Sekundarna struktura proteina

Izvor: Wikipedia
Prikaz trodimenzionalne strukture mioglobina.Ovo je prvi protein kome je rešena struktura.

U biohemiji i strukturnoj biologiji, sekundarna struktura je opšti trodimenzioni oblik lokalnih segmenata biopolimera, kao što su proteini i nukleinske kiseline (DNK/RNK).[1] Ona, ipak, ne opisuje specifične položaje atoma u 3D prostoru, jer njih opisuje tercijarna struktura.[2] Sekundarna struktura se formalno definiše vodoničnim vezama biopolimera, posmatranim u strukturi na nivou atoma. Kod proteina se sekundarna struktura definiše obrascima vodoničnih veza između peptidnih veza centralnog lanca (zanemaruju se veze između glavnog i bočnog lanca, kao i međusobne veze bočnih lanaca), gde se koristi DSSP definicija vodonične veze. Kod nukleinskih kiselina sekundarnu strukturu određuju vodonične veze između azotnih baza.[3]

Vodonična veza se povezuje sa ostalim strukturnim svojstvima, što je dovelo do manje formalne definicije sekundarne strukture[1]. Npr, aminokiseline u proteinskim heliksima uglavnom zauzimaju centralne diedarske uglove u nekom posebnom delu Ramahandranovog dijagrama; stoga se segment aminokiselinskih ostataka sa takvim diedarskim uglovima često naziva "heliks", bez obzira da li ima ispravan raspored vodoničnih veza ili ne. Predložene su mnoge, manje formalne definicije, često uključujući koncepte iz diferencijalne geometrije krivih, kao što su zakrivljenje i torzija. Najmanje formalno, strukturni biolozi, koji ispituju strukturu na nivou atoma će ponekad odrediti sekundarnu strukturu "od oka" i uneti svoja zapažanja u odgovarajući PDB fajl.

Gruba procena sekundarne strukture biopolimera (npr. 40% α-heliks, 20% β-ravni) se često izvodi spektroskopski. Za proteine, uobičajen metod je daleki ultraljubičasti (170-250 nm) cirkularni dihroizam. Naglašen dvostruki minimum na 208 nm i 222 nm ukazuje na α-heliksnu strukturu, dok pojedinačan maksimum na 204 nm ili 217 nm označava nasumično klupko, odnosno β-ravan. Ređe korišćen metod je infracrvena spektroskopija, koja otkriva razlike u oscilacijama veza amidnih grupa usled vodoničnih veza. Konačno, sekundarna struktura se može precizno proceniti posmatrajući hemijski pomeraj u NMR spektru nepoznatog biopolimera.

Pojam sekundarne strukture je definisao Kaj Ulrik Linderstrom-Lang 1952. godine na Medicinskom fakultetu Univerziteta u Stanfordu.

Proteini[uredi - уреди]

Glavni članak: Protein
Vodonične veze (žute linije) stabilizuju alfa heliks

Sekundarna struktura proteina se sastoji od lokalnih interakcija između aminokiselina premošćenih vodoničnim vezama. Najčešće sekundarne strukture su alfa heliksi i beta ravni. Ostale spirale kao 310 heliks ili π heliks, imaju teorijski stabilan energetski obrazac vodoničnih veza, ali se retko javljaju u proteinima u prirodi, osim na krajevima α-heliksa zbog neodgovarajućeg uklapanja sa aminokiselinama u centru heliksa. Ostale proširene strukture, kao poliprolinska struktura i alfa ravan su retke kod proteina u prirodnom stanju, ali se često spominju kao važni intermedijeri u procesu savijanja proteina. Oštre krivine i labavi, savitljivi lukovi povezuju ‚‚normalne" elemente sekunarne strukture. Nasumično klupko nije pravi oblik sekundarne strukture, već vrsta konformacije koja ukazuje na odsustvo regularne sekundarne strukture.

Aminokiseline se razlikuju po svojoj sposobnosti formiranja različitih elemenata sekundarne strukture. Prolin i glicin se ponekad nazivaju razbijačima heliksa, pošto prekidaju regularnost konformacije osovine α-heliksa. Obe, uz to, imaju neobične konformacione sposobnosti i često se nalaze u krivinama. Aminokiseline koje teže da formiraju spiralne konformacije u proteinima uključuju metionin, alanin, leucin, glutaminsku kiselinu i lizin (MALEK u jednoslovnim kodovima). Nasuprot njima, aminokiseline sa velikim aromatičnim ostacima (triptofan, tirozin i fenilalanin) i aminokiseline sa razgranatim bočnim nizom (izoleucin, valin i treonin) uglavnom zauzimaju konformaciju β lanaca. Ipak, ove osobine nisu dovoljno pouzdane da omoguće precizno predviđanje sekundarne strukture samo na osnovu sekvence aminokiselina.

