Википедија

Вторична структура на белковините

Вторична (секундарна) структура на белковините — тридимензионална форма на локални сегменти од белковинската молекула. Двата најчести елемента на вторичната структура на белковините се алфа-завојницаите и бета плочите, а често се среќаваат и бета свиоците и омега петелките. Елементите на вторичната структура обично спонтано настануваат пред белковината да се склопи во својата тридимензионална третична структура.

Првична структура на белковинитеВторична структура на белковинитеТретична структура на белковинитеЧетвртична структура на белковините
Сликата погоре содржи стисливи врски
Сликата погоре содржи стисливи врски
Интерактивен дијаграм на белковинската структура; за пример е искористен PCNA.

Вторичната структура на белковините ја создаваат водородните врски помеѓу водородните атоми од аминогрупите и кислородните атоми од карбоксилните групи, кои влегуваат во состав на пептидниот ’рбет на белковинската молекула. Но без разлика дали ги поседува точните водородни врски, вторичната 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 вторична 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 вторични структури.

Типови

уреди
Структурни одлики на трите главни форми на белковински завојници[3]
Геометриски атрибут α-завојница 310-завојница π-завојница
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)
Полупречник на завојница 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 вторична структури се алфа-завојницаите и бета плочите. Другите видови на хелиски, како што се 310-завојницата и π-завојницата, пресметано е дека имаат енергетски поволни обрасци на водородно поврзување, но тие ретко се среќаваат кај природните белковини, освен на краевите на α завојниците, поради неповолниот начин на пакување во центарот на завојницата. Други издолжени структури како што се полипролинската завојница и алфа-плочата се ретки во нативната состојба на белковините, но се смета дека се важни интермедиери при процесот на склопување на белковините. Тесните свиоци и лабавите, флексибилни петелки ги поврзуваат почестите елементи на вторичната структура. Случајниот навој не е вистинска вторична структура, но спаѓа во класата на конформации кои означуваат отсуство на вообичаена вторична структура.

 
Во зависност од растојанието на кое се формираат водородните врски, можат да се јават неколку типови на завојна вторична структура (кои се разликуваат по пречникот 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 вторичната структура. Пролинот и глицинот се познати како „прекинувачи на завојница“, бидејќи ја нарушуваат регуларноста на α завојната конформација на полипептидниот ’рбет; сепак, и двете имаат невообичаени конформациски способности и најчесто се наоѓаат во свиоците. Аминокиселини кои имаат тенденција да образуваат завојни конформации во белковините 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 вторичната структура на белковината само од нејзината аминокиселинска низа.

Се смета дека нискочестотните колективни вибрации се чувствителни на локалната ригидност во белковините, што открива дека бета структурите се општо поригидни од алфа структурите или неструктурираните белковини.[4][5] Мерења на неутронско расејување директно ја имаат поврзано спектралната одлика на ~1 THz со колективните движења на вторичната структура на GFP белковината со бета-цилиндар структура.[6]

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

DSSP класификација

уреди
 
Дистрибуција добиена од non-redundant pdb_select dataset (март 2006); Вторична 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 вторичната белковинска структура (анг. Dictionary of Protein Secondary Structure, скратено DSSP) често се користи за опишување на вторичната структура на белковините со единечни букви. Детерминирањето на вторичната 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 белковинска структура). DSSP дефинира осум типови на вторична структура:

  • G = Завојница со свртување од 3 аминокиселини (310-завојница). Минимална должина од 3 аминокиселински остатоци.
  • H = Завојница со свртување од 4 аминокиселини (α-завојница). Минимална должина од 4 аминокиселински остатоци.
  • I = Завојница со свртување од 5 аминокиселини (π-завојница). Минимална должина од 5 аминокиселински остатоци.
  • T = водородно поврзан свиок (3, 4 или 5 свиок)
  • 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). Завојните (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 првичната структура мора да го формираат истиот образец на водородни поврзувања. Ако завојниот или плочестиот образец на водородни поврзувања е премногу краток, тие се означуваат како T или B, соодветно. Постојат и други категории на вторична структура (остри свиоци, омега петелки, итн.), но тие не се користат толку често.

Вторичната структура е дефинирана со водородната врска, па затоа критична е точната дефиниција за водородна врска. Стандардната дефиниција за водородна врска на вторичната структура е дефиницијата на DSSP, која е строго 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. Електростатичката 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 вторичната структура.

