non-redundantní PNR dat-souboru

extrahovat statistické distribuce glycinu a pre-prolin Ramachandran pozemky, zvolili jsme vysokým rozlišením podmnožinu PDB poskytována Richardson lab 500 non-homologní proteiny. Tyto proteiny mají rozlišení lepší než 1,8 Å, kde byly všechny atomy vodíku promítány z páteře a optimalizovány z hlediska balení. Podle Richardsonových uvažujeme pouze atomy, které mají b-faktor menší než 30.

oblasti v glycin Ramachandran plot

Glycin se zásadně liší od ostatních aminokyselin v tom, že postrádá sidechain. Zejména, glycin nemá Cß atom, který vyvolává mnoho stérické střety v generic Ramachandran plot. Říkáme atom vodíku, který je sdílen s ostatními aminokyselinami, atom Ha1. Říkáme atom vodíku, který nahrazuje atom Cß, atom Ha2. Absence Cß atom umožňuje glycin Ramachandran plot přejet hranice na -180° a 180° (viz Obrázek 1A).

pozorovaná glycinová mapa má 5 oblastí hustoty . Pro zobrazení pozorované hustoty v jedné souvislé oblasti, jsme se přesunout souřadnice φ-ψ na φ‘-ψ‘, kde φ‘: 0° << 360° a ψ‘: -90° << 270°. S posunul glycin Ramachandran plot (Obrázek 3A), můžeme jasně identifikovat různé regiony. Podél vodorovného pásu ψ ‚ ~ 180° jsou tři oddělené oblasti. Jedním z nich je protáhlá verze oblasti ßP generického ramachandranského pozemku. ßP oblast odpovídá struktuře polyprolinu II, která tvoří prodlouženou levostrannou šroubovice podél proteinového řetězce . Oblast ßPR je odrazem oblasti ßP, kde sekvence glycinových zbytků v konformaci ßPR vytvoří pravou šroubovici. Konečně existuje oblast, která odpovídá ßS oblasti generického ramachandranského pozemku. Tato oblast odpovídá rozšířené konformaci zbytků v β-vrstvách. Nicméně, glycin ßS oblast, soustředěný na (φ‘, ψ‘) = (180°, 180°), je mírně přemístěn z oblasti obecného Ramachandranského pozemku. K dispozici je také diagonální α a aL oblasti (obrázek 3A), které jsou spojeny s šroubovice a zatáčky . Na rozdíl od generického ramachandranova spiknutí je oblast glycinu α symetrická s oblastí aL. V generic Ramachandran plot, tam je také γ oblast odpovídající vodík vázán γ-turn . Glycinový ramachandranový plot nemá v oblasti γ žádnou hustotu.

Glycin parametry. A) ramachandranův děj v posunutých souřadnicích φ‘ – ψ‘. Přerušované čáry ukazují sterické střety, které definují hranice pozorovaných hustot (obrázek 2B popisuje specifické interakce). B) rozdělení různých inter-atomových interakcí jako funkce ψ‘. Přerušovaná čára zobrazuje limit průměrů VDW. Šedá čára dává křivku modelu vypočtenou s ideální geometrií. V dolní části je frekvenční rozložení úhlu ψ. C) frekvenční rozdělení meziatomové vzdálenosti d (O· * * H). Existují 3 vrcholy, z nichž nejmenší v d (O···H) = 2, 4 Å, což odpovídá oblasti ßS.

Stérické interakce v glycin

původní stérické mapa glycin (Obrázek 2A) nedokáže vysvětlit velké části pozorovaných glycin Ramachandran plot (Obrázek 1A). V pozorované glycin Ramachandran (Obrázek 3A), tam jsou dvě velké vyloučeno, vodorovné proužky na 50° <<<< -50°, které nejsou vyloučeny v glycin stérické mapa (Obrázek 2A). Naopak, glycin stérické mapě vylučuje horizontální pás na -30° << 30° (Obrázek 2A), ale tato oblast je osídlena ve sledovaném pozemku (Obrázek 1A). Tam jsou také diagonální stérické zábrany v pozorované glycin Ramachandran plot (Obrázek 1A), vzhledem k tomu, že stérické mapě předpovídá vertikální hranice (Obrázek 2A).

provedli jsme přehodnocení sterické mapy glycinu (obrázek 2B) podle metodiky Ho a spolupracovníků . Pro každou interakci v páteři glycinu zvažujeme změnu inter-atomové vzdálenosti vzhledem k úhlům φ‘ – ψ‘. Porovnáme pozorovanou variaci s variací generovanou z modelu, který používá kanonickou geometrii páteře. Tyto interakce rozdělujeme do 3 kategorií: φ ‚závislé, ψ ‚ závislé a φ‘-ψ‘ co-závislé vzdálenosti.

