دبوس شعر بيتا

تُعدّ بنية بيتا الدبوسية (وتُسمى أحيانًا شريط بيتا أو وحدة بيتا-بيتا ) نمطًا بنيويًا بروتينيًا بسيطًا يتألف من خيطين بيتا يشبهان دبوس الشعر . يتكون هذا النمط من خيطين متجاورين في البنية الأولية ، وموجهين في اتجاه معاكس للتوازي ( حيث يكون الطرف الأميني لأحد الخيطين مجاورًا للطرف الكربوكسيلي للخيط الآخر)، ويرتبطان بحلقة قصيرة تتكون من حمضين إلى خمسة أحماض أمينية . يمكن أن توجد بنى بيتا الدبوسية منفردة أو كجزء من سلسلة من الخيوط المرتبطة بروابط هيدروجينية والتي تُشكل مجتمعةً صفيحة بيتا .

استخدم باحثون مثل فرانسيسكو بلانكو وآخرون تقنية الرنين المغناطيسي النووي للبروتين لإظهار أن حلقات بيتا يمكن أن تتشكل من ببتيدات قصيرة معزولة في محلول مائي، مما يشير إلى أن حلقات بيتا يمكن أن تشكل مواقع نواة لطي البروتين . ^{[ 1 ]}

صُنفت حلقات بيتا في الأصل بناءً على عدد الأحماض الأمينية في تسلسلها الحلقي، فكانت تُسمى حلقات أحادية الحمض الأميني، وحلقات ثنائية الحمض الأميني، وهكذا. ^{[ 2 ]} إلا أن هذا النظام يُعدّ غامضًا بعض الشيء، إذ لا يأخذ في الحسبان ما إذا كانت الأحماض الأمينية التي تُشير إلى نهاية الحلقة مرتبطة بروابط هيدروجينية أحادية أو ثنائية. وقد اقترح ميلنر-وايت وبويت طريقة تصنيف مُحسّنة. ^{[ 3 ]} تُقسم حلقات بيتا إلى أربع فئات متميزة كما هو موضح في الشكل 1 من المنشور. تبدأ كل فئة بأصغر عدد ممكن من الأحماض الأمينية في الحلقة، ثم يزداد حجم الحلقة تدريجيًا عن طريق إزالة الروابط الهيدروجينية في الصفيحة بيتا. الحلقة الأساسية من الفئة 1 هي حلقة أحادية الحمض الأميني، حيث تتشارك الأحماض الأمينية المرتبطة رابطتين هيدروجينيتين. تُزال رابطة هيدروجينية واحدة لتكوين حلقة ثلاثية الأحماض الأمينية، وهي الحلقة الثانوية من الفئة 1. تُحتسب الأحماض الأمينية المرتبطة برابطة واحدة في تسلسل الحلقة، كما تُشير إلى نهايتها، مما يُحدد هذه الحلقة على أنها ثلاثية الأحماض الأمينية. ثم تُزال هذه الرابطة الهيدروجينية لتكوين الحلقة الثالثة؛ وهي حلقة خماسية الأحماض الأمينية مرتبطة بروابط ثنائية. يستمر هذا النمط إلى ما لا نهاية، ويُحدد جميع حلقات بيتا ضمن الفئة. تتبع الفئة 2 النمط نفسه، حيث تبدأ بحلقة ثنائية الأحماض الأمينية تنتهي برابطتين هيدروجينيتين. تبدأ الفئة 3 بحلقة ثلاثية الأحماض الأمينية، والفئة 4 بحلقة رباعية الأحماض الأمينية. لا توجد فئة 5 لأن الحلقة الأولية مُحددة بالفعل في الفئة 1. لا يُراعي نظام التصنيف هذا درجات الترابط الهيدروجيني المختلفة فحسب، بل يُشير أيضًا إلى السلوك البيولوجي للحلقة. قد تُؤدي استبدالات الأحماض الأمينية المفردة إلى تدمير رابطة هيدروجينية مُعينة، لكنها لن تُفكك الحلقة أو تُغير فئتها. من جهة أخرى، تتطلب عمليات إدخال أو حذف الأحماض الأمينية إعادة تشكيل كامل سلسلة بيتا لتجنب انتفاخ بيتا في البنية الثانوية. وهذا بدوره سيغير نوع بنية الحلقة الدبوسية. وبما أن الاستبدالات هي أكثر طفرات الأحماض الأمينية شيوعًا، فمن المحتمل أن يخضع البروتين لتحول دون التأثير على وظيفة الحلقة الدبوسية بيتا. ^{[ 3 ]}

يُساعد فهم آلية طي النطاقات الدقيقة على إلقاء الضوء على أنماط طي البروتينات الكاملة . وقد كشفت دراساتٌ أجريت على بنية بيتا حلقية تُسمى تشيغنولين (انظر تشيغنولين في بروتيوبيديا ) عن عملية طي تدريجية تُحفز طي هذه البنية. تتميز هذه البنية الحلقية بخصائص تسلسلية مشابهة لأكثر من 13000 بنية حلقية معروفة، وبالتالي يُمكن اعتبارها نموذجًا أكثر عمومية لتكوين بنية بيتا الحلقية. يُشير تكوين منطقة الانعطاف الأصلية إلى بدء سلسلة عمليات الطي، حيث يُقصد بالانعطاف الأصلي الانعطاف الموجود في البنية المطوية النهائية.

