グリシンとプレプロリンのRamachandranプロット
非冗長PDBデータセット
グリシンとプレプロリンのRamachandranプロットの統計的分布を抽出するために、我々は500の非相同タンパク質のRichardson labによって提供されるPDBの高分解能サブセットを選択した。 これらの蛋白質にすべての水素原子が背骨から写し出され、パッキングの点では最大限に活用された1.8Åよりよいの決断があります。 リチャードソンに続いて、我々は30未満のB因子を有する原子のみを考慮する。
グリシンRamachandranプロットの領域
グリシンは、サイドチェーンを欠いているという点で他のアミノ酸とは根本的に異なります。 特に、グリシンはC Β原子を持たず、一般的なRamachandranプロットで多くの立体衝突を引き起こす。 我々は、他のアミノ酸と共有されている水素原子、Ha1原子を呼び出します。 我々は、C2原子を置き換える水素原子、Ha2原子を呼び出します。 C Β原子が存在しないことにより、グリシンRamachandranプロットは-180°と180°の境界を越えて実行することができます(図1A)。
観測されたグリシンマップには5つの密度領域があります。 ある連続領域で観測された密度を表示するために、座標をφ-θからφ’-θ’にシフトします。φ’：0°<<<<<<<<</div>270°。 シフトされたグリシンRamachandranプロット（図3A）を使用すると、異なる領域を明確に識別することができます。 水平ストリップθ’-180°に沿って、三つの別々の領域があります。 これらのうちの一つは、一般的なRamachandranプロットのσ p領域の細長いバージョンです。 Β ｐ領域はポリプロリンＩ Ｉ構造に対応し，蛋白質鎖に沿って拡張された左ヘリックスを形成した。 Β ｐｒ領域は、β ｐｒ立体配座のグリシン残基の配列が右利きヘリックスを形成するβ ｐ領域の反射である。 最後に、一般的なRamachandranプロットのσ s領域に対応する領域があります。 この領域はβシート中の残基の拡張立体配座に対応する。 しかし、グリシンσ s領域は、(φ’,σ’) = (180°, 180°), 一般的なRamachandranプロットのσ s領域からわずかにずれています。 また、螺旋と回転に関連する対角α領域とα ｌ領域（図3A）もあります。 一般的なＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎプロットとは異なり，グリシンα領域はａ ｌ領域と対称である。 一般的なRamachandranプロットでは、水素結合したπターンに対応するπ領域もあります。 グリシンＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎプロットはγ領域に密度を持たない。
グリシンパラメータ。 (A)シフト座標φ’-θ’のラマチャンドランプロット。 破線は、観測された密度の境界を定義する立体的な衝突を示しています（図2Bは特定の相互作用を説明しています）。 (B)π’の関数としての様々な原子間相互作用の分布。 破線は、VDWの直径の限界を示しています。 灰色の線は、理想的な形状で計算されたモデル曲線を与えます。 一番下には、θ’角度の周波数分布があります。 (C)原子間距離d(O···H)の周波数分布。 3つのピークがあり、そのうち最小のピークはd(O···H)=2.4Åであり、これはσ s領域に対応する。
グリシンにおける立体相互作用
グリシンの元の立体マップ（図2A）は、観測されたグリシンRamachandranプロット（図1A）の大部分を説明 観測されたグリシンラマチャンドラン（図3A）では、50°に二つの大きな除外水平ストリップがあります<<<<-50°グリシン立体マップでは除外されない（図2a）。 逆に、グリシン立体マップは-30°の水平ストリップを除外します<<30°(図2A)ですが、この領域は観測されたプロット(図1A)に移入されます。 また、観測されたグリシン-ラマチャンドラン-プロットには対角立体境界があり（図1A）、立体マップでは垂直境界が予測されます（図2A）。
Hoと同僚の方法論に従って、グリシンの立体マップの再評価を行いました（図2B）。 グリシン骨格における各相互作用について，φ’-π’角に関する原子間距離の変化を考察した。 観測された変動を標準的なバックボーン幾何学を使用するモデルから生成された変動と比較した。 これらの相互作用を3つのカテゴリに分けます: φ’依存距離、σ’依存距離、およびφ’-σ’共依存距離。
