ei-redundantti PDB-tietojoukko

poimiaksemme glysiinin ja pre-proliinin Ramachandranin käyrien tilastolliset jakaumat valitsimme Richardsonin laboratorion toimittaman PDB: n korkean resoluution osajoukon, jossa oli 500 Ei-homologista proteiinia. Näiden proteiinien erottelukyky on parempi kuin 1,8 Å, kun kaikki vetyatomit on projisoitu selkärangasta ja optimoitu pakkausten suhteen. Richardsonien jälkeen tarkastellaan vain atomeja, joiden B-kerroin on alle 30.

glysiinin ramachandranin piirtoalueen alueet

glysiini eroaa olennaisesti muista aminohapoista siinä, että siitä puuttuu sidekaiini. Erityisesti glysiinissä ei ole Cß-atomia, joka indusoi monia steerisiä yhteenottoja geneerisessä Ramachandranin juonessa. Kutsumme muiden aminohappojen kanssa yhteistä vetyatomia Ha1-atomiksi. Kutsumme cß-atomin korvaavaa vetyatomia Ha2-atomiksi. Cß-atomin puuttuminen mahdollistaa glysiini Ramachandranin kuvaajan juoksemisen rajojen yli -180° ja 180° (Kuva 1a).

havaitussa glysiinikartassa on 5 tiheysaluetta . Jotta havainnoitu tiheys voidaan esittää yhdellä yhtäjaksoisella alueella, siirretään koordinaatit φ-ψ: sta φ-ψ: iin” – ψ”, jossa φ”: 0° <<< 360°, ja ψ”: -90° << 270°. Kanssa siirtynyt glysiini Ramachandran tontti (Kuva 3A), voimme selvästi tunnistaa eri alueilla. Vaakasuoralla kaistaleella ψ ’ ~ 180° on kolme erillistä aluetta. Yksi näistä on pitkänomainen versio yleisen Ramachandran tontin ßP-alueesta. ßP-alue vastaa polyproliini II-rakennetta, joka muodostaa proteiiniketjua pitkin ulottuvan vasenkätisen helixin . ßPR-alue on heijastuma ßP-alueesta, jossa ßPR-konformaatiossa glysiinijäämien sarja muodostaa oikeakätisen helixin. Lopuksi on alue, joka vastaa yleisen Ramachandranin kuvaajan ßS-aluetta. Tämä alue vastaa β-arkkien jäämien laajennettua konformaatiota. Kuitenkin glysiinin ßS-alue, jonka keskiössä on (φ’, ψ’) = (180°, 180°), on hieman syrjäyttänyt yleisen Ramachandranin kuvaajan ßS-alueesta. On myös diagonaaliset α-ja aL-alueet (Kuva 3A), jotka liittyvät kierteisiin ja käänteisiin . Toisin kuin yleinen Ramachandranin kuvaaja, glysiinin α-alue on symmetrinen aL-alueen kanssa . Yleisessä Ramachandranin kuvaajassa on myös γ-alue, joka vastaa vedyn sidottua γ-käännöstä . Glysiinin ramachandranin kuviolla ei ole lainkaan tiheyttä γ-alueella.

Glysiiniparametrit. (A) Ramachandranin juoni muuttuneissa koordinaateissa φ ”-ψ”. Katkoviivat näyttävät steeriset yhteentörmäykset, jotka määrittelevät Havaittujen tiheyksien rajat (Kuva 2B kuvaa erityisiä vuorovaikutuksia). B) eri atomien välisten vuorovaikutusten jakaumat ψ’: n funktiona. Dashed line näyttää raja VDW halkaisijat. Harmaa viiva antaa ideaaligeometrialla lasketun mallikäyrän. Alareunassa on ψ ’ – kulman taajuusjakauma. C) atomien välisen etäisyyden D(O···H) Taajuusjakauma. Piikkejä on 3, joista pienin pisteessä d (O···H) = 2,4 Å, joka vastaa ßS: n aluetta.

