Sekundarna struktura proteina

Sekundarna struktura proteina je trodimenzijska oblik lokalnnih segmenata proteina. Dva najčešća sekundarna strukturna elementa su alfa heliksi i beta listovi, mada se pojavljuju i P-listovi i omega petlja. Elementi sekundarne strukture obično se spontano formiraju kao intermedijar prije nego što se protein preklopi u njegovu trodimenziijsku tercijarnu strukturu.

Razine strukture proteinskih polimera

Sekundarna struktura formalno je definirana uzorkom vodikovih veza između amino vodika i karboksil atoma kisika u peptidu kičmenog lanca. Sekundarna struktura može se alternativno definirati na temelju pravilnog obrasca njegovih dvokrakih uglova u određenom području Ramachandranovog plota bez obzira da li ima ispravne vodikove veze. Koncept sekundarne strukture prvi je uveo Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang u Stanfordu 1952.^[1][2] Ostali tipovi biopolimera kao što je nukleinska kiselina također imaju karakteristike sekundarnih struktura

3D prezentacija strukture proteina mioglobina: alfa heliksi prikazani su u boji; preklopljeni listovi beta nisu prikazani.
Struktura ovog proteina je prvi put razrešena rendgenskom kristalografijom (1958. godine).
Za to otkriće, Max Perutz i Sir John Cowdery Kendrew dobili su Nobelova nagrada za hemiju 1962.

Tipovi

Strukturne karakteristike tri glavna oblika proteinskih heliksa ^[3]

Geometrijsko obilježje	α-heliks	310 helix	π-heliks
Ostaci po okretu	3,6	3,0	4,4
Translacije po ostatku	1,5 Å	2,0 Å	1,1 Å
Radijus heliksa	2,3 Å	1,9 Å	2,8 Å
Nagib	5,4 Å	6,0 Å	4,8 Å

Najčešće sekundarne strukture su alfa heliksi i P-listovi. Za ostale helikse, poput 3 <10 heliksa i π heliksa, računa se da imaju energetski povoljne obrasce vezanja vodika, ali se rijetko primjećuju u prirodnim proteinima osim na krajevima α-helikonata zbog nepovoljnog pakovanja kičme u centri heliksa. Ostale proširene strukture kao što su poliprolinski heliks i a-list su rijetke u matičnom stanju proteina, ali često se hipotetiziraju kao važni intermedijari savijanje proteina. Uski okretaji i labave, fleksibilne petlje povezuju više "pravilnih" sekundarnih elemenata strukture. Slučajni heliks nije istinski sekundarna struktura, ali je klasa konformacija koje ukazuju na nepostojanje pravilne sekundarne strukture.

Aminokiseline razlikuju se u sposobnosti formiranja različitih elemenata sekundarne strukture. Prolin i glicin su ponekad poznati i kao „spiralni prekidači“ jer narušavaju pravilnost α-spiralne konformacije kičme; međutim, oba imaju neobične konformacijske sposobnosti i obično se nalaze u prometu. Aminokiseline koje preferiraju usvajanje heliksnu konformaciju u proteinima uključuju metionin, alanin, leucin, glutamat i lizin ("MALEK", oznake aminokiselina jednim slovom); nasuprot tome, veliki aromatski ostaci triptofana, tirozina i fenilalanina) i C^β-razgranate aminokiseline (izoleucin, valin i treonin) češće prave konformacije. β-niti Međutim, ove postavke nisu dovoljno jake da proizvedu pouzdan metod predviđanja sekundarne strukture samo iz sekvence.

Smatra se da su skupne vibracije niske frekvencije osjetljive na lokalnu krutost proteina, otkrivajući da su beta strukture općenito kruće od alfa ili poremećenih proteina.^[4][5] Mjerenja neutronskog raspršivanja direktno su povezala spektarsku karakteristiku na ~ 1 THz sa skupnim motivima sekundarne strukture proteina beta-bačvastog GFP.^[6]

Obrasci vezanja vodika u sekundarnim strukturama mogu biti značajno narušeni, što otežava automatsko određivanje sekundarne strukture. Postoji nekoliko metoda za formalno definiranje sekundarne strukture proteina (npr. DSSP,^[7] DEFINE,^[8] STRIDE,^[9] ScrewFit,^[10] SST^[11]).

