Beta ravan

Pored alfa heliksa postoji i druga vrsta sekundarne strukture kod proteina a to je ß ravan (ili ß naborana ravan). Ona se sastoji od ß lanaca bočno povezanog sa 3 ili više vodoničnih veza i formira uvijenu nabranu ploču. ß lanac je niz aminokiselina, koji se sastoji od 5 do 10 aminokiselina čiji su peptidni lanci skoro potpuno izduženi. Povezane ß ravni učestvuju u formiranju globularnih i fibrilarnih proteina koji su ispitivani kod mnogih ljudskih bolesti, uključujući Alchajmerovu i bolest ludih krava.

Slika 1: Dijagram ß ravni sa vodoničnim-vezama između lanaca proteina

Nomenklatura uredi

Najčešće korišćeni izraz ß lanac se odnosi na jednolančani niz aminokiselina izdužene konfiguracije i obavijen vodoničnim vezama, nasuprot tome, ß ravan se odnosi na skup lanaca međusobno povezanih vodoničnim vezama. Međutim, izraz ß ravan se ponekad koristi kao sinonim za ß lanac, kao na primer, za jedan segment aminokiseline produžene vodoničnom vezom.

Istorijat uredi

Prve strukture ß ravni je predložio 1930. godine Vilijam Astburi. On je predložio ideju o vodoničnim vezama između peptidnih veza paralelnih ili antiparalelnih izduženih ß lanaca. Ipak, Astburi nije imao neophodne podatke o geometriji veze aminokiselina da bi napravio tačne modele, posebno zato što nije znao da je peptidna veza polarna. Tačniju verziju su predložili 1915. godine Linus Pauling i Robert Kori.

Struktura i orijentacija uredi

Slika 2: Ilustracija paterna vodoničnog vezivanja, predstavljeno sa tačkastim linijama, u antipapalelnim i paralelanim ß ravnima. Atomi kiseonika su obojeni crvenom a azota plavom bojom.

||

Ilustracija paterna vodoničnog vezivanja, predstavljeno sa tačkastim linijama, u antipapalelnim i paralelanim ß ravnima. Atomi kiseonika su obojeni crvenom a azota plavom bojom.

Geometrija uredi

Većina ß lanaca su uređeni tako da u dodiru sa drugim lancima formiraju izduženu mrežu vodoničnih veza sa susednim lancima u kojoj N-H grupe iz kičme jednog lanca uspostavljaju vodonične veze sa C=O grupama iz kičme susednih lanaca. U potpuno izduženom ß lancu dolazi do sukcesivne promene bočnih lanaca uspravljanja i spuštanja itd. Okolni ß lanci u ß ravni su poređani tako da su njihovi C^α atomi u dodiru i njihovi bočni lanci su usmereni u istom pravcu. Naboranost ß lanca je uzrok tetraedarske hemijske veze C^αatoma, npr. kada je bočni lanac usmeren uspravno tada $\mathrm {C^{\prime }}$ mora da bude usmeren blago na dole jer je njen ugao veze otprilike 109.5°. Nabrnost stvara distancu između $\mathrm {C^{\alpha }} _{i}$ i $\mathrm {C_{i+2}^{\alpha }}$ koji otprilike iznosi 6 Å, pre nego 7.6Å(2x3.8Å) koji se očekuje od 2 potpuno izdužene trans peptidne virtualne veze. “Bočno” rastojanje između susednih C^α atoma u vodoničnoj vezi ß lanaca je 5Å.

ß lanaci su retko savršeno izduženi, oni se radije izlažu blagom zaokretu da bi izbegli da izgledaju kao lik u ogledalu svojih komponenata aminokiselina. Energetski su povoljniji diedralni uglovi (φ, ψ) = (–135°, 135°) (široko, gornji levi region Ramašandrovog dijagrama) nastaje iz potpuno izdužene konfiguracije (φ, ψ) = (–180°, 180°).^[1] Zaokret je često povezan sa alternativnim fluktacijama u diedralnim uglovima da bi sprečili da dođe do razdvajanja individualnih ß lanaca u većim ravnima. Dobar primer ovakvog ß zaokreta može se videti u proteinu BPTI.(Aprotinin, poznat i pod nazivom bovine pancreatic trypsin inhibitor, BPTI je protein koji se koristi kao lek, daje se prilikom komplikovanih operacija kao što su operacije srca i jetre da bi se smanjilo krvarenje).

Šeme vodoničnih veza uredi

Pošto su peptidni lanci u direktnoj vezi preko njihovih N-terminus i C-terminus može se reći da su i ß lanci tako povezani. Često su predstavljani u dijagramima topologije proteina sa strelicom koja pokazuje ka C kraju. Susedni ß lanci mogu da urede vodonične veze kao paralelne, antipapalelne i mešovite.