في عملية طي البروتينات، قد لا ينشأ الانحناء من منطقة الانحناء الأصلية، بل من السلسلة C في بنية بيتا-هيربين. ثم ينتشر هذا الانحناء عبر السلسلة C (السلسلة بيتا المؤدية إلى النهاية الكربوكسيلية) حتى يصل إلى منطقة الانحناء الأصلية. أحيانًا تكون تفاعلات الأحماض الأمينية المؤدية إلى منطقة الانحناء الأصلية قوية جدًا، مما يؤدي إلى انتشار عكسي. مع ذلك، بمجرد تشكل الانحناء الأصلي، تساعد التفاعلات بين بقايا البرولين والتريبتوفان (كما هو موضح في الصورة على اليمين) في هذه المنطقة على تثبيت الانحناء، ومنع "الانقلاب" أو التفكك.

يعتقد الباحثون أن الانعطافات لا تنشأ في السلسلة N، وذلك بسبب زيادة الصلابة (التي غالبًا ما تنتج عن وجود البرولين قبل منطقة الانعطاف الأصلية) وقلة الخيارات التشكيلية. ويستغرق تكوين الانعطاف الأولي حوالي 1 ميكروثانية. وبمجرد اكتمال الانعطاف الأولي، اقتُرحت آليتان لكيفية طي بقية بنية بيتا-هيربين: إما انهيار كاره للماء مع إعادة ترتيب على مستوى السلاسل الجانبية، أو الآلية الأكثر قبولًا التي تشبه السحاب. ^{[ 4 ]}

توجد بنية حلقة بيتا الشعرية في العديد من البروتينات الجزيئية الكبيرة. مع ذلك، يمكن أن توجد حلقات بيتا الشعرية الصغيرة والبسيطة بشكل منفرد أيضًا. ولتوضيح ذلك، يُعرض بروتين نطاق Pin1 على اليسار كمثال.

تعمل البروتينات الغنية بالصفائح بيتا، والتي تُسمى أيضًا نطاقات WW ، عن طريق الالتصاق بالببتيدات الغنية بالبرولين و/أو المُفسفرة للتوسط في التفاعلات بين البروتينات . يشير مصطلح "WW" إلى اثنين من بقايا التربتوفان (W) المحفوظة ضمن التسلسل، والتي تُساعد في طي الصفائح بيتا لتكوين لب صغير كاره للماء. ^{[ 5 ]} يمكن رؤية بقايا التربتوفان هذه أدناه (على اليمين) باللون الأحمر.

يرتبط هذا الإنزيم بالرابط الخاص به عبر قوى فان دير فالس بين التريبتوفان المحفوظ والمناطق الغنية بالبرولين في الرابط. ويمكن للأحماض الأمينية الأخرى أن ترتبط بالنواة الكارهة للماء لبنية بيتا-هيربين لضمان ارتباط قوي. ^{[ 6 ]}

من الشائع أيضاً وجود بقايا البرولين ضمن الجزء الحلقي من بنية بيتا-هيربين، نظراً لصلابة هذا الحمض الأميني ومساهمته في تكوين الانحناء. تظهر بقايا البرولين هذه كسلاسل جانبية حمراء في صورة نطاق Pin1 WW أدناه (يسار).

لقد حقق تصميم الببتيدات التي تتخذ بنية β-hairpin (دون الاعتماد على ارتباط المعادن، أو الأحماض الأمينية غير المألوفة، أو الروابط المتشابكة ثنائية الكبريتيد) تقدمًا ملحوظًا، وأسفر عن فهم أعمق لديناميكيات البروتين. على عكس الحلزونات α ، لا تستقر بنية β-hairpin بنمط منتظم من الروابط الهيدروجينية. ونتيجة لذلك، تطلبت المحاولات المبكرة ما لا يقل عن 20-30 حمضًا أمينيًا لتحقيق طيات ثلاثية مستقرة لبنية β-hairpin. ومع ذلك، انخفض هذا الحد الأدنى إلى 12 حمضًا أمينيًا بفضل زيادة الاستقرار الناتجة عن دمج أزواج التريبتوفان المتشابكة. وقد تبين أن زوجين من التريبتوفان غير المرتبطين بروابط هيدروجينية يتشابكان في نمط يشبه السحاب، مما يُثبّت بنية β-hairpin مع الحفاظ على ذوبانها في الماء . يُظهر التركيب النووي المغناطيسي لببتيد بيتا ذي سحاب التربتوفان (trpzip) التأثير المثبت للتفاعلات المواتية بين حلقات الإندول المتجاورة . ^{[ 7 ]}

تضمنت عملية تصنيع ببتيدات trpzip ذات بنية β-hairpin استخدام مفاتيح ضوئية تُسهّل التحكم الدقيق في عملية الطي. يتم استبدال العديد من الأحماض الأمينية في منطقة الانعطاف بجزيئات أزوبنزين ، والتي يمكن تحفيزها على التحول من التكوين العابر (trans) إلى التكوين المقابل (cis) بواسطة ضوء بطول موجي 360  نانومتر. عندما يكون جزء الأزوبنزين في التكوين المقابل (cis)، تصطف بقايا الأحماض الأمينية بشكل صحيح لتكوين بنية β-hairpin. مع ذلك، لا يمتلك التكوين العابر (trans) هندسة الانعطاف المناسبة لبنية β-hairpin. ^{[ 8 ]} يمكن استخدام هذه الظاهرة لدراسة ديناميكيات بنية الببتيد باستخدام مطيافية امتصاص الفيمتوثانية. ^{[ 8 ]}