Steeriset yhteisvaikutukset glysiinissä

alkuperäinen glysiinin steerikartta (Kuva 2a) ei selitä suurta osaa havaitusta glysiinin Ramachandranin havaintoalasta (Kuva 1a). Havaitussa glysiiniramachandranissa (Kuva 3A) on kaksi suurta poissuljettua vaakasuoraa liuskaa 50° << 120° ja -120° <<< -50°, joita ei ole suljettu pois glysiinisteerikartassa (kuva 2A). Vastaavasti glysiinisteerikartassa ei ole vaakasuoraa liuskaa kohdassa -30° << 30° (Kuva 2a), mutta tämä alue on asuttu havaitussa kaaviossa (Kuva 1a). Havaitussa glysiini Ramachandranin kuvaajassa on myös diagonaalisia steerisiä rajoja (Kuva 1A), kun taas steerinen kartta ennustaa pystysuoria rajoja (Kuva 2a).

suoritimme glysiinin steerisen kartan uudelleenarvioinnin (Kuva 2b) noudattamalla Ho: n ja työtovereiden metodologiaa . Jokaista glysiinin selkärangan vuorovaikutusta tarkastellaan atomien välisen etäisyyden vaihtelua φ’-ψ’-kulmien suhteen. Vertaamme havaittua vaihtelua kanonista runkogeometriaa käyttävästä mallista syntyneeseen variaatioon. Jaamme nämä vuorovaikutukset 3 luokkaan: φ ’riippuvainen, ψ’ riippuvainen ja φ ’- ψ ’ rinnakkaisriippuvainen etäisyydet.

joidenkin interaktioiden osalta glysiinin tulokset ovat samat kuin yleisen Ramachandranin kuvaajan. Lyhyyden vuoksi jätämme näiden vuorovaikutusten analyysin ja tiivistämme tulokset. Poissuljettua vaakasuoraa liuskaa -30° << 30°, johtuen n···Hi+1-steerisestä vuorovaikutuksesta glysiinisteerikartassa (Kuva 2a), ei esiinny havaitussa jakaumassa (Kuva 1a). Vastaavasti Oi-1···C-steerisiä yhteentörmäyksiä alkuperäisessä glysiinisteerikartassa, joka sulkee pois pystysuuntaisen liuskan, jonka keskipisteenä on φ ’ = 0° (Kuva 2a), ei ole havaitussa jakaumassa (Kuva 1a). Sivuutamme n···Hi+1: n ja Oi: n vaikutuksen-1···C steric yhteenottoja. Havaitun jakauman diagonaaliset rajat määritellään φ’ – ψ ’ – rinnakkaisriippuvaisten steeristen vuorovaikutusten Oi-1···O ja Oi-1···Ni + 1. Kuvassa 3A näytämme näiden steeristen vuorovaikutusten sopivuuden dataan.

tässä analysoidaan glysiinin Ramachandranin tontin erikoisinta piirrettä – taipumusta ψ’: n klusteroitumiseen lähelle 180°: ta ja 0°: ta. Keskitymme ψ ’ – riippuvaiseen vuorovaikutukseen. Jokaiselle vuorovaikutukselle lasketaan ensin vastaavan atomien välisen etäisyyden mallikäyrä ψ’: n funktiona (KS. Sitten vertaamme havaittua ψ ’ – jakaumaa (kuvan 3b alaosa) käyrään. Jos kovan pallon repulsio rajoittaa ψ’, niin alueilla ψ’, joissa mallikäyrä on van der Waalsin (VDW) halkaisijan alapuolella (horisontaalinen katkoviivajana Kuvassa 3B), ψ’ – taajuusjakauman tulisi vastaavasti pudota.

alueella (60° << 100° halkaisijat. Alueella (-90° <<<< 270°) ψ-taajuusjakauman pudotusero vastaa alueita jossa HA2···ni+1 ja HA1···O löytyvät niiden VDW-säteiden alapuolelta. Sen sijaan arvoja Ha1 * * * Hi + 1 ja Ha2···Hi+1 ei koskaan löydy merkittävästi niiden VDW-halkaisijan alapuolella (kuvan 3b keskellä).

havaittu ψ’ riippuvuus glysiinissä johtuu Ha1···O, Ha2···O, Ha1···Ni+1 ja Ha2···Ni+1 steerisistä yhteenotoista. Yksinkertainen tulkinta on, että ψ’ – riippuvuus glysiinissä syntyy konformaatioista, jotka sijoittavat joko ni+1-tai O-atomin kahden Ha-atomin väliin (Kuva 4A). Jakaumissa havaitut rajat on piirretty kuvaan 3A vaakasuorina viivoina.