U antiparalelnim, uzatopni ß lanci menjaju pravac tako da N-terminus jednog lanca se nadovezuje na C-terminus sledećeg. Ovo je uređenje koje izaziva najjaču interlančanu stabilnost jer dozvoljava da interlančana vodonična veza između karbonilnih i vodoničnih grupa bude planarna što je njihova poželjnija orijentacija. Diedralni uglovi peptidne kičme su (φ, ψ)= (–140°, 135°) u antiparalelnim ravnima. U ovom slučaju ako su 2 atoma $\mathrm {C_{i}^{\alpha }}$ i $\mathrm {C_{j}^{\alpha }}$ susedna u 2 ß lanca a povezani vodoničnim vezama onda oni formiraju 2 zajedničke kičme vodoničnih veza pored peptidnih grupa od svakog atoma, ovo je poznato kao “blizak par” vodoničnih veza.

U paralelnoj formi svi N terminusi uzastopnih lanaca usmereni su u istom pravcu. Ova orijentacija je nešto manje stabilna jer je nepolarna. Diedralni uglovi ((φ, ψ) su otprilike (–120°, 115°) u paralelnim pločama. Retko je naći manje od 5 paralelnih lanaca koji intereaguju u motivu, što ukazuje na to da je manji broj lanaca možda nestabilan. U ovom slučaju ako su 2 atoma $\mathrm {C_{i}^{\alpha }}$ i $\mathrm {C_{j}^{\alpha }}$ susedni u 2 ß lanca povezani vodoničnim vezama onda se ne vezuju međusobno vodoničnim vezama, češće, jedan bočni kraj se vezuje vodoničnom vezom za drugi (ali ne i suprotno). Npr. bočni par $i$ može da formira vodonične veze sa bočnim krajevima $j-1$ i $j+1$ ; ovo je poznato kao “širok par” vodoničnih veza. Nasuprot tome, bočni par j može da se veže vodoničnim vezama za sve različite bočne grupe ili ni za jednu.

Na kraju, pojedinačan lanac može da postoji kao šema mešavine veza sa paralelnim lancem na jednoj strani i antiparalelnim lancem na drugoj. Ovakvo uređenje je manje uobičajeno nego što bi se pretpostavilo nasumičnom distribucijom orijentacija, što ukazuje na to da je ova šema manje stabilna od antipapalelno uređene.

Povezivanje ß lanca vodoničnim vezama ne mora da bude savršeno; mogu da postoje lokalne smetnje poznate kao ß ispupčenja.

Vodonične veze leže približno u površini ravni, sa peptidnim karbonalnim grupama usmerenim u naizmeničnim pravcima sa naizmeničnim bočnim grupama, poređenja radi, uzastopne karbonilne grupe su usmerene u istom pravcu u alfa- heliksu.

ß paralelna i ß antipapalelna strukrura uredi

ß paralelna i ß antipapalelna struktura se sastoji od susednih polipeptidnih nizova, ili suseno postavljenih delova istog peptidnog polipeptidnog niza, koji su međusobno povezani vodoničnim vezama. Konformacija polipeptidnog niza ova dva oblika ß strukture nešto se razlikuje od konformacije istegnutog polipeptidnog niza (ψ=φ=180° kada su sve peptidne veze u potpuno istegnutoj, tj. Tonus konformaciji), što daje polipeptidnom nizu nabranu strukturu. Kod oba oblika ß struktura sve N-C i C=O grupe su kolinearne tako da se između njih formiraju vodonične veze. Bočne grupe su naizmenično postavljene s jedne, odnosno s druge strane ravni peptidne veze, i u proseku rastojanje između 2 bočne grupe koje se nalaze s iste strane polipeptidnog niza iznosi 7Å. U proseku, dužina jednog segmenta ß strukture iznosi oko 21Å, a u građenju učestvuje 15 aminokiselinskih ostataka. Dužina ß strukture nije strogo definisana i u pojedinim proteinima možemo sresti sekvence koje sadrže 2-15 segmenata, odnosno 30-225 aminokiselinskih ostataka.

Paralelna i antiparalelna ß struktura se razlikuje po orijentaciji vodonično vezanih peptidnih nizova. Kod paralelne strukture susedno, vodonično vezani polipeptidni nizovi su istog smera (C- i N- terminalni krajevi su isto usmereni), dok su kod antiparalelne strukture susedni, vodonično vezani polipeptidni nizovi usmereni (jedan polipeptidni niz je N-C- orijentacije a drugi C-N- orijentacije). Oba oblika ß strukture su približno zastupljena u strukturi proteina, iako je paralelna struktura nešto manje stabilna od antipapalelne. Osim toga, u molekulu proteina se može ostvariti i mešovita paralelna-antiparalelna struktura polipeptidnog niza, ali je ona znatno ređa.

