Le trame Ramachandran di glicina e pre-prolina
Un set di dati PDB non ridondante
Per estrarre le distribuzioni statistiche delle trame Ramachandran glicina e pre-prolina, abbiamo scelto un sottoinsieme ad alta risoluzione del PDB fornito dal laboratorio Richardson di 500 proteine non omologhe. Queste proteine hanno una risoluzione migliore di 1,8 Å dove tutti gli atomi di idrogeno sono stati proiettati dalla spina dorsale e ottimizzati in termini di imballaggio. Seguendo i Richardson, consideriamo solo gli atomi che hanno un fattore B inferiore a 30.
Regioni nella trama glicina Ramachandran
La glicina è fondamentalmente diversa dagli altri amminoacidi in quanto manca di una sidechain. In particolare, la glicina non ha l’atomo di Cß, che induce molti scontri sterici nella trama generica di Ramachandran. Chiamiamo l’atomo di idrogeno che è condiviso con gli altri amminoacidi, l’atomo Ha1. Chiamiamo l’atomo di idrogeno che sostituisce l’atomo di Cß, l’atomo Ha2. L’assenza dell’atomo di Cß consente al diagramma di glicina Ramachandran di attraversare i confini a -180° e 180° (Figura 1A).
La mappa della glicina osservata ha 5 regioni di densità . Per visualizzare la densità effettiva in una sola regione, cambiamento di coordinate da φ-ψ per φ’-ψ’ dove φ’: 0° << 360°, e ψ’: -90° << 270°. Con la trama Ramachandran glycine spostata (Figura 3A), possiamo identificare chiaramente le diverse regioni. Lungo la striscia orizzontale ψ ‘ ~ 180°, ci sono tre regioni separate. Uno di questi è una versione allungata della regione ßP della trama Ramachandran generica. La regione ßP corrisponde alla struttura poliprolina II, che forma un’elica sinistra estesa lungo la catena proteica . La regione ßPR è un riflesso della regione ßP in cui una sequenza di residui di glicina nella conformazione ßPR formerà un’elica destrorsa. Infine, c’è una regione che corrisponde alla regione ßS della trama Ramachandran generica. Questa regione corrisponde alla conformazione estesa dei residui nei fogli β. Tuttavia, la regione ßS della glicina, centrata su (φ’,,’) = (180°, 180°), è leggermente spostato dalla regione ßS della trama Ramachandran generica. Ci sono anche le regioni α e aL diagonali (Figura 3A), che sono associate a eliche e spire . A differenza del diagramma generico di Ramachandran, la regione α della glicina è simmetrica alla regione aL . Nel diagramma generico di Ramachandran, c’è anche una regione γ corrispondente al γ-turn legato all’idrogeno . Il diagramma di glycine Ramachandran non ha alcuna densità nella regione γ.
Parametri glicina. A) La trama di Ramachandran in coordinate spostate φ’-ψ’. Le linee tratteggiate mostrano gli scontri sterici che definiscono i confini delle densità osservate (la figura 2B descrive le interazioni specifiche). B) Le distribuzioni di varie interazioni inter-atomiche in funzione di ψ”. La linea tratteggiata mostra il limite dei diametri VDW. La linea grigia dà la curva del modello calcolata con geometria ideale. In basso c’è la distribuzione di frequenza dell’angolo ψ’. C) Distribuzione di frequenza della distanza inter-atomica d (O···H). Ci sono 3 picchi, di cui il più piccolo a d(O···H) = 2,4 Å, che corrisponde alla regione ßS.
Interazioni steriche nella glicina
La mappa sterica originale della glicina (Figura 2A) non riesce a spiegare gran parte della trama Ramachandran della glicina osservata (Figura 1A). Osservata glicina Ramachandran (Figura 3A), ci sono due grandi esclusi listelli orizzontali a 50° << 120° e -120° << -50°, che non sono esclusi in glicina sterico mappa (Figura 2A). Viceversa, la mappa sterica della glicina esclude una striscia orizzontale a -30 ° << 30° (Figura 2A), ma questa regione è popolata nella trama osservata (Figura 1A). Ci sono anche confini sterici diagonali nel diagramma di glicina Ramachandran osservato (Figura 1A), mentre la mappa sterica predice i confini verticali (Figura 2A).