いくつかの相互作用について、グリシンの結果は一般的なRamachandranプロットの結果と同じです。 簡潔にするために、これらの相互作用の分析を省略し、結果を要約します。 を除く横ストリップ-30°<<30°により、N···こんにちは+1の立体相互作用のグリシンの立体地図（図2A),が存在しないと観察された分布(図1A). 同様に、Oi-1···φ’=0°を中心とする垂直ストリップを除外した元のグリシン立体マップのC立体衝突は、観測された分布には存在しません（図1A）。 しの影響を無視N···こんにちは+1-大井-1···Cの立体衝突. 観測された分布の対角境界は、φ’-π’共依存立体相互作用Oiによって定義されます-1···OとOi-1···Ni+1. 図3Aでは、これらの立体的相互作用のデータへの適合を示しています。
ここでは、グリシンRamachandranプロットの最も特徴的な特徴–θ’が180°と0°の近くにクラスターする傾向を分析します。 Σ’依存相互作用に焦点を当てた。 それぞれの相互作用について、最初に対応する原子間距離のモデル曲線をσ’の関数として計算します（方法を参照）。 次に、観測されたσ’分布（図3Bの下）を曲線と比較します。 強球反発がσ’を制限する場合、モデル曲線がファンデルワールス（VDW）直径（図3Bの水平破線）より下にあるσ’の領域では、σ’周波数分布はそれに応じて低下す
領域(60°<<100°)では、π周波数分布(図3Bの下部)のドロップオフは、Ha1···Ni+1(図3Bの下部)とHa2···O(図3Bの上部)の値に対応していることがわかります。 領域(-90°<<<<270°)では、σ周波数分布のドロップオフはHa2···Ni+1およびha1···oはvdw半径の下にあります。 一方、価値観のHa1···こんにちは+1Ha2···こんにちは+1はいつ大幅に下VDW径（図3B）。
グリシンにおける観察されたγ’依存性は、Ha1···O、Ha2···O、Ha1···Ni+1およびHa2···Ni+1立体衝突によるものである。 簡単な解釈は、グリシンのγ’依存性は、二つのHa原子の間にNi+1またはO原子のいずれかを配置する立体配座から生じるということである（図4A）。 分布の観測された限界は、図3Aに水平線として描かれています。
グリシンとプレプロリンのスティック図表現。 (A)Ni+1原子が二つのHa原子の間に挟まれたγ-180°立体配座のグリシン、および(B)Oi-1原子が後続のプロリンのH Δ原子と相互作用するγ立体配座のプレプロリン。
このようにして、立体衝突Oiからなるグリシンの改訂された立体マップを取得します-1···おー、おー、おー、-1···Ni+1、Ha1***O、Ha2***O、Ha1***Ni+1およびHa2***Ni+1。 CHARMM22からのパラメータを使用して、改訂された立体衝突によるLennard-Jones12-6ポテンシャルを計算します（図5A）。 最小エネルギー領域は観測された分布の形状の大部分を占めています（図3A）。
グリシンにおける双極子-双極子相互作用。 軸は、シフトされたφ’−θ’角度で示される。 (A)立体衝突の改訂されたセットのレナード-ジョーンズ12-6ポテンシャルのエネルギープロット;(b)すべての静電相互作用;(c)-(f)グリシン骨格の個々の双極子-双極子相互作用(双極子の骨格模式図については図1Aを参照)。 エネルギーパラメータはCHARMM22から取られた。 光の領域は、最小エネルギーの領域を示しています。
グリシンにおける双極子-双極子相互作用
改訂されたグリシン立体マップは、α、aL、β p、β prおよびβ s領域の対角形状を説明していない。 一般的なＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎプロットでは，静電双極子-双極子相互作用を用いて領域の対角形状を再現できるが，双極子-双極子相互作用を個別に考慮した場合にのみ再現できることが分かった。 全体的な静電相互作用は観測されたＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎプロットを再現しなかった。 ここでは、グリシン骨格に沿って個々の静電双極子-双極子相互作用を処理するのと同じアプローチを使用します。
