A fehérje másodlagos szerkezete - Protein secondary structure

Protein primary structure Protein secondary structure Protein tertiary structure Protein quaternary structure
A fenti kép kattintható linkeket tartalmaz
A fehérje szerkezetének interaktív diagramja , példaként PCNA -t használva . ( PDB : 1AXC )

Protein másodlagos szerkezet van a háromdimenziós formáját a helyi szegmensek a fehérjék . A két leggyakoribb másodlagos szerkezeti elemek alfa-hélixet képeznek , és béta lemezeket , bár béta fordulatok és omega hurkok előfordulnak is. A másodlagos szerkezeti elemek jellemzően spontán módon képződnek köztes termékként, mielőtt a fehérje háromdimenziós harmadlagos szerkezetévé hajlik .

A másodlagos szerkezetet formálisan a peptidváz amino -hidrogén- és karboxil -oxigénatomjai közötti hidrogénkötések mintázata határozza meg . Másodlagosan a Ramachandran -diagram egy adott régiójának gerinc -diéderes szögeinek szabályos mintázata alapján definiálható a másodlagos szerkezet, függetlenül attól, hogy rendelkezik -e a megfelelő hidrogénkötésekkel.

A másodlagos szerkezet fogalmát először Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang vezette be Stanfordban , 1952-ben. Más típusú biopolimerek , mint például a nukleinsavak is jellegzetes másodlagos szerkezetekkel rendelkeznek .

Típusok

A fehérje hélixek három fő formájának szerkezeti jellemzői
Geometria attribútum α-hélix 3 10 spirál π-spirál
Maradékok körönként 3.6 3.0 4.4
Fordítás maradékonként 1,5 Å (0,15 nm) 2,0 Å (0,20 nm) 1,1 Å (0,11 nm)
A spirál sugara 2,3 Å (0,23 nm) 1,9 Å (0,19 nm) 2,8 Å (0,28 nm)
Hangmagasság 5,4 Å (0,54 nm) 6,0 Å (0,60 nm) 4,8 Å (0,48 nm)
Protein secondary structure Beta sheet Alpha helix
A fenti kép kattintható linkeket tartalmaz
Interaktív diagram a hidrogénkötések a fehérje másodlagos szerkezetét . Cartoon fenti, atomok alatt nitrogénnel kék, oxigén piros ( EKT- : 1AXC )

A leggyakoribb másodlagos struktúrák alfa-hélixet képeznek , és béta lemezeket . Más spirálok, például a 3 10 spirál és a π hélix energetikailag kedvező hidrogénkötési mintázatúak, de a természetes fehérjékben ritkán figyelhetők meg, kivéve az α hélixek végeit, mivel a spirál közepén kedvezőtlen gerinctömítés van. Más kiterjesztett struktúrák, mint például a poliprolin -hélix és az alfa -lemez ritka a natív állapotú fehérjékben, de gyakran feltételezik, hogy fontos fehérje -hajtogató köztitermékek. Szoros fordulatok és laza, rugalmas hurkok kötik össze a "szabályosabb" másodlagos szerkezeti elemeket. A véletlen tekercs nem valódi másodlagos szerkezet, hanem a konformációk osztálya, amely a szabályos másodlagos szerkezet hiányát jelzi.

Az aminosavak különböznek abban a képességükben, hogy létrehozzák a különböző másodlagos szerkezeti elemeket. A prolint és a glicint néha "hélix megszakítónak" nevezik, mert megzavarják az α spirális gerinckonformáció szabályosságát; mindkettő azonban szokatlan konformációs képességekkel rendelkezik, és általában fordulásban fordul elő . Azok az aminosavak, amelyek szívesebben vesznek fel spirális konformációt a fehérjékben, a metionin , alanin , leucin , glutamát és lizin ("MALEK" az 1-es aminosav kódokban); ezzel szemben a nagy aromás aminosavak ( triptofán , tirozin és fenilalanin ) és a C β -elágazó aminosavak ( izoleucin , valin és treonin ) inkább β -szál konformációkat alkalmaznak. Ezek a preferenciák azonban nem elég erősek ahhoz, hogy megbízható módszert állítsanak elő a másodlagos szerkezet előrejelzésére önmagában a szekvenciából.

