ベータシート
緑色蛍光タンパク質のβシート部分の三次元構造[ 1 ]
Protein secondary structureBeta sheetAlpha helix
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タンパク質二次構造における水素結合のインタラクティブな図。上は漫画、下は原子（窒素は青、酸素は赤）（PDB : 1AXC​ ​）

ベータシート（βシート、βプリーツシートとも呼ばれる）は、通常のタンパク質二次構造の共通モチーフである。ベータシートは、少なくとも2つまたは3つのバックボーン水素結合によって横方向に結合したベータストランド（βストランド）で構成され、一般的にねじれたプリーツ状のシートを形成する。βストランドは、通常3～10個のアミノ酸からなるポリペプチド鎖で、バックボーンは伸長した構造をとっている。βシートの超分子的会合は、アミロイドーシス、 アルツハイマー病、その他のタンパク質異常症で観察される原線維およびタンパク質凝集体の形成に関与していると考えられている。

歴史

酵素カタラーゼの結晶構造（PDBファイル 1GWE、解像度 0.88 Å）からの 4 本鎖の平行β シート断片の例。a) 正面図。隣接する鎖のペプチド NH 基と CO 基間の平行水素結合（点線）を示す。矢印は鎖の方向を示し、電子密度の等高線は水素以外の原子の輪郭を示す。酸素原子は赤いボール、窒素原子は青いボールで、水素原子は簡略化のため省略されている。側鎖は最初の側鎖炭素原子（緑）までのみ示されている。b) a の中央の 2 つの β ストランドを真横から見た図。右巻きのねじれと、シートから交互に反対方向に突き出たC αと側鎖のひだを示す。

最初のβシート構造は、1930年代にウィリアム・アストベリーによって提唱されました。彼は、平行または反平行に伸びたβストランドのペプチド結合間に水素結合が形成されるという考えを提唱しました。しかし、アストベリーは当時、ペプチド結合が平面であることを知らなかったため、正確なモデルを構築するために必要なアミノ酸の結合構造に関するデータを持っていませんでした。改良版は、ライナス・ポーリングとロバート・コーリーによって1951年に提唱されました。彼らのモデルは、ケト-エノール互変異性化の結果であると以前に説明されていたペプチド結合の平面性を取り入れたものでした。

構造と方向性

幾何学

βストランドの大部分は他のストランドと隣接して配置され、隣接するストランドと広範な水素結合ネットワークを形成します。このネットワークでは、一方のストランドのバックボーンにあるN-H基が、隣接するストランドのバックボーンにあるC=O基と水素結合を形成します。完全に伸長したβストランドでは、連続する側鎖が交互に真上と真下を向いています。βシート内の隣接するβストランドは、C α原子が隣接し、側鎖が同じ方向を向くように配列されています。βストランドの「プリーツ」状の外観は、C α 原子における四面体化学結合に起因します。例えば、側鎖が真上を向いている場合、C′ への結合は、その結合角が約109.5°であるため、わずかに下向きに向いている必要があります。プリーツ状の構造により、C α原子とC′ 原子間の距離はα iおよびCα i + 22つの完全に伸長したトランスペプチドから予想される7.6Å（0.76nm）ではなく、約6Å（0.60nm  ）である 。水素結合したβストランドにおける隣接するCα原子間の「横方向」距離は、およそ5Å（0.50nm）である。

約 100,000 の高解像度データ ポイントのラマチャンドラン ( φ、  ψ ) プロット。β シート アミノ酸残基に典型的なコンフォメーションの周囲の広く好ましい領域を示しています。

しかし、βストランドが完全に伸びることは稀で、ねじれを呈する。エネルギー的に好ましい二面角（φ ,  ψ ）=（–135°, 135°）付近（概ねラマチャンドランプロットの左上領域）は、完全に伸びたコンフォメーション（φ ,  ψ）=（–180°, 180°）から大きく乖離している。[ 2 ]ねじれは、二面角の交互変動を伴うことが多く、大きなシート内の個々のβストランドが広がるのを防ぐ。強くねじれたβヘアピンの好例は、タンパク質BPTIに見られる。

側鎖はプリーツの折り目から外側を向いており、シートの平面に対してほぼ垂直です。連続するアミノ酸残基はシートの交互の面上で外側を向いています。

水素結合パターン

反平行βシート水素結合パターンを点線で表しています。酸素原子は赤、窒素原子は青で示されています。
点線で表された平行βシート水素結合パターン。酸素原子は赤、窒素原子は青で示されている。

ペプチド鎖はN末端とC末端によって方向性を持つため、βストランドも方向性を持つと言えます。タンパク質トポロジー図では、βストランドは通常、C末端を指す矢印で表されます。隣接するβストランドは、反平行、平行、または混合配置で 水素結合を形成します。

反平行配列では、連続するβストランドは、一方のストランドのN末端が次のストランドのC末端に隣接するように、交互に方向を変えます。これは、カルボニル基とアミン基間のストランド間水素結合が平面状（これが優先配向）になるため、最も強いストランド間安定性を生み出す配列です。ペプチド骨格の二面角（φ、  ψ）は、反平行シートでは約（-140°、135°）です。この場合、2つの原子Cα iおよびCα j2 つの水素結合したβ ストランドが隣接している場合、それらは互いの隣接するペプチド グループとの 2 つの相互バックボーン水素結合を形成します。これは、近接した水素結合 ペアとして知られています。

平行配置では、連続するストランドの N 末端がすべて同じ方向に向いています。この配向は、ストランド間の水素結合パターンに非平面性をもたらすため、やや安定性が低くなる可能性があります。平行シートでの二面角 ( φ、  ψ ) は約 (-120°、115°) です。モチーフ内で相互作用する平行ストランドが 5 つ未満であることはまれであり、より少数のストランドは不安定である可能性があることを示唆していますが、N 末端と C 末端が揃ったストランドは必然的に配列が非常に離れているため、平行 β シートの形成は根本的に困難です。小さなアミロイド形成配列は一般に、主に平行 β シート ストランドで構成される β シート フィブリルに凝集するように見えるため、平行 β シートの方が安定している可能性があるという証拠もあります。反平行の方が安定しているのであれば、反平行フィブリルが予想されます。

平行βシート構造では、2つの原子Cα iおよびCα j2つの水素結合βストランドにおいて、2つの残基が隣接している場合、それらは互いに水素結合しません。むしろ、一方の残基が他方の残基に隣接する残基と水素結合を形成します（逆は成り立ちません）。例えば、残基iは残基j  - 1およびj + 1と水素結合を形成することがあります。これは「ワイド水素結合ペア」 と呼ばれます。一方、残基jは全く異なる残基と水素結合する場合もあれば、いずれの残基とも水素結合しない場合もあります。

平行ベータシートの水素結合の配置は、 11 個の原子を持つアミド環モチーフの配置に似ています。

最後に、個々の鎖は、片側に平行鎖、もう一方に反平行鎖が混在する混合結合パターンを示す場合があります。このような配置は、ランダムな配向分布から予想されるほど一般的ではなく、このパターンは反平行配置よりも安定性が低いことを示唆しています。しかしながら、バイオインフォマティクス解析では、タンパク質全体には常に他の多くの構造的特徴が存在するため、構造熱力学を抽出することが常に困難です。また、タンパク質は本質的にフォールディング速度論とフォールディング熱力学によって制約されているため、バイオインフォマティクス解析から安定性を結論付ける際には常に注意が必要です。

β ストランドの水素結合は完璧である必要はありませんが、β バルジと呼ばれる局所的な破壊を示すことがあります。

水素結合はおおよそシートの平面にあり、ペプチドのカルボニル基は連続する残基と交互の方向を向いています。比較すると、アルファヘリックスでは連続するカルボニルは同じ方向を向いています。

アミノ酸の傾向

大きな芳香族残基（チロシン、フェニルアラニン、トリプトファン）とβ分岐アミノ酸（スレオニン、バリン、イソロイシン）は、βシートの中央にあるβストランドに多く存在する傾向があります。異なる種類の残基（プロリンなど）は、βシートの端のストランドに多く存在する傾向があります。これは、タンパク質間の「端から端への」会合を避け、凝集やアミロイド形成を防ぐためと考えられます。[ 3 ]