グリシン骨格相互作用における4つの双極子-双極子相互作用に対するφ-πのエネルギーマップを計算する：COi-1···CO、NH***NHi+1、CO·**NHおよびCOi-1···NHi+1(図5C-F)。 静電相互作用は上の節で同定した立体衝突のＬｅｎｎａｒｄ-Ｊｏｎｅｓポテンシャルを用いて計算した。 我々は、グリシンRamachandranプロット（図3A）の異なる領域の形状が再現されていることを見つける（図5）。 CO***NH相互作用は、対角aL、αおよびβ s領域を生成する（図5E）。 NH***NHi+1相互作用は、対角aL領域とα領域も生成します（図5D）。 Α領域はａ ｌ領域と対称である。 コイ-1···CO相互作用は、σ pおよびσ pr領域に対応する最小値を生成する（図5C）。
元のグリシン立体マップ（図2A）では、（φ、θ）=（-180°、180°）の近くの領域は、OとHの間の立体衝突のために禁止されています。 しかし、観測されたRamachandranプロットでは、グリシンはこの領域に密度を持っています（図3A）。 これは、d(O***H)の周波数分布にも見られます(図3C)。d(O***H)〜2.4Åにピークがあります。 このピークでは、VDWの直径が2.5Åであるため、O原子とH原子が接触しています。 したがって、グリシンのσ s領域では、良好なCO···HN双極子-双極子相互作用は、O原子およびH原子の立体反発を克服する（図5E）。
プレプロリンRamachandranプロット
SchimmelとFloryは1968年に、プレプロリン-プロリンに先行するアミノ酸-は、一般的なRamachandranプロットと比較して、特に制限されたRamchandranプロットを持っていると主張した。 これは最終的に、MacArthurとThorntonによってタンパク質データベースで観察されました（図1B）。
プレプロリンRamachandranプロットと汎用Ramachandranプロットの間には三つの主な違いがあります。 プレプロリンRamachandranプロットでは、-40°<<50°に大きな除外された水平ストリップがあり、aL領域とα領域を制限します。 Ａ ｌ領域は上方にシフトした。 これら二つの特徴はＳｃｈｉｍｍｅｌ-Ｆｌｏｒｙ計算とその後の計算で再現された。 第三の特徴は、β領域の下に突き出ている密度の小さな脚です（図1B、図2Cの紫色）。 カルプラスはこれをμ領域と呼び、これはプレプロリンに特有のものである。
以前の計算では、個々の相互作用に焦点を当てておらず、σ領域を考慮していませんでした。 ここでは、プレプロリンRamachandranプロットを決定する正確な立体衝突を識別します。 次に、μ領域に関与する相互作用を分析します。
プレプロリン骨格における立体相互作用
プレプロリンでは、後続の一般的なアミノ酸のNH原子との相互作用の代わりに、プレプロリンは後続のプロリンのCH2基と相互作用する（図1B）。 CH2グループは、プレプロリンRamachandranプロットにはるかに大きな立体効果を発揮します。 マッカーサーとソーントンは、支配的な効果はN···C Δ I+1とC Β···C Δ I+1立体衝突によるものであることを示唆した。 ここでは、統計的分布を直接分析することによって、各衝突の有効性を分析することができます。
後続のプロリンのC Δ、H Δ1およびH Δ2原子を含むφ-π共依存性相互作用を考察する（図1B）。 各相互作用について、VDW直径距離のφ-πで等高線プロットを生成します。 等高線プロットをプレプロリンRamachandranプロットで観測された密度と比較することにより、境界で最良の一致を誘導する相互作用を特定します（図6A、相互作用は図2Cで同定されています）。 観測された密度の左下のβ領域から取り出されたチャンクは、Oiによるものであることがわかりました-1···C Δ I+1立体衝突。 Ａ ｌ領域およびα領域に対する別の制限は、Ｈ＊＊＊Ｃ Δ Ｉ＋１立体衝突によるものである。
次に、σ依存相互作用について考えます。 プレプロリンσ周波数分布では、三つの異なるピークを見つけました（下の図6B）。 Θ–50°の左端のピークは、プレプロリンのα領域に対応する。 我々は、β領域50°<<180°σ-150°を中心とする大きなピークは、一般的なRamachandranプロットのσ s領域に対応します。 一般的なRamachandranプロットでは、このσ s領域はC Σ···OとC Σ···Ni+1立体衝突によって囲まれています。 プレプロリンでは、σ-70°を中心とする小さなピークはσ領域に対応し、C Σ···O立体衝突によって除外される領域で発生する。 代わりに、より小さなピークは、N···C Δ I+1立体衝突によって下から制限されます。 これは、σ分布をN···C Δ I+1対σのモデル曲線と比較することによって見ることができます（図6Bの中央）。