Abbiamo effettuato una rivalutazione della mappa sterica della glicina (Figura 2B) seguendo la metodologia di Ho e collaboratori . Per ogni interazione nella spina dorsale della glicina, consideriamo la variazione della distanza inter-atomica rispetto agli angoli φ’-ψ’. Confrontiamo la variazione osservata con la variazione generata da un modello che utilizza la geometria canonica del backbone. Dividiamo queste interazioni in 3 categorie: le distanze φ ‘dipendente, φ’ dipendente e φ ‘- ψ ‘ co-dipendente.
Per alcune delle interazioni, i risultati per la glicina sono identici a quelli del diagramma generico di Ramachandran . Per brevità, omettiamo l’analisi di queste interazioni e riassumiamo i risultati. La striscia orizzontale esclusa -30 ° << 30°, a causa dell’interazione sterica N···Hi+1 nella mappa sterica della glicina (Figura 2A), non esiste nella distribuzione osservata (Figura 1A). Allo stesso modo, l’Oi-1···C lo scontro sterico nella mappa sterica glicina originale, che esclude una striscia verticale centrata su φ ‘ = 0° (Figura 2A), non esiste nella distribuzione osservata (Figura 1A). Ignoriamo l’effetto del N * * * Hi + 1 e Oi-1···Scontri sterici. I confini diagonali della distribuzione osservata sono definiti dalle interazioni steriche co-dipendenti φ’-ψ’ Oi-1···O e Oi-1···Ni+1. Nella Figura 3A, mostriamo l’adattamento di queste interazioni steriche ai dati.
Qui, analizziamo la caratteristica più distintiva della trama di glycine Ramachandran – la tendenza per ψ’ a raggrupparsi vicino a 180° e 0°. Ci concentriamo sulle interazioni dependent ‘ – dipendenti. Per ogni interazione, calcoliamo prima la curva del modello della corrispondente distanza inter-atomica in funzione di ψ ‘ (vedi Metodi). Confrontiamo quindi la distribuzione observed ‘ osservata (in basso nella Figura 3B) con la curva. Se una repulsione a sfera dura limita ψ’, quindi, nelle regioni di ψ ‘in cui la curva del modello è al di sotto del diametro di van der Waals (VDW) (linea tratteggiata orizzontale nella Figura 3B), la distribuzione di frequenza ψ’ dovrebbe diminuire corrispondentemente.
Nella regione (60° << 100°), troviamo che il drop-off nella distribuzione di frequenza ψ (in basso nella Figura 3B) corrisponde a valori di Ha1···Ni+1 (in basso nella Figura 3B) e Ha2···O (in alto nella Figura 3B) che sono diametri. Nella regione (-90° <<<< 270°), il drop-off in ψ distribuzione di frequenza corrisponde a regioni dove Ha2···Ni+1 e Ha1···O si trovano sotto il loro VDW raggi. Al contrario, i valori di Ha1 * * * Hi + 1 e Ha2 * * * Hi + 1 non si trovano mai significativamente al di sotto del loro diametro VDW (al centro della figura 3B).
La dipendenza observed’ osservata nella glicina è dovuta agli scontri sterici Ha1···O, Ha2···O, Ha1···Ni+1 e Ha2···Ni+1. Una semplice interpretazione è che la dipendenza ψ ‘ nella glicina deriva da conformazioni che collocano l’atomo Ni+1 o O tra i due atomi Ha (Figura 4A). I limiti osservati nelle distribuzioni sono stati disegnati nella Figura 3A come linee orizzontali.