DSSP (RSSP) kod[uredi - уреди]

Sekundarna struktura određena pomoću RSSP; 8 konformacionih stanja redukovanih na 3: H=HGI, E=EB, C=STC; Vidljiv je uticaj Gausove raspodele, koji takođe potiče od redukcije RSSP stanja

DSSP kod se često koristi da opiše sekundarnu strukturu proteina pomoću jednoslovnih kodova[4]. DSSP je skraćenica za engl. Dictionary of Protein Secondary Structure (RSSP – rečnik sekundarne strukture proteina), što je bio naslov prvog članka koji je opisivao sekundarnu strukturu proteina sa poznatom 3D strukturom (Kabš i Sander, 1983.). Sekundarna struktura se određuje na osnovu obrazaca vodoničnih veza, po predlogu Paulinga iz 1951. godine (pre nego što je bilo kakva proteinska struktura eksperimentalno određena).[5][6]

  • G = 3-delna spirala (310 heliks ). Minimalna dužina 3 ostatka.
  • H = 4-delna spirala (alfa heliks). Minimalna dužina 4 ostatka.
  • I = 5-delna spirala (π heliks). Minimalna dužina 5 ostataka.
  • T = krivina premošćena vodoničnom vezom (3-, 4- ili 5-delni okret)
  • E = beta ravni u paralelnim i antiparalelnim konformacijama lanaca. Minimalna dužina 2 ostatka.
  • B = ostatak u izolovanom beta mostu (jedan par vodoničnih veza u formaciji beta ravni)
  • S = krivina (jedini element koji nije baziran na vodoničnoj vezi)

Kod DSSP, ostaci koji nisu ni u jednoj od navedenih konformacija, označavaju se sa ' ' (razmak), što se ponekad označava sa C (namotaj) ili L (krivina). Heliksi (G,H i I) i konformacije ravni moraju da imaju razumnu dužinu. Ovo znači da dva susedna ostatka u primarnoj strukturi moraju da imaju isti obrazac vodoničnih veza. Ako je obrazac vezivanja heliksa ili ravni previše kratak, oni se označavaju sa T, odnosno, B, respektivno. Postoje i druge kategorije svrstavanja sekundarne strukture (oštre krivine, omega krivine itd.), ali se retko koriste.

Predviđanje sekundarne strukture proteina[uredi - уреди]

Rane metode predviđanja sekundarne strukture bile su bazirane individualnim sklonostima aminokiselina ka građenju heliksa ili ravni, ponekad kombinovane sa pravilima procenjivanja slobodne energije formiranja elemenata sekundarne strukture.[7] Takve metode su obično samo 60% precizne u predviđanju koje će od tri stanja (heliks/ravan/klupko) aminokiselina zauzeti. Značajno povećanje preciznosti (do skoro 80%) je postignuto pomoću uređenja kraćih sekvenci. Poznavanje tačnog rasporeda aminokiselina koje se nalaze na određenom mestu (i njegovoj okolini, tipično 7 ostataka sa obe strane) kroz evoluciju omogućuje bolju sliku strukturnih težnji na tom mestu. Na primer, neki protein može imati glicin negde u sekvenci, koji sam po sebi može nagovestiti strukturu nasumičnog klupka. Ipak, uređenje kraćih sekvenci može pokazati da se na toj poziciji (i okolini) nalaze i aminokiseline koje favorizuju heliks kod 95% homologih proteina duž skoro milijardu godina evolucije. Uz to, proučavajući prosečnu hidrofobnost u toj i obližnjim pozicijama, isti raspored može sugerisati obrazac ostataka pristupačnosti rastvaraču karakterističan za alfa heliks. Sve u svemu, ovi faktori sugerišu da glicin u prvobitnim proteinima zauzima alfa-heliksnu strukturu, radije nego nasumično klupko. Nekoliko različitih metoda se koristi za kombinovanje svih dostupnih podataka kako bi se dobilo trostruka potvrda strukture, između ostalih metod neuralnih mreža, skriveni Markovljev metod i metod vektorskih mašina. Moderni metodi predviđanja obezbeđuju procenat pouzdanosti predviđanja za svako mesto u proteinu. Razni metodi predviđanja su oblast koja se stalno usavršava[8].Postuliraju se novi pristupi, ali nažalost, trenutno nije moguće ostvariti napredak postizanjem konsenzusa između njih. Glavna oblast unapređenja predstavlja predviđanje beta lanaca. Segmenti označeni kao beta lanci su sigurno potvrđeni, ali metodi teže da previde neke kraće segmente beta lanaca (lažni negativi). Postoji gornja granica od 90% ukupne preciznosti predviđanja, zbog nekompatibilnosti standardnog metoda (DSSP) dodeljivanja klasa sekundarne strukture (heliks/ravan/klupko) i PDB struktura, po kojma se predviđanja ravnaju. Precizno predviđanje sekundarne strukture je ključni element predviđanja tercijarne strukture u svim slučajevima osim najjednostavnijih. Npr. precizno predviđen obrazac šest elemenata sekundarne strukture βαββαβ je potpis feredokinske strukture.