Tikkukuva esittää glysiiniä ja pre-proliinia. A) glysiini ψ ~ 180°-konformaatiossa, jossa ni+1-atomi on kahden Ha-atomin välissä, ja B) Pre-proliini ζ-konformaatiossa, jossa Oi-1-atomi vuorovaikuttaa seuraavan proliinin Hδ-atomien kanssa.

näin saadaan glysiinin tarkistettu steerikartta, joka koostuu steerisistä yhteenotoista Oi-1···Oi, Oi-1···Ni + 1, Ha1·· * O, Ha2·· * O, Ha1 * * * Ni + 1 ja Ha2 * * * Ni + 1. CHARMM22: n parametrien avulla lasketaan Lennard-Jones 12-6-potentiaali tarkistettujen steeristen yhteentörmäysten vuoksi (kuva 5A). Minimienergia-alue muodostaa suuren osan havaitun jakauman muodosta (Kuva 3A).

dipoli-dipoli-yhteisvaikutukset glysiinissä. Akselit esitetään siirretyissä φ ’- ψ ’ – kulmissa . Energia tontteja (a) Lennard-Jones 12-6 potentiaalit tarkistetun joukon steerisiä yhteentörmäyksiä; (b) kaikki sähköstaattiset vuorovaikutukset; (C)-(f) yksittäiset dipoli-dipoli vuorovaikutukset glysiinin selkärangan (katso kuva 1a selkärangan kaavamaisen dipolien). Energiaparametrit otettiin CHARM22: sta. Valoalueilla näkyy alueita, joilla on minimienergiaa.

dipolien ja dipolien yhteisvaikutukset glysiinissä

tarkistettu glysiinisteerinen kartta ei selitä α -, al -, ßP -, ßPR-ja ßS-alueiden diagonaalista muotoa. Yleisessä Ramachandranin kuvaajassa havaittiin, että alueiden diagonaalinen muoto voitiin toistaa sähköstaattisten dipoli-dipoli-vuorovaikutusten avulla, mutta vain silloin, kun dipoli-dipoli-vuorovaikutuksia tarkasteltiin erikseen. Yleinen sähköstaattinen vuorovaikutus ei toista havaittua Ramachandranin piirrettä . Tässä käytämme samaa lähestymistapaa yksittäisten sähköstaattisten dipoli-dipoli-vuorovaikutusten hoitamiseen glysiinin selkärangan varrella.

laskemme φ-ψ: n energiakartan 4 dipoli-dipoli-vuorovaikutukselle glysiinin selkärankavuorovaikutuksessa: COi-1···CO, NH·· * NHi+1, CO···NH ja COi-1···nhi+1 (kuva 5C-F). Sähköstaattiset vuorovaikutukset lasketaan yllä olevassa jaksossa yksilöityjen steeristen yhteentörmäysten Lennard-Jones-potentiaalien kanssa. Havaitsemme, että Glycine Ramachandranin tontin eri alueiden muodot (Kuva 3A) toistetaan (kuva 5). CO· * * NH-vuorovaikutus tuottaa diagonaalisen aL -, α-ja ßS-alueen (kuva 5E). NH···nhi+1-vuorovaikutus tuottaa myös diagonaalisen aL-Ja α-alueen (kuva 5D). Α-alue on symmetrinen aL-alueen kanssa. The COi-1···CO-vuorovaikutus tuottaa ßP – ja ßPR-alueita vastaavat minimit (Kuva 5C).

alkuperäisessä glysiinisteerikartassa (Kuva 2a) lähellä oleva alue (φ, ψ) = (-180°, 180°) on kielletty O: n ja h: n välisen steerisen yhteentörmäyksen vuoksi. Glysiinillä on kuitenkin tiheys tällä alueella havaitulla Ramachandranin havaintoalalla (Kuva 3A). Tämä näkyy myös D: n(O···h) taajuusjakaumassa (Kuva 3C), jossa on piikki pisteessä D(O···H) ~ 2,4 Å. Tässä huipussa O-ja H-atomit ovat kosketuksessa, sillä VDW: n halkaisija on 2,5 Å. Siten glysiinin ßS-alueella suotuisa CO···HN-dipoli-dipoli-vuorovaikutus voittaa O-ja H-atomien steerisen repulsion (Kuva 5E).

esiproliininen Ramachandranin juoni

Schimmel ja Flory väittivät vuonna 1968, että esiproliinisilla-proliinia edeltävillä aminohapoilla-on erityisen suppea Ramchandranin juoni verrattuna yleiseen Ramachandranin kuvioon . Tämän havaitsivat lopulta MacArthur ja Thornton proteiinitietokannassa (Kuva 1B).

