ベータシート

ベータシート（βシート、βプリーツシートとも呼ばれる）は、通常のタンパク質の二次構造の一般的なモチーフです。ベータシートは、少なくとも2つまたは3つのバックボーン水素結合によって横方向に結合したベータストランド（βストランド）で構成され、一般的にねじれたプリーツシートを形成します。βストランドは、通常、バックボーンが拡張された立体配座にある、 3〜10アミノ酸の長さのポリペプチド鎖のストレッチです。βシートの超分子的会合は、アミロイドーシス、 アルツハイマー病、その他のタンパク質障害で観察される原線維とタンパク質凝集体の形成に関係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、平行または反平行に伸びたβストランドのペプチド結合間の水素結合というアイデアを提唱しました。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形状のデータを持っていませんでした。特に、当時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。改良版は、ライナス・ポーリングとロバート・コーリーによって1951年に提唱されました。彼らのモデルには、ケト-エノール互変異性化の結果であると以前に説明されていたペプチド結合の平面性が組み込まれていました。

β ストランドの大部分は、他のストランドと隣接して配置され、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、 1 つのストランドのバックボーンのN-H基が、隣接するストランドのバックボーンのC=O基と水素結合を確立します。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っ直ぐ上向きと真っ直ぐ下向きになります。β シート内の隣接する β ストランドは、C ^α原子が隣接し、側鎖が同じ方向を向くように配置されます。β ストランドの「プリーツ」の外観は、C ^α原子での四面体化学結合によって生じます。たとえば、側鎖が真っ直ぐ上向きの場合、結合角は約 109.5° であるため、C′ への結合はわずかに下向きになります。プリーツにより、C 間の距離が短くなります。^α
_iおよびC^α
_{i + 2}2つの完全に伸長したトランスペプチドから予想される7.6 Å (0.76 nm)ではなく、約6 Å (0.60 nm)である 。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」距離は、およそ5 Å (0.50 nm)である。

しかし、βストランドが完全に伸びることは稀で、ねじれが見られます。エネルギー的に好ましい二面角（ φ、  ψ ）＝（–135°、135°）付近（大まかに言えば、ラマチャンドランプロットの左上領域）は、完全に伸びたコンフォメーション（φ、  ψ）＝（–180°、180°）から大きく逸脱しています。^[1]ねじれは、二面角の交互の変動と関連していることが多く、大きなシート内の個々のβストランドが広がるのを防ぎます。強くねじれたβヘアピンの良い例は、タンパク質BPTIに見ることができます。

側鎖はプリーツの折り目から外側を向いており、シートの平面に対してほぼ垂直です。連続するアミノ酸残基はシートの交互の面で外側を向いています。

ペプチド鎖はN 末端とC 末端によって方向性が与えられるため、β ストランドも方向性があると言えます。タンパク質トポロジー図では通常、C 末端を指す矢印で表されます。隣接する β ストランドは、反平行、平行、または混合配置で 水素結合を形成できます。

反平行配列では、連続するβ鎖が交互に方向を変え、1つの鎖のN末端が次の鎖のC末端に隣接する。これは、カルボニルとアミンの間の鎖間水素結合が平面状になり、それが好ましい配向となるため、最も強い鎖間安定性を生み出す配列である。ペプチド骨格の二面角（φ、  ψ）は、反平行シートでは約（–140°、135°）である。この場合、2つの原子C^α
_iおよびC^αj
_​2 つの水素結合したβ ストランドが隣接している場合、それらは互いの隣接するペプチド グループとの 2 つの相互バックボーン水素結合を形成します。これは、近接した水素結合ペアとして知られています。

平行配列では、連続するストランドの N 末端はすべて同じ方向に向いています。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もたらすため、やや安定性が低い可能性があります。平行シートでは、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 本未満であることはまれであり、これは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 末端が揃ったストランドは必然的に配列が非常に離れているため、平行 β シートの形成は根本的に困難でもあります^[要出典]。小さなアミロイド形成配列は一般に、主に平行 β シート ストランドで構成される β シート フィブリル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。反平行の方が安定しているのであれば、反平行フィブリルが予想されるでしょう。