Úgy gondolják, hogy az alacsony frekvenciájú kollektív rezgések érzékenyek a fehérjék helyi merevségére, ami azt mutatja, hogy a béta szerkezetek általában merevebbek, mint az alfa vagy rendezetlen fehérjék. A neutronszórási mérések közvetlenül összekapcsolják a spektrális jellemzőt ~ 1 THz-nél a béta-hordó fehérje GFP másodlagos szerkezetének kollektív mozgásával.

A hidrogénkötési minták a másodlagos szerkezetekben jelentősen torzulhatnak, ami megnehezíti a másodlagos szerkezet automatikus meghatározását. A fehérje másodlagos szerkezetének formális meghatározására számos módszer létezik (pl. DSSP , DEFINE, STRIDE , ScrewFit, SST ).

DSSP osztályozás

Fő cikk: DSSP (fehérje)
Eloszlás a nem redundáns pdb_select adatkészletből (2006. március); A DSSP által hozzárendelt másodlagos szerkezet; 8 konformációs állapot 3 állapotra redukálva: H = HGI, E = EB, C = STC. Láthatók a (gauss) eloszlások keverékei, amelyek szintén a DSSP állapotok csökkenéséből származnak.

A Protein Secondary Structure szótára, röviden DSSP, általában a fehérje másodlagos szerkezetének leírására szolgál egybetűs kódokkal. A másodlagos szerkezet a hidrogénkötési minták alapján van hozzárendelve, ahogy azt Pauling és munkatársai eredetileg javasolták. 1951 -ben (mielőtt bármilyen fehérjeszerkezetet kísérletileg meghatároztak volna). A DSSP nyolcféle másodlagos struktúrát határoz meg:

  • G = 3 fordulatú spirál ( 3 10 spirál ). Min. Hossza 3 maradék.
  • H = 4 fordulatú spirál ( α hélix ). Minimális hossza 4 maradék.
  • I = 5 fordulatú spirál ( π hélix ). Minimális hossza 5 maradék.
  • T = hidrogénkötés (3, 4 vagy 5 fordulat)
  • E = kiterjesztett szál párhuzamos és/vagy anti-párhuzamos β-lemez konformációban. Minimum 2 maradék.
  • B = maradék az izolált β-hídban (egypáros β-lapos hidrogénkötés)
  • S = hajlítás (az egyetlen nem hidrogénkötésen alapuló hozzárendelés).
  • C = tekercs (maradékok, amelyek nem tartoznak a fenti konformációk egyikébe sem).

A „tekercset” gyakran kódolják: „” (szóköz), C (tekercs) vagy „ -” (kötőjel). A csavarok (G, H és I) és a lemezkonformációk ésszerű hosszúságúak. Ez azt jelenti, hogy az elsődleges szerkezet 2 szomszédos maradékának azonos hidrogénkötési mintát kell képeznie. Ha a spirál vagy a lemez hidrogénkötési mintája túl rövid, akkor T vagy B jelöléssel vannak ellátva. Más fehérje másodlagos szerkezet hozzárendelési kategóriák is léteznek (éles kanyarok, Omega hurkok stb.), De ritkábban használják őket.

A másodlagos szerkezetet hidrogénkötés határozza meg , ezért a hidrogénkötés pontos meghatározása kritikus. A standard hidrogén-kötés definíció a másodlagos szerkezethez a DSSP , amely tisztán elektrosztatikus modell. ± q 1  ≈ 0,42 e töltést rendel a karbonil szénhez és az oxigénhez, valamint ± q 2  × 0,20 e töltést az amid hidrogénhez és nitrogénhez. Az elektrosztatikus energia az

A DSSP szerint akkor és csak akkor létezik hidrogénkötés, ha E kisebb, mint -0,5 kcal/mol (-2,1 kJ/mol). Bár a DSSP képlet a fizikai hidrogén-kötés energiájának viszonylag durva közelítése, általánosan elfogadott eszköz a másodlagos szerkezet meghatározására.

