Введение
Общая трехмерная форма локальных сегментов белков – вторичная структура белка. Вторичная структура белка представляет собой локальную пространственную конформацию полипептидного скелета, исключая боковые цепи. Два наиболее распространенных элемента вторичной структуры – альфа-спирали и бета-листы, хотя также встречаются бета-повороты и омега-петли. Элементы вторичной структуры обычно спонтанно формируются в качестве промежуточного этапа перед тем, как белок сворачивается в свою трехмерную третичную структуру. Вторичная структура формально определяется схемой водородных связей между атомами водорода аминогрупп и атомами кислорода карбоксильных групп в пептидном скелете. Вторичная структура может также определяться на основе регулярного рисунка диэдрических углов скелета в определенной области диаграммы Рамачандрана, независимо от наличия правильных водородных связей. Концепция вторичной структуры была впервые предложена Каем Ульриком Линдерстрём-Лангом в Стэнфорде в 1952 году. Другие типы биополимеров, такие как нуклеиновые кислоты, также обладают характерными вторичными структурами.
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.
Типы
+ Структурные особенности трех основных форм белковых спиралейГеометрический параметрα-спираль310-спиральπ-спиральОстатки на оборот 3,6 3,0 4,4Смещение на остаток Радиус спирали Шаг Наиболее распространенными вторичными структурами являются альфа-спирали и бета-листы. Другие спирали, такие как 310-спираль и π-спираль, теоретически обладают энергетически выгодными схемами водородных связей, но редко встречаются в природных белках, за исключением концов α-спиралей, из-за неблагоприятной упаковки полипептидной цепи в центре спирали. Другие протяженные структуры, такие как полипролиновая спираль и альфа-лист, редки в белках в нативном состоянии, но часто рассматриваются как важные интермедиаты при сворачивании белка. Плотные повороты и свободные, гибкие петли соединяют более "регулярные" элементы вторичной структуры. Случайная катушка не является истинной вторичной структурой, а представляет собой класс конформаций, указывающих на отсутствие регулярной вторичной структуры. Аминокислоты различаются по своей способности формировать различные элементы вторичной структуры. Пролин и глицин иногда называют "разрушителями спирали", поскольку они нарушают регулярность конформации α-спирального остова; однако, оба обладают необычными конформационными возможностями и часто встречаются в поворотах. Аминокислоты, которые предпочитают принимать спиральные конформации в белках, включают метионин, аланин, лейцин, глутамат и лизин ("MALEK" в однобуквенном коде аминокислот); напротив, крупные ароматические остатки (триптофан, тирозин и фенилаланин) и аминокислоты с разветвлением в β-положении (изолейцин, валин и треонин) предпочитают принимать конформации β-цепи. Однако эти предпочтения недостаточно сильны для создания надежного метода прогнозирования вторичной структуры только по последовательности. Считается, что низкочастотные коллективные колебания чувствительны к локальной жесткости в белках, показывая, что бета-структуры в целом более жесткие, чем альфа-структуры или дезорганизованные белки. Измерения нейтронного рассеяния напрямую связали спектральную особенность при ~1 ТГц с коллективными движениями вторичной структуры бета-баррельного белка GFP. Схемы водородных связей во вторичных структурах могут быть значительно искажены, что затрудняет автоматическое определение вторичной структуры. Существует несколько методов формального определения вторичной структуры белка (например, 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).
Экспериментальное определение
Грубое содержание вторичной структуры биополимера (например, "в этом белке содержится 40% α-спирали и 20% β-листов") может быть оценено спектроскопически. Для белков распространенным методом является круговой дихроизм в дальней ультрафиолетовой области (дальнее УФ, 170–250 нм). Ярко выраженный двойной минимум при 208 и 222 нм указывает на α-спиральную структуру, в то время как одиночный минимум при 204 или 217 нм отражает случайную конформацию или β-лист, соответственно. Менее распространенным методом является инфракрасная спектроскопия, которая обнаруживает различия в колебаниях связей амидных групп, обусловленные образованием водородных связей. Наконец, содержание вторичной структуры может быть точно оценено с использованием химических сдвигов в спектре ЯМР, полученном до назначения атомов.
