Кіріспе
Белоктың екіншілік құрылымындағы белоктардың жергілікті сегменттерінің жалпы үш өлшемді пішіні. Белоктың екіншілік құрылымы – бұл бүйір тізбектерін есепке алмай, полипептид тізбегінің жергілікті кеңістіктік конформациясы. Екі ең көп кездесетін екіншілік құрылымдық элементтер – альфа-спиральдар және бета-парақтар, бірақ бета-бұрылыстар мен омега-ілмектер де болады. Екіншілік құрылым элементтері әдетте белок үш өлшемді үшіншілік құрылымына жиырылу алдында, аралық ретінде өздігінен қалыптасады. Екіншілік құрылым формальды түрде пептид тізбегіндегі аминосутек пен карбоксил оттегі атомдары арасындағы сутекті байланыстардың схемасымен анықталады. Екіншілік құрылымды, дұрыс сутекті байланыстардың болуына қарамастан, Рамачандран диаграммасының белгілі бір аймағындағы тізбектің диэдралық бұрыштарының реттелген схемасы бойынша да анықтауға болады. Екіншілік құрылым тұжырымын алғаш рет 1952 жылы Стэнфордта Кай Ульрик Линдерстрём Ланг енгізді. Нуклеин қышқылы сияқты басқа биополимерлер де ерекше екіншілік құрылымға ие.
secondary structure in protein
Protein secondary structure is the local spatial conformation of the polypeptide backbone excluding the side chains. The two most common secondary structural elements are alpha helices and beta sheets, though beta turns and omega loops occur as well. Secondary structure elements typically spontaneously form as an intermediate before the protein folds into its three dimensional tertiary structure. Secondary structure is formally defined by the pattern of hydrogen bonds between the amino hydrogen and carboxyl oxygen atoms in the peptide backbone. Secondary structure may alternatively be defined based on the regular pattern of backbone dihedral angles in a particular region of the Ramachandran plot regardless of whether it has the correct hydrogen bonds. The concept of secondary structure was first introduced by Kaj Ulrik Linderstrøm Lang at Stanford in 1952. Other types of biopolymers such as nucleic acids also possess characteristic secondary structures.
Түрлері
+ Белок спиральдерінің үш негізгі түрінің құрылымдық ерекшеліктеріГеометриялық сипаттамасыα спираль310 спиральπ спиральБүрмелеудің бір айналымына қалыптар саны 3.6 3.0 4.4Қалыптар бойынша ауысу радиусыБүрмелеудің қадамы Ең көп таралған екінші құрылымдар – альфа спиральдер және бета қабаттар. 310 спираль және π спираль сияқты басқа спиральдер энергиялық тұрғыдан тиімді сутекті байланыс схемаларын құруға болады, бірақ олар табиғи белоктарда сирек кездеседі, себебі спиральдің ортасындағы омыртқаның қолайсыз жиналуына байланысты α спиральдерінің ұштарында ғана байқалады. Полипролин спиралі және альфа қабат сияқты басқа кеңейтілген құрылымдар табиғи белоктарда сирек кездеседі, бірақ олар жиі маңызды белок бүктелу аралықтары деп есептеледі. Тығыз бұрылыстар және бос, икемді тізбектер "реттелген" екінші құрылым элементтерін байланыстырады. Кездейсоқ орам – бұл нақты екінші құрылым емес, бірақ реттелген екінші құрылымның болмауын көрсететін конформациялар класы. Аминқышқылы әр түрлі екінші құрылым элементтерін қалыптастыру қабілеті бойынша өзгеше. Пролин мен глицин кейде "спираль бұзушылар" деп аталады, өйткені олар α спираль омыртқасының реттелуін бұзады; алайда, екеуінің де ерекше конформациялық қабілеттері бар және олар жиі бұрылыстарда кездеседі. Геликалды конформацияны қабылдауға бейім аминқышқылына метионин, аланин, лейцин, глутамат және лизин ("аминқышқылының бір әрптік кодтарымен MALEK") жатады; керісінше, ірі ароматтық қалдықтар (триптофан, тирозин және фенилаланин) және Cβ тармақталған аминқышқылы (изолейцин, валин және треонин) β қабат конформациясын қабылдауға бейім. Алайда, бұл бейімділіктер екінші құрылымды тізбек бойынша сенімді түрде болжауға жеткіліксіз. Төмен жиілікті ұжымдық тербелістер белоктердегі жергілікті қатаңдыққа сезімтал деп есептеледі, бұл бета құрылымдардың альфа немесе ретсіз белоктарға қарағанда жалпы қатаң екенін көрсетеді. Нейтрон шашырауының өлшемдері ~1 ТГц спектрлік ерекшелігін бета-цилиндрлі белок GFP-нің екінші құрылымындағы ұжымдық қозғалыстармен тікелей байланыстырды. Екінші құрылымдағы сутекті байланыс схемалары айтарлықтай бұрмалануы мүмкін, бұл екінші құрылымды автоматты түрде анықтауды қиындатады. Белок екінші құрылымын формалды түрде анықтау үшін бірнеше әдістер бар (мысалы, DSSP, DEFINE, STRIDE, ScrewFit, SST).
