En beta-hårnål (nogle gange også kaldet et beta-bånd eller beta-beta-enhed ) er et simpelt protein- strukturelt motiv , der omfatter to beta-strenge , der ligner en hårnål . Motivet består af to tråde, der støder op i deres primære struktur , orienteret i en antiparallel retning ( N-terminalen af et blad støder op til C-terminalen af det næste), forbundet med en kort sløjfe på to til fem aminosyrer . Beta-hårnåle kan forekomme isoleret eller som en del af en række hydrogenbundne tråde , der tilsammen udgør et betaark .
Efterforskere som Francisco Blanco et al. har brugt protein NMR til at vise, at beta-hårnåle kan dannes ud fra isolerede korte peptider i vandig opløsning, hvilket tyder på, at hårnåle kan danne nukleationssteder til proteinfoldning [1] .
Beta-hårnåle blev oprindeligt klassificeret udelukkende efter antallet af aminosyrerester i deres loop-sekvenser, så de blev kaldt single-rest, two-rest, etc. [2] Dette system er dog noget tvetydigt, fordi det ikke tager højde for om resterne, der signalerer slutningen af hårnålen ved en enkelt eller dobbelt hydrogenbinding til hinanden. Siden da har Milner-White og Poet foreslået en forbedret klassificeringsmetode [3] .
Beta hårnåle er opdelt i fire forskellige klasser. Hver klasse starter med det mindst mulige antal rester i løkken og øger gradvist løkkens størrelse ved at fjerne hydrogenbindinger i beta-arket. En klasse 1 primær hårnål er en enkelt-rest-løkke, hvori de forbundne rester har to hydrogenbindinger. En brintbinding fjernes derefter og danner en tre-rester-løkke, som er en sekundær hårnål af klasse 1. Enkeltbundne rester tælles i løkkesekvens, men signalerer også slutningen af løkken, hvilket definerer denne hårnål som en tre-rest-løkke. . Denne enkelt hydrogenbinding fjernes derefter for at skabe en tertiær hårnål; en løkke på fem rester med dobbeltbundne rester. Dette mønster fortsætter i det uendelige og definerer alle beta-hårnåle inden for en klasse. Klasse 2 følger det samme mønster, startende med en løkke af to rester med terminale rester, der deler to hydrogenbindinger. Klasse 3 starter med tre rester, og klasse 4 starter med fire rester. Klasse 5 eksisterer ikke, fordi denne grundlæggende hårnål allerede er defineret i klasse 1. Dette klassifikationsskema tager ikke kun højde for de forskellige grader af hydrogenbinding, men taler også om hårnålens biologiske adfærd. En enkelt aminosyresubstitution kan bryde en bestemt hydrogenbinding, men vil ikke vende hårnålen eller ændre dens klasse. På den anden side vil insertioner og deletioner af aminosyrer skulle udfolde sig og omarrangere hele beta-kæden for at undgå beta-bule i den sekundære struktur. Dette vil ændre hårnåleklassen i processen. Da substitutioner er de mest almindelige aminosyremutationer, kan et protein potentielt undergå transformation uden at påvirke funktionaliteten af beta-hårnålen [3] .
At forstå mekanismen ved mikrodomænefoldning kan hjælpe med at kaste lys over hele proteiners foldningsmønstre . Forskning på en beta-hårnål kaldet chignolin (se Chignolin i Proteopedia ) har afsløret en trinvis foldeproces, der driver beta-hårnålen. Denne hårnål deler sekvenstræk med over 13.000 kendte hårnåle og kan derfor tjene som en mere generel model for beta-hårnåledannelse. Dannelsen af et naturligt drejningsområde signalerer begyndelsen af foldningskaskaden, hvor den native drejning er den, der er til stede i den endelige foldstruktur.
