Ramachandran-plotterne af glycin og pre-prolin
et ikke-redundant FBF-datasæt
for at udtrække de statistiske fordelinger af glycin-og Pre-prolin-Ramachandran-plotterne valgte vi en delmængde med høj opløsning af FBF leveret af Richardson lab med 500 ikke-homologe proteiner. Disse proteiner har en opløsning på bedre end 1,8 liter, hvor alle hydrogenatomer er projiceret fra rygraden og optimeret med hensyn til pakning. Efter Richardsons betragter vi kun atomer, der har en B-faktor på mindre end 30.
regioner i glycin Ramachandran plot
glycin er fundamentalt forskellig fra de andre aminosyrer, idet den mangler en sidekæde. I særdeleshed har glycin ikke C-Kurstofatomet, hvilket inducerer mange steriske sammenstød i det generiske Ramachandran-plot. Vi kalder det hydrogenatom, der deles med de andre aminosyrer, Ha1-atomet. Vi kalder brintatomet, der erstatter C-Kurstofatomet, Ha2-atomet. Fraværet af C-Kristofatom gør det muligt for glycin Ramachandran-plottet at løbe over grænserne ved -180 liter og 180 liter (figur 1a).
det observerede glycin-kort har 5 regioner med densitet . For at vise den observerede tæthed i en sammenhængende region, vi skifter koordinater fra φ-ψ at φ’-ψ’, hvor φ’: 0° << 360°, og ψ’: -90° << 270°. Med det skiftede glycin Ramachandran-plot (figur 3a) kan vi tydeligt identificere de forskellige regioner. Langs den vandrette strimmel, der er 180, er der tre separate regioner. En af disse er en langstrakt version af Prip-regionen i det generiske Ramachandran-plot. RRP-regionen svarer til polyprolin II-strukturen, som danner en udvidet venstrehåndet spiral langs proteinkæden . Det prippr-regionen er en afspejling af Prip-regionen, hvor en sekvens af glycinrester i prippr-konformationen vil danne en højrehåndet spiral. Endelig er der en region, der svarer til Kriss-regionen i det generiske Ramachandran-plot. Denne region svarer til den udvidede konformation af rester i KRP-ark. Imidlertid er glycine-Kriss-regionen, centreret om (Kurt’, Kurt’) = (180°, 180°), er lidt forskudt fra Kriss-regionen i det generiske Ramachandran-plot. Der er også de diagonale regioner og al (figur 3A), som er forbundet med spiraler og sving . I modsætning til det generiske Ramachandran-plot er glycin-kur-regionen symmetrisk med al-regionen . I det generiske Ramachandran-plot er der også en kurr-region svarende til den brintbundne turn-turn . Glycine Ramachandran-plottet har ikke nogen tæthed i nord-regionen.
glycin parametre. (A) Ramachandran-plottet i forskudte koordinater for’ – – – – – – – – – – -. De stiplede linjer viser de steriske sammenstød, der definerer grænserne for de observerede tætheder (figur 2b beskriver de specifikke interaktioner). (B) fordelingen af forskellige inter-atomare interaktioner som en funktion af L. A. Den stiplede linje viser grænsen for VDD-diameterne. Den grå linje giver modelkurven beregnet med ideel geometri. I bunden er frekvensfordelingen af Kris ‘ vinkel. (C) frekvensfordeling af den interatomiske afstand d (O···H). Der er 3 toppe, hvoraf den mindste ved d(O···H) = 2,4 liter, hvilket svarer til regionen.
steriske interaktioner i glycin
det originale steriske kort over glycin (figur 2a) forklarer ikke store dele af det observerede glycin Ramachandran-plot (figur 1a). I den observerede glycin Ramachandran (Figur 3A), der er to store udelukket vandrette strimler på 50° <<<< -50°, som ikke er udelukket i glycin-sterisk kort (Figur 2A). Omvendt udelukker glycinsterisk kort en vandret strimmel ved -30 kg <kg'< 30 kg (figur 2a), men denne region er befolket i det observerede plot (figur 1a). Der er også diagonale steriske grænser i det observerede glycin Ramachandran-plot (figur 1a), mens det steriske kort forudsiger lodrette grænser (figur 2a).