Nukleinske kiseline[uredi - уреди]

Nukleinske kiseline takođe imaju sekundarnu strukturu, najočiglednije jednolančana RNK. Sekundarna struktura RNK se deli na helikse (naporedne bazne parove), i različite vrste krivina (nespareni nukleotidi okruženi heliksima). Struktura tipa drška-krivina u kojoj se bazno sparen heliks završava kratkom nesparenom krivinom je izuzetno česta i čini gradivni element većih srtukturnih motiva, kao što su detelinaste strukture – četvoro-heliksna čvorišta, kao što je transportna RNK. Unutrašnje krivine (kratki nizovi nesparenih baza unutar dužih sparenih heliksa) i ispupčenja (oblasti u kojima jedan deo heliksa ima umetnute baze bez parnjaka na suprotnom lancu) su veoma česte. Konačno, pseudočvorovi i bazni tripleti su prisutni u RNK (ali ne u DNK). Ekstremno složene strukture DNK su određene i proizvedene pomoću "DNK origami" i drugih proizvoda DNK nanotehnologije.

Predviđanje sekundarne strukture RNK[uredi - уреди]

Jedna od primena bioinformatike koristi predviđenu strukturu RNK, pretražujući genom za nekodirajućim ali funkcionalnim oblicima RNK.[9] Npr. mikroRNK ima kanonski duge drška-krivina strukture prekinute malim unutrašnjim krivinama. Opšti metod izračunavanja verovatne strukture RNK je dinamičko programiranje, iako ima nedostatak da ne može da otkrije pseudočvorove ili druge strukture u kojima bazni parovi nisu na uobičajenim mestima. Opštiji metodi se baziraju na stohastičkoj gramatici bez konteksta. Internet server koji implementira dinamičko programiranje je Mfold. Za mnoge RNK molekule, sekundarna struktura je veoma važna za pravilno funkcionisanje RNK – često mnogo važnija od primarne. Ova činjenica pomaže u analizi nekodirajućih RNK, ponekad zvanih RNK gena. Sekundarna struktura se može predvideti sa značajnom tačnošću pomoću računara, a mnoge bioinformatičke aplikacije koriste neke odlike sekundarnih struktura u analizi RNK.[10]

Vidi još[uredi - уреди]

Reference[uredi - уреди]

  1. 1.0 1.1 Donald Voet, Judith G. Voet (2005). "Chapter 8. Three-Dimensional structures of proteins". Biochemistry (3 izd.). Wiley. ISBN 9780471193500. http://www.chem.upenn.edu/chem/research/faculty.php?browse=V. 
  2. Branden C, Tooze J.. Introduction to Protein Structure. New York, NY: Garland Publishing. ISBN: 0-8153-2305-0. http://www.garlandscience.com/textbooks/0815323042.asp?type=reviews. 
  3. David L. Nelson, Michael M. Cox (2005). Principles of Biochemistry (4th izd.). New York: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4339-6. http://www.whfreeman.com/newcatalog.aspx?disc=Biochemistry&course=Introduction%2bto%2bBiochemistry&isbn=071677108X&detail=toc. 
  4. 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. PMID 6667333. 
  5. L. Pauling and R.B Corey (1951). "Configurations of polypeptide chains with favored orientations of the polypeptide around single bonds: Two pleated sheets". Proc. Natl. Acad. Sci. Wash. 37: 729-740. 
  6. L. Pauling, R.B. Corey and H.R. Branson (1951). "Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain". Proc. Natl. Acad. Sci. Wash. 37: 205-211. 
  7. Frishman D., Argos P. (1995). "Knowledge-based protein secondary structure assignment". Proteins 23 (4): 566–579. DOI:10.1002/prot.340230412. PMID 8749853. 
  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. PMID 3399495. 
  9. M. Zuker (1989). "Computer prediction of RNA structure". Methods in Enzymology 180: 262-88. 
  10. Shapiro BA, Yingling YG, Kasprzak W, Bindewald E. (2007). "Bridging the gap in RNA structure prediction.". Curr Opin Struct Biol 17 (2): 157-65. 

Vanjske veze[uredi - уреди]