Ein nicht redundanter PDB-Datensatz

Um die statistischen Verteilungen der Glycin- und Prä-Prolin-Ramachandran-Plots zu extrahieren, wählten wir eine hochauflösende Teilmenge der vom Richardson Lab bereitgestellten PDB von 500 nicht homologen Proteinen. Diese Proteine haben eine Auflösung von besser als 1,8 Å, wobei alle Wasserstoffatome vom Rückgrat projiziert und hinsichtlich der Packung optimiert wurden. Nach den Richardsons betrachten wir nur Atome, die einen B-Faktor von weniger als 30 haben.

Regionen im Glycin-Ramachandran-Plot

Glycin unterscheidet sich grundlegend von den anderen Aminosäuren dadurch, dass ihm eine Seitenkette fehlt. Insbesondere hat Glycin nicht das Cß-Atom, das viele sterische Zusammenstöße im generischen Ramachandran-Plot induziert. Wir nennen das Wasserstoffatom, das mit den anderen Aminosäuren geteilt wird, das Ha1-Atom. Wir nennen das Wasserstoffatom, das das Cß-Atom ersetzt, das Ha2-Atom. Das Fehlen des Cß-Atoms ermöglicht es dem Glycin-Ramachandran-Plot, bei -180 ° und 180 ° über die Grenzen zu laufen (Abbildung 1A).

Die beobachtete Glycin-Karte hat 5 Dichtebereiche . Um die beobachtete Dichte in einer kontinuierlichen Region anzuzeigen, verschieben wir die Koordinaten von φ-ψ nach φ‘-ψ‘, wobei φ‘: 0° << 360° und ψ‘: -90° << 270°. Mit dem verschobenen Glycin-Ramachandran-Plot (Abbildung 3A) können wir die verschiedenen Regionen eindeutig identifizieren. Entlang des horizontalen Streifens ψ‘ ~ 180° gibt es drei getrennte Bereiche. Eine davon ist eine längliche Version der ßP-Region des generischen Ramachandran-Plots. Die ßP-Region entspricht der Polyprolin-II-Struktur, die eine verlängerte linkshändige Helix entlang der Proteinkette bildet . Die ßPR-Region spiegelt die ßP-Region wider, in der eine Sequenz von Glycinresten in der ßPR-Konformation eine rechtshändige Helix bildet. Schließlich gibt es eine Region, die der ßS-Region des generischen Ramachandran-Plots entspricht. Dieser Bereich entspricht der ausgedehnten Konformation von Rückständen in β-Blättern. Die Glycin ßS-Region, zentriert auf (φ‘, ψ‘) = (180°, 180°), ist leicht aus der ßS-Region des generischen Ramachandran-Plots verschoben. Es gibt auch die diagonalen α- und aL-Regionen (Abbildung 3A), die mit Helices und Windungen verbunden sind . Im Gegensatz zum generischen Ramachandran-Plot ist die Glycin-α-Region symmetrisch zur aL-Region . Im generischen Ramachandran-Plot gibt es auch eine γ-Region, die der wasserstoffgebundenen γ-Drehung entspricht . Der Glycin-Ramachandran-Plot hat keine Dichte in der γ-Region.

Glycin-Parameter. (A) Das Ramachandran-Diagramm in verschobenen Koordinaten φ‘-ψ‘. Die gestrichelten Linien zeigen die sterischen Kollisionen, die die Grenzen der beobachteten Dichten definieren (Abbildung 2B beschreibt die spezifischen Wechselwirkungen). (B) Die Verteilungen verschiedener interatomarer Wechselwirkungen als Funktion von ψ‘. Die gestrichelte Linie zeigt die Grenze der VDW-Durchmesser. Die graue Linie gibt die mit idealer Geometrie berechnete Modellkurve an. Unten ist die Häufigkeitsverteilung des ψ‘-Winkels. (C) Häufigkeitsverteilung des interatomaren Abstands d(O···H). Es gibt 3 Peaks, von denen der kleinste bei d (O ··· H) = 2,4 Å liegt, was der ßS-Region entspricht.