Vi gennemførte en revurdering af det steriske kort over glycin (figur 2b) ved at følge metoden for Ho og kolleger . For hver interaktion i glycin-rygraden overvejer vi variationen af den inter-atomiske Afstand i forhold til de’ – kurvede’ vinkler. Vi sammenligner den observerede variation med variationen genereret fra en model, der bruger kanonisk rygradsgeometri. Vi deler disse interaktioner i 3 kategorier: den’ afhængige’,’afhængige’ og ‘-afhængige ‘ medafhængige afstande.
for nogle af interaktionerne er resultaterne for glycin identiske med resultaterne for det generiske Ramachandran-plot . For korthed udelader vi analysen af disse interaktioner og opsummerer resultaterne. Den ekskluderede vandrette strimmel -30 liter <liter’ < 30 liter, på grund af n···Hi+1 sterisk interaktion i glycin sterisk kort (figur 2a), findes ikke i den observerede fordeling (figur 1a). Tilsvarende Oi-1···C sterisk sammenstød i det originale glycin steriske kort, der udelukker en lodret strimmel centreret på prisT’ = 0 prist (figur 2a), findes ikke i den observerede fordeling (figur 1a). Vi ignorerer effekten af N * * * Hi + 1 og Oi-1···C steriske sammenstød. De diagonale grænser for den observerede fordeling er defineret af de medafhængige steriske interaktioner Oi-1···O og Oi-1···Ni + 1. I figur 3a viser vi pasformen af disse steriske interaktioner til dataene.
Her analyserer vi det mest karakteristiske træk ved glycin Ramachandran – plottet-tendensen til, at Kris’ klynger sig nær 180 og 0. Vi fokuserer på de kroatisk-afhængige interaktioner. For hver interaktion beregner vi først modelkurven for den tilsvarende inter-atomafstand som en funktion af Krust’ (se metoder). Vi sammenligner derefter den observerede fordeling af kurverne (nederst i figur 3B) med kurven. Hvis en hårdkugleafstødning begrænser Kristian’, så i regioner af Kristian’, hvor modelkurven er under diameteren (vandret stiplet linje i figur 3b), skal Kristian’ frekvensfordelingen falde tilsvarende.
i regionen (60 kr < kr’ < 100 kr) finder vi, at drop-off i krefrekvensfordelingen (nederst i figur 3B) svarer til værdier af Ha1···Ni+1 (nederst i figur 3B) og Ha2···O (øverst i figur 3B), der er mindre end deres diametre. I regionen (-90° <<<< 270°), drop-off i ψ frekvens fordeling svarer til områder, hvor Ha2···Ni+1 og Ha1···O er fundet under deres VDW radier. I modsætning hertil findes værdierne for Ha1···Hi+1 og Ha2···Hi+1 aldrig signifikant under deres VDD-diameter (midten af figur 3b).
den observerede afhængighed af glycin skyldes HA1···O, Ha2···O, Ha1···Ni+1 og Ha2···Ni+1 steriske sammenstød. En simpel fortolkning er, at Krists afhængighed af glycin stammer fra konformationer, der placerer enten Ni+1-eller O-atomet mellem de to Ha-atomer (figur 4a). De observerede grænser i fordelingerne er tegnet i figur 3a som vandrette linjer.
Stick figur repræsentation af glycin og pre-prolin. (A) glycin i den kur-180 kur-konformation, hvor Ni+1-atomet er klemt inde mellem de to Ha-atomer, og (B) præ-prolin i kur-konformationen, hvor Oi-1-atomet interagerer med H-kur-atomerne i den efterfølgende prolin.