u některých interakcí jsou výsledky glycinu totožné s výsledky generického ramachandranového grafu . Pro stručnost vynecháme analýzu těchto interakcí a shrneme výsledky. Vyloučené horizontální pás -30° << 30°, vzhledem k N···Hi+1 stérické interakce v glycin stérické mapa (Obrázek 2A), neexistuje v pozorované distribuce (Obrázek 1A). Podobně, Oi-1···C stérické střetnou v původní glycin stérické mapu, která vylučuje vertikální pás se soustředil na φ‘ = 0° (Obrázek 2A), neexistuje v pozorované distribuce (Obrázek 1A). Ignorujeme účinek n * * * Hi + 1 a Oi-1···C steric střety. Diagonální hranice pozorované distribuce jsou definovány φ‘-ψ‘ co-závislé stérické interakce Oi-1···O a Oi-1···Ni+1. Na obrázku 3A ukazujeme přizpůsobení těchto sterických interakcí datům.

zde analyzujeme nejvýraznější rys glycinového ramachandranového spiknutí-tendenci ψ ‚ shlukovat se v blízkosti 180° a 0°. Zaměřujeme se na vzájemné interakce. Pro každou interakci, musíme nejprve vypočítat model křivky odpovídající inter-atomic vzdálenost jako funkci ψ‘ (viz Metody). Poté porovnáme pozorované rozložení ψ (dole na obrázku 3B) s křivkou. Pokud odpor tvrdé koule omezuje ψ‘, pak v oblastech ψ‘, kde je modelová křivka pod průměrem van der Waals (VDW) (vodorovná přerušovaná čára na obrázku 3B), by rozložení frekvence ψ‘ mělo odpovídajícím způsobem klesnout.

V regionu, (60° << 100°), zjistíme, že drop-off v ψ frekvenční distribuce (spodní Obrázek 3B) odpovídá hodnot Ha1···Ni+1 (spodní Obrázek 3B) a Ha2···O (horní Obrázek 3B), které jsou menší než jejich VDW průměrů. V regionu, (-90° <<<< 270°), drop-off v ψ frekvenční distribuce odpovídá regionech, kde Ha2···Ni+1 a Ha1···O se nacházejí pod jejich VDW poloměry. Naproti tomu hodnoty HA1 * * * Hi+1 a Ha2 * * * Hi+1 se nikdy nenacházejí významně pod jejich průměrem VDW (uprostřed obrázku 3B).

pozorovaná závislost ψ na glycinu je způsobena sterickými střety Ha1·· * O, Ha2· * * O, Ha1···Ni+1 a Ha2 * * * Ni+1. Jednoduchá interpretace je, že závislost ψ na glycinu vyplývá z konformací, které umisťují atom Ni+1 nebo o mezi dva atomy Ha (obrázek 4A). Pozorované limity v distribucích byly nakresleny na obrázku 3A jako vodorovné čáry.

panáček zastoupení glycinu a pre-prolin. (A) glycin v ψ ~ 180° konformaci, kde na Ni+1 atomu je vložena mezi dva Ha atomy, a (B) pre-prolin v ζ konformaci, kde Oi-1 atom interaguje s Hδ atomy úspěch prolin.

tak Jsme se získat revidované stérické mapa glycin, skládající se z stérické střety Oi-1···O, Oi-1···Ni+1, Ha1···O, Ha2···O, Ha1···Ni+1 a Ha2···Ni+1. Pomocí parametrů z CHARMM22 vypočítáme potenciál Lennard-Jones 12-6 kvůli revidovaným sterickým střetům (obrázek 5A). Oblast s minimální energií představuje velkou část tvaru pozorovaného rozdělení (obrázek 3A).

Dipól-dipólová interakce v glycin. Osy jsou zobrazeny v posunutých úhlech φ‘ – ψ‘. Energie pozemků (a) Lennard-Jonesův 12-6 potenciál revidovaný soubor stérické střety; (b) všechny elektrostatické interakce; (c)-(f) individuální dipól-dipólová interakce glycin páteř (viz Obrázek 1A pro páteřní schéma dipóly). Energetické parametry byly převzaty z CHARMM22. Světelné oblasti ukazují oblasti s minimální energií.

Dipól-dipólová interakce v glycin

revidované glycin stérické mapě nevysvětluje diagonální tvar α, aL, ßP, ßPR a ßS regionů. V generic Ramachandran plot, bylo zjištěno, že diagonální tvar regionů může být reprodukován pomocí elektrostatický dipól-dipól interakce, ale pouze tehdy, když dipól-dipólová interakce byly považovány za jednotlivě. Celková elektrostatická interakce nereprodukuje pozorovaný ramachandranův graf . Zde používáme stejný přístup k léčbě jednotlivých elektrostatických interakcí dipól-dipól podél glycinové páteře.

