Hoja Beta

La mayoría de las hebras β se disponen adyacentes a otras hebras y forman una extensa red de enlaces de hidrógeno con sus vecinas, en la que los grupos N−H del esqueleto de una hebra establecen enlaces de hidrógeno con los grupos C=O del esqueleto de las hebras adyacentes. En la hebra β completamente extendida, las cadenas laterales sucesivas apuntan directamente hacia arriba y hacia abajo en un patrón alterno. Las hebras β adyacentes en una lámina β se alinean de manera que sus átomos C ^α sean adyacentes y sus cadenas laterales apunten en la misma dirección. La apariencia "plegada" de las hebras β surge del enlace químico tetraédrico en el átomo C ^α ; por ejemplo, si una cadena lateral apunta directamente hacia arriba, entonces los enlaces al C′ deben apuntar ligeramente hacia abajo, ya que su ángulo de enlace es de aproximadamente 109,5°. El plegamiento hace que la distancia entre C ^α _i y C ^α _{i + 2} sea aproximadamente 6 Å (0,60 nm ) , en lugar de los 7,6 Å (0,76 nm) esperados de dos péptidos trans ^{completamente extendidos. La distancia "lateral" entre átomos C α} adyacentes en hebras β unidas por enlaces de hidrógeno es aproximadamente 5 Å (0,50 nm) .      

Sin embargo, las hebras β rara vez están perfectamente extendidas; más bien, presentan una torsión. Los ángulos diedros energéticamente preferidos cerca de ( φ , ψ ) = (–135°, 135°) (aproximadamente, la región superior izquierda del diagrama de Ramachandran ) divergen significativamente de la conformación completamente extendida ( φ , ψ ) = (–180°, 180°). ^{[ 2 ]} La torsión suele estar asociada con fluctuaciones alternas en los ángulos diedros para evitar que las hebras β individuales en una lámina más grande se separen. Un buen ejemplo de una horquilla β fuertemente torsionada se puede observar en la proteína BPTI .    

Las cadenas laterales apuntan hacia afuera desde los pliegues, aproximadamente perpendiculares al plano de la lámina; los sucesivos residuos de aminoácidos apuntan hacia afuera en caras alternas de la lámina.

Patrones de enlaces de hidrógeno de láminas β antiparalelas , representados por líneas punteadas. Los átomos de oxígeno están coloreados de rojo y los átomos de nitrógeno de azul .

Patrones de enlaces de hidrógeno de lámina β paralela , representados por líneas punteadas. Los átomos de oxígeno están coloreados de rojo y los átomos de nitrógeno de azul .

Debido a que las cadenas peptídicas poseen direccionalidad conferida por sus extremos N y C , también se puede decir que las hebras β son direccionales. Generalmente se representan en los diagramas de topología de proteínas mediante una flecha que apunta hacia el extremo C. Las hebras β adyacentes pueden formar enlaces de hidrógeno en disposiciones antiparalelas, paralelas o mixtas.

En una disposición antiparalela, las hebras β sucesivas alternan direcciones de modo que el extremo N de una hebra queda adyacente al extremo C de la siguiente. Esta disposición produce la mayor estabilidad entre hebras, ya que permite que los enlaces de hidrógeno entre carbonilos y aminas sean planares, que es su orientación preferida. Los ángulos diedros del esqueleto peptídico ( φ , ψ ) son aproximadamente (–140°, 135°) en láminas antiparalelas. En este caso, si dos átomos Cαi ^y Cαj ^son _adyacentes en dos hebras β unidas por enlaces de hidrógeno , forman dos enlaces de hidrógeno mutuos entre sus respectivos grupos peptídicos flanqueantes ; esto se conoce como un par de enlaces de hidrógeno _cercanos .  

En una disposición paralela, todos los N-terminales de las hebras sucesivas están orientados en la misma dirección; esta orientación puede ser ligeramente menos estable porque introduce una no planaridad en el patrón de enlaces de hidrógeno entre hebras. Los ángulos diedros ( φ , ψ ) son aproximadamente (–120°, 115°) en láminas paralelas. Es raro encontrar menos de cinco hebras paralelas interactuando en un motivo, lo que sugiere que un número menor de hebras puede ser inestable; sin embargo, también es fundamentalmente más difícil que se formen láminas β paralelas porque las hebras con los N y C-terminales alineados necesariamente deben estar muy distantes en la secuencia . También hay evidencia de que la lámina β paralela puede ser más estable, ya que las secuencias amiloidogénicas pequeñas parecen agregarse generalmente en fibrillas de lámina β compuestas principalmente por hebras de lámina β paralelas, donde se esperarían fibrillas antiparalelas si la antiparalela fuera más estable.  

En una estructura de lámina β paralela, si dos átomos C ^α _i y C ^α _j son adyacentes en dos hebras β unidas por enlaces de hidrógeno , no se unen entre sí; en cambio, un residuo forma enlaces de hidrógeno con los residuos que lo flanquean (pero no al revés). Por ejemplo, el residuo i puede formar enlaces de hidrógeno con los residuos j  −  1 y j  +  1; esto se conoce como un par amplio de enlaces de hidrógeno. Por el contrario, el residuo j puede unirse mediante enlaces de hidrógeno a residuos completamente diferentes, o a ninguno.

