Beta vlásenka (někdy také nazývaná stuha beta nebo beta jednotka beta ) je jednoduchý proteinový strukturální motiv , který zahrnuje dva beta řetězce , které vypadají jako vlásenka . Motiv se skládá ze dvou řetězců sousedících v jejich primární struktuře , orientovaných v antiparalelním směru ( N-konec jednoho listu sousedí s C-koncem dalšího listu), spojených krátkou smyčkou dvou až pěti aminokyselin . Beta vlásenky se mohou vyskytovat samostatně nebo jako součást řady vodíkem vázaných řetězců , které dohromady tvoří beta list .
Badatelé, jako Francisco Blanco et al. , použili proteinovou NMR , aby ukázali, že beta vlásenky mohou být vytvořeny z izolovaných krátkých peptidů ve vodném roztoku, což naznačuje, že vlásenky mohou tvořit nukleační místa pro skládání proteinů [1] .
Beta vlásenky byly původně klasifikovány pouze podle počtu aminokyselinových zbytků ve svých smyčkových sekvencích, proto se jim říkalo jednozbytkové, dvouzbytkové atd. [2] Tento systém je však poněkud nejednoznačný, protože nebere v úvahu zda zbytky, které signalizují konec vlásenky jednoduchou nebo dvojnou vodíkovou vazbou k sobě navzájem. Od té doby Milner-White a Poet navrhli vylepšenou metodu klasifikace [3] .
Beta vlásenky jsou rozděleny do čtyř samostatných tříd. Každá třída začíná s nejmenším možným počtem zbytků ve smyčce a postupně zvětšuje velikost smyčky odstraňováním vodíkových vazeb v beta listu. Primární vlásenka třídy 1 je smyčka s jedním zbytkem, ve které mají spojené zbytky dvě vodíkové vazby. Poté je odstraněna jedna vodíková vazba, čímž se vytvoří smyčka se třemi zbytky, která je sekundární vlásenkou třídy 1. Jednoduše vázané zbytky se počítají v sekvenci smyčky, ale také signalizují konec smyčky, čímž se tato vlásenka definuje jako smyčka se třemi zbytky . Tato jednoduchá vodíková vazba je poté odstraněna a vzniká terciární vlásenka; smyčka pěti zbytků s dvojitě navázanými zbytky. Tento vzor pokračuje donekonečna a definuje všechny beta vlásenky v rámci třídy. Třída 2 se řídí stejným vzorem, počínaje smyčkou dvou zbytků s koncovými zbytky, které sdílejí dvě vodíkové vazby. Třída 3 začíná třemi zbytky a třída 4 začíná čtyřmi zbytky. Třída 5 neexistuje, protože tato základní vlásenka je již definována ve třídě 1. Toto klasifikační schéma zohledňuje nejen různé stupně vodíkových vazeb, ale hovoří také o biologickém chování vlásenky. Jediná substituce aminokyseliny může přerušit konkrétní vodíkovou vazbu, ale nezmění vlásenku ani nezmění její třídu. Na druhou stranu, inzerce a delece aminokyselin budou muset rozvinout a přeskupit celý beta řetězec, aby se zabránilo beta vyboulení v sekundární struktuře. Tím se v procesu změní třída vlásenky. Protože substituce jsou nejběžnější mutace aminokyselin, protein může potenciálně podstoupit transformaci bez ovlivnění funkčnosti beta vlásenky [3] .
Pochopení mechanismu skládání mikrodomén může pomoci objasnit vzorce skládání celých proteinů . Výzkum na beta vlásence zvané chignolin (viz Chignolin v Proteopedia ) odhalil postupný proces skládání, který pohání beta vlásenku. Tato vlásenka sdílí sekvenční rysy s více než 13 000 známými vlásenkami, a tak může sloužit jako obecnější model pro tvorbu beta vlásenky. Vytvoření přirozené oblasti obratu signalizuje začátek kaskády skládání, kde přirozený obrat je ten, který je přítomen v konečné struktuře skládání.