Sterische Wechselwirkungen in Glycin

Die ursprüngliche sterische Karte von Glycin (Abbildung 2A) kann große Teile des beobachteten Glycin-Ramachandran-Plots (Abbildung 1A) nicht erklären. Im beobachteten Glycin-Ramachandran (Abbildung 3A) gibt es zwei große ausgeschlossene horizontale Streifen bei 50° << 120 ° und -120° << -50°, die sind in der sterischen Glycinkarte nicht ausgeschlossen (Abbildung 2A). Umgekehrt schließt die sterische Glycinkarte einen horizontalen Streifen bei -30 ° << 30 ° aus (Abbildung 2A), aber diese Region ist im beobachteten Diagramm ausgefüllt (Abbildung 1A). Es gibt auch diagonale sterische Grenzen im beobachteten Glycin-Ramachandran-Diagramm (Abbildung 1A), während die sterische Karte vertikale Grenzen vorhersagt (Abbildung 2A).

Wir führten eine Neubewertung der sterischen Karte von Glycin durch (Abbildung 2B), indem wir der Methodik von Ho und Mitarbeitern folgten . Für jede Wechselwirkung im Glycin-Rückgrat betrachten wir die Variation des interatomaren Abstands in Bezug auf die φ‘-ψ‘-Winkel. Wir vergleichen die beobachtete Variation mit der Variation, die aus einem Modell generiert wird, das die kanonische Rückgratgeometrie verwendet. Wir unterteilen diese Interaktionen in 3 Kategorien: die φ‘-abhängigen, ψ‘-abhängigen und φ‘-ψ‘-co-abhängigen Abstände.

Für einige der Wechselwirkungen sind die Ergebnisse für Glycin identisch mit denen des generischen Ramachandran-Plots . Der Kürze halber lassen wir die Analyse dieser Wechselwirkungen weg und fassen die Ergebnisse zusammen. Der ausgeschlossene horizontale Streifen -30 ° << 30° existiert aufgrund der N ··· Hi+1 sterischen Wechselwirkung in der Glycin-Sterikarte (Abbildung 2A) nicht in der beobachteten Verteilung (Abbildung 1A). Ebenso die Oi-1··· Die sterische Verteilung in der ursprünglichen Glycin-Sterikarte, die einen vertikalen Streifen mit φ’= 0 ° (Abbildung 2A) ausschließt, existiert in der beobachteten Verteilung nicht (Abbildung 1A). Wir ignorieren die Wirkung von N***Hi+1 und Oi-1··· C sterische Zusammenstöße. Die diagonalen Grenzen der beobachteten Verteilung werden durch die φ‘-ψ‘ co-abhängigen sterischen Wechselwirkungen Oi definiert-1··· O und Oi-1··· Ni+1. In Abbildung 3A zeigen wir die Anpassung dieser sterischen Wechselwirkungen an die Daten.

Hier analysieren wir das markanteste Merkmal des Glycin–Ramachandran-Plots – die Tendenz für ψ‘, sich in der Nähe von 180 ° und 0 ° zu sammeln. Wir konzentrieren uns auf die ψ‘-abhängigen Wechselwirkungen. Für jede Wechselwirkung berechnen wir zunächst die Modellkurve des entsprechenden interatomaren Abstands als Funktion von ψ‘ (siehe Methoden). Wir vergleichen dann die beobachtete ψ‘-Verteilung (unten in Abbildung 3B) mit der Kurve. Wenn eine Hartkugelabstoßung ψ‘ einschränkt, sollte in Bereichen von ψ‘, in denen die Modellkurve unterhalb des van-der-Waals-Durchmessers (VDW) liegt (horizontale gestrichelte Linie in Abbildung 3B), die ψ‘-Häufigkeitsverteilung entsprechend abfallen.

