Секундарна структура на белковините

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Примарна структура на белковинитеСекундарна структура на белковинитеТерциерна структура на белковинитеКвартерна структура на белковините
The image above contains clickable links
Интерактивен дијаграм на протеинската структура; за пример е искористен PCNA.

Секундарна структура на белковините (протеините) — тродимензионална форма на локални сегменти од белковинската молекула. Двата најчести елемента на секундарната структура на протеините се алфа хеликсите и бета плочите, а често се среќаваат и бета свијоците и омега петелките. Елементите на секундарната структура обично спонтано настануваат пред протеинот да се склопи во својата тродимензионална терцијарна структура.

Секундарната структура на протеините ја создаваат водородните врски помеѓу водородните атоми од амино групите и кислородните атоми од карбоксилните групи, кои влегуваат во состав на пептидниот 'рбет на протеинската молекула. Но без разлика дали ги поседува точните водородни врски, секундарната структура може на друг начин да биде дефинирана врз основа на правилниот распоред на диедарските агли на пептидниот 'рбет во одреден регион на Рамачандрановиот дијаграм.

Концептот на секундарна структура за првпат бил воведен од Кај Улрик Линдерстром-Ланг, при универзитетот Стенфорд, во 1952 година.[1][2] Други видови на биополимери, како што се нуклеинските киселини, исто така поседуваат карактеристични секундарни структури.

Типови[уреди | уреди извор]

Структурни карактеристики на трите главни форми на протеински хеликси[3]
Геометриски атрибут α-хеликс 310 хеликс π-хеликс
Остатоци по свртување 3.6 3.0 4.4
Транслација по остаток 1.5 Å (0.15 nм) 2.0 Å (0.20 nм) 1.1 Å (0.11 nм)
Радиус на хеликс 2.3 Å (0.23 nм) 1.9 Å (0.19 nм) 2.8 Å (0.28 nм)
Највисока точка 5.4 Å (0.54 nм) 6.0 Å (0.60 nм) 4.8 Å (0.48 nм)

Најчестите типови на секундарна структури се алфа хеликсите и бета плочите. Другите видови на хелиски, како што се 310 хеликсот и π хеликсот, пресметано е дека имаат енергетски поволни обрасци на водородно поврзување, но тие ретко се среќаваат кај природните белковини, освен на краевите на α хеликсите, поради неповолниот начин на пакување во центарот на хеликсот. Други издолжени структури како што се полипролинскиот хеликс и алфа плочата се ретки во нативната состојба на протеините, но се смета дека се важни интермедиери при процесот на склопување на протеините. Тесните свијоци и лабавите, флексибилни петелки ги поврзуваат почестите елементи на секундарната структура. Случајниот навој не е вистинска секундарна структура, но спаѓа во класата на конформации кои означуваат отсуство на вообичаена секундарна структура.

Во зависност од растојанието на кое се формираат водородните врски, можат да се јават неколку типови на хеликсна секундарна структура (кои се разликуваат по дијаметарот и бројот на аминокиселински остатоци по ротација). Заради прегледност аминокиселинските остатоци не се наведени.

Аминокиселините се разликуваат по нивната способност да формираат различни елементи на секундарната структура. Пролинот и глицинот се познати како „прекинувачи на хеликс“, бидејќи ја нарушуваат регуларноста на α хеликсната конформација на полипептидниот 'рбет; сепак, и двете имаат невообичаени конформациски способности и најчесто се наоѓаат во свијоците. Аминокиселини кои имаат тенденција да образуваат хеликсни конформации во протеините се метионинот, аланинот, леуцинот, глутаминската киселина и лизинот (познати како „MALEK“, според едно-буквениот аминокиселински код). Спротивно на нив, големите ароматични остатоци (триптофан, тирозин и фенилаланин) и Cβ-разгранетите аминокиселини (изолеуцин, валин и треонин) имаат тенденција да образуваат конформации на β-нишка. Сепак, овие параметри не се доволно јаки за да се создаде сигурен метод за предвидување на секундарната структура на протеинот само од неговата аминокиселинска секвенца.