Při skládání všech proteinů může dojít k obratu nikoli v oblasti nativního obratu, ale v C-řetězci beta-vlásenky. Tento obrat se pak šíří přes C-vlákno (beta vlákno vedoucí k C-konci), dokud nedosáhne oblasti přirozeného obratu. Někdy jsou interakce zbytků vedoucí do oblasti nativního obratu příliš silné, což způsobuje jeho rozvinutí. Jakmile se však vytvoří nativní zatáčka, interakce mezi proliny a zbytky tryptofanu (viditelné na obrázku vpravo) v této oblasti pomáhají stabilizovat zatáčku a zabraňují „rollbacku“ nebo rozvinutí.
Vědci se domnívají, že v N-vláknu nedochází k obratům kvůli zvýšené tuhosti (často způsobené prolinem vedoucím do oblasti přirozeného obratu) a menšímu počtu konformačních variací. K vytvoření počáteční cívky dochází přibližně za 1 μs. Jakmile byl stanoven počáteční obrat, byly navrženy dva mechanismy, jak se zbytek beta vlásenky složí: hydrofobní kolaps s přeskupením úrovně postranního řetězce nebo konvenčnější mechanismus podobný zipu [4] .
Motiv β-vlásenky lze nalézt v mnoha makromolekulárních proteinech. Malé a jednoduché β-vlásenky však mohou existovat samy o sobě. Abychom to jasně viděli, protein domény Pin1 je zobrazen jako příklad vlevo.
Proteiny bohaté na β-vrstvu, také nazývané WW domény , fungují tak, že se navazují na prolin bohaté a/nebo fosforylované peptidy a zprostředkovávají interakce protein-protein . "WW" označuje dva zbytky tryptofanu (W), které jsou konzervované v sekvenci a podporují skládání β-listů za vzniku malého hydrofobního jádra [5] . Zbytky tryptofanu jsou vidět níže (vpravo) červeně.
Tento enzym váže svůj ligand prostřednictvím van der Waalsových sil konzervovaných tryptofanů a oblastí ligandu bohatých na prolin. Další aminokyseliny se pak mohou vázat na hydrofobní jádro struktury β-vlásenky, aby byla zajištěna spolehlivá vazba [6] .
Je také běžné najít prolinové zbytky v části smyčky β-vlásenky, protože tato aminokyselina je rigidní a podporuje tvorbu spirály. Tyto prolinové zbytky lze vidět jako červené postranní řetězce na obrázku domény Pin1 WW níže (vlevo).
Návrh peptidů, které přijímají strukturu β-vlásenky (bez spoléhání se na kovové vazby, neobvyklé aminokyseliny nebo disulfidové příčné vazby), učinil významný pokrok a umožnil pochopení dynamiky proteinů. Na rozdíl od α-helixů nejsou β-vlásenky stabilizovány pravidelným vzorem vodíkových vazeb. V důsledku toho rané pokusy vyžadovaly alespoň 20-30 aminokyselinových zbytků k dosažení stabilních terciárních záhybů p-vlásenky. Tato spodní hranice však byla snížena na 12 aminokyselin kvůli zvýšené stabilitě díky zahrnutí párů zkřížených řetězců tryptofan-tryptofan. Bylo prokázáno, že dva nevodíkové nevodíkové páry tryptofanu se spojují do motivu podobného zipu, stabilizují strukturu β-vlásenky a zároveň jí umožňují zůstat rozpustnou ve vodě . NMR struktura β-peptidu tryptofanového zipu (trpzip) ukazuje stabilizační účinek příznivých interakcí mezi sousedními indolovými kruhy [ 7] .
Syntéza trpzip β-hairpin peptidů zahrnuje fotospínače, které usnadňují přesnou kontrolu skládání. Některé aminokyseliny jsou zase nahrazeny azobenzenem , který může být přeměněn z trans na cis vystavením světlu o vlnové délce 360 nm. Když je azobenzenová skupina v cis konformaci, aminokyselinové zbytky se správně zarovnají, za předpokladu vytvoření β-vlásenky. Trans konformace však nemá správnou geometrii zatáčky pro β-vlásenku [8] . Tento jev lze využít ke studiu konformační dynamiky peptidů pomocí femtosekundové absorpční spektroskopie [8] .
| Sekundární struktura proteinu | ||
|---|---|---|
| Spirály | ||
| Rozšíření |
| |
| Super sekundární struktura | ||