Vi opnår således et revideret sterisk kort over glycin, der består af de steriske sammenstød Oi-1···O, Oi-1···Ni+1, Ha1···O, Ha2···O, Ha1···Ni+1 og Ha2 * * * Ni + 1. Ved hjælp af parametre fra CHARMM22 beregner vi Lennard-Jones 12-6 potentialet på grund af de reviderede steriske sammenstød (figur 5a). Minimumsenergiområdet tegner sig for meget af formen af den observerede fordeling (figur 3a).
dipol-dipol interaktioner i glycin. Akser er vist i de forskudte lp’-lp’ vinkler . Energiplotter af (a) Lennard-Jones 12-6 potentialer i det reviderede sæt steriske sammenstød; (b) alle elektrostatiske interaktioner; (c)-(f) de individuelle dipol-dipol-interaktioner af glycin-rygraden (se figur 1a for backbone skematisk af dipolerne). Energiparametre blev taget fra CHARMM22. De lyse områder viser regioner med minimal energi.
dipol-dipol-interaktioner i glycin
det reviderede glycin-steriske kort forklarer ikke den diagonale form af regionerne Karr, al, karrp, karrpr og Karr. I det generiske Ramachandran-plot blev det fundet, at regionernes diagonale form kunne reproduceres ved hjælp af elektrostatiske dipol-dipol-interaktioner, men kun når dipol-dipol-interaktionerne blev betragtet individuelt. Den samlede elektrostatiske interaktion gengiver ikke det observerede Ramachandran-plot . Her bruger vi den samme tilgang til behandling af individuelle elektrostatiske dipol-dipol-interaktioner langs glycin-rygraden.
Vi beregner energikortet for KRP-KRP for de 4 dipol-dipol-interaktioner i glycin-rygradsinteraktionen: COi-1···CO, NH * * * NHi + 1, CO * * * NH og COi-1···NHi + 1 (Figur 5c-F). De elektrostatiske interaktioner beregnes med Lennard-Jones-potentialerne i de steriske sammenstød identificeret i afsnittet ovenfor. Vi finder ud af, at formerne for de forskellige regioner i glycine Ramachandran-plottet (figur 3A) gengives (figur 5). Co * * * NH-interaktionen producerer den diagonale al -, Kristian-og Kristian-region (figur 5E). NH * * * Nhi+1-interaktionen producerer også en diagonal al-og kurr-region (figur 5D). Regionen er symmetrisk i forhold til aL-regionen. COi-1···CO-interaktion producerer minima svarende til de regioner, hvor der er tale om et Prip-og prippr-niveau (figur 5c).
i det originale glycin steriske kort (figur 2A) er regionen nær (kurr, Kurr) = (-180 Kurr, 180 Kurr) forbudt på grund af et sterisk sammenstød mellem O og H. Alligevel har glycin densitet i denne region i det observerede Ramachandran-plot (figur 3a). Dette kan også ses i frekvensfordelingen af d (O···H) (figur 3c), hvor der er en top ved d (O···H) ~ 2,4 liter. Ved denne top er O-og H-atomerne i kontakt, da VDD-diameteren er 2,5 liter. Således overvinder den gunstige Co···HN-dipol-dipol-interaktion i glycin-regionen af glycin den steriske afstødning af O-og H-atomerne (figur 5e).