Klasifikacija DSSP

Sekundarna struktura prema DSSP-a; osam konformacijskih stanja svedeno na 3 stanja: H=HGI, E=EB, C=STC.
Vidljive su mješavine (Gaussovih) distribucija koje su rezultat i smanjenja DSSP stanja

Rječnik sekundarnih struktura proteina, ukratko DSSP, obično se koristi za opisivanje proteinske sekundarne strukture s kodovima s jednim slovom. Sekundarna struktura dodijeljena je na osnovu obrazaca vezanja vodika kao što su prvobitno predložili Pauling i sur. u 1951. (prije nego što je bilo koja struktura proteina ikada eksperimentalno određena). Postoji osam vrsta sekundarne strukture koju definira DSSP:

• G = 3-obrtni heliks (3₁₀ heliks). Minimalna dužina tri ostatka.
• H = 4-obrtni heliks (α heliks). Minimalna dužina četiri ostatka.
• I = 5-obrtni heliks (π helix). Minimalna dužina pet ostataka.
• T = Obrtaji vodikove veze (3, 4 ili 5)
• E = produženi lanac paralelne i/ili antiparalelne konformacije β-lista. Min. dva ostataka.
• B = ostatak u izoliranom β-mostu (formiranje vodika jednostrukog β-lista)
• S = savijanje (jedina funkcija koja se zasniva na vodikovoj vezi).
• C = zavojnica (ostaci koji nisu ni u jednom od gore navedenih konformacija).

'Zavojnica' je često kodificirana kao (razmak), C (zavojnica) ili '–' (crtica). Svi heliksi (G, H i I) i listovi moraju imati razumnu dužinu. To znači da dva susjedna ostatka u primarnoj strukturi moraju formirati isti obrazac vezanja vodika. Ako je obrazac vezanja spiralne spiralne kiseline ili lima prekratak, označavaju se kao T ili B. Postoje druge kategorije dodjeljivanja sekundarnih struktura proteina (oštri zavoji, Omega petlja, itd.), Ali se rjeđe javljaju.

Sekundarna struktura je definirana vodikovim vezanjem, tako da je tačna definicija vodikove veze kritična. Definicija vodikove veze za sekundarnu strukturu je definicija DSSP, koja je čisto elektrostatsčki model. Ona određuje odgovarajući električni naboj ±q₁ ≈ 0,42e do karbonilnog ugljika i kisika, i naboja ±q₂ ≈ 0.20e na amidni vodik, odnosno dušik. Elektrostatska energija je:

${\displaystyle E=q_{1}q_{2}\left({\frac {1}{r_{\mathrm {ON} }}}+{\frac {1}{r_{\mathrm {CH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {OH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {CN} }}}\right)\cdot 332{\text{ kcal/mol}}.}$

Prema DSSP-u, vodik-veza postoji ako, i samo, ako je E manji od – 0,5 kcal / mol. Iako je DSSP formula relativno gruba aproksimacija „fizičke“ energije vodikove veze, općenito je prihvaćena kao alat za definiranje sekundarne strukture.

Klasifikacija SST

SST je metod pristrasnosti za dodjeljivanje sekundarne strukture podacima koordinatnih proteina pomoću kriterija interferencije Shannonove informacije o minimalnoj dužini poruke (MML. SST tretira bilo koje označavanje sekundarne strukture kao potencijalnu hipotezu koja pokušava objasniti (komprimiranje) datih podataka o koordinaciji proteina. Temeljna ideja je da je sekundarni strukturna uloga koja može objasniti (komprimiranja) koordinatama datih koordinata proteina na najekonomičniji način, povezivanjem zaključaka o sekundarnim strukturama sa kompresija podataka bez gubitaka. SST precizno razgrađuje bilo koji proteinski lanac u regijama povezanim sa sljedećim tipovima označavanja:^[12]