SST besorolás

Az SST egy bayesi módszer, amellyel másodlagos struktúrát rendelhet a fehérje -koordináta -adatokhoz a Shannon információs kritériumának, a Minimum Message Length ( MML ) következtetésnek a segítségével. Az SST potenciális hipotézisként kezeli a másodlagos struktúra bármely hozzárendelését, amely megpróbálja megmagyarázni ( tömöríteni ) az adott fehérje -koordináta -adatokat. Az alapgondolat az, hogy a legjobb másodlagos szerkezeti hozzárendelés az, amely a leggazdaságosabban meg tudja magyarázni ( tömöríteni ) az adott fehérje koordinátáit, ezáltal összekapcsolva a másodlagos szerkezet következtetését a veszteségmentes adattömörítéssel . Az SST pontosan lehatárolja a fehérje láncokat az alábbi hozzárendelési típusokhoz kapcsolódó régiókhoz:

Az SST észleli a π és 3 10 spirális sapkát a standard α -hélixekhez, és automatikusan összeállítja a különböző kiterjesztett szálakat konzisztens β -redőzött lapokká. Olvasható kimenetet biztosít a feldarabolt másodlagos szerkezeti elemekből, és egy megfelelő PyMol betölthető szkriptet a hozzárendelt másodlagos szerkezeti elemek egyéni megjelenítéséhez.

Kísérleti elhatározás

A biopolimer durva másodlagos szerkezetű tartalma (pl. "Ez a fehérje 40% α-hélix és 20% β-lemez ") spektroszkóposan becsülhető . A fehérjék esetében gyakori módszer a távoli ultraibolya (távoli UV, 170–250 nm) körkörös dikroizmus . A kifejezett dupla minimum 208 és 222 nm-en az α-spirális szerkezetet jelzi, míg egyetlen minimum 204 nm-en vagy 217 nm-en véletlen tekercs vagy β-lemez szerkezetet tükröz. Kevésbé elterjedt módszer az infravörös spektroszkópia , amely a hidrogénkötés miatt észleli az amidcsoportok kötésingadozásának különbségeit. Végül a másodlagos szerkezetű tartalmat pontosan meg lehet becsülni egy kezdetben hozzá nem rendelt NMR- spektrum kémiai eltolódásainak felhasználásával .

Jóslás

Lásd még: Fehérje szerkezetének előrejelzése és Fehérje másodlagos szerkezet előrejelző programok listája

A fehérje harmadlagos szerkezetének előrejelzése csak aminoszekvenciájából nagyon nehéz feladat (lásd a fehérje szerkezetének előrejelzését ), de az egyszerűbb másodlagos szerkezet definíciók használata jobban kezelhető.

A másodlagos szerkezet előrejelzésének korai módszerei a három uralkodó állapot előrejelzésére korlátozódtak: spirál, lap vagy véletlen tekercs. Ezek a módszerek az egyes aminosavak hélix- vagy lemezképző hajlamán alapultak, néha szabályokkal párosulva a másodlagos szerkezetű elemek képződésének szabad energiájának becslésére. A fehérje másodlagos szerkezetének az aminosavszekvenciából való előrejelzésére az első széles körben alkalmazott technikák a Chou – Fasman módszer és a GOR módszer voltak . Bár az ilyen módszerek azt állították, hogy ~ 60% -os pontosságot érnek el annak előrejelzésében, hogy a három állapot közül (hélix/lap/tekercs) melyik maradékot alkalmazza, a vak számítástechnikai értékelések később azt mutatták, hogy a tényleges pontosság sokkal alacsonyabb.

