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Hélice Beta

En biología estructural, una hélice beta ( β-hélice ) es un tipo de arquitectura proteica compuesta exclusivamente por láminas beta, caracterizada por entre 4 y 8 láminas beta a...

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En biología estructural, una hélice beta ( β-hélice ) es un tipo de arquitectura proteica compuesta exclusivamente por láminas beta, caracterizada por entre 4 y 8 láminas beta altamente simétricas con forma de cuchilla, dispuestas toroidalmente alrededor de un eje central. En conjunto, las láminas beta forman un sitio activo con forma de embudo.

Estructura

Cada lámina beta suele tener cuatro hebras β antiparalelas dispuestas en el motivo beta-zigzag. [ 2 ] Las hebras están retorcidas de tal manera que la primera y la cuarta son casi perpendiculares entre sí. [ 3 ] Existen cinco clases de hélices beta, cada una de las cuales es una estructura altamente simétrica con 4 a 8 láminas beta, las cuales generalmente forman un túnel central que genera ejes pseudo-simétricos. [ 2 ]

Si bien el sitio activo oficial de la proteína para la unión del ligando se forma en un extremo del túnel central mediante bucles entre hebras beta individuales, las interacciones proteína-proteína pueden ocurrir en múltiples áreas alrededor del dominio. Dependiendo del empaquetamiento y la inclinación de las láminas beta y las hebras beta, la hélice beta puede tener un bolsillo central en lugar de un túnel. [ 4 ]

La estructura de hélice beta se estabiliza principalmente a través de interacciones hidrofóbicas de las láminas beta, mientras que la estabilidad adicional puede provenir de enlaces de hidrógeno formados entre las láminas beta de los extremos C- y N-terminales. En efecto, esto cierra el círculo que puede ocurrir incluso con mayor fuerza en proteínas de 4 palas a través de un enlace disulfuro. [ 2 ] Se ha demostrado que las chaperonas Hsp70 y CCT se unen secuencialmente a las hélices beta nacientes a medida que emergen del ribosoma. Estas chaperonas evitan que se formen interacciones interlámina no nativas hasta que se sintetiza toda la hélice beta. [ 5 ] Muchas hélices beta dependen de CCT para su expresión. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] En al menos un caso, se ha demostrado que los iones aumentan la estabilidad al unirse profundamente en el túnel central de la hélice beta. [ 4 ]

Murzin propuso un modelo geométrico para describir los principios estructurales de la hélice beta. [ 9 ] Según este modelo, la hélice de siete palas era la disposición más favorecida en términos geométricos.

A pesar de su naturaleza altamente conservada, las hélices beta son bien conocidas por su plasticidad. Además de tener una variedad de láminas beta permitidas por dominio, también pueden acomodar otros dominios en sus láminas beta. Adicionalmente, existen proteínas que han mostrado variación en el número de hebras beta por lámina beta. En lugar de tener las típicas cuatro hebras beta en una lámina, la proteína inhibidora de la betalactamasa II solo tiene tres hebras beta por lámina, mientras que la fitasa de Bacillus subtilis tiene cinco hebras beta por lámina beta. [ 2 ]

Función

Debido a su estructura y plasticidad, las interacciones proteína-proteína pueden formarse con las caras superior, inferior, del canal central y laterales de la hélice beta. [ 4 ] La función de la hélice puede variar según el número de aspas. Las hélices beta de cuatro aspas funcionan principalmente como proteínas de transporte y, debido a su estructura, tienen una conformación favorable para la unión del sustrato. [ 4 ] A diferencia de las hélices beta más grandes, las de cuatro aspas generalmente no pueden realizar catálisis por sí mismas, sino que actúan como coadyuvantes en la catálisis al realizar las funciones mencionadas anteriormente. Las hélices de cinco aspas pueden actuar como transferasas , hidrolasas y proteínas de unión a azúcares. [ 4 ] Las hélices de seis y siete aspas realizan una variedad mucho más amplia de funciones en comparación con las de cuatro y cinco aspas. Estas funciones pueden incluir actuar como proteínas de unión a ligandos, hidrolasas, liasas , isomerasas , proteínas de señalización, proteínas estructurales y oxidorreductasas . [ 4 ]