• E = (Produženi) niz β-lista
• G = Desnostrani 3 ₁₀ heliks
• H = Desnostrani 'α-heliks
• I = Desnostrani π - heliks
• g = Ljevostrani 3 ₁₀ helix
• h = Ljevostrani α-heliks
• i = Ljevostrani π -heliks
• 3 = 3 ₁₀ – slično obrtanju
• 4 = α - slično obrtanju
• 5 = π - slično obrtanju
• C = Zavojnica
• x – = Neoznačeni ostaci

SST otkriva π i 3 ₁₀ spiralne kape na standardnim α- heliksima i automatski sastavlja razne proširene nizove u konzistentne β-pločaste listove. Omogućuje čitljiv izlaz odlomljenih sekundarnih strukturnih elemenata i odgovarajuću PyMol učitljivi zapis za pojedinačnu vizualizaciju označenih sekundarnih strukturnih elemenata.

Eksperimentalno određivanje

Grubi sadržaj sekundarne strukture biopolimera (npr., "Ovaj protein je 40% α-heliksa i 20% β-lista.") može se proceniti spektroskopski.^[13] Za proteine je uobičajen metod daleko-ultraljubičasti (daleko UV, 170-250 nm) kružni dihroizam. Izraženi dvostruki minimum na 208 i 222 nm ukazuje na α-spiralnu strukturu, dok pojedinačni minimum na 204 nm ili 217 nm odražava strukturu slučajnih zavojnica, odnosno β-listova. Manje uobičajen metod je infracrvena spektroskopija koja otkriva razlike u oscilacijama veze amidnih grupa zbog vezanja vodika. Konačno, sadržaj sekundarne strukture može se precizno procijeniti koristeći hemijski pomak inicijalno neodređenog NMR spektra.^[14]

Primjena

Sekundarne strukture, i proteina i nukleinskih kiselina, mogu se koristiti u poravnavanju višestrukih sekvenci. Ta poravnanja mogu se učiniti preciznijim uključivanjem informacija sekundarne strukture pored jednostavnih informacija o sekvenci. Ovo je ponekad manje korisno u RNK jer je uparivanje baza mnogo više očuvano od ekvence. Udaljeni odnosi između proteina čije su primarne strukture ponegdje neuskladive ponekad se mogu pronaći i pomoću sekundarne strukture. Pokazalo se da su α-heliksi stabilniji, otporniji na mutacije i znakovitiji od β lanaca u prirodnim proteinima.^[15] na taj način oblikovanje funkcionalnih proteina all-α vjerojatno će biti lakše od dizajniranja proteina s heliksima i sa lancima, što je nedavno i eksperimentalno potvrđeno.^[16]