esiproliinisen Ramachandranin juonen ja yleisen Ramachandranin juonen välillä on kolme pääeroa. Esiproliinisessa Ramachandranin kuvaajassa on suuri poissuljettu vaakasuora kaistale -40° << 50°, mikä rajoittaa aL-Ja α-alueita. AL-alue on siirtynyt korkeammalle. Nämä kaksi piirrettä toistettiin Schimmel-Flory-laskelmassa ja myöhemmissä laskelmissa . Kolmas piirre on pieni tiheyden jalka, joka työntyy β-alueen alapuolelle (Kuva 1B; violetti Kuvassa 2C). Karplus kutsui tätä ζ-alueeksi, joka on ainutlaatuinen esiproliinille.

aiemmat laskelmat eivät keskittyneet yksittäisiin vuorovaikutuksiin, eikä niissä otettu huomioon ζ-aluetta. Tunnistamme steeriset yhteenotot, jotka määrittävät Ramachandranin juonen. Sen jälkeen analysoimme ζ-alueesta johtuvia vuorovaikutuksia.

Steeriset yhteisvaikutukset esiproliinin selkärangassa

esiproliinissa sen sijaan, että esiproliini olisi vuorovaikutuksessa seuraavan geneerisen aminohapon NH-atomin kanssa, esiproliini vuorovaikuttaa seuraavan proliinin CH2-ryhmän kanssa (kuva 1b). CH2-ryhmällä on paljon suurempi steerinen vaikutus esiproliiniseen Ramachandranin juoneen. MacArthur ja Thornton esittivät, että dominoiva vaikutus johtuu N···Cδi+1-ja Cß···Cδi+1-steerisistä yhteentörmäyksistä. Tässä voimme analysoida jokaisen yhteentörmäyksen tehokkuutta analysoimalla suoraan tilastollisia jakaumia.

tarkastellaan φ-ψ-yhteisriippuvaisia vuorovaikutuksia, joissa ovat mukana seuraavan proliinin cδ, Hδ1 ja Hδ2-atomit (Kuva 1b). Jokaista vuorovaikutusta, luomme ääriviivat tontin φ-ψ, VDW halkaisija etäisyys. Vertaamalla ääriviivat kuvaaja havaittu tiheys pre-proline Ramachandran kuvaaja, tunnistamme vuorovaikutukset, jotka indusoivat paras ottelu rajojen (Kuva 6A, vuorovaikutukset tunnistetaan Kuvassa 2C). Huomasimme, että havaitun tiheyden vasemmanpuoleisesta β-alueesta irrotettu palanen johtuu Oi-1···Cδi+1 steric clash. Toinen al-Ja α-alueiden rajoitus johtuu H···Cδi+1-steerien Yhteentörmäyksestä.

seuraavaksi tarkastellaan ψ-riippuvia vuorovaikutuksia. Pre-proline ψ-taajuusjakaumasta löytyi kolme erillistä piikkiä (alakuva 6B). Vasemmanpuoleisin piikki pisteessä ψ ~ -50° vastaa esiproliinin α-aluetta. Keskitymme β-alueen kahteen piikkiin 50° << 180° suurempi peak ~ 150° keskittyvä huippu vastaa yleisen Ramachandranin tontin ßS-aluetta. Yleisessä Ramachandranin kaaviossa tätä ßS: n aluetta rajoittavat cß···O-ja Cß···Ni+1-steeriset yhteenotot. Pre-proliinissa pienempi piikki, jonka keskipiste on ζ ~ 70°, vastaa ζ-aluetta ja esiintyy alueella, joka jäisi Cß * · * O steeristen törmäysten ulkopuolelle. Sen sijaan pienempää huippua rajoittaa alhaalta N···Cδi+1 steric clash. Tämä voidaan nähdä vertaamalla ψ-jakaumaa mallin käyrään n···Cδi+1 vs. ψ (Kuvan 6B keskellä).

esiproliiniparametrit. A) Ramachandranin juoni. Katkoviivat näyttävät steeriset yhteenotot, jotka määrittelevät joitakin Havaittujen tiheyksien rajoja (KS.Kuva 2C). B) eri atomien välisten vuorovaikutusten jakaumat ψ: n funktiona. Dashed linjat osoittavat raja VDW halkaisijat. Kiinteä harmaa viiva antaa mallikäyrän, joka on laskettu ideaaligeometrialla. Alareunassa on ψ-kulman taajuusjakauma.

CHARMM22: n parametrien avulla lasketaan Lennard-Jones 12-6-potentiaali tarkistettujen steeristen yhteentörmäysten vuoksi (kuva 7A). Lennard-Jones potentials ei voi selittää ζ-aluetta.

