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La lámina beta ( lámina β , también lámina β-plisada ) es un motivo común de la estructura secundaria de la proteína regular . Las láminas beta consisten en hebras beta ( hebras β ) conectadas lateralmente por al menos dos o tres enlaces de hidrógeno principales , formando una lámina plisada y generalmente retorcida. Una cadena β es un tramo de cadena polipeptídica que normalmente tiene de 3 a 10 aminoácidos de longitud con un esqueleto en una conformación extendida . La asociación supramolecular de láminas β se ha implicado en la formación de fibrillas y agregados de proteínas observados en la amiloidosis , la enfermedad de Alzheimer y otras proteinopatías .
La primera estructura de lámina β fue propuesta por William Astbury en la década de 1930. Propuso la idea de enlaces de hidrógeno entre los enlaces peptídicos de cadenas β extendidas paralelas o antiparalelas. Sin embargo, Astbury no tenía los datos necesarios sobre la geometría del enlace de los aminoácidos para construir modelos precisos, especialmente porque entonces no sabía que el enlace peptídico era plano. Linus Pauling y Robert Corey propusieron una versión refinada en 1951. Su modelo incorporaba la planaridad del enlace peptídico que previamente explicaron como resultado de la tautomerización ceto-enol .
La mayoría de las cadenas β están dispuestas adyacentes a otras cadenas y forman una extensa red de enlaces de hidrógeno con sus vecinas en la que los grupos N-H en la columna vertebral de una cadena establecen enlaces de hidrógeno con los grupos C=O en la columna vertebral de la cadena adyacente. hebras. En la cadena β completamente extendida, las sucesivas cadenas laterales apuntan hacia arriba y hacia abajo en un patrón alterno. Las cadenas β adyacentes en una lámina β están alineadas de modo que sus átomos de C α son adyacentes y sus cadenas laterales apuntan en la misma dirección. La apariencia "plisada" de las cadenas β surge del enlace químico tetraédrico en el átomo de C α ; por ejemplo, si una cadena lateral apunta hacia arriba, entonces los enlaces a C′ deben apuntar ligeramente hacia abajo, ya que su ángulo de enlace es de aproximadamente 109,5°. El plisado provoca que la distancia entre Cα
yoy Cα
i + 2para ser aproximadamente 6 Å (0,60 nm ), en lugar de los 7,6 Å (0,76 nm) esperados de dos péptidos trans completamente extendidos . La distancia "lateral" entre átomos de C α adyacentes en cadenas β unidas por enlaces de hidrógeno es aproximadamente 5 Å (0,50 nm).
Sin embargo, las cadenas β rara vez están perfectamente extendidas; más bien, exhiben un giro. Los ángulos diédricos energéticamente preferidos cerca de ( φ , ψ ) = (–135°, 135°) (en términos generales, la región superior izquierda del gráfico de Ramachandran ) divergen significativamente de la conformación completamente extendida ( φ , ψ ) = (–180°, 180°). [1] La torsión a menudo se asocia con fluctuaciones alternas en los ángulos diédricos para evitar que las hebras β individuales en una hoja más grande se separen. Un buen ejemplo de horquilla β fuertemente retorcida se puede observar en la proteína BPTI .
Las cadenas laterales apuntan hacia afuera desde los pliegues de los pliegues, aproximadamente perpendicularmente al plano de la hoja; los sucesivos residuos de aminoácidos apuntan hacia afuera en caras alternas de la hoja.
Debido a que las cadenas peptídicas tienen una direccionalidad conferida por sus extremos N y C , también se puede decir que las cadenas β son direccionales. Por lo general, se representan en los diagramas de topología de proteínas mediante una flecha que apunta hacia el extremo C. Las cadenas β adyacentes pueden formar enlaces de hidrógeno en disposiciones antiparalelas, paralelas o mixtas.
