Beetatoru

Beetatoru on valkudes tertsiaarse struktuuri alatüüp (domeen), mis moodustub ruumiliselt kokkuvoltunud beetalehest, kus beetalehe koostisse kuuluvad esimene ja viimane beetaahel paiknevad ruumiliselt lähestikku ning tekitavad omavahelisi vesiniksidemeid.

Kokkuvõttes esinevad vesiniksidemed kõigi beetatoru koosseisu kuuluvate beetaahelate vahel, mis paiknevad vahetult ruumiliselt lähestikku. Üksteise suhtes paigutuvad beetaahelad enamasti antiparalleelselt (st ühe ahela C-terminaalne ots teise ahela N-terminaalse otsa kõrval), välja arvatud juhul, kui beetaahelaid on beetatorus paaritu arv (sel juhul peavad kaks beetaahelat paiknema teineteise suhtes paralleelselt).^[1]^[2]

Esinemine valkudes ja seos valgu funktsiooniga

Beetatoru kui struktuurne motiiv esineb kõigis poriinides (bakteriaalsetes valkudes, mis vastutavad polaarsete vees lahustuvate ainete passiivset difusiooni väliskeskkonnast bakteriraku sisemusse). Kuna poriinide beetatoru paikneb bakteriraku välismembraanis, siis poriini beetatorule on omane hüdrofiilse külgahelaga aminohappejääkide olemasolu toru sees (need peavad looma vastastikmõjusid hüdrofiilsete ainetega, mis poori läbivad) ning hüdrofoobse külgahelaga aminohappejääkide olemasolu toru välispinnal (need peavad looma vastastikmõjusid hüdrofoobsete lipiididega membraani koostises).^[1]^[3]

Omapärase ehitusega beetatoru, mis koosneb kahest beetaahelate komplektist (4+4 beetaahelat), on iseloomulik rakuvälistele valkudele lipokaliinidele. Neid leidub nii prokarüootides kui eukarüootides ning nende iseloomulikuks funktsiooniks on hüdrofoobsete molekulide säilitamine (nt retinooli, flavonoidide või heemide puhul), transport (nt feromoonide puhul) või süntees (nt prostaglandiinide puhul). Sellest lähtuvalt on lipokaliinide beetatorud teistsuguse ülesehitusega: nende sisemuses paiknevad hüdrofoobse külgahelaga aminohappejäägid ning välispinnal hüdrofiilse külgahelaga aminohappejäägid.^[5]^[6]

Beetatorud on oluliseks struktuurielemendiks ka nendes valkudes, mis fluorestseeruvad (näiteks roheliselt fluorestseeruv valk ehk GFP, ingliskeelsest green fluorescent protein). Fluorestseeruvates valkudes osaleb beetatoru nii kromofoori tekke, optiliste omaduste kui stabiilsuse tagamisel. See toob kromofoori moodustavad aminohappejäägid ruumis kokku, loob soodsa keskkonna keemiliste sidemete moodustumiseks (tsükliseerumiseks ning järgnevaks oksüdeerumiseks), kaitseb kromofoori vee fotoluminestsentsi kustutava toime eest ning suurendab tõenäosust, et kromofoori saaks korduvat ergastada (st kaitseb fotopleekumise eest).^[7]^[8]

Ruumilise geomeetria kirjeldamine erialases kirjanduses

Beetatoru kirjeldamiseks kasutatakse kahte parameetrit: beetaahelate summaarne arv toru koosseisus (n) ja beetaahelate nihkearv (S). Mõlemad parameetrid määravad ära selle, kui suure kaldenurga all paiknevad beetaahelad toru läbiva kujuteldava telje suhtes.^[9]

Nihkearvu illustreerimiseks võib analoogia mõttes kujutada ette paberilehe otste kokkuviimist ruumis nii, et tekib toru (st kokkuviidud paberiservade mõlemad nurgad on täpselt kohakuti). Seejärel saab tekkinud torus nihutada kokkuviidud servi üksteise suhtes nii, et nurgad ei ole enam kohakuti, kuid servad on endiselt omavahel kontaktis. Beetatoru kontekstis on kontakti sõlmpunktideks vesiniksidemed, mis tekivad beetaahelate vahel. Seepärast saab beetatoru ruumilist geomeetriat kirjeldada järgmiseid parameetreid sisaldava tabelina:^[10]

tabeli tulpade arv vastab beetaahelate arvule tabeli struktuuris + 1 (kuna esimene ja viimane ahel peavad omavahel ühendatud olema);
iga tulba sisuks on beetaahela koosseisu kuuluvate aminohappejääkide lühendid ja järjekorranumbrid valgu primaarstruktuuris;
tabeli ülemises reas on loendatud beetaahelate numbrid;
tabeli alumine rida näitab, kas igas tulbas paikneb allpool beetaahela N-terminaal (enamasti kasutatakse tähistust +) või C-terminaal (enamasti kasutatakse tähistust -);
tulpade vahel on nooltega näidatud vesiniksidemed kõrvuti paiknevate beetaahelate vahel;
eri tulpade sisu on omavahel nihkes viisil, mis võimaldab noolte pikkust minimeerida.