Energiakaaviot Pre-proliinissa φ-ψ funktiona. Energy tontteja (a) Lennard-Jones 12-6 potentiaalit tarkistetun joukon steerisiä yhteenottoja; coi-1···CδHδi+1 dipoli-dipoli-vuorovaikutus, kun seuraava proliinirengas on (B) ylös pucker ja (c) alas pucker. Valoalueilla näkyy matalaenergisiä alueita.

Esiproliinista ζ-aluetta stabiloivat vuorovaikutukset

koska ζ-alue (violetti Kuvassa 2b) tuo cß···O-vuorovaikutuksen steeriseen konfliktiin, on olemassa kompensoiva vuorovaikutus, joka stabiloi ζ-aluetta. Mitä tämä vuorovaikutus on? Ymmärtääksemme tätä vuorovaikutusta tarkastelemme analogiaa γ-alueen kanssa yleisessä Ramachandranin kuviossa. Γ-alueella vääristynyt COi-1···muodostuu HNI+1 vetysidos, joka tuo Hi + 1-atomin kosketukseen Oi-1-atomin kanssa. Vastaavasti Pre-proliinin ζ-alueella Pre-proliinin Oi-1-atomi on kosketuksissa hδ1-ja Hδ2-atomien kanssa (ks.Kuva 4B; Taulukko 1), mikä viittaa siihen, että coi-1-ryhmä vuorovaikuttaa seuraavan proliinin cδhδi+1-ryhmän kanssa.

Voiko cδ Hδi+1-ryhmä olla vuorovaikutuksessa COi-1: n kanssa? Tällainen vuorovaikutus kuuluisi luokkaan Ch·· * O heikko vetysidos, joka on hyvin dokumentoitu vuorovaikutus proteiineissa . Ch···O-heikon vetysidoksen tutkimuksissa käytetään etäisyyskriteeriä D (H···O) < 2,8 Å . H-atomin ympärillä olevasta CH···O-sidoksesta ei juurikaan löydy kulmariippuvuutta, jossa käytetään usein kulmakriteeriä ∠OHX > 90°. Tämä on paljon sallivampaa kuin kanonisen vetysidoksen geometria. Taulukossa 1 luetellaan COi: n vetysidosparametrit-1···cδhδi+1 vuorovaikutus ζ-alueella. Koska proline voi ottaa kaksi eri suurta konformaatiota, ylös ja alas pucker, mittaukset geometrian COi-1···cδhδi+1-vuorovaikutus on myös jaettava ylös-ja alaspäin suuntautuvan puckerin suhteen. COi: n havaittu geometria-1···cδhδi+1 geometria täyttää heikon vetysidoksen geometriset kriteerit (Taulukko 1).

COi-1···cδhδi+1 heikko vetysidos on läheinen kosketus, meidän täytyy mallintaa vuorovaikutus ymmärtääksemme sen riippuvuuden φ-ψ-kulmista. Mallintamista varten harkitsemme strategioita, joita on käytetty vastaavaan COi: hen-1···HNi+1 vetysidos. The COi-1···HNi+1-vetysidosta on mallinnettu kvanttimekaanisissa tutkimuksissa, joissa γ-alueen havaittiin olevan pienin energiakonformaatio tyhjiössä . Yksinkertaisempi lähestymistapa, joka mallinsi vetysidoksen sähköstaattisilla dipoli-dipoli-vuorovaikutuksilla, löytää myös minimin γ-alueelta .

täällä mallinnetaan COi-1···cδhδi+1 heikko vetysidos sähköstaattisena dipoli-dipoli-vuorovaikutuksena (KS.menetelmät). Miten mallimme cδhδi + 1-ryhmän sähköstaattisena dipolina? Bhattacharyya ja Chakrabarti havaitsivat, että proliinin CH-ryhmistä CδHδ-ryhmä muodostaa eniten CH···O-vetysidoksia. Cδ-atomi istuu elektroneja vetäytyvän N-atomin vieressä ja on siten muita C-atomeja happamampi. Näin ollen asetamme Cδ-atomille pienen negatiivisen osittaisvarauksen. Mallissamme energian minimi on ζ-alueella sekä ylös-puckerille (Kuva 7B) että alas-puckerille (Kuva 7C). Päätämme, että COi-1···cδi+1hδ1i+1 heikko vetysidos stabiloi ζ-alueen esiproliinissa.