Се смета дека нискофреквентните колективни вибрации се чувствителни на локалната ригидност во протеините, што открива дека бета структурите се општо поригидни од алфа структурите или неструктурираните протеини.[4][5] Мерења на неутронско расејување директно ја имаат поврзано спектралната карактеристика на ~1 THz со колективните движења на секундарната структура на GFP протеинот со бета-цилиндер структура.[6]

Обрасците на водородното врзување во секундарните структури можат да бидат значително изобличени, што го отежнува автоматското одредување на секундарната структура. Постојат неколку методи за формално дефинирање на секундарната структура на протеините (на пр., DSSP (hydrogen bond estimation algorithm),[7] DEFINE,[8] STRIDE (Structural identification),[9] ScrewFit,[10] SST[11]).

DSSP класификација[уреди | уреди извор]

Дистрибуција добиена од non-redundant pdb_select dataset (март 2006); Секундарна структура назначена од DSSP; 8 конформациони состојби редуцирани на 3 состојби: H=HGI, E=EB, C=STC. Видливи се мешавини на (гаусовски) дистрибуции, што исто така резултира од редукцијата на DSSP состојбите.

Резимето на секундарната белковинска структура (анг. Dictionary of Protein Secondary Structure, скратено DSSP) често се користи за опишување на секундарната структура на протеините со единечни букви. Детерминирањето на секундарната структура е врз основа на обрасци на водородно поврзување, како оние кои првично биле предложени од Полинг и соработниците во 1951 година (пред да биде експериментално добиена првата протеинска структура). DSSP дефинира осум типови на секундарна структура:

  • G = Хеликс со свртување од 3 аминокиселини (310 хеликс). Минимална должина од 3 аминокиселински остатоци.
  • H = Хеликс со свртување од 4 аминокиселини (α хеликс). Минимална должина од 4 аминокиселински остатоци.
  • I = Хеликс со свртување од 5 аминокиселини (π хеликс). Минимална должина од 5 аминокиселински остатоци.
  • T = водородно поврзан свијок (3, 4 или 5 свијок)
  • E = издолжена нишка со паралелна и/или антипаралелна конформација на β-плоча. Минимална должина од 2 аминокиселински остатоци.
  • B = остаток во изолиран β-мост (формирање на водородна врска од единечен пар на β-плоча)
  • S = кривина (единствена назнака во која не учествуваат водородни врски).
  • C = навој (аминокиселински остатоци кои не припаѓаат на ниедна од горенаведените конформации).

„Навојот“ е често кодифициран како ' ' (простор), C (coil) или '–' (црта). Хеликсните (G, H и I) и плочестите конформации мора да имаат некоја минимална должина за да можат да се формираат. Тоа значи дека два соседни аминокиселински остатоци во примарната структура мора да го формираат истиот образец на водородни поврзувања. Ако хеликсниот или плочестиот образец на водородни поврзувања е премногу краток, тие се означуваат како T или B, соодветно. Постојат и други категории на секундарна структура (остри свијоци, омега петелки, итн.), но тие не се користат толку често.

Секундарната структура е дефинирана со водородната врска, па затоа критична е точната дефиниција за водородна врска. Стандардната дефиниција за водородна врска на секундарната структура е дефиницијата на DSSP, која е стриктно електростатички модел. Таа назначува полнежи од  ±q1 ≈ 0.42e за карбонилниот јаглерод и кислород, соодветно, и полнежи од ±q2 ≈ 0.20e за амидниот водород и азот, соодветно. Електростатската енергија е

Според DSSP, водородна врска постои ако и само ако E изнесува помалку од −0.5 kcal/мол (−2.1 kJ/мол). Иако формулата на DSSP е релативно груба апроксимација на физичката енергија на водородна врска, таа е општо прифатена како средство за дефинирање на секундарната структура.