Las variaciones en las hélices beta más grandes (de cinco a ocho aspas) pueden permitir funciones aún más específicas. Este es el caso de la región C-terminal de GyrA, que expresa una superficie con carga positiva ideal para la unión al ADN. Dos hélices alfa que salen de la hélice beta de seis aspas de la paraoxonasa sérica pueden proporcionar una región hidrofóbica ideal para el anclaje a membranas. La proteína 1 de unión al daño del ADN tiene tres hélices beta, en las que la conexión entre dos de ellas se inserta en la tercera, lo que potencialmente permite su función única. [ 4 ]

Importancia clínica

  • La neurodegeneración asociada a la proteína beta-propeller (BPAN) es una afección caracterizada por convulsiones de inicio temprano, retrasos en el desarrollo y discapacidad intelectual. Con el envejecimiento, también puede producirse degeneración muscular y cognitiva. Se han identificado variantes del gen WDR45 tanto en hombres como en mujeres con esta afección. [ 10 ]
  • La hipercolesterolemia familiar es una enfermedad genética humana causada por mutaciones en el gen que codifica el receptor de lipoproteínas de baja densidad (LDLR), una proteína que posee al menos una hélice beta. Esta enfermedad provoca un aumento en las concentraciones de lipoproteínas de baja densidad (LDL) y colesterol, lo que puede tener consecuencias como la aterosclerosis coronaria . Se ha demostrado que las mutaciones confirmadas interfieren con los enlaces de hidrógeno entre las hélices beta. [ 2 ]
  • La hélice beta se ha utilizado en ingeniería de proteínas en varios casos. Yoshida et al., por ejemplo, trabajaron con la glucosa deshidrogenasa (GDH), que posee una hélice beta de seis aspas, para crear una enzima ideal para su uso como sensor de glucosa. Lograron diseñar una quimera de GDH con mayor termoestabilidad, mayor estabilidad de unión al cofactor y mayor especificidad de sustrato. Estas propiedades se atribuyeron al aumento de las interacciones hidrofóbicas debido a mutaciones en el extremo C-terminal de la hélice beta. [ 2 ]
  • El dominio de hélice beta de la neuraminidasa del virus de la gripe se utiliza frecuentemente para el diseño de fármacos. Mediante el estudio de esta enzima, los investigadores han desarrollado inhibidores de la neuraminidasa de la gripe que la bloquean eficazmente y, en consecuencia, ralentizan o detienen la progresión de la infección. [ 2 ]

Ejemplos

  • La proteína neuraminidasa viral del virus de la influenza es una proteína de hélice beta de seis aspas cuya forma activa es un tetrámero . [ 11 ] Es una de las dos proteínas presentes en la envoltura viral y cataliza la escisión de los residuos de ácido siálico de las proteínas de la membrana celular para facilitar la focalización de los viriones recién producidos hacia células previamente no infectadas. [ 12 ]
  • Las repeticiones WD40 , también conocidas como repeticiones de beta-transducina, son fragmentos cortos que se encuentran principalmente en eucariotas . [ 13 ] [ 14 ] Generalmente forman hélices beta con 7-8 aspas, pero también se ha demostrado que forman dominios estructurales con 4 a 16 unidades repetidas, cruciales para las interacciones proteína-proteína. Los motivos proteicos WD40 participan en diversas funciones, como la transducción de señales, la regulación de la transcripción y la regulación del ciclo celular. También funcionan como sitios de interacción proteína-proteína e incluso pueden desempeñar un papel en el ensamblaje de complejos proteicos. La especificidad de estos dominios estructurales está determinada por la secuencia de la proteína fuera de sí misma. [ 15 ]
  • La estructura de hélice beta es un componente crítico del LDLR y facilita un cambio conformacional dependiente del pH. A pH neutro, el LDLR se encuentra en una conformación lineal extendida y puede unirse a ligandos ( PCSK9 ). A pH ácido, la conformación lineal cambia a una estructura de horquilla, de modo que los sitios de unión del ligando se unen a la hélice beta, impidiendo la unión del ligando. [ 16 ] [ 17 ]
  • Las fitasas de hélice beta consisten en una estructura de hélice beta de seis aspas. Las fitasas son fosfatasas que pueden hidrolizar los enlaces éster del fitato, la principal forma de almacenamiento de fosfato en las plantas. Mediante este proceso, el fosfato que normalmente es inaccesible para el ganado se vuelve disponible. La mayoría de los piensos para el ganado contienen fosfato inorgánico añadido, que al ser excretado puede causar contaminación ambiental. La adición de fitasa en lugar de fosfato al pienso permitiría a los animales descomponer el fosfato ya disponible en la materia vegetal. Esto, en teoría, produciría menos contaminación, ya que se excretaría menos exceso de fosfato. [ 18 ]