La disposición de los enlaces de hidrógeno en la lámina beta paralela se asemeja a la de un motivo de anillo amida con 11 átomos.

Finalmente, una hebra individual puede presentar un patrón de enlaces mixto, con una hebra paralela en un lado y una hebra antiparalela en el otro. Estas disposiciones son menos comunes de lo que sugeriría una distribución aleatoria de orientaciones, lo que indica que este patrón es menos estable que la disposición antiparalela. Sin embargo, el análisis bioinformático siempre tiene dificultades para extraer la termodinámica estructural, ya que las proteínas completas presentan numerosas características estructurales adicionales. Además, las proteínas están intrínsecamente limitadas por la cinética y la termodinámica del plegamiento, por lo que siempre se debe tener precaución al concluir la estabilidad a partir del análisis bioinformático.

Los enlaces de hidrógeno de las hebras β no tienen por qué ser perfectos, sino que pueden presentar interrupciones localizadas conocidas como protuberancias β .

Los enlaces de hidrógeno se encuentran aproximadamente en el plano de la lámina, con los grupos carbonilo del péptido apuntando en direcciones alternas con los residuos sucesivos; en comparación, los carbonilos sucesivos apuntan en la misma dirección en la hélice alfa .

Los residuos aromáticos grandes ( tirosina , fenilalanina , triptófano ) y los aminoácidos β-ramificados ( treonina , valina , isoleucina ) tienden a encontrarse en las hebras β del centro de las láminas β. Es probable que otros tipos de residuos (como la prolina ) se encuentren en las hebras de los bordes de las láminas β, presumiblemente para evitar la asociación "borde con borde" entre proteínas que podría conducir a la agregación y la formación de amiloide . ^{[ 3 ]}

Un motivo estructural muy simple que involucra hebras β es la horquilla β , en la que dos hebras antiparalelas están unidas por un bucle corto de dos a cinco residuos, uno de los cuales suele ser una glicina o una prolina , las cuales pueden adoptar las conformaciones de ángulo diedro necesarias para un giro cerrado o un bucle de abultamiento β . Las hebras individuales también pueden unirse de maneras más elaboradas con bucles más largos que pueden contener hélices α .

El motivo de la llave griega consta de cuatro hebras antiparalelas adyacentes y sus bucles de unión. Consta de tres hebras antiparalelas conectadas por horquillas, mientras que la cuarta es adyacente a la primera y está unida a la tercera por un bucle más largo. Este tipo de estructura se forma fácilmente durante el proceso de plegamiento de proteínas . ^{[ 4 ] [ 5 ]} Recibió su nombre de un patrón común en el arte ornamental griego (véase meandro ).

Debido a la quiralidad de sus aminoácidos componentes, todas las hebras exhiben una torsión dextrógira evidente en la mayoría de las estructuras de láminas β de orden superior. En particular, el bucle de enlace entre dos hebras paralelas casi siempre tiene una quiralidad de cruce dextrógira, que se ve fuertemente favorecida por la torsión inherente de la lámina. ^{[ 6 ]} Este bucle de enlace frecuentemente contiene una región helicoidal, en cuyo caso se denomina motivo β-α-β . Un motivo estrechamente relacionado, llamado motivo β-α-β-α, forma el componente básico de la estructura terciaria de proteínas más comúnmente observada , el barril TIM .

Una topología de proteína supersecundaria simple compuesta por dos o más hebras β antiparalelas consecutivas unidas entre sí por bucles en horquilla . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Este motivo es común en las láminas β y se puede encontrar en varias arquitecturas estructurales, incluidos los barriles β y las hélices β .

La gran mayoría de las regiones β-meandro en las proteínas se encuentran empaquetadas contra otros motivos o secciones de la cadena polipeptídica, formando porciones del núcleo hidrofóbico que impulsa canónicamente la formación de la estructura plegada. ^{[ 10 ]}  Sin embargo, varias excepciones notables incluyen las variantes de la proteína de superficie externa A (OspA) ^{[ 7 ]} y las proteínas de lámina β de una sola capa (SLBP) ^{[ 11 ]} que contienen láminas β de una sola capa en ausencia de un núcleo hidrofóbico tradicional. Estas proteínas ricas en β presentan láminas β-meandro de una sola capa extendidas que se estabilizan principalmente a través de interacciones entre hebras β e interacciones hidrofóbicas presentes en las regiones de giro que conectan hebras individuales.

El motivo del bucle psi (bucle Ψ) consta de dos hebras antiparalelas con una hebra intermedia conectada a ambas mediante enlaces de hidrógeno. ^{[ 12 ]} Existen cuatro topologías de hebra posibles para los bucles Ψ simples. ^{[ 13 ]} Este motivo es poco común, ya que el proceso que da lugar a su formación parece improbable que ocurra durante el plegamiento de proteínas. El bucle Ψ se identificó por primera vez en la familia de las proteasas aspárticas . ^{[ 13 ]}