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βシート（βシート、またはβプリーツシート）は、規則的なタンパク質二次構造の一般的なモチーフです。βシートは、少なくとも2つまたは3つの主鎖水素結合によって側方で連結されたβストランド（βストランド）から構成され、一般的にねじれたプリーツ状のシートを形成します。βストランドは、通常3～10アミノ酸長のポリペプチド鎖の断片で、主鎖は伸長したコンフォメーションをとります。βシートの超分子的な会合は、アミロイドーシス、アルツハイマー病、およびその他のタンパク質病で観察される線維およびタンパク質凝集体の形成に関与していると考えられています。
最初のβシート構造は、1930年代にウィリアム・アストベリーによって提唱されました。彼は、平行または逆平行に伸びたβストランドのペプチド結合間に水素結合が存在するという考えを提唱しました。しかし、アストベリーは正確なモデルを構築するために必要なアミノ酸の結合幾何構造に関するデータを持っていませんでした。特に、当時彼はペプチド結合が平面であることを知らなかったためです。 1951年にライナス・ポーリングとロバート・コーリーによって改良版が提唱されました。彼らのモデルは、ペプチド結合の平面性を組み込んでおり、彼らはそれをケト-エノール互変異性化の結果として説明していました。
βストランドの大部分は他のストランドに隣接して配置され、隣接するストランドと広範な水素結合ネットワークを形成します。このネットワークでは、一方のストランドの主鎖にあるN-H基が、隣接するストランドの主鎖にあるC=O基と水素結合を形成します。完全に伸長したβストランドでは、連続する側鎖が交互に真上と真下を向きます。βシート内の隣接するβストランドは、Cα原子が隣接し、側鎖が同じ方向を向くように整列します。βストランドの「プリーツ状」の外観は、Cα原子での四面体化学結合に起因します。たとえば、側鎖が真上を向いている場合、C'への結合は、その結合角が約109.5°であるため、わずかに下向きにならなければなりません。プリーツによって、C α iと C α i + 2の間の距離は約6 Å (0.60 nm )となり、完全に伸長した 2 つのトランスペプチドから予想される7.6 Å (0.76 nm)とは異なります。水素結合したβ ストランド内の隣接する C α原子間の「横方向」の距離は約5 Å (0.50 nm)です。
しかし、βストランドは完全に伸長することはほとんどなく、むしろねじれを示します。エネルギー的に好ましい二面角は( φ , ψ ) = (–135°, 135°)付近(大まかに言うと、ラマチャンドランプロットの左上領域) であり、完全に伸長した構造 ( φ , ψ ) = (–180°, 180°) から大きく乖離しています。[ 2 ]このねじれは、より大きなシート内の個々のβストランドがばらばらにならないように、二面角の交互の変動を伴うことがよくあります。強くねじれたβヘアピンの良い例は、タンパク質BPTIに見られます。
側鎖はプリーツの折り目から外側に向かって伸びており、シートの平面に対してほぼ垂直である。連続するアミノ酸残基は、シートの交互に異なる面上で外側を向いている。
ペプチド鎖はN末端とC末端によって方向性を持つため、βストランドも方向性を持つと言える。タンパク質のトポロジー図では、通常、C末端に向かう矢印で表される。隣接するβストランドは、逆平行、平行、または混合配置で水素結合を形成することができる。
逆平行配置では、連続するβストランドの方向が交互になり、一方のストランドのN末端が次のストランドのC末端に隣接します。これは、カルボニル基とアミン基間のストランド間水素結合が平面になることを可能にするため、ストランド間の安定性が最も高くなる配置です。平面は、これらの基の好ましい配向です。逆平行シートでは、ペプチド主鎖の二面角（φ、ψ）は約（-140°、135°）です。この場合、2つの水素結合したβストランドで2つの原子CαiとCαjが隣接している場合、それらは互いの側鎖ペプチド基と2つの相互主鎖水素結合を形成します。これは、近接水素結合ペアとして知られています。
平行配置では、連続するストランドのすべてのN末端が同じ方向に配向します。この配向は、ストランド間の水素結合パターンに非平面性を導入するため、わずかに不安定になる可能性があります。平行シートの二面角（φ、ψ）は約（-120°、115°）です。モチーフ内で相互作用する平行ストランドが5つ未満であることはまれであり、ストランドの数が少ないと不安定になる可能性があることを示唆していますが、N末端とC末端が整列したストランドは必然的に配列上で非常に離れている必要があるため、平行βシートの形成は根本的に困難です。また、小さなアミロイド形成配列は、一般的に主に平行βシートストランドで構成されるβシート線維に凝集するように見えるため、平行βシートの方が安定している可能性があるという証拠もあります。これは、逆平行の方が安定であれば、逆平行線維が形成されると予想されるからです。