Figura stilizzata di glicina e pre-prolina. (A) glicina nella conformazione ψ ~ 180° dove l’atomo Ni+1 è inserito tra i due atomi Ha e (B) pre-prolina nella conformazione ζ dove l’atomo Oi-1 interagisce con gli atomi Hδ della prolina successiva.
Otteniamo così una mappa sterica rivista della glicina, costituita dagli scontri sterici Oi-1···O, Oi-1···Ni + 1, Ha1 * * * O, Ha2···O, Ha1···Ni+1 e Ha2 * * * Ni+1. Utilizzando i parametri di CHARMM22, calcoliamo il potenziale Lennard-Jones 12-6 a causa degli scontri sterici rivisti (Figura 5A). La regione di energia minima rappresenta gran parte della forma della distribuzione osservata (Figura 3A).
Interazioni dipolo-dipolo nella glicina. Gli assi sono mostrati negli angoli φ’-ψ’ spostati . Diagrammi energetici di (a) i potenziali Lennard-Jones 12-6 dell’insieme rivisto degli scontri sterici; (b) tutte le interazioni elettrostatiche; (c)-(f) le singole interazioni dipolo-dipolo della spina dorsale della glicina (vedere Figura 1A per lo schema della spina dorsale dei dipoli). I parametri energetici sono stati presi da CHARMM22. Le aree luminose mostrano regioni di energia minima.
Interazioni dipolo-dipolo nella glicina
La mappa sterica della glicina rivista non spiega la forma diagonale delle regioni α, aL, ßP, ßPR e ßS. Nel diagramma generico di Ramachandran, è stato trovato che la forma diagonale delle regioni potrebbe essere riprodotta usando le interazioni elettrostatiche dipolo-dipolo, ma solo quando le interazioni dipolo-dipolo sono state considerate individualmente. L’interazione elettrostatica complessiva non riproduce il diagramma di Ramachandran osservato . Qui, usiamo lo stesso approccio di trattare le singole interazioni elettrostatiche dipolo-dipolo lungo la spina dorsale della glicina.
Calcoliamo la mappa energetica di φ-ψ per le 4 interazioni dipolo-dipolo nell’interazione backbone della glicina: COi-1···CO·NH * * * NHi+1, CO * * * NH e COi-1···NHi+1 (Figura 5C-F). Le interazioni elettrostatiche sono calcolate con i potenziali di Lennard-Jones degli scontri sterici identificati nella sezione precedente. Troviamo che le forme delle diverse regioni della trama di glicina Ramachandran (Figura 3A) sono riprodotte (Figura 5). L’interazione CO * * * NH produce la regione diagonale aL, α e ßS (Figura 5E). L’interazione NH * * * NHi + 1 produce anche una regione diagonale AL e α (Figura 5D). La regione α è simmetrica alla regione aL. Il COi-1···L’interazione CO produce minimi corrispondenti alle regioni ßP e ßPR (Figura 5C).
Nella mappa sterica della glicina originale (Figura 2A), la regione vicino (φ, ψ) = (-180°, 180°) è vietata a causa di uno scontro sterico tra O e H. Eppure la glicina ha densità in questa regione nel diagramma di Ramachandran osservato (Figura 3A). Questo può essere visto anche nella distribuzione di frequenza di d (O···H) (Figura 3C), dove c’è un picco a d (O * * * H) ~ 2.4 Å. A questo picco, gli atomi O e H sono in contatto, poiché il diametro VDW è di 2,5 Å. Pertanto, nella regione ßS della glicina, l’interazione favorevole CO···HN dipolo-dipolo supera la repulsione sterica degli atomi O e H (Figura 5E).
La trama Ramachandran pre-prolina
Schimmel e Flory hanno sostenuto nel 1968 che pre-prolina – amminoacidi che precedono la prolina – ha una trama Ramchandran particolarmente limitata, rispetto alla trama Ramachandran generica . Questo è stato infine osservato nel database delle proteine da MacArthur e Thornton (Figura 1B) .
