مروحة بيتا

في علم الأحياء البنيوي، يُعدّ بروتين بيتا-بروبيلر ( β-propeller ) نوعًا من أنواع بنية البروتينات المكونة بالكامل من صفائح بيتا، ويتميز بوجود 4 إلى 8 صفائح بيتا متناظرة للغاية على شكل شفرات، مرتبة بشكل حلقي حول محور مركزي. وتشكل صفائح بيتا معًا موقعًا نشطًا يشبه القمع.

تحتوي كل صفيحة بيتا عادةً على أربعة خيوط بيتا متوازية عكسيًا مرتبة في نمط متعرج بيتا. ^{[ 2 ]} تلتف الخيوط بحيث يكون الخيط الأول والرابع متعامدين تقريبًا. ^{[ 3 ]} توجد خمس فئات من مراوح بيتا، كل منها عبارة عن بنية متناظرة للغاية تتكون من 4-8 صفائح بيتا، تشكل جميعها عمومًا نفقًا مركزيًا ينتج عنه محاور شبه متناظرة. ^{[ 2 ]}

بينما يتشكل الموقع النشط الرسمي للبروتين لربط الليجاند عند أحد طرفي النفق المركزي بواسطة حلقات بين خيوط بيتا الفردية، يمكن أن تحدث تفاعلات البروتين-بروتين في مناطق متعددة حول النطاق. اعتمادًا على ترتيب وميل صفائح وخيوط بيتا، قد يحتوي المروحة بيتا على جيب مركزي بدلًا من النفق. ^{[ 4 ]}

يُستقر تركيب المروحة بيتا بشكل أساسي من خلال التفاعلات الكارهة للماء بين صفائح بيتا، بينما قد يأتي استقرار إضافي من الروابط الهيدروجينية المتكونة بين صفائح بيتا في الطرفين الكربوكسيلي والنيتروجيني. وهذا في الواقع يُغلق الدائرة التي قد تحدث بقوة أكبر في البروتينات رباعية الشفرات عبر رابطة ثنائية الكبريتيد. ^{[ 2 ]} وقد ثبت أن البروتينات المرافقة Hsp70 و CCT ترتبط تباعًا بالمراوح بيتا حديثة التكوين أثناء خروجها من الريبوسوم. وتمنع هذه البروتينات المرافقة تكوّن تفاعلات غير طبيعية بين الشفرات حتى يتم تخليق المروحة بيتا بالكامل. ^{[ 5 ]} وتعتمد العديد من المراوح بيتا على CCT للتعبير الجيني. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} وفي حالة واحدة على الأقل، ثبت أن الأيونات تزيد من الاستقرار عن طريق الارتباط في عمق النفق المركزي للمروحة بيتا. ^{[ 4 ]}

اقترح مورزين نموذجًا هندسيًا لوصف المبادئ الهيكلية للمروحة بيتا. ^{[ 9 ]} ووفقًا لهذا النموذج، كانت المروحة ذات الشفرات السبع هي الترتيب الأكثر تفضيلًا من الناحية الهندسية.

على الرغم من طبيعتها المحفوظة للغاية، تُعرف بروتينات بيتا بروبيلر بمرونتها العالية. فإلى جانب احتوائها على مجموعة متنوعة من صفائح بيتا المسموح بها لكل نطاق، يمكنها أيضًا استيعاب نطاقات أخرى ضمن صفائح بيتا الخاصة بها. علاوة على ذلك، توجد بروتينات أظهرت تباينًا في عدد خيوط بيتا لكل صفيحة بيتا. فبدلًا من وجود أربعة خيوط بيتا نموذجية في الصفيحة، يحتوي مثبط بيتا لاكتاماز البروتين- II على ثلاثة خيوط بيتا فقط لكل صفيحة، بينما يحتوي إنزيم الفايتيز في بكتيريا العصوية الرقيقة على خمسة خيوط بيتا لكل صفيحة بيتا. ^{[ 2 ]}