Dominios

Entre los dominios repetitivos que se pliegan formando una hélice beta se incluyen WD40 , YWTD , Kelch , YVTN , RIVW (PD40) y muchos más. Sus secuencias tienden a agruparse, lo que sugiere una estrecha relación evolutiva. También están relacionados con muchos dominios que contienen estructuras beta. [ 19 ]

Referencias

  1. ↑ Sprague ER, Redd MJ, Johnson AD, Wolberger C (junio de 2000). "Estructura del dominio C-terminal de Tup1, un correpresor de la transcripción en levadura" . The EMBO Journal . 19 (12): 3016–27 . doi : 10.1093/ emboj /19.12.3016 . PMC 203344. PMID 10856245 .  
  2. 1 2 3 4 5 6 7 "Hélices beta: funciones asociadas y su papel en las enfermedades humanas" . ResearchGate . Recuperado el 17 de noviembre de 2018 .
  3. ↑ Kuriyan, Konforti, Wemmer, John, Boyana, David (2013). Las moléculas de la vida: principios físicos y químicos . Nueva York: Garland Science. pp. 163–164 . ISBN  978-0-8153-4188-8.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  4. 1 2 3 4 5 6 7 Chen CK, Chan NL, Wang AH (octubre de 2011). "Las múltiples hélices de las proteínas β-propeller: conservadas pero versátiles". Trends in Biochemical Sciences . 36 (10): 553– 61. doi : 10.1016/j.tibs.2011.07.004 . PMID 21924917 . 
  5. ↑ Stein KC, Kriel A, Frydman J (julio de 2019). "La topología del dominio polipeptídico naciente y la tasa de elongación dirigen la jerarquía cotraduccional de Hsp70 y TRiC/CCT" . Molecular Cell . 75 (6): 1117–1130.e5. doi : 10.1016/j.molcel.2019.06.036 . PMC 6953483. PMID 31400849 .  
  6. ↑ Plimpton RL, Cuéllar J, Lai CW, Aoba T, Makaju A, Franklin S, et al. (febrero de 2015). "Las estructuras de los complejos Gβ-CCT y PhLP1-Gβ-CCT revelan un mecanismo para el plegamiento de la subunidad β de la proteína G y el ensamblaje del dímero Gβγ" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 112 (8): 2413–8 . Bibcode : 2015PNAS..112.2413P . doi : 10.1073/pnas.1419595112 . PMC 4345582. PMID 25675501 .   
  7. ↑ Cuéllar J, Ludlam WG, Tensmeyer NC, Aoba T, Dhavale M, Santiago C, et al. (junio de 2019). " Análisis estructural y funcional del papel de la chaperonina CCT en el ensamblaje del complejo mTOR" . Nature Communications . 10 (1) 2865. Bibcode : 2019NatCo..10.2865C . doi : 10.1038/s41467-019-10781-1 . PMC 6599039. PMID 31253771 .   
  8. ↑ Ludlam, WG; Aoba, T; Cuéllar, J; Bueno-Carrasco, MT; Makaju, A; Moody, JD; Franklin, S; Valpuesta, JM; Willardson, BM (2019-11-01). "Arquitectura molecular del subcomplejo de la proteína 2-7-9 del síndrome de Bardet-Biedl" . The Journal of Biological Chemistry . 294 (44): 16385– 16399. doi : 10.1074/jbc.RA119.010150 . hdl : 10261/240872 . PMC 6827290. PMID 31530639 .  
  9. ↑ Murzin AG (octubre de 1992). "Principios estructurales para el ensamblaje en hélice de láminas beta: la preferencia por la simetría séptuple". Proteins . 14 (2): 191– 201. doi : 10.1002/prot.340140206 . PMID 1409568. S2CID 22228091 .  