Allpool on toodud konkreetne näide roheliselt fluorestseeruva valgu ehk GFP beetatoru kirjeldamiseks:

Selleks, et teha kindlaks, milline on antud beetatoru nihkearv, tuleb leida mõne esimese beetaahela koostisse kuuluva aminohappejäägi positsiooni erinevus tabeli esimeses ja tabeli viimases tulbas. Loendades, mitu astet allpool paikneb näiteks valiin-22 (22 V) tabeli esimeses tulbas, võrreldes viimase tulbaga, saab GFP beetatoru nihkearvuks S = 14.

Viited

↑ ^1,0 ^1,1 Fairman, James W.; Noinaj, Nicholas; Buchanan, Susan K. (2011). "The structural biology of β-barrel membrane proteins: a summary of recent reports". Current Opinion in Structural Biology. 21 (4): 523–531. DOI:10.1016/j.sbi.2011.05.005. ISSN 1879-033X. PMC 3164749. PMID 21719274.
↑ LaLonde, J. M.; Bernlohr, D. A.; Banaszak, L. J. (1994). "The up-and-down beta-barrel proteins". FASEB journal: official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 8 (15): 1240–1247. DOI:10.1096/fasebj.8.15.8001736. ISSN 0892-6638. PMID 8001736.
↑ Hayashi, Scout; Buchanan, Susan K.; Botos, Istvan (2024). "The Name Is Barrel, β-Barrel". Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.). 2778: 1–30. DOI:10.1007/978-1-0716-3734-0_1. ISSN 1940-6029. PMID 38478268. {{ajakirjaviide}}: kontrolli parameetri |pmid= väärtust (juhend)
↑ Holmes, Margaret A.; Paulsene, Wendy; Jide, Xu; Ratledge, Colin; Strong, Roland K. (1. jaanuar 2005). "Siderocalin (Lcn 2) Also Binds Carboxymycobactins, Potentially Defending against Mycobacterial Infections through Iron Sequestration". Structure. 13 (1): 29–41. DOI:10.1016/j.str.2004.10.009. ISSN 0969-2126.
↑ Schiefner, André; Skerra, Arne (21. aprill 2015). "The Menagerie of Human Lipocalins: A Natural Protein Scaffold for Molecular Recognition of Physiological Compounds". Accounts of Chemical Research (inglise). 48 (4): 976–985. DOI:10.1021/ar5003973. ISSN 0001-4842.
↑ Breustedt, Daniel A.; Schönfeld, Dorian L.; Skerra, Arne (2006). "Comparative ligand-binding analysis of ten human lipocalins". Biochimica Et Biophysica Acta. 1764 (2): 161–173. DOI:10.1016/j.bbapap.2005.12.006. ISSN 0006-3002. PMID 16461020.
↑ Chudakov, Dmitriy M.; Matz, Mikhail V.; Lukyanov, Sergey; Lukyanov, Konstantin A. (2010). "Fluorescent proteins and their applications in imaging living cells and tissues". Physiological Reviews. 90 (3): 1103–1163. DOI:10.1152/physrev.00038.2009. ISSN 1522-1210. PMID 20664080.
↑ Stepanenko, Olesya V.; Stepanenko, Olga V.; Kuznetsova, Irina M.; Verkhusha, Vladislav V.; Turoverov, Konstantin K. (2013). "Beta-barrel scaffold of fluorescent proteins: folding, stability and role in chromophore formation". International Review of Cell and Molecular Biology. 302: 221–278. DOI:10.1016/B978-0-12-407699-0.00004-2. ISSN 1937-6448. PMC 3739439. PMID 23351712.
↑ Murzin, Alexey G.; Lesk, Arthur M.; Chothia, Cyrus (11. märts 1994). "Principles determining the structure of β-sheet barrels in proteins I. A theoretical analysis". Journal of Molecular Biology. 236 (5): 1369–1381. DOI:10.1016/0022-2836(94)90064-7. ISSN 0022-2836.
↑ Dou, Jiayi; Vorobieva, Anastassia A.; Sheffler, William; Doyle, Lindsey A.; Park, Hahnbeom; Bick, Matthew J.; Mao, Binchen; Foight, Glenna W.; Lee, Min Yen; Gagnon, Lauren A.; Carter, Lauren; Sankaran, Banumathi; Ovchinnikov, Sergey; Marcos, Enrique; Huang, Po-Ssu (2018). "De novo design of a fluorescence-activating β-barrel". Nature. 561 (7724): 485–491. DOI:10.1038/s41586-018-0509-0. ISSN 1476-4687. PMC 6275156. PMID 30209393.