بسبب بنيتها ومرونتها، يمكن أن تتشكل تفاعلات بروتين-بروتين مع السطح العلوي والسفلي والقناة المركزية والجوانب للمروحة بيتا. ^{[ 4 ]} تختلف وظيفة المروحة باختلاف عدد شفراتها. تعمل مراوح بيتا ذات الأربع شفرات بشكل أساسي كبروتينات ناقلة ، وبفضل بنيتها، تتمتع بتكوين ملائم لارتباط الركيزة. ^{[4] على عكس مراوح بيتا الأكبر حجمًا، لا تستطيع مراوح بيتا ذات الأربع شفرات عادةً القيام بالتحفيز بنفسها، بل تعمل بدلًا من ذلك على المساعدة في التحفيز من خلال أداء الوظائف المذكورة سابقًا. يمكن أن تعمل المراوح ذات الخمس شفرات كناقلات، ومحللات، وبروتينات رابطة للسكريات. [ 4 ]} تؤدي المراوح ذات الست والسبع ^{شفرات مجموعة أوسع} بكثير من الوظائف مقارنةً بالمراوح ذات الأربع والخمس شفرات. يمكن أن تشمل هذه الوظائف العمل كبروتينات ربط الليجاند، والهيدرولاز، واللياز ، والإيزوميراز ، وبروتينات الإشارة، والبروتينات الهيكلية، والأكسيدوريدوكتاز . ^{[ 4 ]}

قد تسمح الاختلافات في المراوح بيتا الأكبر حجمًا (من خمس إلى ثماني شفرات) بوظائف أكثر تحديدًا. وينطبق هذا على المنطقة الطرفية C لبروتين GyrA، التي تُظهر سطحًا موجب الشحنة مثاليًا لربط الحمض النووي. وقد يوفر حلزونان ألفا يخرجان من مروحة بيتا سداسية الشفرات لبروتين باراوكسوناز المصل منطقة كارهة للماء مثالية لتثبيت الأغشية. ويحتوي بروتين ربط تلف الحمض النووي 1 على ثلاث مراوح بيتا، حيث يتم إدخال الوصلة بين اثنتين من المراوح في المروحة الثالثة، مما قد يسمح بوظيفتها الفريدة. ^{[ 4 ]}

• يُعدّ التنكس العصبي المرتبط ببروتين بيتا-بروبيلر (BPAN) حالةً تتميز بنوبات صرع مبكرة، وتأخر في النمو، وإعاقة ذهنية. ومع التقدم في السن، قد يحدث أيضًا ضمور في العضلات وضعف في الوظائف الإدراكية. وقد تم تحديد متغيرات جين WDR45 لدى كل من الذكور والإناث المصابين بهذه الحالة. ^{[ 10 ]}
• فرط كوليسترول الدم العائلي هو مرض وراثي بشري ينتج عن طفرات في الجين المسؤول عن ترميز مستقبل البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDLR)، وهو بروتين يحتوي على وحدة حلزونية بيتا واحدة على الأقل. يؤدي هذا المرض إلى ارتفاع تركيز البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDL) والكوليسترول، مما قد يُسبب مضاعفات خطيرة مثل تصلب الشرايين التاجية . وقد أظهرت الدراسات أن الطفرات المؤكدة تُؤثر على الروابط الهيدروجينية بين شفرات الوحدة الحلزونية بيتا. ^{[ 2 ]}
• استُخدمت بنية المروحة بيتا في هندسة البروتينات في العديد من الحالات. فعلى سبيل المثال، عمل يوشيدا وزملاؤه على إنزيم نازع هيدروجين الجلوكوز (GDH)، الذي يمتلك بنية مروحة بيتا سداسية الشفرات، لإنتاج إنزيم مثالي للاستخدام كمستشعر للجلوكوز. وقد نجحوا في هندسة إنزيم GDH هجين يتميز بثبات حراري أعلى، وثبات ارتباط أعلى بالعوامل المساعدة، وزيادة في خصوصية الركيزة. تُعزى هذه الخصائص إلى زيادة التفاعلات الكارهة للماء نتيجةً لطفرات في الطرف الكربوكسيلي لبنية المروحة بيتا. ^{[ 2 ]}
• يُستخدم نطاق بيتا-بروبيلر الخاص بإنزيم نيورامينيداز فيروس الإنفلونزا بشكل شائع في تصميم الأدوية. ومن خلال دراسة هذا الإنزيم، طوّر الباحثون مثبطات لإنزيم نيورامينيداز الإنفلونزا، والتي تعمل على حجب هذا الإنزيم بفعالية، وبالتالي إبطاء أو إيقاف تطور عدوى الإنفلونزا. ^{[ 2 ]}