Sklonosti Aminokiselina uredi

Velike aromatične bočne grupe (Thy, Phe i Trp) i ß-razgranate aminokiseline (Thr, Val, Ile) imaju veću verovatnoću da se nađu u okviru ß lanca u sredini ß ravni. Interesantno, različiti tipovi bočnih grupa (kao što je Pro) pre će se naći na kraju lanca ß ravni, verovatno da bi izbegle vezivanja “kraj za kraj” između proteina, koje može da dovede do grupisanja i amiloidne forme.

Česti strukturni motivi uredi

Motivi u strukturi proteina koji su nastali kombinacijom 2 ili više sekundarne sutrukture označavaju se kao super sekundarne strukture. Nastankom ovih struktura koje su zasnovane na vodoničnim vezama, smanjuje se broj mesta slobodnih za nove vodonične veze. Odatle su ove strukture uglavnom u unutrašnjem, nepolarnom delu proteina, daleko od okolne vode koja zahteva slobodna mesta za stvaranje vodoničnih veza.^[2]

Određeni delovi proteinskog molekula mogu formirati specifične domene. Proteinski domeni su lokalno organizovane strukture proteina i jezgro svakog domena se sastoji od serije međusobno povezanih ß ravni ili -heliksne strukture, a veoma često su u kombinaciji ove dve sekundarne sutrukture proteina. S obzirom da postoji mali broj načina kako se mogu kombinovati i ß strukture u globularne strukture, kombinacijom ovih sekundarnih struktura grade se određeni motivi koji se javljaju u proteinima.^[3]

Slika 3: Crtež ß ukosnice

Vrlo jednostavan strukturni motiv koji se pojavljuje kod ß ravni je ß ukosnica, u kojoj su 2 antiparalelna lanca povezana (ß okret) kratkom petljom od 2 do 5 bočnih lanaca, od kojih je jedan najčešće glicin ili prolin, gde oba mogu da prihvate neobičnu konfiguraciju dvostrukog ugla potrebnu za oštar zaokret, odnosno formira se oštro savijanje peptidnog lanca. Međutim, pojedinačni lanci se takođe mogu povezati na složenije načine sa dugačkim petljama koje mogu sadržati alfa heliks ili čak cele proteinske domene.

Motiv Grčkog ključa uredi

Motiv grčkog ključa se sastoji iz 4 susedna antiparalelna lanca i njihovih vezivnih petlji. Sadrži 3 antiparalelna lanca spojena ukosnicom, dok se četvrti graniči sa prvim i sa trećim lancem je spojen sa dužom petljom. Ova vrsta strukture se formira vrlo lako tokom procesa slaganja proteina. Dobio je naziv po čestoj šari na ornamentim Grčke umetnosti.

β-α-β motiv uredi

U ovom motivu su 2 antiparalelne β nabrane ploče povezane delom polipeptida koji je strukture kao α-heliks. Sličan motiv zvan β-α-β-αmotiv čini osnovnu komponentu najčešćeg oblika tercijarna strukture proteina, TIM bure.

Drugi motivi' uredi

Velika raznovrsnost topologije i veza između osnovnih sekundarnih strukturnih elemenata vodi do formiranja različitih proteinskih prevoja. Poznati prevoji koji sadrže ß ravni uključuju ß valjkove, ß propelere i motive želatinasto-uvijenog prevoja. Baza strukturne klasifikacije proteina uključuje posebnu kategoriju za sve ß proteine.

Strukturna građa proteina sa β ravnima uredi

β ravni su prisutne u svim β, α+β and α/β domenima prema tvrđenju strukturne klasifikacije proteina (engl. Structural Classification of Proteinsand - SCOP -je obiman priručnik u kome su klasifikovani strukturni domeni proteina bazirani na sličnostima delova njihovih amino kiselina i trodimenzionalne strukture ) i mnogih peptida ili malih proteina sa slabo definisanom strukturom. Svi β domeni mogu formirati β burad, β sendviče, β przme, β propelere, β helikse.

Strukturna topologija uredi

Topologija ß ravni opisuje raspored vodoničnih veza ß lanaca duž kičme (osnovnog lanca). Na primer, prevoj flavodoksina ima petolančanu, paralelnu ß ravan sa topologijom 21345; stoga, granični lanci su ß lanci 2 i ß lanci 5 duž kičme. Jasnije rečeno, ß lanac 2 je H-vezan sa ß lancem 1, koji je H-vezan sa ß lancem 3, koji je H-vezan sa ß lancem 4, koji je takođe H-vezan sa ß lancem 5, drugim graničnim lancem. Po istom principu, motiv grčkog ključa, opisan gore, ima topologiju 4123. Sekundarna struktura ß ravni može se grubo opisati tako što lancima pripisujemo brojeve, njihovu topologiju, bilo da su njihove vodonične veze paralelne ili antiparalelne.