En una disposición antiparalela, las sucesivas cadenas β alternan direcciones de modo que el extremo N de una cadena es adyacente al extremo C de la siguiente. Esta es la disposición que produce la mayor estabilidad entre cadenas porque permite que los enlaces de hidrógeno entre carbonilos y aminas sean planos, que es su orientación preferida. Los ángulos diédricos de la columna vertebral del péptido ( φ , ψ ) son aproximadamente (–140 °, 135 °) en láminas antiparalelas. En este caso, si dos átomos Cα
yoy Cαj
_son adyacentes en dos cadenas β unidas por enlaces de hidrógeno , luego forman dos enlaces de hidrógeno principales mutuos con los grupos peptídicos flanqueantes de cada uno ; esto se conoce como un par cercano de enlaces de hidrógeno.
En una disposición paralela, todos los extremos N de hebras sucesivas están orientados en la misma dirección; esta orientación puede ser ligeramente menos estable porque introduce una falta de planaridad en el patrón de enlaces de hidrógeno entre hebras. Los ángulos diédricos ( φ , ψ ) son aproximadamente (–120°, 115°) en láminas paralelas. Es raro encontrar menos de cinco hebras paralelas interactuando en un motivo, lo que sugiere que un número menor de hebras puede ser inestable; sin embargo, también es fundamentalmente más difícil que se formen láminas β paralelas porque las hebras con los extremos N y C alineados necesariamente deben estar muy distante en secuencia [ cita necesaria ] . También hay evidencia de que las láminas β paralelas pueden ser más estables ya que las pequeñas secuencias amiloidogénicas generalmente parecen agregarse en fibrillas de láminas β compuestas principalmente de hebras de láminas β principalmente paralelas, donde se esperaría que hubiera fibrillas antiparalelas si las antiparalelas fueran más estables. .
En estructura de hoja β paralela, si dos átomos Cα
yoy Cαj
_son adyacentes en dos cadenas β unidas por enlaces de hidrógeno , entonces no forman enlaces de hidrógeno entre sí; más bien, un residuo forma enlaces de hidrógeno con los residuos que flanquean al otro (pero no al revés). Por ejemplo, el residuo i puede formar enlaces de hidrógeno con los residuos j - 1 y j + 1; esto se conoce como par ancho de enlaces de hidrógeno. Por el contrario, el residuo j puede formar enlaces de hidrógeno con residuos completamente diferentes o con ninguno en absoluto.
La disposición de los enlaces de hidrógeno en la hoja beta paralela se parece a la de un motivo de anillo de amida con 11 átomos.
Finalmente, una hebra individual puede presentar un patrón de unión mixto, con una hebra paralela en un lado y una hebra antiparalela en el otro. Tales arreglos son menos comunes de lo que sugeriría una distribución aleatoria de orientaciones, lo que sugiere que este patrón es menos estable que el arreglo antiparalelo; sin embargo, el análisis bioinformático siempre tiene dificultades para extraer la termodinámica estructural, ya que siempre hay muchas otras características estructurales presentes en las proteínas completas. Además, las proteínas están inherentemente limitadas por la cinética de plegamiento y por la termodinámica de plegamiento, por lo que siempre se debe tener cuidado al concluir la estabilidad a partir del análisis bioinformático.
Los enlaces de hidrógeno de las cadenas β no tienen por qué ser perfectos, pero pueden presentar interrupciones localizadas conocidas como protuberancias β .
Los enlaces de hidrógeno se encuentran aproximadamente en el plano de la lámina, con los grupos carbonilo peptídico apuntando en direcciones alternas con residuos sucesivos; a modo de comparación, los carbonilos sucesivos apuntan en la misma dirección en la hélice alfa .