A pontosság jelentős növekedése (közel ~ 80%-ra) a többszörös szekvencia -igazítás kihasználásával történt ; az evolúció során egy pozícióban (és annak közelében, jellemzően ~ 7 aminosav mindkét oldalon) előforduló aminosavak teljes eloszlásának ismerete sokkal jobb képet nyújt az adott pozícióhoz közeli szerkezeti tendenciákról. Szemléltetésképpen, egy adott fehérje tartalmazhat glicint egy adott pozícióban, ami önmagában véletlenszerű tekercsre utalhat. A többszörös szekvencia-igazítás azonban feltárhatja, hogy a spirál-előnyös aminosavak ebben a helyzetben (és a közeli pozíciókban) fordulnak elő a homológ fehérjék 95% -ában, közel egymilliárd éves fejlődésen át. Ezenkívül, ha megvizsgáljuk az átlagos hidrofobicitást az adott és a közeli pozíciókban, ugyanez az igazítás azt is sugallhatja, hogy a maradék oldószer elérhetősége az α-hélixnek megfelelő. Ezek a tényezők együttesen azt sugallják, hogy az eredeti fehérje glicinje α-spirális szerkezetet alkalmaz, nem pedig véletlen tekercset. Többféle módszert használnak az összes rendelkezésre álló adat ötvözéséhez, beleértve a neurális hálózatokat , a rejtett Markov modelleket és a támogató vektorgépeket . A modern előrejelzési módszerek minden helyzetben bizalmi pontszámot is biztosítanak előrejelzéseikhez.

A másodlagos szerkezetű előrejelzési módszereket a Critical Assessment of protein Structure Prediction (CASP) kísérletekkel értékelték, és folyamatosan benchmarkolták, pl. EVA (benchmark) . Ezen tesztek alapján a legpontosabb módszerek a Psipred , SAM, PORTER, PROF és SABLE voltak. A fejlesztés fő területe a β-szálak előrejelzése; a maradékok, amelyeket magabiztosan β-szálnak jósolnak, valószínűleg így lesznek, de a módszerek alkalmasak arra, hogy figyelmen kívül hagyjanak néhány β-szál szegmenst (hamis negatív). Valószínűleg összességében ~ 90% -os előrejelzési pontosság felső határa van, a standard módszer ( DSSP ) sajátosságai miatt a másodlagos szerkezetű osztályok (spirál/szál/tekercs) hozzárendeléséhez az EKT-struktúrákhoz, amelyekhez képest az előrejelzéseket összehasonlítják.

A pontos másodlagos szerkezetű előrejelzés kulcsfontosságú elem a harmadlagos szerkezet előrejelzésében, a legegyszerűbb ( homológia modellezés ) kivételével minden esetben. Például a hat másodlagos szerkezeti elem, a βαββαβ magabiztosan megjósolt mintázata a ferredoxin redő aláírása .

Alkalmazások

Mind a fehérje-, mind a nukleinsav -szekunder struktúrák felhasználhatók a több szekvencia illesztésének elősegítésére . Ezeket az összehangolásokat pontosabbá teheti azáltal, hogy az egyszerű szekvenciainformációk mellett másodlagos strukturális információkat is tartalmaz. Ez néha kevésbé hasznos az RNS -ben, mert az alappárosítás sokkal konzervatívabb, mint a szekvencia. A másodlagos szerkezet által néha megtalálhatók a fehérjék közötti távoli kapcsolatok, amelyek elsődleges szerkezete nem igazítható.

Kimutatták, hogy az α-hélixek stabilabbak, robusztusabbak a mutációkkal szemben és tervezhetők, mint a természetes fehérjék β-szálai, így a funkcionális all-α fehérjék tervezése valószínűleg könnyebb, mint a fehérjék tervezése mind a hélixekkel, mind a szálakkal; ezt a közelmúltban kísérletileg is megerősítették.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

Külső linkek