Når alle proteiner foldes, kan vendingen ikke forekomme i området for den oprindelige vending, men i C-kæden af beta-hårnålen. Denne vending forplanter sig derefter gennem C-strengen (beta-strengen, der fører til C-terminalen), indtil den når regionen af den native vending. Nogle gange er vekselvirkningerne mellem resterne , der fører til regionen af den oprindelige vending, for stærke, hvilket får den til at udfolde sig. Men når der først dannes en naturlig drejning, hjælper interaktioner mellem proliner og tryptofanrester (set på billedet til højre) i området med at stabilisere vendingen, hvilket forhindrer "tilbageføring" eller udfoldelse.
Forskerne mener, at drejninger ikke forekommer i N-strengen på grund af øget stivhed (ofte forårsaget af prolin, der fører til den native turn-region) og færre konformationelle variationer. Dannelsen af den indledende spole sker på cirka 1 μs. Når først den indledende drejning er etableret, er der blevet foreslået to mekanismer til, hvordan resten af beta-hårnålen folder: hydrofobisk kollaps med omarrangering af sidekædeniveauet eller den mere konventionelle lynlåslignende mekanisme [4] .
β-hårnåle-løkkemotivet kan findes i mange makromolekylære proteiner. Små og simple β-hårnåle kan dog eksistere alene. For at se dette tydeligt er Pin1-domæneproteinet vist som et eksempel til venstre.
β-lagsrige proteiner, også kaldet WW-domæner , fungerer ved at binde sig til prolinrige og/eller phosphorylerede peptider og medierer protein-til-protein-interaktioner . "WW" refererer til to tryptofan (W)-rester, der er konserveret i rækkefølge og fremmer foldning af β-ark til dannelse af en lille hydrofob kerne [5] . Tryptofanrester kan ses nedenfor (til højre) i rødt.
Dette enzym binder sin ligand gennem van der Waals-kræfterne fra konserverede tryptofaner og prolinrige områder af liganden. Andre aminosyrer kan derefter binde til den hydrofobe kerne af β-hårnålestrukturen for at sikre pålidelig binding [6] .
Det er også almindeligt at finde prolinrester i løkkedelen af β-hårnålen, da denne aminosyre er stiv og fremmer spiraldannelse. Disse prolinrester kan ses som røde sidekæder i Pin1 WW domænebilledet nedenfor (til venstre).
Designet af peptider, der vedtager en β-hårnålestruktur (uden afhængighed af metalbinding, usædvanlige aminosyrer eller disulfid-tværbindinger) har gjort betydelige fremskridt og givet mulighed for forståelse af proteindynamik. I modsætning til α-helixer stabiliseres β-hårnåle ikke af et regulært mønster af hydrogenbindinger. Som et resultat krævede tidlige forsøg mindst 20-30 aminosyrerester for at opnå stabile β-hårnåle tertiære folder. Denne nedre grænse er imidlertid blevet reduceret til 12 aminosyrer på grund af øget stabilitet på grund af inklusion af tryptophan-tryptophan krydskædepar. To ikke-hydrogenbindingspar af tryptofan har vist sig at parre sig i et lynlåslignende motiv, der stabiliserer β-hårnålestrukturen, mens det stadig lader det forblive vandopløseligt . NMR - strukturen af tryptophan lynlås-β-peptidet ( trpzip ) viser den stabiliserende effekt af gunstige interaktioner mellem tilstødende indolringe [7] .
Syntese af trpzip β-hårnålepeptider inkluderer foto-switches, der letter præcis kontrol af foldning. Nogle aminosyrer erstattes igen af azobenzen , som kan fås til at skifte fra trans til cis ved at udsætte dem for 360 nm lys. Når azobenzendelen er i cis-konformationen, justeres aminosyreresterne korrekt under forudsætning af dannelsen af en β-hårnål. Transkonformationen har dog ikke den korrekte drejningsgeometri for en β-hårnål [8] . Dette fænomen kan bruges til at studere den konformationelle dynamik af peptider ved hjælp af femtosekund absorptionsspektroskopi [8] .
| Sekundær struktur af et protein | ||
|---|---|---|
| Spiraler | ||
| Udvidelser | ||
| Super sekundær struktur | ||