Se prefiere que se encuentren grandes residuos aromáticos ( tirosina , fenilalanina , triptófano ) y aminoácidos β-ramificados ( treonina , valina , isoleucina ) en las cadenas β en el medio de las hojas β. Es probable que se encuentren diferentes tipos de residuos (como la prolina ) en las hebras de los bordes de las láminas β, presumiblemente para evitar la asociación "de borde a borde" entre proteínas que podría conducir a la agregación y la formación de amiloide . [2]
Un motivo estructural muy simple que involucra láminas β es la horquilla β , en la que dos hebras antiparalelas están unidas por un bucle corto de dos a cinco residuos, de los cuales uno es frecuentemente una glicina o una prolina , las cuales pueden asumir el diédrico. -Conformaciones de ángulo requeridas para un giro cerrado o un bucle de abultamiento β . Las hebras individuales también se pueden unir de formas más elaboradas con bucles más largos que pueden contener hélices α .
El motivo clave griego consta de cuatro hebras antiparalelas adyacentes y sus bucles de unión. Consta de tres hebras antiparalelas conectadas mediante horquillas, mientras que la cuarta está adyacente a la primera y unida a la tercera por un bucle más largo. Este tipo de estructura se forma fácilmente durante el proceso de plegamiento de proteínas . [3] [4] Debe su nombre a un patrón común en las obras de arte ornamentales griegas (ver meandro ).
Debido a la quiralidad de los aminoácidos que los componen, todas las hebras presentan una torsión a la derecha evidente en la mayoría de las estructuras de láminas β de orden superior. En particular, el bucle de unión entre dos hilos paralelos casi siempre tiene una quiralidad cruzada hacia la derecha, que se ve fuertemente favorecida por la torsión inherente de la hoja. [5] Este bucle de enlace contiene frecuentemente una región helicoidal, en cuyo caso se denomina motivo β-α-β. Un motivo estrechamente relacionado llamado motivo β-α-β-α forma el componente básico de la estructura terciaria de proteínas más comúnmente observada , el barril TIM .
Una topología de proteína supersecundaria simple compuesta por dos o más cadenas β antiparalelas consecutivas unidas entre sí mediante bucles en horquilla . [7] [8] Este motivo es común en las láminas β y se puede encontrar en varias arquitecturas estructurales, incluidos los barriles β y las hélices β .
La gran mayoría de las regiones de meandros β en las proteínas se encuentran empaquetadas contra otros motivos o secciones de la cadena polipeptídica, formando porciones del núcleo hidrofóbico que canónicamente impulsa la formación de la estructura plegada. [9] Sin embargo, varias excepciones notables incluyen las variantes de la proteína A de la superficie exterior (OspA) [6] y las proteínas de lámina β de una sola capa (SLBP) [10] que contienen láminas β de una sola capa en ausencia de un hidrofóbico tradicional. centro. Estas proteínas ricas en β presentan láminas β de meandro β de una sola capa extendidas que se estabilizan principalmente mediante interacciones entre cadenas β e interacciones hidrófobas presentes en las regiones de giro que conectan las cadenas individuales.
El motivo del bucle psi (Ψ-loop) consta de dos hebras antiparalelas con una hebra en el medio que está conectada a ambas mediante enlaces de hidrógeno. [11] Hay cuatro topologías de hebras posibles para bucles Ψ únicos. [12] Este motivo es raro ya que parece poco probable que el proceso que resulta en su formación ocurra durante el plegamiento de proteínas. El bucle Ψ se identificó por primera vez en la familia de proteasas aspárticas . [12]
Las láminas β están presentes en todos los dominios β , α+β y α/β , y en muchos péptidos o proteínas pequeñas con una arquitectura general mal definida. [13] [14] Los dominios totalmente β pueden formar barriles β , sándwiches β , prismas β, hélices β y hélices β .
La topología de una hoja β describe el orden de las cadenas β unidas por enlaces de hidrógeno a lo largo de la columna vertebral. Por ejemplo, el pliegue de flavodoxina tiene una hoja β paralela de cinco hebras con topología 21345; por tanto, las hebras de borde son la hebra β 2 y la hebra β 5 a lo largo de la columna vertebral. Explicado explícitamente, la cadena β 2 está unida por H a la cadena β 1, que está unida por H a la cadena β 3, que está unida por H a la cadena β 4, que está unida por H a la cadena β 5. , el otro hilo del borde. En el mismo sistema, el motivo clave griego descrito anteriormente tiene una topología 4123. La estructura secundaria de una lámina β se puede describir de forma aproximada dando el número de hebras, su topología y si sus enlaces de hidrógeno son paralelos o antiparalelos.