The most common secondary structures are alpha helices and beta sheets. Other helices, such as the 310 helix and π helix, are calculated to have energetically favorable hydrogen bonding patterns but are rarely observed in natural proteins except at the ends of α helices due to unfavorable backbone packing in the center of the helix. Other extended structures such as the polyproline helix and alpha sheet are rare in native state proteins but are often hypothesized as important protein folding intermediates. Tight turns and loose, flexible loops link the more "regular" secondary structure elements. The random coil is not a true secondary structure, but is the class of conformations that indicate an absence of regular secondary structure. Amino acids vary in their ability to form the various secondary structure elements. Proline and glycine are sometimes known as "helix breakers" because they disrupt the regularity of the α helical backbone conformation; however, both have unusual conformational abilities and are commonly found in turns. Amino acids that prefer to adopt helical conformations in proteins include methionine, alanine, leucine, glutamate and lysine ("MALEK" in amino acid 1 letter codes); by contrast, the large aromatic residues (tryptophan, tyrosine and phenylalanine) and Cβ branched amino acids (isoleucine, valine, and threonine) prefer to adopt β strand conformations. However, these preferences are not strong enough to produce a reliable method of predicting secondary structure from sequence alone. Low frequency collective vibrations are thought to be sensitive to local rigidity within proteins, revealing beta structures to be generically more rigid than alpha or disordered proteins. Neutron scattering measurements have directly connected the spectral feature at ~1 THz to collective motions of the secondary structure of beta barrel protein GFP. Hydrogen bonding patterns in secondary structures may be significantly distorted, which makes automatic determination of secondary structure difficult. There are several methods for formally defining protein secondary structure (e. g., DSSP, DEFINE, STRIDE, ScrewFit, SST).
Эксперименттік анықтау
Биополимердің шамамен қосалқы құрылымының құрамы (мысалы, "осы ақуыздың 40% α спиралі және 20% β жапырақшасы бар") спектроскопиялық әдіспен бағалануы мүмкін. Ақуыздар үшін, ең көп қолданылатын әдіс – алыс ультракүлгін (алыс УК, 170–250 нм) айналмалы дихроизм. 208 және 222 нм толқындағы айқын екі ең төмен нүкте α спиральді құрылымды көрсетеді, ал 204 нм немесе 217 нм толқындағы бір ең төмен нүкте тиісінше кездейсоқ орам немесе β жапырақшасы құрылымын көрсетеді. Кем қолданылатын әдіс – инфрақызыл спектроскопия, ол сутекті байланыс нәтижесінде амидтік топтардың байланыс тербелісіндегі өзгерістерді анықтайды. Соңында, бастапқыда белгіленбеген ЯМР спектрінің химиялық ығысуларын қолдану арқылы қосалқы құрылымның құрамын дәл бағалауға болады.
