et ikke-redundant PDB datasett

for å trekke ut de statistiske fordelingene av glysin Og pre-prolin Ramachandran plott, valgte vi en høyoppløselig delmengde AV PDB levert av Richardson lab av 500 ikke-homologe proteiner. Disse proteinene har en oppløsning på bedre enn 1,8 Å der alle hydrogenatomer er projisert fra ryggraden og optimalisert når det gjelder pakking. Etter Richardsons vurderer vi bare atomer som har en b-faktor på mindre enn 30.

Regioner i glycin Ramachandran-plottet

Glycin er fundamentalt forskjellig fra de andre aminosyrene ved at den mangler sidekjede. Spesielt har glycin Ikke det Cß-atomet, noe som induserer mange steriske sammenstøt i den generiske Ramachandran-plottet. Vi kaller hydrogenatomet som deles Med de andre aminosyrene, Ha1-atomet. Vi kaller hydrogenatomet som erstatter Cß-atomet, Ha2-atomet. Fraværet Av Cß atom gjør at glycin Ramachandran-tomten kan løpe over grensene til -180° og 180° (Figur 1a).

det observerte glysinkartet har 5 tetthetsområder . For å vise den observerte tettheten i en sammenhengende region, vi shift-koordinatene fra φ-ψ å φ’-ψ’ der φ’: 0° << 360°, og ψ’: -90° << 270°. Med den skiftede glycin Ramachandran-plottet (Figur 3A) kan vi tydelig identifisere de forskjellige regionene. Langs den horisontale stripen ψ ‘ ~ 180° er det tre separate regioner. En av disse er en langstrakt versjon av ß-regionen i den generiske Ramachandran-plottet. ß-regionen tilsvarer polyproline II-strukturen, som danner en utvidet venstrehåndet helix langs proteinkjeden . ß-regionen er en refleksjon av ß-regionen der en sekvens av glycinrester i ß-konformasjonen vil danne en høyrehendt helix. Til slutt er det en region som tilsvarer den ß-regionen i den generiske Ramachandran-plottet. Denne regionen tilsvarer den utvidede konformasjonen av rester i β-ark. Imidlertid er regionen glycin ß, sentrert på (φ’) = (180°, 180°), er litt forskjøvet fra ß-regionen i den generiske Ramachandran-plottet. Det er også diagonale α og al-regioner (Figur 3A), som er forbundet med helikser og svinger . I motsetning til Det generiske Ramachandran-plottet, er glycin α-regionen symmetrisk til al-regionen . I Generisk Ramachandran-tomten er det også en γ region som svarer til hydrogenbundet γ-sving . Glysin Ramachandran-tomten har ingen tetthet i området γ

Glysinparametere. (A) Ramachandran-plottet i skiftede koordinater φ’ – ψ’. De stiplede linjene viser de steriske sammenstøtene som definerer grensene for de observerte tetthetene (Figur 2b beskriver de spesifikke interaksjonene). (B) fordelingene av ulike interatomiske interaksjoner som en funksjon av ψ’. Den stiplede linjen viser grensen TIL vdw-diametrene. Den grå linjen gir modellkurven beregnet med ideell geometri. På bunnen er frekvensfordelingen av den ψ vinkelen. (C) Frekvensfordeling av den interatomiske avstanden d·O * * * H). Det finnes 3 topper, hvorav den minste til d(O * ··H) = 2.4 Å, som tilsvarer området ß

Steriske interaksjoner i glysin

det opprinnelige steriske kartet over glysin (Figur 2a) forklarer ikke store deler av det observerte glysin Ramachandran-plottet (Figur 1a). I den observerte glysin i > – hvordan det (Figur 3A), er det to store ekskludert horisontale striper på 50° <<<< -50°, noe som ikke er ekskludert i glysin steriske kart (Figur 2A). Omvendt utelukker glycine steric-kartet en horisontal stripe ved -30° << 30° (Figur 2a), men denne regionen er befolket i det observerte plottet (Figur 1a). Det er også diagonale steriske grenser i det observerte glycin Ramachandran-plottet (Figur 1a), mens det steriske kartet forutsier vertikale grenser (Figur 2a).

vi gjennomførte en revurdering av sterisk kart over glycin (Figur 2b) ved å følge metodikken Til Ho og medarbeidere . For hver interaksjon i glysinryggraden vurderer vi variasjonen av den interatomiske avstanden med hensyn til φ’-ψ vinkler. Vi sammenligner den observerte variasjonen med variasjonen generert fra en modell som bruker kanonisk ryggradsgeometri. Vi deler disse interaksjonene i 3 kategorier: φ ‘avhengige, ψ ‘ avhengige og φ’ – ψ ‘ medavhengige avstander.

for noen av interaksjonene er resultatene for glycin identiske med det generiske Ramachandran-plottet . For korthet utelater vi analysen av disse interaksjonene og oppsummerer resultatene. Den ekskluderte horisontale stripen -30° << 30°, på Grunn Av N···Hi+1 sterisk interaksjon i glysinsterikkartet (Figur 2a), eksisterer ikke i den observerte fordelingen (Figur 1a). På Samme måte Er Oi-1···C-sterisk sammenstøt i det opprinnelige glysinsterikkartet, som utelukker en vertikal stripe sentrert på φ’ = 0° (Figur 2a), finnes ikke i den observerte fordelingen (Figur 1a). Vi ignorerer effekten Av N * * * Hi + 1 og Oi-1···C steric sammenstøt. Diagonalgrensene for den observerte distribusjonen er definert av de medavhengige steriske interaksjonene Oi-1···o og Oi-1···Ni + 1. I Figur 3A viser vi passformen til disse steriske interaksjonene til dataene.