Pre-proline Ramachandran-plottet
Schimmel og Flory argumenterede i 1968 for, at pre – prolin – aminosyrer forud for prolin-har et særligt begrænset Ramchandran-plot sammenlignet med det generiske Ramachandran-plot . Dette blev endelig observeret i proteindatabasen af MacArthur og Thornton (figur 1b) .
der er tre hovedforskelle mellem Pre-proline Ramachandran-plottet og det generiske Ramachandran-plot. I pre-proline Ramachandran-plottet er der en stor ekskluderet vandret strimmel ved -40 liter < liter < 50 liter, som begrænser Al-og prisregioner. Al-regionen flyttes højere op. Disse to funktioner blev gengivet i Schimmel-Flory beregning og efterfølgende beregninger . Den tredje funktion er et lille ben af tæthed, der stikker ud under Kristian-regionen (figur 1b; lilla i figur 2C). Karplus kaldte dette for regionen , som er unik for pre-proline.
tidligere beregninger fokuserede ikke på de individuelle interaktioner og redegjorde ikke for kurr-regionen. Her identificerer vi de nøjagtige steriske sammenstød, der bestemmer pre-proline Ramachandran plot. Vi vil derefter analysere de interaktioner, der er ansvarlige for regionen.
steriske interaktioner i præprolin-rygraden
i præprolin, i stedet for en interaktion med NH-atomet i den efterfølgende generiske aminosyre, interagerer præprolinen med en CH2-gruppe af den efterfølgende prolin (figur 1b). CH2-gruppen udøver en meget større sterisk effekt på præ-prolin Ramachandran-plottet. MacArthur og Thornton foreslog, at den dominerende effekt skyldes N···C-Kurri+1 og C-Kurri··· – Kurri+1-steriske sammenstød. Her kan vi analysere effektiviteten af hvert sammenstød ved at analysere de statistiske fordelinger direkte.
vi betragter de Koler-Koler afhængige interaktioner, der involverer C-Koler, h-Koler1 og H-koler2-atomer i den efterfølgende prolin (figur 1b). For hver interaktion genererer vi konturplottet i LP-lp af VDD-diameterafstanden. Ved at sammenligne konturplottet med den observerede tæthed i pre-proline Ramachandran-plottet identificerer vi de interaktioner, der fremkalder det bedste match i grænserne (figur 6a, interaktionerne identificeres i figur 2C). Vi fandt ud af, at den del, der blev taget ud af den nederste venstre kur-region af den observerede tæthed, skyldes Oi-1···C Kursi+1 sterisk sammenstød. En anden begrænsning på Al-og Kurt-regionerne skyldes H * * * C-Kurri+1 sterisk sammenstød.
vi overvejer derefter de afhængige interaktioner. I præ – prolin-frekvensfordelingen fandt vi tre forskellige toppe (nederste figur 6B). Den mest venstreorienterede top ved kr. ~ -50 kr. svarer til kr.-regionen i PR.prolin. Vi fokusere på de to toppe i β-regionen 50° << 180° større peak, der er centreret om ψ ~ 150° svarer til ßS region af generiske Ramachandran plot. I det generiske Ramachandran-plot er denne kartsregion afgrænset af C-Karr···O og C-Karr···Ni+1 steriske sammenstød. I pre-proline svarer den mindre Top centreret om karrus ~ 70 karrus til karrus-regionen og forekommer i en region, der ville blive udelukket af C Karrus···o sterisk sammenstød. I stedet er den mindre Top afgrænset nedenfra af N···C Kursi+1 sterisk sammenstød. Dette kan ses ved at sammenligne kurvefordelingen med modelkurven for N···C Kursi+1 vs. kursist (midt i figur 6b).
pre-Proline parametre. (A) Ramachandran-plottet. De stiplede linjer viser de steriske sammenstød, der definerer nogle af grænserne for de observerede tætheder (se figur 2C). (B) fordelingen af forskellige inter-atomare interaktioner som en funktion af Kross. De stiplede linjer viser grænsen for VDD-diameterne. Den solide grå linje giver modelkurven beregnet med ideel geometri. I bunden er frekvensfordelingen af prisvinklen.
Ved hjælp af parametre fra CHARMM22 beregner vi Lennard-Jones 12-6 potentialet på grund af de reviderede steriske sammenstød (figur 7a). Lennard-Jones-potentialer kan ikke redegøre for den kurdiske region.