平行βシート構造において、2つの水素結合したβストランド内で2つの原子CαiとCαjが隣接している場合、それらは互いに水素結合を形成しません。むしろ、一方の残基が他方の残基に隣接する残基と水素結合を形成します（ただし、その逆はありません）。例えば、残基iは残基j - 1とj + 1と水素結合を形成することがあります。これは、広い水素結合ペアとして知られています。対照的に、残基jは全く異なる残基と水素結合を形成するか、あるいは全く水素結合を形成しないこともあります。
平行βシートにおける水素結合の配置は、 11個の原子からなるアミド環モチーフにおける配置に類似している。
最後に、個々の鎖は、片側に平行鎖、もう片側に逆平行鎖を持つ混合結合パターンを示す場合がある。このような配置は、配向のランダムな分布が示唆するよりも一般的ではなく、このパターンは逆平行配置よりも不安定であることを示唆している。しかし、バイオインフォマティクス解析では、タンパク質全体には常に多数の他の構造的特徴が存在するため、構造熱力学を抽出するのに常に苦労する。また、タンパク質は折りたたみ速度論と折りたたみ熱力学の両方によって本質的に制約されるため、バイオインフォマティクス解析から安定性を結論付ける際には常に注意が必要である。
βストランドの水素結合は完全である必要はなく、βバルジとして知られる局所的な乱れを示すことがある。
水素結合はシートの平面にほぼ沿っており、ペプチドカルボニル基は連続する残基ごとに交互に異なる方向を向いています。比較のために述べると、 αヘリックスでは連続するカルボニル基は同じ方向を向いています。
大きな芳香族残基（チロシン、フェニルアラニン、トリプトファン）とβ分岐アミノ酸（トレオニン、バリン、イソロイシン）は、βシートの中央のβストランドに多く見られます。異なる種類の残基（プロリンなど）は、βシートの端のストランドに多く見られますが、これはおそらく、凝集やアミロイド形成につながる可能性のあるタンパク質間の「端と端」の結合を避けるためと考えられます。[ 3 ]
βストランドを含む非常に単純な構造モチーフとしてβヘアピンがあり、これは2つの逆平行ストランドが2～5残基の短いループで連結されている構造である。このループのうち1つはグリシンまたはプロリンであることが多く、どちらもタイトターンやβバルジループに必要な二面角コンフォメーションをとることができる。個々のストランドは、αヘリックスを含む可能性のあるより長いループによって、より複雑な方法で連結されることもある。
ギリシャの鍵模様は、4 つの隣接する逆平行ストランドとそれらを連結するループから構成されています。3 つの逆平行ストランドがヘアピンで接続され、4 番目は最初のストランドに隣接し、より長いループで 3 番目に連結されています。このタイプの構造は、タンパク質の折り畳みプロセス中に容易に形成されます。[ 4 ] [ 5 ]これは、ギリシャの装飾美術によく見られるパターンにちなんで名付けられました (メアンダーを参照)。
構成アミノ酸のキラリティにより、すべての鎖は、ほとんどの高次βシート構造で顕著な右巻きのねじれを示します。特に、2つの平行な鎖間の連結ループは、ほぼ常に右巻きの交差キラリティを持ち、これはシート固有のねじれによって強く促進されます。[ 6 ]この連結ループには、しばしばらせん領域が含まれており、その場合はβ-α-βモチーフと呼ばれます。β-α-β-αモチーフと呼ばれる密接に関連するモチーフは、最も一般的に観察されるタンパク質の三次構造であるTIMバレルの基本構成要素を形成します。
2つ以上の連続した逆平行βストランドがヘアピンループで連結された単純な超二次タンパク質トポロジー。[ 8 ] [ 9 ]このモチーフはβシートによく見られ、 βバレルやβプロペラなどのいくつかの構造アーキテクチャで見られます。
タンパク質中のβメアンダー領域の大部分は、ポリペプチド鎖の他のモチーフやセクションに密着しており、折り畳まれた構造の形成を典型的に促進する疎水性コアの一部を形成している。[ 10 ] しかし、注目すべき例外として、従来の疎水性コアが存在しない状態で単層βシートを含むOuter Surface Protein A (OspA) バリアント[ 7 ]やSingle Layer β-sheet Proteins (SLBP) [ 11 ]などがある。これらのβリッチタンパク質は、主にβストランド間の相互作用と、個々のストランドをつなぐターン領域に存在する疎水性相互作用によって安定化される、拡張された単層βメアンダーβシートを特徴としている。