SST класификација

уреди

SST е Бајесова метода за доделување на вторична структура на податоци за белковинските 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 вторична структура како потенцијална хипотеза која се обидува да објасни (компресира) дадени податоци за координати на белковина. Основната идеја е дека најдоброто назначување за вторична структура е она кое може да ги објасни (компресира) координатите на дадените белковински координати на најекономичен начин, на тој начин поврзувајќи го изведувањето на вторичната структура со компресијата на податоци без загуби. SST точно го одбележува било кој белковински синџир во региони со следните типови на назнаки:

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

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

Експериментално одредување

уреди

Содржината на вторични структури во молекулата на еден биополимер (на пример, 40% α-завојница 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-завојна 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 вторичната структура може точно да се процени и со помош на хемиски шифт на првично неназначен NMR спектар.[13]

Предвидување

уреди

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

Раните методи за предвидување на вторичната структура биле ограничени на предвидување на трите доминантни вторични структури: завојница, плоча или случаен навој. Овие методи биле засновани на склоностите на поединечни аминокиселини за формирање на завојница или плоча, понекогаш заедно со правилата за проценка на слободната енергија за формирање на елементите на вторичната структура. Првите широко употребувани техники за предвидување на вторичната структура на белковините од нивната аминокиселинска низа 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 (завојница/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 низи; 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, дадена белковина може да има глицин на одредена позиција, што само по себе може да сугерира случаен навој. Меѓутоа, порамнувањето на повеќе низи може да открие дека аминокиселини кои имаат тенденција да формираат завојница се јавуваат на таа позиција (и во близина) во 95% од хомологни белковини 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-завојница. Земени заедно, овие фактори би сугерирале дека глицинот од изворната белковина зазема α-завојна 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 вторична 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 вторичната структура на белковините е клучен елемент во предвидувањето на третичната структура на белковините, во сите, освен во наједноставните (хомолошко моделирање) случаи. На пример, предвидената шема на шест елементи на вторичната структура βαββαβ е сигурен знак дека станува збор за фередоксински склоп.[25]