Můžeme vypočítat energii mapa φ-ψ pro 4 dipól-dipólová interakce v glycin páteř interakce: Čoi-1···CO, NH···NHi+1, CO···NH a Čoi-1···NHi+1 (Obrázek 5C-F). Elektrostatické interakce jsou vypočteny s Lennard-Jonesův potenciál stérické střety uvedeny v kapitole výše. Zjistili jsme, že jsou reprodukovány tvary různých oblastí glycinového ramachandranova grafu (obrázek 3A) (obrázek 5). Interakce CO·· * NH vytváří diagonální oblast aL, α a ßS (obrázek 5E). Interakce NH···NHi+1 také vytváří diagonální oblast aL a α (obrázek 5D). Oblast α je symetrická s oblastí aL. ČOI-1···interakce CO vytváří minima odpovídající regionům ßP a ßPR (obrázek 5C).

V původním glycin stérické mapa (Obrázek 2A), region u (φ, ψ) = (-180°, 180°) je zakázáno z důvodu stérické střet mezi O a H Přesto má glycin hustotu v této oblasti v pozorovaném ramachandranovém grafu (obrázek 3A). To lze také vidět ve frekvenčním rozdělení d (O * * * H) (obrázek 3C), kde je vrchol v d (O···H) ~ 2,4 Å. Na tomto vrcholu jsou atomy O A H v kontaktu, protože průměr VDW je 2, 5 Å. V oblasti ßS glycinu tedy příznivá interakce CO···HN dipól-dipól překonává sterické odpuzování atomů o A H (obrázek 5E).

pre-prolin Ramachandran plot

Schimmel a Florou tvrdil v roce 1968, že pre-prolin – aminokyseliny, které předchází prolin – má velmi omezené Ramchandran spiknutí, ve srovnání s generic Ramachandran plot . To bylo nakonec pozorováno v proteinové databázi Macarthurem a Thorntonem (obrázek 1B) .

Existují tři hlavní rozdíly mezi pre-prolin Ramachandran plot a generic Ramachandran plot. V pre-prolin Ramachandran plot, tam je velký vyloučeny horizontální pás při -40° << 50°, což omezuje aL a α regionů. Oblast aL je posunuta výše. Tyto dvě vlastnosti byly reprodukovány ve výpočtu Schimmel-Flory a následných výpočtech . Třetím znakem je malá noha hustoty vystrčená pod β-oblast (obrázek 1B; fialová Na obrázku 2C). Karplus to nazval regionem, který je pro pre-proline unikátní.

předchozí výpočty se nezaměřovaly na jednotlivé interakce a nezohledňovaly oblast ζ. Tady, identifikujeme přesné sterické střety, které určují pre-proline Ramachandran spiknutí. Poté budeme analyzovat interakce odpovědné za Region.

Stérické interakce v pre-prolin páteř

V pre-prolin, místo toho, interakce s NH atom v následných generic aminokyselin, pre-prolin interaguje s CH2 skupiny úspěch prolin (Obrázek 1B). Skupina CH2 má mnohem větší sterický účinek na pre-prolinový ramachandranův plot. MacArthur a Thornton navrhli, že dominantní účinek je způsoben sterickými střety N·· * Cδi+1 a Cß···Cδi+1. Zde můžeme analyzovat účinnost každého střetu přímou analýzou statistických rozdělení.

uvažujeme spolu-závislé interakce φ-ψ, které zahrnují atomy Cδ, Hδ1 a Hδ2 následného prolinu (obrázek 1B). Pro každou interakci generujeme obrysový graf v φ-ψ vzdálenosti průměru VDW. Porovnáním obrysu plot na pozorované hustoty v pre-prolin Ramachandran plot, můžeme identifikovat interakce, které vyvolávají nejlepší zápas v hranicích (Obrázek 6A, interakce jsou uvedeny na Obr. 2C). Zjistili jsme, že kus odebraný z dolní levé β-oblasti pozorované hustoty je způsoben Oi-1···Cδi+1 steric clash. Další omezení oblastí aL a α je způsobeno střetem h···Cδi+1 steric.

dále zvažujeme interakce závislé na ψ. V pre-Proline frequency frekvenční distribuci jsme našli tři odlišné vrcholy (spodní obrázek 6B). Levý vrchol při ψ ~ -50° odpovídá α oblasti pre-prolinu. Zaměřujeme se na dva vrcholy v β-region 50° << 180° větší vrchol se středem na ψ ~ 150° odpovídá ßS oblasti generic Ramachandran plot. V generic Ramachandran plot, to ßS oblast je ohraničena Cß···O a Cß···Ni+1 stérické střety. V pre-prolinu menší vrchol soustředěný na ψ ~ 70° odpovídá oblasti ζ a vyskytuje se v oblasti, která by byla vyloučena střetem Cß·· * O steric. Místo toho je menší vrchol ohraničen zespodu n···Cδi+1 steric clash. To lze vidět porovnáním rozdělení ψ s modelovou křivkou N· * * Cδi + 1 vs. ψ (uprostřed obrázku 6B).