プレプロラインパラメータ。 （A）Ramachandranプロット。 破線は、観測された密度の境界のいくつかを定義する立体的な衝突を示しています（図2Cを参照）。 (B)πの関数としての様々な原子間相互作用の分布。 破線は、VDWの直径の限界を示しています。 灰色の実線は、理想的なジオメトリで計算されたモデル曲線を示します。 一番下にはθ角の周波数分布があります。
CHARMM22のパラメータを使用して、改訂された立体衝突によるLennard-Jones12-6ポテンシャルを計算します（図7A）。 レナード＝ジョーンズはこの地域を説明することはできない。
エネルギーは、φ-πの関数としてプレプロラインでプロットします。 (A)レナード-ジョーンズのエネルギープロット12-6立体衝突の改訂されたセットのポテンシャル;COi-1···c Δ H Δ I+1双極子-双極子相互作用は、後続のプロリン環が（b）アップパッカーと（c）ダウンパッカーにあるとき。 軽い区域は低負荷の地域を示します。
プレプロリンγ領域を安定化させる相互作用
γ領域（図2Bの紫色）がc Γ···O相互作用を立体的な競合にもたらすので、γ領域を安定化させる補償相互作用がなければならない。 この相互作用は何ですか？ この相互作用を理解するために，一般的なＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎプロットにおけるσ領域との類推を考察した。 のγ地域において、歪みCOi-1···HNi+1水素結合を形成することで、こんにちは+1原子に大井-1原子である。 同様に、プレプロリンのγ領域において、プレプロリンのOi-1原子はH Δ1およびH Δ2原子と接触しており（図4B;表1参照）、COi-1基が後続のプロリンのC Δ H Δ I+1基と相互作用することを示唆している。
C Δ H Δ I+1基はCOi-1と相互作用できますか？ このような相互作用は、タンパク質における十分に文書化された相互作用であるCH···O弱い水素結合のクラスに分類される。 CH***Oの弱い水素結合の研究は、d(H···O)<2.8Åの距離基準を使用します。 H原子の周りのCH···O結合にはほとんど角度依存性がなく、θ OHX>90°の角度基準がよく使用されます。 これは標準的な水素結合の幾何学よりもはるかに許容的である。 表1では、COiの水素結合パラメータを一覧表示しています-1···γ領域におけるC Δ H Δ I+1相互作用。 プロリンは、二つの異なる主要な立体配座、アップとダウンパッカー、COiの幾何学の測定を取ることができるように-1···C Δ H Δ I+1の相互作用も、上下のパッカーの観点から分割する必要があります。 COiの観測された幾何学-1···C Δ H Δ I+1幾何学は、弱い水素結合の幾何学的基準を満たす（表1）。COiとして
-1···C Δ H Δ I+1弱い水素結合は密接な接触であり、我々はφ-π角への依存性を理解するために相互作用をモデル化する必要があります。 モデル化のために、我々は類似のCOiのために使用されている戦略を検討します-1···HNi+1水素結合。 コイ-1···hni+1水素結合は、γ領域が真空中の最小エネルギー立体配座であることが判明した量子力学的研究でモデル化されている。 静電双極子-双極子相互作用を持つ水素結合をモデル化したより簡単なアプローチは，γ領域にも最小値を見いだした。ここでは、COiをモデル化します。
-1···静電双極子-双極子相互作用としてのC Δ H Δ I+1弱い水素結合（方法を参照）。 C Δ H Δ I+1群を静電双極子としてどのようにモデル化するのですか？ BhattacharyyaとChakrabartiは、プロリン中のCH基のうち、C Δ H Δ基が最もCH···O水素結合を形成することを見出した。 C Δ原子は電子吸引性のN原子の隣にあり、したがって、他のC原子よりも酸性である。 その結果，Ｃ Δ原子上に小さな負の部分電荷を置く。 このモデルでは、アップパッカー（図7B）とダウンパッカー（図7C）の両方のπ領域にエネルギー最小値を見つけます。 我々は、COiは-1···C Δ I+1h δ1i+1弱い水素結合は、プレプロリンのγ領域を安定化させる。