SST класификација[уреди | уреди извор]

SST е Бајесова метода за доделување на секундарна структура на податоци за протеинските координати со употреба на Шеноновиот информативен критериум за изведување на минимална должина на порака (анг. Minimum Message Length, MML). SST ја третира било која назнака за секундарна структура како потенцијална хипотеза која се обидува да објасни (компресира) дадени податоци за координати на протеин. Основната идеја е дека најдоброто назначување за секундарна структура е она кое може да ги објасни (компресира) координатите на дадените протеински координати на најекономичен начин, на тој начин поврзувајќи го изведувањето на секундарната структура со компресијата на податоци без загуби. SST точно го одбележува било кој протеински синџир во региони со следните типови на назнаки:

  • E = (Издолжена) нишка на β-набрана плоча
  • G = Десногир 310 хеликс
  • H = Десногир α-хеликс
  • I = Десногир π-хеликс
  • g = Левогир 310 хеликс
  • h = Левогир α-хеликс
  • i = Левогир π-хеликс
  • 3 = 310-сличен свијок
  • 4 = α-сличен свијок
  • 5 = π-сличен свијок
  • T = Неодреден свијок
  • C = Навој
  • - = Неназначен остаток

SST ги открива π и 310 хеликалните капи на стандардните α-хеликси, и автоматски ги сложува различните издолжени нишки во конзистентни β-набрани плочи.

Експериментално одредување[уреди | уреди извор]

Содржината на секундарни структури во молекулата на еден биополимер (на пример, 40% α-хеликс и 20% β-плоча) може спектроскопски грубо да се процени.[12] Заеднички метод за белковините е ултравиолетовиот (170-250 nm) циркуларен дихроизам. Изразен двоен минимум на 208 и 222 nm укажува на α-хеликсна структура, додека еден минимум на 204 nm или 217 nm укажува на структура на случаен навој или β-плоча, соодветно. Поретко се користи инфрацрвена спектроскопија, која ги детектира разликите во осцилациите на врските на амидните групи кои настануваат поради водородното поврзување. Содржината на секундарната структура може точно да се процени и со помош на хемиски шифт на иницијално неназначен NMR спектар.[13]

Предвидување[уреди | уреди извор]

Предвидувањето на терцијарната структура на протеините само од аминокиселинската секвенца (низа) е предизвикувачки потфат (види предвидување на структурата на белковините), но користењето на поедноставните дефиниции за секундарна структура е попрактично.

Раните методи за предвидување на секундарната структура биле ограничени на предвидување на трите доминантни секундарни структури: хеликс, плоча или случаен навој. Овие методи биле базирани на склоностите на поединечни аминокиселини за формирање на хеликс или плоча, понекогаш заедно со правилата за проценка на слободната енергија за формирање на елементите на секундарната структура. Првите широко употребувани техники за предвидување на секундарната структура на протеините од нивната аминокиселинска секвенца биле методот на Чоу-Фасман[14][15][16] и GOR методот (Garnier-Osguthorpe-Robson).[17] Иако овие методи тврделе дека постигнуваат ~60% точност во предвидувањето на некоја од трите состојби (хеликс/плоча/навој), слепите компјутерски процени подоцна покажале дека вистинската точност е многу помала.[18]

Значително зголемување на точноста (до речиси ~80%) било овозможено со употреба на порамнување на повеќе секвенци; знаејќи ја целосната дистрибуција на аминокиселините кои се јавуваат на одредена позиција (и во нејзината околина, обично ~7 остатоци од двете страни) низ еволуцијата дава многу подобра слика за структурните тенденции во близина на таа позиција.[19][20] За илустрација, даден протеин може да има глицин на одредена позиција, што само по себе може да сугерира случаен навој. Меѓутоа, порамнувањето на повеќе секвенци може да открие дека аминокиселини кои имаат тенденција да формираат хеликс се јавуваат на таа позиција (и во близина) во 95% од хомологни протеини во тек на речиси милијарда години еволуција. Покрај тоа, со испитување на просечната хидрофобност на таа и блиските позиции, истото порамнување може исто така да сугерира шема на достапност на остатоците на растворувач во согласност со α-хеликс. Земени заедно, овие фактори би сугерирале дека глицинот од оригиналниот протеин завзема α-хеликсна структура, а не случаен навој. Неколку типови на методи се користат за комбинирање на сите расположливи податоци за да се добие предвидување на трите состојби, вклучувајќи ги невралните мрежи (анг. Neural network), скриен марков модел (анг. Hidden Markov Model (HMM)) и машини на поддржувачки вектор (анг. Support vector machine). Модерните методи за предвидување, исто така, обезбедуваат оценка на доверба за нивните предвидувања на секоја позиција.