  10. ↑ Gregory A, Kurian MA, Haack T, Hayflick SJ, Hogarth P (1993). Adam MP, Ardinger HH, Pagon RA, Wallace SE (eds.). Neurodegeneración asociada a la proteína beta-hélice . Universidad de Washington, Seattle. PMID 28211668. Consultado el 20 de noviembre de 2018 . {{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )
  11. ↑ Air GM (julio de 2012). " Neuraminidasa de la influenza" . Influenza y otros virus respiratorios . 6 (4): 245– 56. doi : 10.1111/j.1750-2659.2011.00304.x . PMC 3290697. PMID 22085243 .  
  12. ↑ Matrosovich MN, Matrosovich TY, Gray T, Roberts NA, Klenk HD (noviembre de 2004). "La neuraminidasa es importante para el inicio de la infección por el virus de la influenza en el epitelio de las vías respiratorias humanas" . Journal of Virology . 78 (22): 12665–7 . doi : 10.1128/JVI.78.22.12665-12667.2004 . PMC 525087. PMID 15507653 .  
  13. ↑ Neer EJ, Schmidt CJ, Nambudripad R, Smith TF (septiembre de 1994). "La antigua familia de proteínas reguladoras de las proteínas con repeticiones WD". Nature . 371 ( 6495): 297– 300. Bibcode : 1994Natur.371..297N . doi : 10.1038/371297a0 . PMID 8090199. S2CID 600856 .  
  14. ↑ Smith TF, Gaitatzes C, Saxena K, Neer EJ (mayo de 1999). "La repetición WD: una arquitectura común para diversas funciones" . Trends in Biochemical Sciences . 24 (5): 181– 5. doi : 10.1016/S0968-0004(99)01384-5 . PMID 10322433 . 
  15. ↑ EMBL-EBI, InterPro. "WD40-like Beta Propeller (IPR011659) < InterPro < EMBL-EBI" . www.ebi.ac.uk. Consultado el 19 de noviembre de 2018 .
  16. ↑ Zhang DW, Garuti R, Tang WJ, Cohen JC, Hobbs HH (septiembre de 2008). "Requisitos estructurales para la degradación del receptor de lipoproteínas de baja densidad mediada por PCSK9" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 105 (35): 13045– 50. Bibcode : 2008PNAS..10513045Z . doi : 10.1073/pnas.0806312105 . PMC 2526098. PMID 18753623 .  
  17. ↑ Betteridge DJ (febrero de 2013). "Endocrinología cardiovascular en 2012: PCSK9: un objetivo prometedor para reducir los niveles de colesterol LDL". Nature Reviews. Endocrinology . 9 (2): 76– 8. doi : 10.1038/nrendo.2012.254 . PMID 23296165. S2CID 27839784 .  
  18. ↑ Chen CC, Cheng KJ, Ko TP, Guo RT (2015-01-09). "Avances actuales en la investigación de la fitasa: estructura tridimensional e ingeniería de proteínas" . ChemBioEng Reviews . 2 (2): 76– 86. doi : 10.1002/cben.201400026 .
  19. ↑ Kopec KO, Lupas AN (2013). " Las hélices β como péptidos ancestrales en la evolución de las proteínas" . PLOS ONE . 8 (10) e77074. Bibcode : 2013PLoSO...877074K . doi : 10.1371/journal.pone.0077074 . PMC 3797127. PMID 24143202 .  

Lecturas adicionales

  • Branden C, Tooze J. (1999). Introducción a la estructura de las proteínas, 2.ª ed. Garland Publishing: Nueva York, NY.