• بروتين النورامينيداز الفيروسي لفيروس الإنفلونزا هو بروتين حلزوني سداسي الشفرات، وشكله النشط عبارة عن رباعي الوحدات . ^{[ 11 ]} وهو أحد بروتينين موجودين في الغلاف الفيروسي ، ويحفز انقسام جزيئات حمض السياليك من بروتينات غشاء الخلية للمساعدة في توجيه الفيروسات المُنتجة حديثًا إلى الخلايا غير المصابة سابقًا. ^{[ 12 ]}
• تُعرف تكرارات WD40 ، أو تكرارات بيتا-ترانسدوسين، بأنها أجزاء قصيرة توجد بشكل أساسي في حقيقيات النوى . ^{[ 13 ] [ 14 ]} عادةً ما تُشكّل هذه التكرارات بنيةً حلزونيةً بيتا ذات 7-8 شفرات، ولكن ثبت أيضًا أنها تُشكّل نطاقاتٍ هيكليةً ذات 4 إلى 16 وحدةً متكررةً، وهي ضروريةٌ لتفاعلات البروتين-بروتين. تشارك أنماط بروتين WD40 في وظائف متنوعة، بما في ذلك نقل الإشارات، وتنظيم النسخ، وتنظيم دورة الخلية. كما أنها تعمل كمواقع لتفاعلات البروتين-بروتين، ويمكنها حتى أن تلعب دورًا في تجميع معقدات البروتين. تُحدد خصوصية هذه النطاقات الهيكلية من خلال تسلسل البروتين خارجها. ^{[ 15 ]}
• يُعدّ مُستحلب بيتا مُكوّنًا أساسيًا لمستقبل البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDLR)، ويُساعد في تغيير بنيته تبعًا لدرجة الحموضة. عند درجة حموضة مُتعادلة، يكون مستقبل البروتين الدهني منخفض الكثافة في هيئة خطية مُمتدة، ويستطيع الارتباط بالليجاندات ( PCSK9 ). أما عند درجة حموضة حمضية، فتتغير الهيئة الخطية إلى بنية حلقية، بحيث ترتبط مواقع ارتباط الليجاندات بمُستحلب بيتا، مما يمنع ارتباط الليجاندات. ^{[ 16 ] [ 17 ]}
• تتكون إنزيمات الفايتيز ذات البنية الحلزونية بيتا من بنية حلزونية سداسية الشفرات. وهي إنزيمات فوسفاتاز قادرة على تحليل الروابط الإسترية للفايتات، وهو الشكل الرئيسي لتخزين الفوسفات في النباتات. ومن خلال هذه العملية، يصبح الفوسفات الذي لا تستطيع الماشية الوصول إليه عادةً متاحًا لها. تحتوي معظم أعلاف الماشية على فوسفات غير عضوي مضاف، والذي قد يُسبب تلوثًا بيئيًا عند إفرازه. إن إضافة إنزيم الفايتيز بدلًا من الفوسفات إلى أعلاف الماشية من شأنه أن يسمح للحيوانات بتحليل الفوسفات الموجود أصلًا في المادة النباتية. وهذا من شأنه نظريًا أن يُقلل التلوث نظرًا لانخفاض كمية الفوسفات الزائد المُفرزة. ^{[ 18 ]}

• براندن سي، توز جيه. (1999). مقدمة في بنية البروتين، الطبعة الثانية. دار نشر جارلاند: نيويورك، نيويورك.

• مراوح SCOP رباعية الشفرات من نوع بيتا، مؤرشفة بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
• مراوح SCOP خماسية الشفرات من نوع بيتا، مؤرشفة بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
• مراوح SCOP سداسية الشفرات من نوع بيتا، مؤرشفة بتاريخ 24 مارس 2017 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• مراوح SCOP ذات 7 شفرات من نوع بيتا، مؤرشفة بتاريخ 24 مارس 2017 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• مراوح بيتا ذات 8 شفرات من شركة SCOP، مؤرشفة بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .