Struktura drugorzędowa białka - Protein secondary structure

Schemat interaktywnych od struktury białka , przy użyciu PCNA jako przykład. ( WPB : 1AXC )

Struktury drugorzędowej białka jest trójwymiarowa forma z lokalnych segmentów z białkami . Dwa najczęstsze drugorzędowe elementy strukturalne to helisy alfa i arkusze beta , chociaż występują również zwroty beta i pętle omega . Elementy struktury drugorzędowej zwykle tworzą się spontanicznie jako produkt pośredni, zanim białko sfałduje się w swoją trójwymiarową strukturę trzeciorzędową .

Struktura drugorzędowa jest formalnie zdefiniowana przez układ wiązań wodorowych pomiędzy atomami wodoru aminowego i tlenu karboksylowego w szkielecie peptydowym . Strukturę drugorzędową można alternatywnie zdefiniować w oparciu o regularny wzór kątów dwuściennych szkieletu w określonym obszarze wykresu Ramachandrana, niezależnie od tego, czy ma prawidłowe wiązania wodorowe.

Pojęcie struktury drugorzędowej po raz pierwszy wprowadził Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang w Stanford w 1952 roku. Inne typy biopolimerów, takie jak kwasy nukleinowe, również posiadają charakterystyczne struktury drugorzędowe .

Rodzaje

Schemat interaktywnych od wiązań wodorowych w białko struktury drugorzędowej . Kreskówki powyżej atomy pod azotem w kolorze niebieskim, czerwonym tlenu ( PDB : 1AXC )

Najczęstszymi strukturami drugorzędowymi są helisy alfa i arkusze beta . Inne helisy, takie jak helisa 3 ₁₀ i helisa π , są obliczane jako mające energetycznie korzystne wzorce wiązań wodorowych, ale rzadko są obserwowane w naturalnych białkach, z wyjątkiem końców helis α z powodu niekorzystnego upakowania szkieletu w centrum helisy. Inne rozszerzone struktury, takie jak helisa poliprolinowa i arkusz alfa, są rzadkie w białkach w stanie natywnym , ale często przyjmuje się, że są ważnymi pośrednikami fałdowania białek . Ciasne skręty i luźne, elastyczne pętle łączą bardziej „zwykłe” elementy struktury drugorzędowej. Kłębka nie jest prawdziwa struktura wtórna, ale jest klasa konformacji że wskazywać na brak regularnej struktury drugorzędowej.

Aminokwasy różnią się zdolnością do tworzenia różnych drugorzędowych elementów struktury. Prolina i glicyna są czasami nazywane „łamaczami helisy”, ponieważ zakłócają regularność konformacji szkieletu helikalnego α; jednak oba mają niezwykłe zdolności konformacyjne i są powszechnie spotykane na zmianę . Aminokwasy, które preferują przyjęcie konformacji spiralnej w białkach, obejmują metioninę , alaninę , leucynę , glutaminian i lizynę („MALEK” w 1-literowych kodach aminokwasów ); Natomiast Duże reszty aromatyczne ( tryptofan , tyrozyna i fenyloalanina ) i C ^β -branched aminokwasów ( izoleucyny , waliny i treoniny ), natomiast przyjmuje β nici konformacji. Jednak preferencje te nie są wystarczająco silne, aby stworzyć wiarygodną metodę przewidywania struktury drugorzędowej na podstawie samej sekwencji.

Uważa się, że drgania zbiorowe o niskiej częstotliwości są wrażliwe na lokalną sztywność w białkach, ujawniając, że struktury beta są ogólnie bardziej sztywne niż białka alfa lub nieuporządkowane. Pomiary rozpraszania neutronów bezpośrednio powiązały cechę spektralną przy ~1 THz ze zbiorowymi ruchami struktury drugorzędowej białka beta-beczułkowego GFP.

Wzory wiązań wodorowych w strukturach drugorzędowych mogą być znacznie zniekształcone, co utrudnia automatyczne określenie struktury drugorzędowej. Istnieje kilka metod formalnego definiowania drugorzędowej struktury białka (np. DSSP , DEFINE, STRIDE , ScrewFit, SST ).

Klasyfikacja DSSP

Dystrybucja uzyskana z nienadmiarowego zestawu danych pdb_select (marzec 2006); Struktura drugorzędna przypisana przez DSSP; 8 stanów konformacyjnych zredukowanych do 3 stanów: H=HGI, E=EB, C=STC. Widoczne są mieszaniny rozkładów (gaussowskich), wynikające również z redukcji stanów DSSP.

Słownik drugorzędowej struktury białka, w skrócie DSSP, jest powszechnie używany do opisu drugorzędowej struktury białka za pomocą kodów jednoliterowych. Strukturę drugorzędową przypisuje się na podstawie wzorców wiązań wodorowych, jak te pierwotnie zaproponowane przez Paulinga i in. w 1951 (zanim jakakolwiek struktura białka została kiedykolwiek eksperymentalnie określona). Istnieje osiem typów struktur drugorzędowych, które definiuje DSSP:

• G = 3-obrotowa spirala ( 3 ₁₀ spirali ). Minimalna długość 3 resztki.
• H = 4-obrotowa spirala ( α helisa ). Minimalna długość 4 pozostałości.
• I = helisa 5-zwojowa ( helisa π ). Minimalna długość 5 reszt.
• T = wiązanie wodorowe zwój (3, 4 lub 5 zwojów)
• E = wydłużona nić w równoległej i/lub antyrównoległej konformacji arkusza β . Minimalna długość 2 pozostałości.
• B = pozostałość w izolowanym mostku β (tworzenie wiązania wodorowego pojedynczej pary arkusza β)
• S = bend (jedyne przypisanie nie oparte na wiązaniach wodorowych).
• C = cewka (resztki, które nie znajdują się w żadnej z powyższych konformacji).

„Cewka” jest często kodowana jako „ ” (spacja), C (cewka) lub „–” (myślnik). Wszystkie helisy (G, H i I) oraz konformacje arkuszy muszą mieć rozsądną długość. Oznacza to, że 2 sąsiednie reszty w strukturze pierwszorzędowej muszą tworzyć ten sam wzór wiązań wodorowych. Jeśli wzór wiązania wodorowego helisy lub arkusza jest zbyt krótki, oznacza się je odpowiednio jako T lub B. Istnieją inne kategorie przypisania struktury drugorzędowej białek (ostre skręty, pętle Omega itp.), ale są one rzadziej używane.

Strukturę drugorzędową definiuje wiązanie wodorowe , więc dokładna definicja wiązania wodorowego ma kluczowe znaczenie. Standardową definicją wiązania wodorowego dla struktury drugorzędowej jest DSSP , który jest modelem czysto elektrostatycznym. Przypisuje ładunki ± q ₁  0,42 e odpowiednio do węgla karbonylowego i tlenu, a ładunki ± q ₂  ≈ 0,20 e odpowiednio do wodoru i azotu amidowego. Energia elektrostatyczna jest

${\ Displaystyle E = q_ {1} q_ {2} \ lewo ({\ Frac {1} {R_ {\ operatorname {na} }}} + {\ Frac {1} {r_ {\ operatorname {CH}}} }-{\frac {1}{r_{\mathrm {OH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {CN} }}}\right)\cdot 332{\text{ kcal/mol }}.}$

Według DSSP wiązanie wodorowe istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy E jest mniejsze niż -0,5 kcal/mol (-2,1 kJ/mol). Chociaż wzór DSSP jest stosunkowo prostym przybliżeniem fizycznej energii wiązania wodorowego, jest powszechnie akceptowany jako narzędzie do definiowania struktury drugorzędowej.

Klasyfikacja SST

SST jest metodą bayesowską do przypisywania struktury drugorzędowej do danych współrzędnych białka przy użyciu kryterium informacyjnego Shannona wnioskowania o minimalnej długości wiadomości ( MML ). SST traktuje każde przypisanie struktury drugorzędowej jako potencjalną hipotezę, która próbuje wyjaśnić ( kompresować ) dane o współrzędnych białka. Podstawową ideą jest to, że najlepsze przypisanie struktury drugorzędowej to takie, które może wyjaśnić ( skompresować ) współrzędne danego białka w najbardziej ekonomiczny sposób, łącząc w ten sposób wnioskowanie o strukturze drugorzędowej z bezstratną kompresją danych . SST dokładnie wyznacza dowolny łańcuch białkowy na regiony związane z następującymi typami przypisania:

• E = (przedłużone) pasmo arkusza plisowanego β
• G = prawoskrętna 3 ₁₀ helisa
• H = prawoskrętna α-helisa
• I = Prawoskrętny π - helisa
• g = leworęczny 3 ₁₀ helisa
• h = lewoskrętna α-helisa
• i = leworęczny π - helisa
• 3 = 3 ₁₀ -jak Turn
• 4 = α -podobny Turn
• 5 = π- jak Turn
• T = Nieokreślony obrót
• C = Cewka
• - = Nieprzypisana reszta

SST wykrywa π i 3 ₁₀ helikalnych czapeczek w standardowych α- helisach i automatycznie łączy różne rozszerzone pasma w spójne β-harmonijkowe arkusze. Zapewnia czytelne dane wyjściowe wypreparowanych drugorzędowych elementów strukturalnych oraz odpowiedni skrypt ładowany przez PyMol do indywidualnej wizualizacji przypisanych drugorzędnych elementów strukturalnych.

Eksperymentalne określenie

Zgrubną zawartość drugorzędowej struktury biopolimeru (np. „to białko to 40% helisy α i 20% arkusza β ”) można oszacować spektroskopowo . W przypadku białek powszechną metodą jest dichroizm kołowy w zakresie dalekiego ultrafioletu (far-UV, 170–250 nm) . Wyraźne podwójne minimum przy 208 i 222 nm wskazuje na strukturę α-helikalną, podczas gdy pojedyncze minimum przy 204 nm lub 217 nm odzwierciedla odpowiednio strukturę losowej cewki lub β-kartki. Mniej powszechną metodą jest spektroskopia w podczerwieni , która wykrywa różnice w oscylacji wiązań grup amidowych w wyniku wiązania wodorowego. Wreszcie zawartość struktury drugorzędowej można dokładnie oszacować za pomocą przesunięć chemicznych początkowo nieprzypisanego widma NMR .

Prognoza

Przewidywanie struktury trzeciorzędowej białka tylko na podstawie jego sekwencji aminokwasowej jest bardzo trudnym problemem (patrz przewidywanie struktury białka ), ale użycie prostszych definicji struktury drugorzędowej jest bardziej wykonalne.

Wczesne metody przewidywania struktury drugorzędowej ograniczały się do przewidywania trzech dominujących stanów: helisy, arkusza lub zwoju losowego. Metody te opierały się na skłonnościach poszczególnych aminokwasów do tworzenia helis lub arkuszy, czasami w połączeniu z regułami szacowania energii swobodnej formowania elementów struktury drugorzędowej. Pierwszymi szeroko stosowanymi technikami przewidywania drugorzędowej struktury białka na podstawie sekwencji aminokwasowej były metoda Chou-Fasman i metoda GOR . Chociaż takie metody twierdziły, że zapewniają ~60% dokładność w przewidywaniu, który z trzech stanów (helisa/arkusz/zwój) przyjmie pozostałość, ślepe oceny obliczeniowe wykazały później, że rzeczywista dokładność była znacznie niższa.

Znaczący wzrost dokładności (do prawie ~80%) został dokonany przez wykorzystanie dopasowania wielu sekwencji ; poznanie pełnego rozmieszczenia aminokwasów, które występują w danej pozycji (iw jej sąsiedztwie, zazwyczaj ~7 reszt po każdej stronie) podczas ewolucji zapewnia znacznie lepszy obraz tendencji strukturalnych w pobliżu tej pozycji. Na przykład, dane białko może mieć w danej pozycji glicynę , co samo w sobie może sugerować istnienie tam przypadkowej spirali. Jednak wielokrotne dopasowanie sekwencji może ujawnić, że aminokwasy faworyzujące helisę występują w tej pozycji (i pozycjach w pobliżu) w 95% homologicznych białek na przestrzeni prawie miliarda lat ewolucji. Ponadto, badając średnią hydrofobowość w tej i pobliskich pozycjach, to samo dopasowanie może również sugerować wzór dostępności rozpuszczalnika resztkowego zgodny z α-helisą. Podsumowując, czynniki te sugerowałyby, że glicyna oryginalnego białka przyjmuje strukturę α-helikalną, a nie kłębek nieuporządkowany. Do łączenia wszystkich dostępnych danych w predykcję 3-stanową stosuje się kilka rodzajów metod, w tym sieci neuronowe , ukryte modele Markowa i maszyny wektorów nośnych . Nowoczesne metody przewidywania zapewniają również ocenę ufności swoich przewidywań na każdej pozycji.

Metody przewidywania struktury drugorzędowej zostały ocenione za pomocą eksperymentów krytycznej oceny przewidywania struktury białka (CASP) i stale porównywane, np. przez EVA (benchmark) . Na podstawie tych testów najdokładniejszymi metodami były Psipred , SAM, PORTER, PROF i SABLE. Wydaje się, że głównym obszarem do poprawy jest przewidywanie nici β; reszty z pewnością przewidywane jako nić β prawdopodobnie tak będą, ale metody są skłonne przeoczyć niektóre segmenty nici β (fałszywie ujemne). Prawdopodobnie istnieje górna granica ~90% ogólnej dokładności przewidywania, ze względu na specyfikę standardowej metody ( DSSP ) przypisywania klas struktur drugorzędowych (helisa/nić/zwój) do struktur PDB, względem których porównuje się przewidywania.

Dokładne przewidywanie struktury drugorzędowej jest kluczowym elementem w przewidywaniu struktury trzeciorzędowej we wszystkich przypadkach z wyjątkiem najprostszych ( modelowanie homologii ). Na przykład, z pewnością przewidywany wzór sześciu elementów struktury drugorzędowej βαββαβ jest sygnaturą fałdowania ferredoksyny .

Aplikacje

Struktury drugorzędowe białek i kwasów nukleinowych mogą być stosowane do pomocy w dopasowaniu wielu sekwencji . Te dopasowania mogą być dokładniejsze przez włączenie informacji o strukturze drugorzędowej oprócz informacji o prostej sekwencji. Jest to czasami mniej przydatne w RNA, ponieważ parowanie zasad jest znacznie bardziej konserwatywne niż sekwencja. Odległe relacje między białkami, których struktury pierwszorzędowe są nieuporządkowane, można czasem znaleźć na podstawie struktury drugorzędowej.

Wykazano, że α-helisy są bardziej stabilne, odporne na mutacje i możliwe do zaprojektowania niż nici β w naturalnych białkach, a zatem projektowanie funkcjonalnych białek all-α będzie prawdopodobnie łatwiejsze niż projektowanie białek zarówno z helisami, jak i niciami; zostało to niedawno potwierdzone eksperymentalnie.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

• NetSurfP — predyktor struktury drugorzędowej i dostępności powierzchni
• PROF
• ŚrubaFit
• PSSpred Program szkolenia wielu sieci neuronowych do przewidywania struktury drugorzędowej białek
• Metaserwer Genesilico Metaserwer, który umożliwia uruchamianie ponad 20 różnych predyktorów struktury drugorzędowej za pomocą jednego kliknięcia
• Serwer sieciowy SST : Teoretyczne informacje (oparte na kompresji) drugorzędne przypisanie strukturalne.