共通の構造モチーフ

βヘアピンモチーフ
ギリシャ鍵盤モチーフ

βヘアピンモチーフ

βストランドに関わる非常に単純な構造モチーフとしてβヘアピンがある。これは、2本の平行ストランドが2～5個の残基からなる短いループで連結された構造で、そのうちの1つはグリシンまたはプロリンであることが多い。これらの残基は、タイトターンやβバルジループに必要な二面角構造をとることができる。個々のストランドは、 αヘリックスを含む可能性のあるより長いループでより複雑に連結されることもある。

ギリシャの鍵モチーフ

ギリシャ鍵モチーフは、隣接する4本の反平行鎖とそれらを連結するループで構成されています。ヘアピンで連結された3本の反平行鎖で構成され、4本目の鎖は1本目の鎖に隣接し、より長いループで3本目の鎖と連結されています。このタイプの構造は、タンパク質の折り畳み過程において容易に形成されます。[ 4 ] [ 5 ]このモチーフは、ギリシャの装飾芸術によく見られる模様（メアンダーを参照）にちなんで名付けられました。

β-α-βモチーフ

構成アミノ酸のキラリティーにより、すべてのストランドはほとんどの高次βシート構造に見られる右巻きのねじれを示す。特に、2本の平行ストランド間の連結ループは、ほぼ常に右巻きのクロスオーバーキラリティーを有し、これはシート固有のねじれによって強く有利に働く。[ 6 ]この連結ループはしばしばらせん状領域を含み、その場合β-α-βモチーフと呼ばれる。β-α-β-αモチーフと呼ばれる密接に関連するモチーフは、最も一般的に観察されるタンパク質三次構造であるTIMバレルの基本構成要素を形成している。

外表面タンパク質A（OspA）のβ-メアンダーモチーフ。[ 7 ] 上の画像は、中心に拡張したβ-メアンダーβ-シートを含むOspAの変異体（OspA+3bh）を示しています。このβ-シートには、コアOspA β-ヘアピン（灰色）の3つの追加コピー（赤色）が複製され、親OspA β-シートに再挿入されています。
カルボキシペプチダーゼAのサイループモチーフ

β-メアンダーモチーフ

ヘアピンループによって連結された2つ以上の連続した反平行βストランドから構成される単純な超二次タンパク質トポロジー。[ 8 ] [ 9 ]このモチーフはβシートによく見られ、 βバレルやβプロペラなどのいくつかの構造アーキテクチャに見られます。

タンパク質中のβメアンダー領域の大部分は、ポリペプチド鎖の他のモチーフやセクションに詰め込まれており、折り畳み構造の形成を典型的に駆動する疎水性コアの一部を形成している。[ 10 ]  しかし、注目すべき例外として、外表面タンパク質A（OspA）バリアント[ 7 ]や単層βシートタンパク質（SLBP）[ 11 ]などがあり、これらは従来の疎水性コアを持たず単層βシートを含む。これらのβに富むタンパク質は、主にβストランド間相互作用と、個々のストランドを接続するターン領域に存在する疎水性相互作用によって安定化される、拡張された単層βメアンダーβシートを特徴とする。

サイループモチーフ

プサイループ（Ψループ）モチーフは、2本の反平行鎖から構成され、その間に1本の鎖が水素結合によって両方の鎖に連結されている。[ 12 ]単一のΨループには4つの鎖トポロジーが考えられる。[ 13 ]このモチーフは、その形成に至るプロセスがタンパク質のフォールディング中に起こる可能性が低いため、稀である。Ψループは、アスパラギン酸プロテアーゼファミリーで初めて同定された。[ 13 ]

βシートを持つタンパク質の構造

βシートは、全βドメイン、α+βドメイン、α/βドメイン、および全体的な構造が明確に定義されていない多くのペプチドや小さなタンパク質に存在します。 [ 14 ] [ 15 ]全βドメインは、 βバレル、βサンドイッチ、βプリズム、βプロペラ、およびβヘリックスを形成することがあります。