Болжам
Тек қана аминқышқылдық тізбегінен ақуыздың үшіншілік құрылымын болжау өте қиын мәселе (ақуыз құрылымын болжауға қараңыз), бірақ екіншілік құрылымның қарапайым анықтамаларын пайдалану оңайырақ. Екіншілік құрылымды болжаудың алғашқы әдістері үш негізгі күйді болжаумен шектелді: спираль, қабат немесе кездейсоқ орам. Бұл әдістер жеке аминқышқылдарының спираль немесе қабат құруға бейімділігіне негізделген, кейде екіншілік құрылым элементтерін қалыптастырудың еркін энергиясын бағалау ережелерімен үйлестірілді. Аминқышқылдық тізбегінен ақуыздың екіншілік құрылымын болжау үшін алғашқы, кеңінен қолданылған әдістер — Chou–Fasman және GOR әдістері болды. Мұндай әдістер үш күйдің (спираль/қабат/орам) қайсысын қабылдайтынын болжауда ~60% дәлдікке жететінін мәлімдесе де, кейіннен жасалған тәуелсіз есептеулер нақты дәлдіктің әлдеқайда төмен екенін көрсетті. Көптік тізбек сәйкестігін пайдалану арқылы дәлдік айтарлықтай артты (~80% дейін). Эволюция барысында белгілі бір орында (және оның маңында, әдетте екі жағында ~7 қалдық) кездесетін аминқышқылдарының толық таралуын білу сол орынның маңындағы құрылымдық бейімділіктердің жақсырақ суретін береді. Мысалы, белгілі бір белоктың белгілі бір орнында глицин болуы мүмкін, бұл өзінен-өзі кездейсоқ орамды ұсынады. Алайда, көптік тізбек сәйкестігі көрсетуі мүмкін, спиральға бейім аминқышқылдар эволюцияның шамамен миллиард жылын қамтитын гомологты ақуыздардың 95%-ында осы (және жақын) орындарда кездеседі. Сонымен қатар, осы және жақын орындардағы орташа гидрофобтылықты қарастыру арқылы, сол сәйкестік α спираліне сәйкес келетін қалдықтардың еріткішпен қолжетімділік үлгісін де ұсынуы мүмкін. Бұл факторлардың жиынтығы бастапқы белоктың глицині кездейсоқ орам емес, α спиральді құрылымды қабылдайды деген қорытындыға келтіреді. Барлық қолда бар деректерді 3 күйлі болжамды құру үшін нейрондық желілер, жасырын Марков модельдері және қолдау векторлық машиналары сияқты әртүрлі әдістер қолданылады. Қазіргі заманғы болжау әдістері әр позициядағы болжамдарына сенімділік деңгейін де қоса береді. Екіншілік құрылымды болжау әдістері Ақуыз Құрылымын Болжаудың Сынаққа Тарту (CASP) эксперименттері арқылы бағаланды және EVA (бенчмарк) сияқты құралдармен үнемі салыстырылды. Осы сынақтардың нәтижесінде ең дәл әдістер Psipred, SAM, PORTER, PROF және SABLE болып табылды. Жақсартуға ең қажетті сала — β-қабаттарды болжау болып көрінеді; β-қабат ретінде сенімді болжалған қалдықтар осылай болуы мүмкін, бірақ әдістер кейбір β-қабат сегменттерін жіберіп алуға бейім (жалған теріс). Стандартты әдіс (DSSP) екіншілік құрылым кластарын (спираль/қабат/орам) PDB құрылымдарына тағайындауына байланысты жалпы болжау дәлдігінің ~90% жоғарғы шегі болуы мүмкін, оған сәйкес болжамдар салыстырылады. Екіншілік құрылымды дәл болжау, ең қарапайым (гомологиялық модельдеу) жағдайлардан басқа барлық жағдайларда үшіншілік құрылымды болжаудың маңызды бөлігі болып табылады. Мысалы, алты екіншілік құрылым элементтерінің (βαββαβ) сенімді болжалған үлгісі ферредоксин бүктелуінің белгісі болып табылады.
Қолданбалар
Белгілер мен нуклеин қышқылының екінші деңгейлі құрылымдары көп реттіліктерді салыстыруға көмектесу үшін қолданылуы мүмкін. Бұл салыстырулар қарапайым реттілік ақпаратына екінші деңгейлі құрылым ақпаратын қосу арқылы дәлірек болуы мүмкін. Бұл РНК үшін кейде аз пайдалы, себебі базалық жұптасу реттіліктен гөрі әлдеқайда жақсы сақталады. Бастапқы құрылымдары салыстырылмайтын ақуыздар арасындағы алыс байланыстарды екінші деңгейлі құрылым арқылы табуға болады. Сондықтан, функционалдық барлық α ақуыздарды жобалау, спиральдар мен жіпшелерден тұратын ақуыздарды жобалауға қарағанда оңайырақ болуы мүмкін; бұл жақында тәжірибемен расталды.