Energiplotter i pre-prolin som en funktion af Kurt-Kurt. Energiplotter af (a) Lennard-Jones 12-6 potentialer i det reviderede sæt steriske sammenstød; COi-1···C-pucker + 1-dipol-dipol-interaktioner, når den efterfølgende prolinring er i (b) op-pucker og (c) ned-pucker. De lyse områder viser regioner med lav energi.
interaktioner, der stabiliserer pre-prolin-regionen
da regionen (lilla i figur 2b) bringer interaktionen med C-regionen···O I sterisk konflikt, skal der være en kompenserende interaktion, der stabiliserer regionen. Hvad er denne interaktion? For at forstå denne interaktion overvejer vi en analogi med kurr-regionen i det generiske Ramachandran-plot. I regionen er en forvrænget Koi-1···HNI+1 hydrogenbinding dannes, hvilket bringer Hi + 1-atomet i kontakt med Oi-1-atomet. På samme måde er Oi-1-atomet i pre-prolin i pre-prolin-regionen i pre-prolin i kontakt med H-Lyr1-og H-Lyr2-atomerne (se figur 4b; tabel 1), hvilket antyder, at COi-1-gruppen interagerer med C-Lyrh Lyri+1-gruppen af den efterfølgende prolin.
kan C-gruppen med Ch-1 interagere med COi-1? En sådan interaktion ville falde ind under klassen af CH···o svag hydrogenbinding, en veldokumenteret interaktion i proteiner . Undersøgelser af CH * * * o svag hydrogenbinding bruger et afstandskriterium på d (H···O) < 2,8 liter . Der er lidt vinkelafhængighed fundet i Ch * * * O-bindingen omkring H-atomet, hvor der ofte anvendes et vinkelkriterium for ch Ohh > 90-liter. Dette er meget mere tilladt end geometrien af den kanoniske hydrogenbinding. I tabel 1 opregner vi hydrogenbindingsparametrene for COi-1···C-Kurt-Kurt+1-interaktion i Kurt-regionen. Som proline kan påtage sig to forskellige store konformationer, op og ned pucker, målinger af geometrien af COi-1···C-Kurt+1 interaktion skal også opdeles i forhold til op og ned pucker. Den observerede geometri af COi-1···C-Kursth-geometri+1 opfylder de geometriske kriterier for den svage hydrogenbinding (tabel 1).
som COi-1···C Kurth Kursi + 1 svag hydrogenbinding er en tæt kontakt, vi er nødt til at modellere interaktionen for at forstå dens afhængighed af Kurt-kurvvinklerne. Til modelleringen, vi overvejer strategier, der er blevet brugt til den analoge COi-1···HNI + 1 hydrogenbinding. COi-1···HNI + 1 hydrogenbinding er blevet modelleret i kvantemekaniske undersøgelser, hvor det viste sig, at det var den mindste energikonformation i vakuum . En enklere tilgang, der modellerede hydrogenbindingen med elektrostatiske dipol-dipol-interaktioner, finder også et minimum i larr-regionen .
Her modellerer vi COi-1···C-L-L-L + 1 svag hydrogenbinding som en elektrostatisk dipol-dipol-interaktion (se metoder). Hvordan modellerer vi C-Kurt+1-gruppen som en elektrostatisk dipol? Bhattacharyya og Chakrabarti fandt ud af, at af CH-grupperne i prolin danner C-Kurt-gruppen de mest ch···o hydrogenbindinger. C-Karatatomet sidder ved siden af det elektronudtagende n-atom og er således mere surt end de andre C-atomer. Derfor placerer vi en lille negativ delvis ladning på C-Cholatom. I vores model finder vi et energiminimum i kurr-regionen for både op-rynken (figur 7B) og ned-rynken (figur 7c). Vi konkluderer, at COi-1···C-Kursi+1h-kursi1+1 svag hydrogenbinding stabiliserer kursisregionen i pre-prolin.