平行βシート構造では、2つの原子C^α
_iおよびC^αj
_​2 つの水素結合したβ ストランドで 2 つの残基が隣接している場合、それらは互いに水素結合しません。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 (逆は成り立ちません)。たとえば、残基i は残基j  - 1 および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、まったく異なる残基と水素結合することも、どの残基とも水素結合しないこともあります。

平行ベータシートの水素結合の配置は、 11 個の原子を持つアミド環モチーフの配置に似ています。

最後に、個々の鎖は、片側に平行鎖、もう一方に反平行鎖がある混合結合パターンを示す場合があります。このような配置は、ランダムな方向分布が示唆するほど一般的ではなく、このパターンは反平行配置よりも安定性が低いことを示唆していますが、バイオインフォマティクス分析では、タンパク質全体に常に他の多数の構造的特徴が存在するため、構造熱力学の抽出に常に苦労しています。また、タンパク質は本質的に折り畳み速度論と折り畳み熱力学によって制約されるため、バイオインフォマティクス分析から安定性を結論付ける際には常に注意する必要があります。

β ストランドの水素結合は完璧である必要はありませんが、β バルジと呼ばれる局所的な破壊を示すことがあります。

水素結合はおおよそシートの平面にあり、ペプチドの カルボニル基は連続する残基と交互の方向を向いています。比較すると、アルファヘリックスでは連続するカルボニル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（スレオニン、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。異なるタイプの残基（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る傾向があり、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「端から端への」結合を避けるためだと考えられます。^[2]

β シートを含む非常に単純な構造モチーフはβ ヘアピンであり、これは 2 つの平行ストランドが 2 ～ 5 残基の短いループで結合しており、そのうちの 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または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ます。個々のストランドは、 α ヘリックスを含む可能性のある長いループを使用して、より複雑な方法で結合することもできます。

ギリシャの鍵モチーフは、隣接する4本の平行鎖とそれらを連結するループで構成されています。ヘアピンでつながった3本の平行鎖で構成され、4本目は1本目に隣接し、より長いループで3本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簡単に形成されます。^{[3] [4]}これは、ギリシャの装飾芸術に共通するパターンにちなんで名付けられました（蛇行を参照）。

構成アミノ酸のキラリティーにより、すべてのストランドはほとんどの高次βシート構造に見られる右巻きのねじれを示す。特に、2本の平行ストランド間の連結ループは、ほぼ常に右巻きのクロスオーバーキラリティーを持ち、シート固有のねじれによって強く支持される。^[5]この連結ループにはらせん領域が含まれることが多く、その場合はβ-α-βモチーフと呼ばれる。β-α-β-αモチーフと呼ばれる密接に関連したモチーフは、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ている。

ヘアピンループによって連結された2つ以上の連続した反平行βストランドから構成される単純な超二次タンパク質トポロジー。^{[7] [8]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に見られます。

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対して詰め込まれており、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ます。^[9]  ただし、いくつかの注目すべき例外として、外表面タンパク質A（OspA）バリアント^[6]と単層βシートタンパク質（SLBP）^[10]が含まれます。これらは、従来の疎水性コアを持たず、単層βシートを含みます。これらのβに富むタンパク質は、主にβストランド間相互作用と、個々のストランドを接続するターン領域に存在する疎水性相互作用を介して安定化された、拡張された単層β-メアンダーβシートを特徴としています。

プサイループ（Ψループ）モチーフは、2本の平行鎖で構成され、その間の1本の鎖は水素結合によって両方に接続されています。^[11]単一のΨループには4つの鎖トポロジーが考えられます。 [ ^12]このモチーフはまれであり、その形成につながるプロセスはタンパク質の折り畳み中に発生する可能性は低いようです。Ψループは、アスパラギン酸プロテアーゼファミリーで初めて特定されました。^[12]