In der Region (60 ° << 100°) finden wir, dass der Abfall in der ψ-Häufigkeitsverteilung (unten in Abbildung 3B) Werten von Ha1···Ni+1 (unten in Abbildung 3B) und Ha2···O (oben in Abbildung 3B) entspricht, die kleiner sind als ihre VDW-Durchmesser. In der Region (-90° <<<< 270°) entspricht der Abfall in der ψ-Häufigkeitsverteilung Regionen, in denen Ha2···Ni+ 1 und Ha1···O unterhalb ihrer VDW-Radien befinden. Im Gegensatz dazu werden die Werte von Ha1···Hi+1 und Ha2···Hi+1 nie signifikant unterhalb ihres VDW-Durchmessers gefunden (Mitte von Abbildung 3B).

Die beobachtete ψ‘-Abhängigkeit in Glycin ist auf die sterischen Kollisionen Ha1···O, Ha2···O, Ha1···Ni+1 und Ha2···Ni+1 zurückzuführen. Eine einfache Interpretation ist, dass die ψ-Abhängigkeit in Glycin von Konformationen herrührt, die entweder das Ni + 1- oder das O-Atom zwischen die beiden Ha-Atome stellen (Abbildung 4A). Die beobachteten Grenzen in den Verteilungen sind in Abbildung 3A als horizontale Linien gezeichnet.

Strichmännchen-Darstellung von Glycin und Prä-Prolin. (A) Glycin in der ψ ~ 180 ° -Konformation, wo das Ni + 1-Atom zwischen den beiden Ha-Atomen eingeklemmt ist, und (B) Prä-Prolin in der ζ-Konformation, wo das Oi-1-Atom mit den Hδ-Atomen des nachfolgenden Prolins interagiert.

Wir erhalten somit eine überarbeitete sterische Karte von Glycin, bestehend aus der sterischen Karte Oi-1··· O, Oi-1··· Ni+1, Ha1·**O, Ha2··*O, Ha1***Ni+1 und Ha2··*Ni+1. Unter Verwendung der Parameter aus CHARMM22 berechnen wir das Lennard-Jones 12-6-Potential aufgrund der überarbeiteten sterischen Kollisionen (Abbildung 5A). Die minimale Energieregion macht einen Großteil der Form der beobachteten Verteilung aus (Abbildung 3A).

Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in Glycin. Achsen sind in den verschobenen φ‘-ψ‘-Winkeln dargestellt. Energiediagramme von (a) den Lennard-Jones 12-6-Potentialen des überarbeiteten Satzes sterischer Kollisionen; (b) alle elektrostatischen Wechselwirkungen; (c) – (f) die einzelnen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen des Glycin-Rückgrats (siehe Abbildung 1A für das Rückgratdiagramm der Dipole). Die Energieparameter wurden von CHARMM22 übernommen. Die hellen Bereiche zeigen Bereiche mit minimaler Energie.

Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in Glycin

Die überarbeitete sterische Karte von Glycin erklärt nicht die diagonale Form der α-, aL-, ßP-, ßPR- und ßS-Regionen. Im generischen Ramachandran-Diagramm wurde festgestellt, dass die diagonale Form von Regionen unter Verwendung elektrostatischer Dipol-Dipol-Wechselwirkungen reproduziert werden konnte, jedoch nur, wenn die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen einzeln betrachtet wurden. Die gesamte elektrostatische Wechselwirkung reproduziert nicht den beobachteten Ramachandran-Plot . Hier verwenden wir den gleichen Ansatz zur Behandlung einzelner elektrostatischer Dipol-Dipol-Wechselwirkungen entlang des Glycin-Rückgrats.

