2GZQSOLQDDjJSYvXk&hl=en&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=William%20Astbury%20beta&f=false. 
  2. 2,0 2,1 Nelson, David L.; Cox, Michael M. (2017-01-01) (на English). Lehninger Principles of Biochemistry (Seventh edition издание). New York NY: W. H. Freeman. ISBN 9781464126116. https://www.amazon.com/Lehninger-Principles-Biochemistry-David-Nelson/dp/1464126119/ref=dp_ob_title_bk. 
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Finkelstein, Alexei V.; Ptitsyn, Oleg (2016-07-12) (на English). Protein Physics: A Course of Lectures (2 edition издание). Amsterdam Boston Heidelberg London: Academic Press. ISBN 9780128096765. https://www.amazon.com/Protein-Physics-Second-Condensed-Biomaterials/dp/0128096764. 
  4. Richardson, Jane S.; Richardson, David C. (5 март 2002 г). Natural beta-sheet proteins use negative design to avoid edge-to-edge aggregation. „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ том  99 (5): 2754–2759. doi:10.1073/pnas.052706099. ISSN 0027-8424. PMID 11880627. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11880627. 
  5. „SWISS-MODEL | Course | Tertiary Protein Structure and Folds“. swissmodel.expasy.org. конс. 2018-10-25. 
  6. Hutchinson, E. G.; Thornton, J. M. (1 април 1993 г). The Greek key motif: extraction, classification and analysis. „Protein Engineering“ том  6 (3): 233–245. ISSN 0269-2139. PMID 8506258. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8506258. 
  7. The Anatomy and Taxonomy of Protein Structure (на en). „Advances in Protein Chemistry“ том  34: 167–339. 1 јануари 1981 г. doi:10.1016/S0065-3233(08)60520-3. ISSN 0065-3233. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0065323308605203. 
  8. „SCOP: Fold: triple barrel“. scop.mrc-lmb.cam.ac.uk. конс. 2018-10-25. 
  9. „PPS '96 - Super Secondary Structure“. www.cryst.bbk.ac.uk. конс. 2018-10-25. 
  10. Hutchinson, E. G.; Thornton, J. M. (1 февруари 1996 г). PROMOTIF--a program to identify and analyze structural motifs in proteins. „Protein Science: A Publication of the Protein Society“ том  5 (2): 212–220. doi:10.1002/pro.5560050204. ISSN 0961-8368. PMID 8745398. PMC: PMC2143354. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8745398. 
  11. 11,0 11,1 Hutchinson, E. G.; Thornton, J. M. (1990 г). HERA--a program to draw schematic diagrams of protein secondary structures. „Proteins“ том  8 (3): 203–212. doi:10.1002/prot.340080303. ISSN 0887-3585. PMID 2281084. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2281084. 
  12. Hubbard, T. J.; Murzin, A. G.; Brenner, S. E.; Chothia, C. (1 јануари 1997 г). SCOP: a structural classification of proteins database. „Nucleic Acids Research“ том  25 (1): 236–239. ISSN 0305-1048. PMID 9016544. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9016544. 
  13. Fox, Naomi K.; Brenner, Steven E.; Chandonia, John-Marc (1 јануари 2014 г). SCOPe: Structural Classification of Proteins--extended, integrating SCOP and ASTRAL data and classification of new structures. „Nucleic Acids Research“ том  42 (Database issue): D304–309. doi:10.1093/nar/gkt1240. ISSN 1362-4962. PMID 24304899. PMC: PMC3965108. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24304899. 
  14. Painter, P. C.; Mosher, L. E.; Rhoads, C. (1 јули 1982 г). Low-frequency modes in the Raman spectra of proteins. „Biopolymers“ том  21 (7): 1469–1472. doi:10.1002/bip.360210715. ISSN 0006-3525. PMID 7115900. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7115900. 
  15. Chou, K. C. (1 август 1985 г). Low-frequency motions in protein molecules. Beta-sheet and beta-barrel. „Biophysical Journal“ том  48 (2): 289–297. doi:10.1016/S0006-3495(85)83782-6. ISSN 0006-3495. PMID 4052563. PMC: PMC1329320. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4052563. 
  16. Liou, Y. C.; Tocilj, A.; Davies, P. L.; Jia, Z. (20 јули 2000 г). Mimicry of ice structure by surface hydroxyls and water of a beta-helix antifreeze protein. „Nature“ том  406 (6793): 322–324. doi:10.1038/35018604. ISSN 0028-0836. PMID 10917536. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10917536. 
  17. Baumann, U.; Wu, S.; Flaherty, K. M.; McKay, D. B. (1 септември 1993 г). Three-dimensional structure of the alkaline protease of Pseudomonas aeruginosa: a two-domain protein with a calcium binding parallel beta roll motif. „The EMBO journal“ том  12 (9): 3357–3364. ISSN 0261-4189. PMID 8253063. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8253063. 
  18. Nelson, Rebecca; Sawaya, Michael R.; Balbirnie, Melinda; Madsen, Anders Ø; Riekel, Christian; Grothe, Robert; Eisenberg, David (9 јуни 2005 г). Structure of the cross-beta spine of amyloid-like fibrils. „Nature“ том  435 (7043): 773–778. doi:10.1038/nature03680. ISSN 1476-4687. PMID 15944695. PMC: PMC1479801. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15944695. 

ЛитератураУреди

Надворешни врскиУреди