ß ravni mogu biti otvorene, što znači da imaju dva granična lanca (kao kod prevoja flavodoksina ili prevoja imunoglobulina) ili mogu biti zatvoreni ß bure (kao što je TIM bure). Neke otvorene ß ravni su veoma zakrivljene i savijaju se oko sebe (kao kod SH3 domena) ili obrazuju oblike potkovice (kao kod ribonukleinskih inhibitora). Otvorene ß ravni mogu se sastaviti „licem u lice“ (kao kod beta-propeler domenaili prevoja imunoglobulina) ili „kraj sa krajem“, formirajući jednu veliku ravan

Paralelni ß heliksi uredi

ß heliks je formiran od ponavljajućih strukturnih jedinica koje se sastoje od dva ili tri kratka ß lanca povezanih kratkim petljama. Ove jedinice se “nagomilavaju“ jedna na drugu u obliku spirale tako da dolazi do uzastopnog ponavljanja istog lanca vodoničnih veza u međusobno paralelnoj orijentaciji. Kod ß heliksa, sami lanci su skoro planarni, i rezultujuća površina heliksa je skoro ravna, na primer, formiranje oblika trouglste prizme.

Dvolančani heliks je nađen u enzimu pektate liaze. On ima 2 petlje koje su dužine od po 6 bočnih grupa a da bi održale integritet strukture vezane su jonima stabilizacionog kalcijuma. Složeniji trolančani heliks sadrži tri vezivne petlje, od kojih jedna je tačno dve bočne grupe duga, a druge variraju. Ova struktura je nađena u bakteriofagu P22 tailspikskog proteina.^[4].

ß ravni u patologiji uredi

Neki proteini koji su poremećeni ili spiralni kao monomeri, kao što je amiloid ß (amiloidi su nerešiva vlakna proteina, to su grupe koje imaju posebne strukturne osobine) mogu da formiraju oligomerične strukture bogate ß ravnima što je povezano sa patološkim stanjima. Amiloid ß proteinska oligomerična forma je predstavljena kao uzročnik Alchajmerove bolesti. NJena struktura još treba da se odredi u potpunosti, ali skorašnji podaci ukazuju na to da može da liči na neobičan dvostrukolančani ß heliks.^[5]

Bočni lanci od ostataka amino kiselina nađeni u strukturi ß ravni mogu takođe da budu uređeni tako da mnogi od graničnih bočnih lanaca na jednoj strani ravni su hidrofobični, dok mnogi od onih međusobno susednih na suprotnoj strani ravni su polarni ili naelektrisani (hidrofilični), što može biti korisno ako ravan treba da formira granicu između polarnih/vodnjikavih i nepolarnih/zamućenih okruženja.

Reference uredi

↑ Voet D, Voet JG. (2004). Biochemistry Vol 1 3rd ed. Wiley. See esp. pp 227–231.
↑ Predavanja proteini2, Goran Bačić
↑ Dr Ljubiša Topisirović, Dinamička Biohemija, Beograd 1999. poglave VI, pp. 67
↑ Carl Branden and John Tooze. 1999. Introduction to Protein Structure 2nd ed. Garland Publishing: New York, NY. See esp. pp 20-32 and ch. 5.
↑ Nelson R, Sawaya MR, Balbirnie M, Madsen AO, Riekel C, Grothe R, Eisenberg D. 2005. Structure of the cross-beta spine of amyloid-like fibrils. Nature 435: 773-8.

Literatura uredi

Cooper, J. "Super Secondary Structure - Part II", May 31, 1996. Accessed May 25, 2007.
Structural Classification of Proteins (SCOP) "Open-sided Beta-meander" Arhivirano 2012-02-04 na Wayback Machine-u, October 20, 2006. Accessed May 31, 2007.

Vidi još uredi

Vanjske veze uredi

Interactive model of an anti-parallel β sheet Arhivirano 2012-03-15 na Wayback Machine-u (plug-in required)
Interactive model of a parallel β sheet Arhivirano 2012-07-04 na Wayback Machine-u (plug-in required)
Animated details of β-pleated sheet^{[mrtav link]}

[1] Voet D, Voet JG. (2004). Biochemistry Vol 1 3rd ed. Wiley. See esp. pp 227–231.

[2] Predavanja proteini2, Goran Bačić

[3] Dr Ljubiša Topisirović, Dinamička Biohemija, Beograd 1999. poglave VI, pp. 67

[4] Carl Branden and John Tooze. 1999. Introduction to Protein Structure 2nd ed. Garland Publishing: New York, NY. See esp. pp 20-32 and ch. 5.

[5] Nelson R, Sawaya MR, Balbirnie M, Madsen AO, Riekel C, Grothe R, Eisenberg D. 2005. Structure of the cross-beta spine of amyloid-like fibrils. Nature 435: 773-8.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]