Прогноз
Предсказание третичной структуры белка только по его аминокислотной последовательности – очень сложная задача (см. предсказание структуры белка), однако использование более простых определений вторичной структуры представляется более решаемой. Ранние методы предсказания вторичной структуры ограничивались предсказанием трех основных состояний: альфа-спирали, бета-листа или случайной катушки. Эти методы основывались на склонности отдельных аминокислот к формированию альфа-спирали или бета-листа, иногда в сочетании с правилами оценки свободной энергии образования элементов вторичной структуры. Первыми широко используемыми методами предсказания вторичной структуры белка на основе аминокислотной последовательности были методы Чу-Фасмана и GOR. Хотя эти методы заявляли о достижении ~60% точности в определении состояния (альфа-спираль/бета-лист/катушка) каждого остатка, последующие независимые вычислительные оценки показали, что фактическая точность была значительно ниже. Существенное повышение точности (до почти ~80%) было достигнуто благодаря использованию множественного выравнивания последовательностей; знание полного распределения аминокислот, встречающихся в данной позиции (и в ее окрестностях, обычно ~7 остатков с каждой стороны) в ходе эволюции, дает гораздо более полное представление о структурных тенденциях вблизи этой позиции. Например, в данном белке может присутствовать глицин в определенной позиции, что само по себе может указывать на случайную катушку. Однако множественное выравнивание последовательностей может показать, что аминокислоты, благоприятствующие образованию альфа-спирали, встречаются в этой (и соседних) позициях в 95% гомологичных белков, охватывающих почти миллиард лет эволюции. Более того, анализ средней гидрофобности в этой и близлежащих позициях, полученный из того же выравнивания, может также указывать на характер доступности растворителя для остатков, соответствующий альфа-спирали. В совокупности эти факторы позволяют предположить, что глицин исходного белка принимает альфа-спиральную структуру, а не случайную катушку. Для объединения всех доступных данных и формирования предсказания, основанного на трех состояниях, используются различные методы, включая нейронные сети, скрытые марковские модели и машины опорных векторов. Современные методы прогнозирования также предоставляют оценку достоверности своих предсказаний для каждой позиции. Методы предсказания вторичной структуры оценивались в рамках экспериментов Critical Assessment of protein Structure Prediction (CASP) и постоянно подвергаются сравнительному анализу, например, с помощью EVA (бенчмарк). На основании этих тестов наиболее точными методами оказались Psipred, SAM, PORTER, PROF и SABLE. Основной областью для улучшения представляется предсказание бета-цепей; остатки, уверенно предсказанные как бета-цепь, скорее всего, таковыми и являются, но методы склонны пропускать некоторые сегменты бета-цепей (ложноотрицательные результаты). Вероятно, существует верхний предел общей точности прогноза, равный ~90%, что обусловлено особенностями стандартного метода (DSSP) для присвоения классов вторичной структуры (альфа-спираль/бета-цепь/катушка) структурам, хранящимся в PDB, по которым проводится оценка точности прогнозов. Точное предсказание вторичной структуры является ключевым элементом в предсказании третичной структуры, за исключением самых простых случаев (моделирование гомологии). Например, уверенно предсказанный паттерн из шести элементов вторичной структуры βαββαβ является характерной чертой ферредоксинового фолдинга.
Приложения
Как белковые, так и вторичные структуры нуклеиновых кислот могут использоваться для облегчения множественного выравнивания последовательностей. Включение информации о вторичной структуре, помимо простой информации о последовательности, может повысить точность этих выравниваний. Однако для РНК это бывает менее полезно, поскольку спаривание оснований сохраняется гораздо сильнее, чем последовательность. Вторичная структура иногда позволяет выявить отдалённые родственные связи между белками, чьи первичные структуры не поддаются выравниванию. Таким образом, проектирование функциональных белков, состоящих только из альфа-спиралей, вероятно, будет проще, чем проектирование белков, содержащих как спирали, так и бета-листы; это было недавно подтверждено экспериментально.