プサイループ（Ψループ）モチーフは、2本の逆平行鎖と、その間に水素結合で繋がれた1本の鎖から構成されます。[ 12 ]単一のΨループには4つの可能な鎖トポロジーがあります。[ 13 ]このモチーフは、その形成につながるプロセスがタンパク質の折り畳み中に起こる可能性が低いことから、まれです。Ψループは、アスパラギン酸プロテアーゼファミリーで最初に同定されました。[ 13 ]
βシートは、オールβ、α+β、α/βドメイン、および全体的な構造が不明瞭な多くのペプチドや小さなタンパク質に存在します。 [ 14 ] [ 15 ]オールβドメインは、 βバレル、βサンドイッチ、βプリズム、βプロペラ、βヘリックスを形成する可能性があります。
βシートのトポロジーは、主鎖に沿った水素結合したβストランドの順序を表します。例えば、フラボドキシンフォールドは、トポロジー21345の5本のストランドからなる平行βシートを持ちます。したがって、端のストランドは、主鎖に沿ったβストランド2とβストランド5です。具体的には、βストランド2はβストランド1と水素結合し、βストランド1はβストランド3と水素結合し、βストランド3はβストランド4と水素結合し、βストランド4はもう一方の端のストランドであるβストランド5と水素結合します。同じシステムにおいて、上述のギリシャ鍵モチーフは4123のトポロジーを持ちます。βシートの二次構造は、ストランドの数、そのトポロジー、および水素結合が平行か逆平行かを示すことで大まかに記述できます。
βシートは、2本の端ストランドを持つオープン型（フラボドキシンフォールドや免疫グロブリンフォールドなど）と、 TIMバレルなどのクローズドβバレルに分類されます。βバレルは、スタッガーまたはせん断によって特徴づけられることがよくあります。オープンβシートの中には、非常に湾曲して折り畳まれるもの（SH3ドメインなど）や、馬蹄形を形成するもの（リボヌクレアーゼ阻害剤など）があります。オープンβシートは、面と面を合わせて（βプロペラドメインや免疫グロブリンフォールドなど）、または端と端を合わせて、1つの大きなβシートを形成することができます。
βシート構造は、伸長したβストランドポリペプチド鎖から構成され、ストランドは水素結合によって隣接するストランドと連結されています。この伸長した主鎖構造のため、βシートは伸長に抵抗します。タンパク質中のβシートは、ラマン分光法[ 16 ]で観察され、準連続体モデル[ 17 ]で解析されたように、低周波のアコーディオンのような動きを行う可能性があります。
βヘリックスは、2つまたは3つの短いβストランドが短いループで連結された繰り返し構造単位から形成されます。これらの単位はらせん状に積み重なり、同じストランドが平行に並んで水素結合を形成します。詳細については、βヘリックスに関する記事を参照してください。
左巻きβヘリックスでは、ストランド自体は非常にまっすぐでねじれていません。結果として生じるらせん表面はほぼ平坦で、右図の1QRE古細菌炭酸脱水酵素のように、正三角形のプリズム形状を形成します。他の例としては、脂質A合成酵素LpxAや、氷の構造を模倣したスレオニン側鎖が片面に規則的に配列した昆虫の不凍タンパク質などがあります。[ 18 ]
右巻きβヘリックスは、左図に示すペクチン酸リアーゼ酵素やP22ファージの尾部スパイクタンパク質に代表されるように、断面が不規則で、長く、片側がくぼんでいます。3つのリンカーループのうち、1つは常に2残基の長さで、他の2つは可変で、結合部位または活性部位を形成するために複雑化されることがよくあります。[ 19 ] 2面βヘリックス（右巻き）は、一部の細菌メタロプロテアーゼに見られます。その2つのループはそれぞれ6残基の長さで、GGXGXD配列モチーフの主鎖とAsp側鎖酸素を使用して、安定化カルシウムイオンを結合して構造の完全性を維持します。[ 20 ]この折り畳みは、 SCOP分類ではβロールと呼ばれます。
アミロイドβ（アミロイドプラークを参照）のように、モノマーとして無秩序またはらせん構造をとるタンパク質の中には、病理学的状態に関連するβシートに富むオリゴマー構造を形成するものがある。アミロイドβタンパク質のオリゴマー形態は、アルツハイマー病の原因として関与している。その構造はまだ完全に解明されていないが、最近のデータでは、珍しい2本鎖βヘリックスに似ている可能性が示唆されている。[ 21 ]
βシート構造に見られるアミノ酸残基の側鎖は、シートの一方の側の隣接する側鎖の多くが疎水性であるのに対し、シートの反対側の隣接する側鎖の多くが極性または荷電（親水性）であるように配置される場合もある[ 22 ]。これは、シートが極性/水性環境と非極性/脂性環境の境界を形成する場合に役立つ可能性がある。
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