Методите за предвидување на секундарна структура биле проценети од CASP (Critical Assessment of protein Structure Prediction) експериментите и континуирано проценувани, на пример од ЕВА (бенчмарк). Врз основа на овие тестови, најпрецизни методи биле Psipred, SAM,[21] PORTER,[22] PROF[23] и SABLE.[24]

Точното предвидување на секундарната структура на белковините е клучен елемент во предвидувањето на терцијарната структура на белковините, во сите, освен во наједноставните (хомолошко моделирање) случаи. На пример, предвидената шема на шест елементи на секундарната структура βαββαβ е сигурен знак дека станува збор за фередоксински склоп.[25]

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Linderstrøm-Lang, Kaj Ulrik (1952) (на English). Proteins and enzymes. Stanford University Press. https://www.amazon.com/dp/B0007J31SC. 
  2. Schellman, J. A.; Schellman, C. G. (1 мај 1997 г). Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang (1896-1959). „Protein Science: A Publication of the Protein Society“ том  6 (5): 1092–1100. doi:10.1002/pro.5560060516. ISSN 0961-8368. PMID 9144781. PMC: PMC2143695. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9144781. 
  3. Steven Bottomley (2004). „Interactive Protein Structure Tutorial“. конс. January 9, 2011. 
  4. Perticaroli, Stefania; Nickels, Jonathan D.; Ehlers, Georg; O'Neill, Hugh; Zhang, Qui; Sokolov, Alexei P. (28 октомври 2013 г). Secondary structure and rigidity in model proteins. „Soft Matter“ том  9 (40): 9548–9556. ISSN 1744-6848. PMID 26029761. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26029761. 
  5. Perticaroli, Stefania; Nickels, Jonathan D.; Ehlers, Georg; Sokolov, Alexei P. (17 јуни 2014 г). Rigidity, secondary structure, and the universality of the boson peak in proteins. „Biophysical Journal“ том  106 (12): 2667–2674. doi:10.1016/j.bpj.2014.05.009. ISSN 1542-0086. PMID 24940784. PMC: PMC4070067. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24940784. 
  6. Nickels, Jonathan D.; Perticaroli, Stefania; O'Neill, Hugh; Zhang, Qiu; Ehlers, Georg; Sokolov, Alexei P. (5 ноември 2013 г). Coherent neutron scattering and collective dynamics in the protein, GFP. „Biophysical Journal“ том  105 (9): 2182–2187. doi:10.1016/j.bpj.2013.09.029. ISSN 1542-0086. PMID 24209864. PMC: PMC3824694. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24209864. 
  7. Kabsch, W.; Sander, C. (1 декември 1983 г). Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features. „Biopolymers“ том  22 (12): 2577–2637. doi:10.1002/bip.360221211. ISSN 0006-3525. PMID 6667333. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6667333. 
  8. Richards, F. M.; Kundrot, C. E. (1988 г). Identification of structural motifs from protein coordinate data: secondary structure and first-level supersecondary structure. „Proteins“ том  3 (2): 71–84. doi:10.1002/prot.340030202. ISSN 0887-3585. PMID 3399495. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3399495. 
  9. Frishman, D.; Argos, P. (1 декември 1995 г). Knowledge-based protein secondary structure assignment. „Proteins“ том  23 (4): 566–579. doi:10.1002/prot.340230412. ISSN 0887-3585. PMID 8749853. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8749853. 
  10. Calligari, Paolo A.; Kneller, Gerald R. (9 ноември 2012 г). ScrewFit: combining localization and description of protein secondary structure (на en). „Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography“ том  68 (12): 1690–1693. doi:10.1107/S0907444912039029. ISSN 0907-4449. http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?S0907444912039029. 
  11. Konagurthu, Arun S.; Lesk, Arthur M.; Allison, Lloyd (15 јуни 2012 г). Minimum message length inference of secondary structure from protein coordinate data. „Bioinformatics (Oxford, England)“ том  28 (12): i97–105. doi:10.1093/bioinformatics/bts223. ISSN 1367-4811. PMID 22689785. PMC: PMC3371855. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22689785. 
  12. Pelton, J. T.; McLean, L. R. (15 јануари 2000 г). Spectroscopic methods for analysis of protein secondary structure. „Analytical Biochemistry“ том  277 (2): 167–176. doi:10.1006/abio.1999.4320. ISSN 0003-2697. PMID 10625503. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10625503. 