Ci sono tre differenze principali tra la trama Ramachandran pre-prolina e la trama Ramachandran generica. Nella trama Ramachandran pre-prolina, c’è una grande striscia orizzontale esclusa a -40° << 50°, che limita le regioni AL e α. La regione aL è spostata più in alto. Queste due caratteristiche sono state riprodotte nel calcolo Schimmel-Flory e nei calcoli successivi . La terza caratteristica è una piccola gamba di densità che spunta sotto la regione β (Figura 1B; viola in Figura 2C). Karplus ha chiamato questa regione ζ, che è unica per pre-prolina.
I calcoli precedenti non si concentravano sulle singole interazioni e non tenevano conto della regione ζ. Qui, identifichiamo gli scontri sterici esatti che determinano la trama di Ramachandran pre-prolina. Analizzeremo quindi le interazioni responsabili della regione ζ.
Interazioni steriche nella spina dorsale della pre-prolina
Nella pre-prolina, invece di un’interazione con l’atomo NH nell’amminoacido generico successivo, la pre-prolina interagisce con un gruppo CH2 della prolina successiva (Figura 1B). Il gruppo CH2 esercita un effetto sterico molto più grande sulla trama Ramachandran pre-prolina. MacArthur e Thornton hanno suggerito che l’effetto dominante è dovuto agli scontri sterici N···Cδi+1 e Cß···Cδi+1. Qui possiamo analizzare l’efficacia di ogni scontro analizzando direttamente le distribuzioni statistiche.
Consideriamo le interazioni co-dipendenti φ-ψ che coinvolgono gli atomi Cδ, Hδ1 e Hδ2 della prolina successiva (Figura 1B). Per ogni interazione, generiamo la trama del contorno in φ-ψ della distanza del diametro VDW. Confrontando la trama del contorno con la densità osservata nella trama Ramachandran pre-prolina, identifichiamo le interazioni che inducono la migliore corrispondenza nei confini (Figura 6A, le interazioni sono identificate nella Figura 2C). Abbiamo scoperto che il pezzo estratto dalla regione β in basso a sinistra della densità osservata è dovuto all’Oi-1···Cδi + 1 scontro sterico. Un’altra restrizione sulle regioni AL e α è dovuta allo scontro sterico H···Cδi+1.
Consideriamo successivamente le interazioni dependent dipendenti. Nella distribuzione di frequenza pre-prolina ψ, abbiamo trovato tre picchi distinti (figura in basso 6B). Il picco più a sinistra a ψ ~ -50 ° corrisponde alla regione α della pre-prolina. Ci concentriamo sui due picchi nella regione β 50 ° << 180° Il picco più grande centrato su ψ ~ 150° corrisponde alla regione ßS del diagramma generico di Ramachandran. Nella trama Ramachandran generica, questa regione ßS è delimitata dagli scontri sterici Cß···O e Cß * * * Ni+1. Nella pre-prolina, il picco più piccolo centrato su ψ ~ 70° corrisponde alla regione ζ e si verifica in una regione che sarebbe esclusa dallo scontro sterico Cß···O. Invece il picco più piccolo è delimitato dal basso dallo scontro sterico N * * * Cδi + 1. Questo può essere visto confrontando la distribuzione ψ alla curva del modello di N * * * Cδi + 1 vs. ψ (al centro della Figura 6B).
Parametri pre-prolina. (A) Il complotto di Ramachandran. Le linee tratteggiate mostrano gli scontri sterici che definiscono alcuni dei confini delle densità osservate (vedi Figura 2C). (B) Le distribuzioni di varie interazioni inter-atomiche in funzione di ψ. Le linee tratteggiate mostrano il limite dei diametri VDW. La linea grigia solida dà la curva del modello calcolata con la geometria ideale. In basso c’è la distribuzione di frequenza dell’angolo ψ.
Utilizzando i parametri di CHARMM22, calcoliamo il potenziale Lennard-Jones 12-6 dovuto agli scontri sterici rivisti (Figura 7A). I potenziali di Lennard-Jones non possono rappresentare la regione ζ.