Wir berechnen die Energiekarte von φ-ψ für die 4 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in der Glycin-Backbone-Wechselwirkung: COi-1··· CO, NH·**NHi+1, CO···NH und COi-1··· NHi+1 (Abbildung 5C-F). Die elektrostatischen Wechselwirkungen werden mit den Lennard-Jones-Potentialen der im obigen Abschnitt identifizierten sterischen Elemente berechnet. Wir finden, dass die Formen der verschiedenen Regionen des Glycin-Ramachandran-Plots (Abbildung 3A) reproduziert werden (Abbildung 5). Die CO *** NH-Wechselwirkung erzeugt die Diagonale aL-, α- und ßS-Region (Abbildung 5E). Die NH ··* NHi +1-Wechselwirkung erzeugt auch eine diagonale aL- und α-Region (Abbildung 5D). Die α-Region ist symmetrisch zur aL-Region. Das COi-1··· Die CO-Wechselwirkung erzeugt Minima, die den ßP- und ßPR-Regionen entsprechen (Abbildung 5C).

In der ursprünglichen Glycin-Sterikarte (Abbildung 2A) ist die Region nahe (φ, ψ) = (-180 °, 180 °) aufgrund eines sterischen Zusammenstoßes zwischen O und H verboten. Dennoch weist Glycin in dieser Region im beobachteten Ramachandran-Diagramm eine Dichte auf (Abbildung 3A). Dies zeigt sich auch in der Häufigkeitsverteilung von d (O ··· H) (Abbildung 3C), wo es einen Peak bei d (O ··· H) ~ 2,4 Å gibt. An dieser Spitze stehen die O- und H-Atome in Kontakt, da der VDW-Durchmesser 2,5 Å beträgt. So überwindet in der ßS-Region von Glycin die günstige CO ··· HN-Dipol-Dipol-Wechselwirkung die sterische Abstoßung der O- und H-Atome (Abbildung 5E).

Der Pre-Prolin-Ramachandran–Plot

Schimmel und Flory argumentierten 1968, dass Pre–Prolin – Aminosäuren vor Prolin – im Vergleich zum generischen Ramachandran-Plot einen besonders eingeschränkten Ramchandran-Plot aufweist . Dies wurde schließlich in der Proteindatenbank von MacArthur und Thornton beobachtet (Abbildung 1B).

Es gibt drei Hauptunterschiede zwischen dem Prä-Prolin-Ramachandran-Plot und dem generischen Ramachandran-Plot. Im Pre-Prolin-Ramachandran-Plot gibt es einen großen ausgeschlossenen horizontalen Streifen bei -40 ° << 50°, der aL- und α-Regionen einschränkt. Der aL-Bereich wird höher verschoben. Diese beiden Merkmale wurden in der Schimmel-Flory-Berechnung und nachfolgenden Berechnungen wiedergegeben . Das dritte Merkmal ist ein kleines Dichteschenkel, das unterhalb der β-Region hervorsticht (Abbildung 1B; lila in Abbildung 2C). Karplus nannte dies die ζ-Region , die einzigartig für Pre-Prolin ist.

Frühere Berechnungen konzentrierten sich nicht auf die einzelnen Wechselwirkungen und berücksichtigten nicht die ζ-Region. Hier, Wir identifizieren die genauen sterischen Faktoren, die das Prä-Prolin-Ramachandran-Diagramm bestimmen. Wir werden dann die Interaktionen analysieren, die für die ζ-Region verantwortlich sind.

Sterische Wechselwirkungen im Präprolin-Rückgrat

In Präprolin interagiert das Präprolin anstelle einer Wechselwirkung mit dem NH-Atom in der nachfolgenden generischen Aminosäure mit einer CH2-Gruppe des nachfolgenden Prolins (Abbildung 1B). Die CH2-Gruppe übt eine viel größere sterische Wirkung auf das Präprolin-Ramachandran-Diagramm aus. MacArthur und Thornton schlugen vor, dass der dominante Effekt auf die sterischen Zusammenstöße von N ··· Cδi + 1 und Cß ··· Cδi + 1 zurückzuführen ist. Hier können wir die Wirksamkeit jedes Zusammenstoßes analysieren, indem wir die statistischen Verteilungen direkt analysieren.

