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.

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).

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.