Поврзано

уреди

Наводи

уреди
  1. ↑ Linderstrøm-Lang, Kaj Ulrik (1952). Proteins and enzymes (англиски). Stanford University Press.
  2. ↑ Schellman, J. A.; Schellman, C. G. (1997-5). „Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang (1896-1959)“. Protein Science: A Publication of the Protein Society. 6 (5): 1092–1100. doi:10.1002/pro.5560060516. ISSN 0961-8368. PMC 2143695. PMID 9144781. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)CS1-одржување: PMC-формат (link)
  3. ↑ Steven Bottomley (2004). „Interactive Protein Structure Tutorial“. Архивирано од изворникот на 2011-03-01. Посетено на January 9, 2011.
  4. ↑ Perticaroli, Stefania; Nickels, Jonathan D.; Ehlers, Georg; O'Neill, Hugh; Zhang, Qui; Sokolov, Alexei P. (2013-10-28). „Secondary structure and rigidity in model proteins“. Soft Matter. 9 (40): 9548–9556. ISSN 1744-6848. PMID 26029761.
  5. ↑ Perticaroli, Stefania; Nickels, Jonathan D.; Ehlers, Georg; Sokolov, Alexei P. (2014-06-17). „Rigidity, secondary structure, and the universality of the boson peak in proteins“. Biophysical Journal. 106 (12): 2667–2674. doi:10.1016/j.bpj.2014 мај 009 Проверете ја вредноста |doi= (help). ISSN 1542-0086. PMC 4070067. PMID 24940784.CS1-одржување: PMC-формат (link)
  6. ↑ Nickels, Jonathan D.; Perticaroli, Stefania; O'Neill, Hugh; Zhang, Qiu; Ehlers, Georg; Sokolov, Alexei P. (2013-11-05). „Coherent neutron scattering and collective dynamics in the protein, GFP“. Biophysical Journal. 105 (9): 2182–2187. doi:10.1016/j.bpj.2013 септември 029 Проверете ја вредноста |doi= (help). ISSN 1542-0086. PMC 3824694. PMID 24209864.CS1-одржување: PMC-формат (link)
  7. ↑ Kabsch, W.; Sander, C. (1983). „Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features“. Biopolymers. 22 (12): 2577–2637. doi:10.1002/bip.360221211. ISSN 0006-3525. PMID 6667333.
  8. ↑ Richards, F. M.; Kundrot, C. E. (1988). „Identification of structural motifs from protein coordinate data: secondary structure and first-level supersecondary structure“. Proteins. 3 (2): 71–84. doi:10.1002/prot.340030202. ISSN 0887-3585. PMID 3399495.
  9. ↑ Frishman, D.; Argos, P. (1995). „Knowledge-based protein secondary structure assignment“. Proteins. 23 (4): 566–579. doi:10.1002/prot.340230412. ISSN 0887-3585. PMID 8749853.
  10. ↑ Calligari, Paolo A.; Kneller, Gerald R. (2012-11-09). „ScrewFit: combining localization and description of protein secondary structure“. Acta Crystallographica Section D Biological Crystallography (англиски). 68 (12): 1690–1693. doi:10.1107/S0907444912039029. ISSN 0907-4449.
  11. ↑ Konagurthu, Arun S.; Lesk, Arthur M.; Allison, Lloyd (2012-06-15). „Minimum message length inference of secondary structure from protein coordinate data“. Bioinformatics (Oxford, England). 28 (12): i97–105. doi:10.1093/bioinformatics/bts223. ISSN 1367-4811. PMC 3371855. PMID 22689785.CS1-одржување: PMC-формат (link)
  12. ↑ Pelton, J. T.; McLean, L. R. (2000-01-15). „Spectroscopic methods for analysis of protein secondary structure“. Analytical Biochemistry. 277 (2): 167–176. doi:10.1006/abio.1999.4320. ISSN 0003-2697. PMID 10625503.
  13. ↑ Meiler, Jens; Baker, David (2003-12-23). „Rapid protein fold determination using unassigned NMR data“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (26): 15404–15409. doi:10.1073/pnas.2434121100. ISSN 0027-8424. PMID 14668443.
  14. ↑ Chou, P. Y.; Fasman, G. D. (1974-01-15). „Prediction of protein conformation“. Biochemistry. 13 (2): 222–245. ISSN 0006-2960. PMID 4358940.
  15. ↑ Chou, P. Y.; Fasman, G. D. (1978). „Empirical predictions of protein conformation“. Annual Review of Biochemistry. 47: 251–276. doi:10.1146/annurev.bi.47.070178.001343. ISSN 0066-4154. PMID 354496.
  16. ↑ Chou, P. Y.; Fasman, G. D. (1978). „Prediction of the secondary structure of proteins from their amino acid sequence“. Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology. 47: 45–148. ISSN 0065-258X. PMID 364941.
  17. ↑ Garnier, J.; Osguthorpe, D. J.; Robson, B. (1978-03-25). „Analysis of the accuracy and implications of simple methods for predicting the secondary structure of globular proteins“. Journal of Molecular Biology. 120 (1): 97–120. ISSN 0022-2836. PMID 642007.
  18. ↑ Kabsch, W.; Sander, C. (1983-05-08). „How good are predictions of protein secondary structure?“. FEBS letters. 155 (2): 179–182. ISSN 0014-5793. PMID 6852232.
  19. ↑ Simossis, V. A.; Heringa, J. (2004-8). „Integrating protein secondary structure prediction and multiple sequence alignment“. Current Protein & Peptide Science. 5 (4): 249–266. ISSN 1389-2037. PMID 15320732. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)
  20. ↑ Pirovano, Walter; Heringa, Jaap (2010). „Protein secondary structure prediction“. Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.). 609: 327–348. doi:10.1007/978-1-60327-241-4_19. ISSN 1940-6029. PMID 20221928.
  21. ↑ Karplus, Kevin (2009-7). „SAM-T08, HMM-based protein structure prediction“. Nucleic Acids Research. 37 (Web Server issue): W492–497. doi:10.1093/nar/gkp403. ISSN 1362-4962. PMC 2703928. PMID 19483096. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)CS1-одржување: PMC-формат (link)
  22. ↑ Pollastri, Gianluca; McLysaght, Aoife (2005-04-15). „Porter: a new, accurate server for protein secondary structure prediction“. Bioinformatics (Oxford, England). 21 (8): 1719–1720. doi:10.1093/bioinformatics/bti203. ISSN 1367-4803. PMID 15585524.
  23. ↑ Yachdav, Guy; Kloppmann, Edda; Kajan, Laszlo; Hecht, Maximilian; Goldberg, Tatyana; Hamp, Tobias; Hönigschmid, Peter; Schafferhans, Andrea; Roos, Manfred (2014-7). „PredictProtein--an open resource for online prediction of protein structural and functional features“. Nucleic Acids Research. 42 (Web Server issue): W337–343. doi:10.1093/nar/gku366. ISSN 1362-4962. PMC 4086098. PMID 24799431. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)CS1-одржување: PMC-формат (link)
  24. ↑ Adamczak, Rafał; Porollo, Aleksey; Meller, Jarosław (2005-05-15). „Combining prediction of secondary structure and solvent accessibility in proteins“. Proteins. 59 (3): 467–475. doi:10.1002/prot.20441. ISSN 1097-0134. PMID 15768403.
  25. ↑ Qi, Yuan; Grishin, Nick V. (2005-02-01). „Structural classification of thioredoxin-like fold proteins“. Proteins. 58 (2): 376–388. doi:10.1002/prot.20329. ISSN 1097-0134. PMID 15558583.

Литература

уреди

Надворешни врски

уреди
Преземено од „https://mk.wikipedia.org/w/index.php?title=Вторична_структура_на_белковините&oldid=5012779“