βシートは、全βドメイン、α+βドメイン、α/βドメイン、および全体的な構造が明確に定義されていない多くのペプチドや小さなタンパク質に存在します。 ^{[13] [14]} 全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、およびβヘリックスを形成することがあります。

βシートのトポロジーは、バックボーンに沿った水素結合したβストランドの順序を表します。たとえば、フラボドキシンフォールドには、トポロジーが21345の5本鎖の平行βシートがあります。したがって、バックボーンに沿ったエッジストランドは、βストランド2とβストランド5です。明示的に記述すると、βストランド2はβストランド1に水素結合し、βストランド1はβストランド3に水素結合し、βストランド3はβストランド4に水素結合し、βストランド4はもう一方のエッジストランドであるβストランド5に水素結合します。同じシステムで、上記のギリシャの鍵モチーフは4123のトポロジーを持っています。βシートの二次構造は、ストランドの数、トポロジー、および水素結合が平行か反平行かを示すことで大まかに説明できます。

β シートは、開いた状態、つまり 2 つのエッジ ストランドを持つ状態 (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) もあれば、閉じたβ バレル( TIM バレルなど)もあります。βバレルは、しばしばそのずれやずれによって説明されます。開いた β シートの中には、非常に湾曲していて折り重なっているもの ( SH3 ドメインなど) や馬蹄形 (リボヌクレアーゼ インヒビターなど) を形成するものもあります。開いた β シートは、面と面 ( β プロペラ ドメインや免疫グロブリン フォールドなど) またはエッジとエッジが集まって 1 つの大きな β シートを形成することがあります。

βプリーツシート構造は、伸長したβストランドポリペプチド鎖から作られ、ストランドは水素結合によって隣接する鎖と結合しています。この伸長したバックボーン構造により、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^[15]で観測され、準連続体モデル^[16]で分析されたように、低周波のアコーディオンのような動きをする可能性がある。

βヘリックスは、短いループで連結された 2 つまたは 3 つの短い β ストランドで構成される繰り返し構造単位から形成されます。これらの単位は、同じストランドの連続した繰り返しが平行方向に互いに水素結合するように、らせん状に互いに「積み重ね」られます。詳細については、 β ヘリックスの記事を参照してください。

左巻きβヘリックスでは、鎖自体は非常に真っ直ぐでねじれていない。その結果生じるヘリックス表面はほぼ平らで、右の1QRE古細菌炭酸脱水酵素に示すように、規則的な三角柱形状を形成する。他の例としては、脂質A合成酵素LpxAや、氷の構造を模倣して片面にThr側鎖が規則的に配列した昆虫不凍タンパク質などがある。^[17]

左に示すペクチン酸リアーゼ酵素やP22ファージテールスパイクタンパク質に代表される右巻きβヘリックスは、断面があまり規則的ではなく、より長く、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、その他は可変で、結合部位や活性部位を形成するためによく使用されます。^[18]
2辺βヘリックス（右巻き）は、一部の細菌性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配列モチーフのバックボーンとAsp側鎖酸素を使用して、構造の完全性を維持するために安定化カルシウムイオンを結合します。^[19]このフォールドは、SCOP分類ではβロールと呼ばれています。

アミロイドβ（アミロイドプラークを参照）などのモノマーとして無秩序またはらせん状のタンパク質の中には、病的状態に関連するβシートを多く含むオリゴマー構造を形成するものがあります。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ます。その構造はまだ完全には解明されていませんが、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あることが示唆されています。^[20]

βシート構造に見られるアミノ酸残基の側鎖は、シートの片側にある隣接する側鎖の多くが疎水性である一方、シートのもう一方の側にある互いに隣接する側鎖の多くは極性または荷電（親水性）であるように配置されることもあり、^[21]これは、シートが極性/水性環境と非極性/脂っこい環境との間の境界を形成する場合に役立ちます。

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• 構造モチーフ

• タンパク質構造の解剖学と分類学 - 調査 2019-03-16 にWayback Machineでアーカイブ
• NetSurfP - 二次構造と表面アクセシビリティ予測ツール