Pre-prolin parametry. A) ramachandranský pozemek. Přerušované čáry ukazují sterické střety, které definují některé hranice pozorovaných hustot (viz obrázek 2C). (B) distribuce různých inter-atomových interakcí jako funkce ψ. Přerušované čáry ukazují limit průměrů VDW. Pevná šedá čára dává křivku modelu vypočtenou s ideální geometrií. V dolní části je frekvenční rozložení úhlu ψ.

Pomocí parametrů z CHARMM22, můžeme vypočítat Lennard-Jonesův 12-6 potenciál vzhledem k revidované stérické střety (Obrázek 7A). Lennard-Jonesovy potenciály nemohou odpovídat za tento region.

Energie pozemků v pre-prolin jako funkce φ-ψ. Energie pozemků (a) Lennard-Jonesův 12-6 potenciál revidovaný soubor stérické střety; na Čoi-1···CδHδi+1 dipól-dipólová interakce při následných prolin prsten je v (b) NAHORU, zvrásnění a (c) DOLŮ zvrásnění. Světelné oblasti ukazují oblasti s nízkou energií.

Interakcí, které stabilizují pre-prolin ζ regionu

Jako ζ regionu (fialová na Obrázku 2B) přináší Cß···O stérické interakce do konfliktu, musí být zušlechtěné interakce, která stabilizuje ζ regionu. Co je to za interakci? K pochopení této interakce, považujeme analogie s γ regionu v generic Ramachandran plot. V Česku se objevila zkreslená ČOI-1···vzniká vodíková vazba HNi+1, která přivádí Atom Hi+1 do kontaktu s atomem Oi-1. Podobně, v ζ oblasti pre-prolin, Oi-1 atom pre-prolin je v kontaktu s Hδ1 a Hδ2 atomů (viz Obrázek 4B; Tabulka 1), což naznačuje, že Čoi-1 skupina spolupracuje s CδHδi+1 skupina úspěch prolin.

Může Cδ Hδi+1 skupina komunikovat s Čoi-1? Taková interakce by spadala do třídy ch···o slabé vodíkové vazby, což je dobře zdokumentovaná interakce v proteinech . Studie ch * * * o slabé vodíkové vazby používají kritéria vzdálenosti D (H···O) < 2.8 Å . V ch···o vazbě kolem atomu H se nachází malá úhlová závislost, kde se často používá úhel ∠OHX > 90°. To je mnohem tolerantnější než geometrie kanonické vodíkové vazby. V tabulce 1 uvádíme parametry vodíkové vazby COi-1···interakce CδHδi+1 v oblasti ζ. Protože proline může mít dvě různé hlavní konformace, zvrásnění nahoru a dolů, měření geometrie COi-1···interakce CδHδi+1 musí být také rozdělena z hlediska zvrásnění nahoru a dolů. Pozorovaná geometrie ČOI-1···geometrie CδHδi+1 splňuje geometrická kritéria slabé vodíkové vazby (Tabulka 1).

jako ČOI-1···cδhδi+1 slabá vodíková vazba je blízký kontakt, musíme modelovat interakci, abychom pochopili její závislost na úhlech φ-ψ. Pro modelování uvažujeme strategie, které byly použity pro analogickou ČOI-1···HNI+1 vodíková vazba. ČOI-1···vodíková vazba HNi+1 byla modelována v kvantově-mechanických studiích, kde bylo zjištěno, že γ oblast je minimální energetickou konformací ve vakuu . Jednodušší přístup, který modeloval vodíkovou vazbu s elektrostatickými interakcemi dipól-dipól, také našel minimum v oblasti γ .

zde modelujeme ČOI-1···cδhδi+1 slabá vodíková vazba jako elektrostatická interakce dipól-dipól (viz metody). Jak modelujeme skupinu CδHδi+1 jako elektrostatický dipól? Bhattacharyya a Chakrabarti zjistili, že ze skupin CH v prolinu tvoří skupina CδHδ nejvíce vodíkových vazeb CH···O. Atom Cδ sedí vedle atomu N odebírajícího elektrony, a proto je kyselejší než ostatní atomy C. V důsledku toho klademe malý záporný částečný náboj na atom Cδ. V našem modelu najdeme energetické minimum v oblasti ζ jak pro zvrásnění nahoru (obrázek 7B), tak pro zvrásnění dolů (obrázek 7C). Došli jsme k závěru, že ČOI-1···cδi+1Hδ1i+1 slabá vodíková vazba stabilizuje oblast ζ v pre-prolinu.