Grafici di energia in pre-prolina in funzione di φ-ψ. Diagrammi energetici di (a) i potenziali Lennard-Jones 12-6 dell’insieme rivisto degli scontri sterici; i COi-1···CδHδi + 1 interazioni dipolo-dipolo quando l’anello di prolina successivo è in (b) il pucker UP e (c) il pucker DOWN. Le aree luminose mostrano regioni a bassa energia.
Interazioni che stabilizzano la regione ζ pre-prolina
Poiché la regione ζ (viola nella Figura 2B) porta l’interazione Cß···O in conflitto sterico, deve esserci un’interazione compensativa che stabilizza la regione ζ. Cos’è questa interazione? Per comprendere questa interazione, consideriamo un’analogia con la regione γ nella trama generica di Ramachandran. Nella regione γ, un COi distorto-1···Si forma il legame idrogeno HNi+1, che porta l’atomo Hi + 1 a contatto con l’atomo Oi-1. Allo stesso modo, nella regione ζ della pre-prolina, l’atomo Oi-1 della pre-prolina è in contatto con gli atomi Hδ1 e Hδ2 (vedere Figura 4B; Tabella 1), suggerendo che il gruppo COi-1 interagisce con il gruppo CδHδi+1 della prolina successiva.
Il gruppo Cδ Hδi+1 può interagire con COi-1? Tale interazione rientrerebbe nella classe del legame idrogeno debole CH···O, un’interazione ben documentata nelle proteine . Gli studi sul legame idrogeno debole CH···O utilizzano un criterio di distanza di d (H···O) < 2.8 Å . C’è poca dipendenza angolare nel legame CH···O attorno all’atomo H dove viene spesso usato un criterio angolare di OH OHX > 90°. Questo è molto più permissivo della geometria del legame idrogeno canonico. Nella tabella 1, elenchiamo i parametri del legame idrogeno delle COi-1···Interazione CδHδi+1 nella regione ζ. Come prolina può assumere due diverse conformazioni principali, il pucker SU e GIÙ, misure della geometria del COi-1···L’interazione CδHδi + 1 deve anche essere divisa in termini di pucker SU e GIÙ. La geometria osservata delle COi-1···La geometria CδHδi+1 soddisfa i criteri geometrici del legame idrogeno debole (Tabella 1).
Come COi-1···Il legame idrogeno debole CδHδi + 1 è un contatto stretto, dobbiamo modellare l’interazione per capire la sua dipendenza dagli angoli φ-ψ. Per la modellazione, consideriamo le strategie che sono state utilizzate per l’analogo COi-1···Legame idrogeno HNi+1. Il COi-1···Il legame idrogeno HNi + 1 è stato modellato in studi quantomeccanici in cui la regione γ è risultata essere la conformazione energetica minima nel vuoto . Un approccio più semplice, che ha modellato il legame idrogeno con interazioni elettrostatiche dipolo-dipolo, trova anche un minimo nella regione γ .
Qui, modelliamo il COi-1···CδHδi + 1 legame idrogeno debole come interazione elettrostatica dipolo-dipolo (vedi Metodi). Come modelliamo il gruppo CδHδi+1 come dipolo elettrostatico? Bhattacharyya e Chakrabarti hanno scoperto che, dei gruppi CH nella prolina, il gruppo CδHδ forma la maggior parte dei legami idrogeno CH···O. L’atomo Cδ si trova accanto all’atomo N che ritira l’elettrone e quindi è più acido degli altri atomi C. Di conseguenza, mettiamo una piccola carica parziale negativa sull’atomo Cδ. Nel nostro modello, troviamo un minimo di energia nella regione ζ sia per il pucker UP (Figura 7B) che per il pucker DOWN (Figura 7C). Concludiamo che il COi-1···Il legame idrogeno debole di Cδi + 1Hδ1i + 1 stabilizza la regione di ζ in pre-prolina.