Las láminas β pueden ser abiertas , lo que significa que tienen dos hebras de borde (como en el pliegue de flavodoxina o el pliegue de inmunoglobulina ) o pueden ser barriles β cerrados (como el barril TIM ). Los barriles β a menudo se describen por su escalonamiento o corte . Algunas láminas β abiertas son muy curvadas y se pliegan sobre sí mismas (como en el dominio SH3 ) o forman forma de herradura (como en el inhibidor de ribonucleasa ). Las láminas β abiertas se pueden ensamblar cara a cara (como el dominio de hélice β o el pliegue de inmunoglobulina ) o de borde a borde, formando una lámina β grande.
Las estructuras de láminas β-plisadas están formadas por cadenas polipeptídicas de hebras β extendidas, con hebras unidas a sus vecinas mediante enlaces de hidrógeno . Debido a esta conformación extendida de la columna vertebral, las láminas β resisten el estiramiento . Las láminas β de las proteínas pueden realizar movimientos de acordeón de baja frecuencia, como se observa mediante espectroscopia Raman [15] y se analiza con el modelo cuasi continuo. [dieciséis]
Una hélice β se forma a partir de unidades estructurales repetidas que constan de dos o tres hebras β cortas unidas por bucles cortos. Estas unidades se "apilan" una encima de otra en forma helicoidal, de modo que las sucesivas repeticiones de la misma hebra forman enlaces de hidrógeno entre sí en una orientación paralela. Consulte el artículo sobre hélice β para obtener más información.
En las hélices β zurdas, las hebras son bastante rectas y desenredadas; las superficies helicoidales resultantes son casi planas y forman un prisma triangular regular , como se muestra para la anhidrasa carbónica arqueal 1QRE a la derecha. Otros ejemplos son la enzima de síntesis de lípido A LpxA y las proteínas anticongelantes de insectos con una serie regular de cadenas laterales Thr en una cara que imitan la estructura del hielo. [17]
Las hélices β derechas, tipificadas por la enzima pectato liasa que se muestra a la izquierda o la proteína de cola del fago P22 , tienen una sección transversal menos regular, más larga y con sangría en uno de los lados; De los tres bucles enlazadores, uno tiene consistentemente solo dos residuos de longitud y los otros son variables, a menudo elaborados para formar un sitio activo o de unión. [18] En algunas metaloproteasas
bacterianas se encuentra una hélice β de dos lados (diestra) ; sus dos bucles tienen cada uno seis residuos de largo y se unen a iones de calcio estabilizadores para mantener la integridad de la estructura, utilizando el esqueleto y los oxígenos de la cadena lateral de Asp de un motivo de secuencia GGXGXD. [19] Este pliegue se denomina β-roll en la clasificación SCOP.
Algunas proteínas que están desordenadas o helicoidales como monómeros, como la β amiloide (ver placa amiloide ) pueden formar estructuras oligoméricas ricas en láminas β asociadas con estados patológicos. "La forma oligomérica de la proteína β amiloide está implicada como causa del Alzheimer ". Su estructura aún no se ha determinado por completo, pero datos recientes sugieren que puede parecerse a una inusual hélice β de dos hebras. [20]
Las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos que se encuentran en una estructura de lámina β también pueden estar dispuestas de manera que muchas de las cadenas laterales adyacentes en un lado de la lámina sean hidrófobas, mientras que muchas de las adyacentes entre sí en el lado alternativo de la lámina. son polares o cargados (hidrófilos), [21] , lo que puede ser útil si la lámina forma un límite entre ambientes polares/acuosos y no polares/grasosos.
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