Wir betrachten die φ-ψ co-abhängigen Wechselwirkungen, an denen die Cδ-, Hδ1- und Hδ2-Atome des nachfolgenden Prolins beteiligt sind (Abbildung 1B). Für jede Interaktion erzeugen wir das Konturdiagramm in φ-ψ des VDW-Durchmesserabstands. Durch Vergleich des Konturdiagramms mit der beobachteten Dichte im Pre-Prolin-Ramachandran-Diagramm identifizieren wir die Wechselwirkungen, die die beste Übereinstimmung in den Grenzen induzieren (Abbildung 6A, die Wechselwirkungen sind in Abbildung 2C dargestellt). Wir fanden heraus, dass der Brocken, der aus der unteren linken β-Region der beobachteten Dichte entnommen wurde, auf die Oi zurückzuführen ist-1··· Cδi+1 sterischer Zusammenstoß. Eine weitere Einschränkung der AL- und α-Regionen ist auf den sterischen Zusammenstoß von H ··· Cδi + 1 zurückzuführen.

Als nächstes betrachten wir die ψ abhängigen Wechselwirkungen. In der Prä-Prolin ψ-Häufigkeitsverteilung fanden wir drei verschiedene Peaks (untere Abbildung 6B). Der am weitesten links liegende Peak bei ψ ~ -50 ° entspricht dem α-Bereich von Prä-Prolin. Wir konzentrieren uns auf die beiden Peaks in der β-Region 50° << 180° Der größere Peak zentriert auf ψ ~ 150° entspricht der ßS-Region des generischen Ramachandran-Plots. Im generischen Ramachandran-Plot wird diese ßS-Region durch die sterischen Kollisionen Cß ··· O und Cß ··· Ni + 1 begrenzt. Im Prä-Prolin entspricht der kleinere Peak, der auf ψ ~ 70 ° zentriert ist, der ζ-Region und tritt in einer Region auf, die durch den sterischen Cß ··· O-Konflikt ausgeschlossen wäre. Stattdessen wird der kleinere Peak von unten durch die N···Cδi+1 sterische Grenze begrenzt. Dies kann durch Vergleich der ψ-Verteilung mit der Modellkurve von N ··· Cδi + 1 vs. ψ (Mitte von Abbildung 6B) gesehen werden.

Pre-Proline-Parameter. (A) Die Ramachandran-Verschwörung. Die gestrichelten Linien zeigen die sterischen Kollisionen, die einige der Grenzen der beobachteten Dichten definieren (siehe Abbildung 2C). (B) Die Verteilungen verschiedener interatomarer Wechselwirkungen als Funktion von ψ. Die gestrichelten Linien zeigen die Grenze der VDW-Durchmesser. Die durchgezogene graue Linie gibt die mit idealer Geometrie berechnete Modellkurve an. Unten ist die Häufigkeitsverteilung des ψ-Winkels.

Mit Hilfe von Parametern aus CHARMM22 berechnen wir das Lennard-Jones 12-6 Potential aufgrund der überarbeiteten sterischen Kollisionen (Abbildung 7A). Lennard-Jones-Potenziale können die Region ζ nicht berücksichtigen.

Energiediagramme im Präprolin als Funktion von φ-ψ. Energieplots von (a) den Lennard-Jones 12-6 Potentialen des überarbeiteten Satzes von sterischen Kollisionen; der COi-1··· CδHδi + 1 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, wenn sich der nachfolgende Prolinring in (b) dem Aufwärtspucker und (c) dem Abwärtspucker befindet. Die hellen Bereiche zeigen Regionen mit niedriger Energie.