Također pogledajte

• Primarna struktura proteina
• Translacija
• Strukturni motiv

References

1. Linderstrøm-Lang KU (1952). Lane Medical Lectures: Proteins and Enzymes. Stanford University Press. str. 115. ASIN B0007J31SC.
2. Schellman JA, Schellman CG (1997). "Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang (1896–1959)". Protein Sci. 6 (5): 1092–100. doi:10.1002/pro.5560060516. PMC 2143695. PMID 9144781. He had already introduced the concepts of the primary, secondary, and tertiary structure of proteins in the third Lane Lecture (Linderstram-Lang, 1952)
3. Steven Bottomley (2004). "Interactive Protein Structure Tutorial". Arhivirano s originala, 1. 3. 2011. Pristupljeno 9. 1. 2011.
4. Perticaroli S, Nickels JD, Ehlers G, O'Neill H, Zhang Q, Sokolov AP (oktobar 2013). "Secondary structure and rigidity in model proteins". Soft Matter. 9 (40): 9548–56. doi:10.1039/C3SM50807B. PMID 26029761.
5. Perticaroli S, Nickels JD, Ehlers G, Sokolov AP (juni 2014). "Rigidity, secondary structure, and the universality of the boson peak in proteins". Biophysical Journal. 106 (12): 2667–74. doi:10.1016/j.bpj.2014.05.009. PMC 4070067. PMID 24940784.
6. Nickels JD, Perticaroli S, O'Neill H, Zhang Q, Ehlers G, Sokolov AP (2013). "Coherent neutron scattering and collective dynamics in the protein, GFP". Biophys. J. 105 (9): 2182–87. doi:10.1016/j.bpj.2013.09.029. PMC 3824694. PMID 24209864.
7. Kabsch W, Sander C (Dec 1983). "Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features". Biopolymers. 22 (12): 2577–637. doi:10.1002/bip.360221211. PMID 6667333.
8. Richards FM, Kundrot CE (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. PMID 3399495.
9. Frishman D, Argos P (Dec 1995). "Knowledge-based protein secondary structure assignment" (PDF). Proteins. 23 (4): 566–79. doi:10.1002/prot.340230412. PMID 8749853. Arhivirano s originala (PDF), 13. 6. 2010. Referenca sadrži prazan nepoznati parametar: |1= (pomoć)
10. Calligari PA, Kneller GR (decembar 2012). "ScrewFit: combining localization and description of protein secondary structure". Acta Crystallographica Section D. 68 (Pt 12): 1690–3. doi:10.1107/s0907444912039029. PMID 23151634.
11. Konagurthu AS, Lesk AM, Allison L (Jun 2012). "Minimum message length inference of secondary structure from protein coordinate data". Bioinformatics. 28 (12): i97–i105. doi:10.1093/bioinformatics/bts223. PMC 3371855. PMID 22689785.
12. "SST web server". Pristupljeno 17. 4. 2018.
13. Pelton JT, McLean LR (2000). "Spectroscopic methods for analysis of protein secondary structure". Anal. Biochem. 277 (2): 167–76. doi:10.1006/abio.1999.4320. PMID 10625503.
14. Meiler J, Baker D (2003). "Rapid protein fold determination using unassigned NMR data". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (26): 15404–09. doi:10.1073/pnas.2434121100. PMC 307580. PMID 14668443.
15. Abrusan G, Marsh JA (2016). "Alpha helices are more robust to mutations than beta strands". PLoS Computational Biology. 12 (12): e1005242. doi:10.1371/journal.pcbi.1005242. PMC 5147804. PMID 27935949.
16. Rocklin GJ, et al. (2017). "Global analysis of protein folding using massively parallel design, synthesis, and testing". Science. 357 (6347): 168–175. doi:10.1126/science.aan0693. PMC 5568797. PMID 28706065.

Dopunska literatura

• Branden C, Author J (1999). Introduction to protein structure (2nd izd.). New York: Garland Science. ISBN 978-0815323051.
• Pauling L, Corey RB (1951). "Configurations of Polypeptide Chains With Favored Orientations Around Single Bonds: Two New Pleated Sheets". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 37 (11): 729–40. doi:10.1073/pnas.37.11.729. PMC 1063460. PMID 16578412. (The original beta-sheet conformation article.)
• Pauling L, Corey RB, Branson HR (1951). "The structure of proteins; two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 37 (4): 205–11. doi:10.1073/pnas.37.4.205. PMC 1063337. PMID 14816373. (alpha- and pi-helix conformations, since they predicted that ${\displaystyle 3_{10}}$ helices would not be possible.)

Vanjski linkovi

• NetSurfP – Secondary Structure and Surface Accessibility predictor
• Arhivirano 27. 11. 2020. na Wayback Machine
• ScrewFit Arhivirano 2. 7. 2013. na Wayback Machine
• PSSpred Arhivirano 1. 5. 2019. na Wayback Machine A multiple neural network training program for protein secondary structure prediction
• Genesilico metaserver Arhivirano 20. 12. 2013. na Wayback Machine Metaserver which allows to run over 20 different secondary structure predictors by one click
• SST webserver: An information-theoretic (compression-based) secondary structural assignment.