[:0-1] 1,0 ^1,1 Fairman, James W.; Noinaj, Nicholas; Buchanan, Susan K. (2011). "The structural biology of β-barrel membrane proteins: a summary of recent reports". Current Opinion in Structural Biology. 21 (4): 523–531. DOI:10.1016/j.sbi.2011.05.005. ISSN 1879-033X. PMC 3164749. PMID 21719274.

[2] LaLonde, J. M.; Bernlohr, D. A.; Banaszak, L. J. (1994). "The up-and-down beta-barrel proteins". FASEB journal: official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 8 (15): 1240–1247. DOI:10.1096/fasebj.8.15.8001736. ISSN 0892-6638. PMID 8001736.

[3] Hayashi, Scout; Buchanan, Susan K.; Botos, Istvan (2024). "The Name Is Barrel, β-Barrel". Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.). 2778: 1–30. DOI:10.1007/978-1-0716-3734-0_1. ISSN 1940-6029. PMID 38478268. {{ajakirjaviide}}: kontrolli parameetri |pmid= väärtust (juhend)

[4] Holmes, Margaret A.; Paulsene, Wendy; Jide, Xu; Ratledge, Colin; Strong, Roland K. (1. jaanuar 2005). "Siderocalin (Lcn 2) Also Binds Carboxymycobactins, Potentially Defending against Mycobacterial Infections through Iron Sequestration". Structure. 13 (1): 29–41. DOI:10.1016/j.str.2004.10.009. ISSN 0969-2126.

[5] Schiefner, André; Skerra, Arne (21. aprill 2015). "The Menagerie of Human Lipocalins: A Natural Protein Scaffold for Molecular Recognition of Physiological Compounds". Accounts of Chemical Research (inglise). 48 (4): 976–985. DOI:10.1021/ar5003973. ISSN 0001-4842.

[6] Breustedt, Daniel A.; Schönfeld, Dorian L.; Skerra, Arne (2006). "Comparative ligand-binding analysis of ten human lipocalins". Biochimica Et Biophysica Acta. 1764 (2): 161–173. DOI:10.1016/j.bbapap.2005.12.006. ISSN 0006-3002. PMID 16461020.

[7] Chudakov, Dmitriy M.; Matz, Mikhail V.; Lukyanov, Sergey; Lukyanov, Konstantin A. (2010). "Fluorescent proteins and their applications in imaging living cells and tissues". Physiological Reviews. 90 (3): 1103–1163. DOI:10.1152/physrev.00038.2009. ISSN 1522-1210. PMID 20664080.

[8] Stepanenko, Olesya V.; Stepanenko, Olga V.; Kuznetsova, Irina M.; Verkhusha, Vladislav V.; Turoverov, Konstantin K. (2013). "Beta-barrel scaffold of fluorescent proteins: folding, stability and role in chromophore formation". International Review of Cell and Molecular Biology. 302: 221–278. DOI:10.1016/B978-0-12-407699-0.00004-2. ISSN 1937-6448. PMC 3739439. PMID 23351712.

[9] Murzin, Alexey G.; Lesk, Arthur M.; Chothia, Cyrus (11. märts 1994). "Principles determining the structure of β-sheet barrels in proteins I. A theoretical analysis". Journal of Molecular Biology. 236 (5): 1369–1381. DOI:10.1016/0022-2836(94)90064-7. ISSN 0022-2836.

[10] Dou, Jiayi; Vorobieva, Anastassia A.; Sheffler, William; Doyle, Lindsey A.; Park, Hahnbeom; Bick, Matthew J.; Mao, Binchen; Foight, Glenna W.; Lee, Min Yen; Gagnon, Lauren A.; Carter, Lauren; Sankaran, Banumathi; Ovchinnikov, Sergey; Marcos, Enrique; Huang, Po-Ssu (2018). "De novo design of a fluorescence-activating β-barrel". Nature. 561 (7724): 485–491. DOI:10.1038/s41586-018-0509-0. ISSN 1476-4687. PMC 6275156. PMID 30209393.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]