En beta-hårnål (kallas ibland även ett betaband eller beta-beta-enhet ) är ett enkelt proteinstrukturmotiv som inkluderar två beta-strängar som ser ut som en hårnål . Motivet består av två strängar intill i sin primära struktur , orienterade i en antiparallell riktning ( N-änden av ett blad är intill C-änden av nästa), förbundna med en kort slinga på två till fem aminosyror . Beta-hårnålar kan förekomma isolerat eller som en del av en serie vätebundna strängar som tillsammans utgör ett beta-ark .
Utredare som Francisco Blanco et al. har använt protein- NMR för att visa att beta-hårnålar kan bildas från isolerade korta peptider i vattenlösning, vilket tyder på att hårnålar kan bilda kärnbildningsställen för proteinveckning [1] .
Beta-hårnålar klassificerades ursprungligen enbart efter antalet aminosyrarester i deras slingsekvenser, så de kallades för singel-rest, två-rest, etc. [2] Detta system är dock något tvetydigt eftersom det inte tar hänsyn till om resterna som signalerar slutet av hårnålen genom enkel eller dubbel vätebindning till varandra. Sedan dess har Milner-White och Poet föreslagit en förbättrad klassificeringsmetod [3] .
Beta hårnålar är indelade i fyra distinkta klasser. Varje klass börjar med minsta möjliga antal rester i slingan och ökar successivt storleken på slingan genom att ta bort vätebindningar i betaarket. En primär hårnål av klass 1 är en slinga med en enda rest där de sammanlänkade resterna har två vätebindningar. En vätebindning tas sedan bort och bildar en tre-rester-ögla, som är en sekundär hårnål av klass 1. Enkelt bundna rester räknas i slingsekvens, men signalerar också slutet av slingan, vilket definierar denna hårnål som en tre-rester-loop . Denna enkla vätebindning avlägsnas sedan för att skapa en tertiär hårnål; en slinga med fem rester med dubbelt kopplade rester. Detta mönster fortsätter i det oändliga och definierar alla beta-hårnålar inom en klass. Klass 2 följer samma mönster och börjar med en slinga av två rester med terminala rester som delar två vätebindningar. Klass 3 börjar med tre rester och klass 4 börjar med fyra rester. Klass 5 existerar inte eftersom denna grundläggande hårnål redan är definierad i klass 1. Detta klassificeringsschema tar inte bara hänsyn till de olika graderna av vätebindning, utan talar också om hårnålens biologiska beteende. En enda aminosyrasubstitution kan bryta en viss vätebindning, men kommer inte att vända hårnålen eller ändra dess klass. Å andra sidan kommer insättningar och deletioner av aminosyror att behöva vecklas ut och omorganisera hela betakedjan för att undvika betautbuktning i den sekundära strukturen. Detta kommer att förändra hårnålsklassen i processen. Eftersom substitutioner är de vanligaste aminosyramutationerna kan ett protein potentiellt genomgå transformation utan att påverka funktionaliteten hos beta-hårnålen [3] .
Att förstå mekanismen för vikning av mikrodomäner kan bidra till att belysa veckningsmönstren för hela proteiner . Forskning på en beta-hårnål som heter chignolin (se Chignolin i Proteopedia ) har avslöjat en stegvis vikningsprocess som driver beta-hårnålen. Denna hårnål delar sekvensegenskaper med över 13 000 kända hårnålar och kan därför fungera som en mer allmän modell för beta-hårnålsbildning. Bildandet av ett naturligt svängområde signalerar början av vikningskaskaden, där den ursprungliga svängen är den som finns i den slutliga vikningsstrukturen.
När alla proteiner vikas kan svängen inte ske i området för den inhemska svängen, utan i C-kedjan i beta-hårnålen. Denna sväng fortplantar sig sedan genom C-strängen (beta-strängen som leder till C-änden) tills den når regionen för den ursprungliga svängen. Ibland är växelverkan mellan resterna som leder till regionen av den inhemska svängen för stark, vilket gör att den utvecklas. Men när en infödd sväng väl bildas hjälper interaktioner mellan proliner och tryptofanrester (se bilden till höger) i regionen till att stabilisera svängen, vilket förhindrar "återrullning" eller utveckning.
Forskarna tror att vändningar inte förekommer i N-strängen på grund av ökad styvhet (ofta orsakad av prolin som leder till den naturliga vändningsregionen) och färre konformationsvariationer. Bildandet av den initiala spolen sker på ungefär 1 μs. När den första vändningen väl har etablerats har två mekanismer föreslagits för hur resten av beta-hårnålen veck: hydrofob kollaps med omarrangemang av sidokedjenivån, eller den mer konventionella blixtlåsliknande mekanismen [4] .
Motivet med β-hårnålsögla kan hittas i många makromolekylära proteiner. Små och enkla β-hårnålar kan dock existera på egen hand. För att se detta tydligt visas Pin1-domänproteinet som ett exempel till vänster.
β-lagerrika proteiner, även kallade WW-domäner , fungerar genom att binda till prolinrika och/eller fosforylerade peptider, vilket förmedlar protein-till-protein-interaktioner . "WW" hänvisar till två tryptofan (W)-rester som är konserverade i sekvens och främjar vikning av β-ark för att bilda en liten hydrofob kärna [5] . Tryptofanrester kan ses nedan (till höger) i rött.
Detta enzym binder sin ligand genom van der Waals-krafterna av konserverade tryptofaner och prolinrika regioner av liganden. Andra aminosyror kan sedan binda till den hydrofoba kärnan av β-hårnålsstrukturen för att säkerställa tillförlitlig bindning [6] .
Det är också vanligt att hitta prolinrester i ögledelen av β-hårnålen, eftersom denna aminosyra är stel och gynnar spiralbildning. Dessa prolinrester kan ses som röda sidokedjor i Pin1 WW-domänbilden nedan (till vänster).
Utformningen av peptider som antar en β-hårnålsstruktur (utan beroende av metallbindning, ovanliga aminosyror eller disulfidtvärbindningar) har gjort betydande framsteg och möjliggjort förståelse av proteindynamik. Till skillnad från α-helixar stabiliseras inte β-hårnålar av ett regelbundet mönster av vätebindningar. Som ett resultat krävde tidiga försök minst 20-30 aminosyrarester för att uppnå stabila tertiära p-hårnålsveck. Emellertid har denna nedre gräns reducerats till 12 aminosyror på grund av ökad stabilitet på grund av inkluderingen av tryptofan-tryptofan tvärkedjepar. Två icke-vätebindande par av tryptofan har visat sig para sig i ett blixtlåsliknande motiv, vilket stabiliserar β-hårnålsstrukturen samtidigt som det låter den förbli vattenlöslig . NMR - strukturen av tryptofan blixtlås β-peptid (trpzip) visar den stabiliserande effekten av gynnsamma interaktioner mellan intilliggande indolringar [ 7] .
Syntes av trpzip β-hårnålspeptider inkluderar fotoswitchar som underlättar exakt kontroll av vikning. Vissa aminosyror ersätts i sin tur av azobensen , som kan fås att byta från trans till cis genom exponering för 360 nm ljus. När azobensendelen är i cis-konformationen, anpassas aminosyraresterna korrekt, förutsatt att det bildas en β-hårnål. Transkonformationen har dock inte den korrekta svänggeometrin för en β-hårnål [8] . Detta fenomen kan användas för att studera konformationsdynamiken hos peptider med femtosekundabsorptionsspektroskopi [8] .
| Sekundär struktur av ett protein | ||
|---|---|---|
| Spiraler | ||
| Tillägg |
| |
| Supersekundär struktur | ||