構造トポロジー

βシートのトポロジーは、バックボーンに沿った水素結合したβストランドの順序を表します。例えば、フラボドキシンフォールドは、トポロジーが21345の5本鎖の平行βシートを持ちます。したがって、バックボーンに沿ったエッジストランドはβストランド2とβストランド5です。明示的に記述すると、βストランド2はβストランド1と水素結合し、βストランド1はβストランド3と水素結合し、βストランド3はβストランド4と水素結合し、βストランド4はもう一方のエッジストランドであるβストランド5と水素結合します。同じシステムにおいて、上記のギリシャ鍵モチーフは4123のトポロジーを持ちます。βシートの二次構造は、ストランドの数、トポロジー、そして水素結合が平行か反平行かを示すことで大まかに説明できます。

βシートは、開いた状態、つまり2本の端ストランドを持つ状態（フラボドキシンフォールドや免疫グロブリンフォールドなど）もあれば、閉じたβバレル（ TIMバレルなど）もあります。βバレルは、しばしばねじれやずれによって説明されます。一部の開いたβシートは非常に湾曲しており、それ自体に折り重なったり（SH3ドメインなど）、馬蹄形になったり（リボヌクレアーゼ阻害剤など）します。開いたβシートは、面と面（βプロペラドメインや免疫グロブリンフォールドなど）または端と端が集まって1つの大きなβシートを形成します。

ダイナミック機能

βプリーツシート構造は、伸長したβストランドポリペプチド鎖から構成され、ストランドは水素結合によって隣接する鎖と結合しています。この伸長したバックボーン構造のため、βシートは伸長しにくくなっています。タンパク質中のβシートは、ラマン分光法[ 16 ]で観測され、準連続体モデル[ 17 ]で解析されたように、低周波のアコーディオンのような運動をする可能性があると考えられています。

平行βヘリックス

3辺の左巻きβヘリックスの端面図（PDB：1QRE）

βヘリックスは、短いループで連結された2つまたは3つの短いβストランドからなる繰り返し構造単位から形成されます。これらの単位はらせん状に互いに「積み重ね」られ、同じストランドの連続する繰り返しが互いに平行方向に水素結合します。詳細については、 βヘリックスの記事を参照してください。

左巻きβヘリックスでは、鎖自体は非常にまっすぐでねじれていない。その結果、ヘリックス表面はほぼ平坦となり、右図の1QRE古細菌炭酸脱水酵素のように、規則的な三角柱形状を形成する。他の例としては、脂質A合成酵素LpxAや、片面にThr側鎖が規則的に配列した昆虫不凍タンパク質があり、氷の構造を模倣している。[ 18 ]

3辺右巻きβヘリックスの端面図（PDB：2PEC）

左に示すペクチン酸リアーゼ酵素またはP22ファージテールスパイクタンパク質に代表される右巻きβヘリックスは、断面があまり規則的ではなく、より長く、片側が凹んでいます。3つのリンカーループのうち、1つは常に2残基の長さで、その他は可変で、結合部位または活性部位を形成するために加工されることがよくあります。[ 19 ] 2辺型βヘリックス（右巻き）は、一部の細菌性メタロプロテアーゼに見られます。その2つのループはそれぞれ6残基の長さで、GGXGXD配列モチーフのバックボーンとAsp側鎖酸素を使用して、構造の完全性を維持するために安定化カルシウムイオンを結合します。[ 20 ]このフォールドは、 SCOP分類ではβロールと呼ばれています。

病理学では

アミロイドβ（アミロイドプラーク参照）のように、単量体では無秩序またはらせん構造をとるタンパク質の中には、病態に関連するβシートを豊富に含むオリゴマー構造を形成するものがあります。アミロイドβタンパク質のオリゴマー構造は、アルツハイマー病の原因として関与していると考えられています。その構造はまだ完全には解明されていませんが、最近のデータでは、珍しい2本鎖βヘリックスに類似している可能性が示唆されています。[ 21 ]

βシート構造に見られるアミノ酸残基の側鎖は、シートの片側にある隣接する側鎖の多くが疎水性である一方、シートのもう一方の側にある互いに隣接する側鎖の多くは極性または荷電（親水性）であるように配置されることもあり、[ 22 ]これは、シートが極性/水性環境と非極性/脂っこい環境との間の境界を形成する場合に役立ちます。

参照

参考文献

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さらに読む

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