  13. Meiler, Jens; Baker, David (23 декември 2003 г). Rapid protein fold determination using unassigned NMR data. „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ том  100 (26): 15404–15409. doi:10.1073/pnas.2434121100. ISSN 0027-8424. PMID 14668443. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14668443. 
  14. Chou, P. Y.; Fasman, G. D. (15 јануари 1974 г). Prediction of protein conformation. „Biochemistry“ том  13 (2): 222–245. ISSN 0006-2960. PMID 4358940. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4358940. 
  15. Chou, P. Y.; Fasman, G. D. (1978 г). Empirical predictions of protein conformation. „Annual Review of Biochemistry“ том  47: 251–276. doi:10.1146/annurev.bi.47.070178.001343. ISSN 0066-4154. PMID 354496. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/354496. 
  16. Chou, P. Y.; Fasman, G. D. (1978 г). Prediction of the secondary structure of proteins from their amino acid sequence. „Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology“ том  47: 45–148. ISSN 0065-258X. PMID 364941. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/364941. 
  17. Garnier, J.; Osguthorpe, D. J.; Robson, B. (25 март 1978 г). Analysis of the accuracy and implications of simple methods for predicting the secondary structure of globular proteins. „Journal of Molecular Biology“ том  120 (1): 97–120. ISSN 0022-2836. PMID 642007. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/642007. 
  18. Kabsch, W.; Sander, C. (8 мај 1983 г). How good are predictions of protein secondary structure?. „FEBS letters“ том  155 (2): 179–182. ISSN 0014-5793. PMID 6852232. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6852232. 
  19. Simossis, V. A.; Heringa, J. (1 август 2004 г). Integrating protein secondary structure prediction and multiple sequence alignment. „Current Protein & Peptide Science“ том  5 (4): 249–266. ISSN 1389-2037. PMID 15320732. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15320732. 
  20. Pirovano, Walter; Heringa, Jaap (2010 г). Protein secondary structure prediction. „Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.)“ том  609: 327–348. doi:10.1007/978-1-60327-241-4_19. ISSN 1940-6029. PMID 20221928. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20221928. 
  21. Karplus, Kevin (1 јули 2009 г). SAM-T08, HMM-based protein structure prediction. „Nucleic Acids Research“ том  37 (Web Server issue): W492–497. doi:10.1093/nar/gkp403. ISSN 1362-4962. PMID 19483096. PMC: PMC2703928. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19483096. 
  22. Pollastri, Gianluca; McLysaght, Aoife (15 април 2005 г). Porter: a new, accurate server for protein secondary structure prediction. „Bioinformatics (Oxford, England)“ том  21 (8): 1719–1720. doi:10.1093/bioinformatics/bti203. ISSN 1367-4803. PMID 15585524. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15585524. 
  23. Yachdav, Guy; Kloppmann, Edda; Kajan, Laszlo; Hecht, Maximilian; Goldberg, Tatyana; Hamp, Tobias; Hönigschmid, Peter; Schafferhans, Andrea; и др. (1 јули 2014 г). PredictProtein--an open resource for online prediction of protein structural and functional features. „Nucleic Acids Research“ том  42 (Web Server issue): W337–343. doi:10.1093/nar/gku366. ISSN 1362-4962. PMID 24799431. PMC: PMC4086098. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24799431. 
  24. Adamczak, Rafał; Porollo, Aleksey; Meller, Jarosław (15 мај 2005 г). Combining prediction of secondary structure and solvent accessibility in proteins. „Proteins“ том  59 (3): 467–475. doi:10.1002/prot.20441. ISSN 1097-0134. PMID 15768403. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15768403. 
  25. Qi, Yuan; Grishin, Nick V. (1 февруари 2005 г). Structural classification of thioredoxin-like fold proteins. „Proteins“ том  58 (2): 376–388. doi:10.1002/prot.20329. ISSN 1097-0134. PMID 15558583. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15558583. 

Литература[уреди | уреди извор]

Надворешни врски[уреди | уреди извор]