Wechselwirkungen, die die pre-Region vor dem Prolin stabilisieren

Da die ζ-Region (lila in Abbildung 2B) die Cß ···O-Interaktion in einen sterischen Konflikt bringt, muss es eine kompensatorische Interaktion geben, die die ζ-Region stabilisiert. Was ist diese Interaktion? Um diese Wechselwirkung zu verstehen, betrachten wir eine Analogie mit der γ-Region im generischen Ramachandran-Plot. Im γ-Bereich ein verzerrtes COi-1··· Es entsteht eine HNi + 1-Wasserstoffbindung, die das Hi + 1-Atom mit dem Oi-1-Atom in Kontakt bringt. In ähnlicher Weise steht in der ζ-Region von Pre-Prolin das Oi-1-Atom von Pre-Prolin in Kontakt mit den Hδ1- und Hδ2-Atomen (siehe Abbildung 4B; Tabelle 1), was darauf hindeutet, dass die COI-1-Gruppe mit der CδHδi + 1-Gruppe des nachfolgenden Prolins interagiert.

Kann die Cδ Hδi+1-Gruppe mit COi-1 interagieren? Eine solche Wechselwirkung würde unter die Klasse der CH ··· O-schwachen Wasserstoffbindung fallen, eine gut dokumentierte Wechselwirkung in Proteinen . Untersuchungen der CH··*O-schwachen Wasserstoffbindung verwenden ein Abstandskriterium von d(H···O) < 2.8 Å . Es gibt eine geringe Winkelabhängigkeit in der CH *·* O-Bindung um das H-Atom, wobei häufig ein Winkelkriterium von ∠OHX > 90 ° verwendet wird. Dies ist viel permissiver als die Geometrie der kanonischen Wasserstoffbindung. In Tabelle 1 listen wir die Wasserstoffbindungsparameter des COi auf-1··· CδHδi+1 Wechselwirkung in der ζ-Region. Da Proline zwei verschiedene Hauptkonformationen, den UP- und DOWN-Pucker, Messungen der Geometrie des COi-1··· CδHδi+1 Interaktion muss auch in Bezug auf die oben und unten Pucker aufgeteilt werden. Die beobachtete Geometrie des COi-1··· Die Geometrie CδHδi+1 erfüllt die geometrischen Kriterien der schwachen Wasserstoffbindung (Tabelle 1).

Wie der COi-1··· CδHδi+1 schwache Wasserstoffbindung ist ein enger Kontakt, wir müssen die Wechselwirkung modellieren, um ihre Abhängigkeit von den φ-ψ-Winkeln zu verstehen. Für die Modellierung betrachten wir Strategien, die für den analogen COi verwendet wurden-1··· HNi+1 Wasserstoffbindung. Das COi-1··· Die HNi + 1-Wasserstoffbindung wurde in quantenmechanischen Studien modelliert, bei denen die γ-Region die minimale Energiekonformation im Vakuum war . Ein einfacherer Ansatz, der die Wasserstoffbindung mit elektrostatischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen modellierte, fand ebenfalls ein Minimum im γ-Bereich .

Hier modellieren wir den COi-1··· CδHδi+1 schwache Wasserstoffbindung als elektrostatische Dipol-Dipol-Wechselwirkung (siehe Methoden). Wie modellieren wir die CδHδi + 1-Gruppe als elektrostatischen Dipol? Bhattacharyya und Chakrabarti fanden heraus, dass von den CH-Gruppen in Prolin die CδHδ-Gruppe die meisten CH ··· O-Wasserstoffbrückenbindungen bildet. Das Cδ-Atom sitzt neben dem elektronenziehenden N-Atom und ist somit saurer als die anderen C-Atome. Folglich legen wir eine kleine negative Teilladung auf das Cδ-Atom. In unserem Modell finden wir ein Energieminimum im ζ-Bereich sowohl für den UP-Pucker (Abbildung 7B) als auch für den DOWN-Pucker (Abbildung 7C). Wir schließen daraus, dass der COi-1··· Cδi + 1Hδ1i + 1 schwache Wasserstoffbindung stabilisiert die ζ-Region in Prä-Prolin.