Her analyserer vi det mest karakteristiske trekket ved glycin Ramachandran – plottet-tendensen til ψ’ til klynge nær 180° og 0° Vi fokuserer på de ψ avhengige interaksjonene. For hver interaksjon beregner vi først modellkurven for den tilsvarende interatomiske avstanden som en funksjon av ψ’ (Se Metoder). Vi sammenligner deretter den observerte ③fordelingen (nederst I Figur 3B) med kurven. Hvis en frastøting med harde kuler begrenser ψ’, vil den tilsvarende frekvensfordelingen falle i regioner av ψ der modellkurven er under van Der Waals (VDW) diameter (horisontal stiplede linje I Figur 3B) i regioner av ψ der modellkurven er under van Der Waals (VDW) diameter.

i regionen (60° << 100°), finner vi at frafallet i den ψ frekvensfordelingen (nederst PÅ Figur 3B) tilsvarer verdier Av Ha1···Ni+1 (nederst PÅ Figur 3B) Og Ha2···O (øverst PÅ Figur 3B) som er mindre enn deres vdw diameter. I regionen (-90° <<<< 270°), drop-off i ψ frekvens fordelingen tilsvarer regioner der Ha2···Ni+1 og Ha1···O er funnet under deres VDW radier. I kontrast er verdiene Av Ha1 * * * Hi + 1 Og Ha2 * * * Hi + 1 aldri funnet betydelig under DERES vdw-diameter (midt På Figur 3B).

den observerte ψ avhengigheten av glycin skyldes Ha1 * * * O, Ha2 * * * O, Ha1 * * * Ni + 1 Og Ha2 * * * Ni + 1 steriske sammenstøt. En enkel tolkning er at den ψ avhengigheten i glycin oppstår fra konformasjoner som plasserer Enten Ni + 1 eller O-atom mellom De To Ha-atomene (Figur 4A). De observerte grensene i fordelingene er tegnet I Figur 3A som horisontale linjer.

Stick figur representasjon av glysin og pre-prolin. (A) glysin i den ψ ~ 180 hryvnias konformasjon hvor Ni+1-atomet er klemt mellom De To Ha-atomene, Og (B) pre-prolin i ζ konformasjonen hvor Oi-1-atomet interagerer Med Hδ-atomer av den etterfølgende prolin.

vi får dermed et revidert sterisk kart over glycin, bestående Av steriske sammenstøt Oi-1···O, Oi-1···Ni+1, Ha1 * * * O, Ha2 * * * O, Ha1 * * * Ni + 1 Og Ha2 * * * Ni+1. Ved hjelp av parametere FRA CHARMM22 beregner Vi Lennard-Jones 12-6-potensialet på grunn av de reviderte steric-sammenstøtene (Figur 5a). Minimumsenergiregionen står for mye av formen på den observerte fordelingen (Figur 3a).

dipol-dipol-interaksjoner i glycin. Aksene er vist i vinklene som har blitt forskjøvet ‘ – ψ . Energi plott av (a) Lennard-Jones 12-6 potensialer av revidert sett av steriske sammenstøt; (b) alle elektrostatiske interaksjoner; (c) – (f) de enkelte dipol-dipol interaksjoner av glysin ryggraden (se Figur 1a for ryggrad skjematisk av dipoler). Energiparametere ble tatt fra CHARMM22. Lysområdene viser regioner med minimal energi.

Dipol-dipol-interaksjoner i glysin

det reviderte glysin-steriske kartet forklarer ikke den diagonale formen på③ -, al -, ß -, ß-og ß-regionene. I det generiske Ramachandran-plottet ble det funnet at diagonalformen av regioner kunne reproduseres ved hjelp av elektrostatiske dipol-dipol-interaksjoner, men bare når dipol-dipol-interaksjonene ble vurdert individuelt. Den generelle elektrostatiske interaksjonen reproduserer ikke Det observerte Ramachandran-plottet . Her bruker vi samme tilnærming til behandling av individuelle elektrostatiske dipol-dipol-interaksjoner langs glycin-ryggraden.

vi beregner energikartet til φ – ψ for de 4 dipol-dipol-interaksjonene i glycin-ryggradsinteraksjonen: COi-1···CO, NH * * * NHi + 1, CO * * * NH og COi-1···NHi + 1 (Figur 5c-F). De elektrostatiske interaksjonene beregnes med Lennard-Jones potensialene til de steriske sammenstøtene som er identifisert i avsnittet ovenfor. Vi finner at formene til de forskjellige områdene av glycin Ramachandran-plottet (Figur 3A) reproduseres(Figur 5). Co * * * NH-interaksjonen produserer regionen al, α og ß (Figur 5e). NH * * * NHi + 1-interaksjonen produserer også en diagonal al og α region (Figur 5d). Den α regionen er symmetrisk til aL-regionen. COi-1···KO-interaksjon produserer minima som svarer til ③p – og ß-regionene(Figur 5c).

i det opprinnelige glycine-steriske kartet (Figur 2A) er regionen nær (φ, ψ) = (-180°, 180°) forbudt på grunn av et sterisk sammenstøt Mellom O Og H. Likevel har glycin tetthet i denne regionen i den observerte Ramachandran-plottet (Figur 3A). Dette kan også ses i frekvensfordelingen til d (O···H) (Figur 3C), der det er topp på d (O···H) ~ 2.4 Å. På denne toppen er O-Og H-atomene i kontakt, DA vdw-diameteren er 2,5 Å. Således overvinner den gunstige CO···HN dipol-dipol-interaksjonen den steriske avstøtningen Av o-og H-atomene (Figur 5e) i regionen av glycin.

pre-prolin Ramachandran plot

Schimmel Og Flory hevdet i 1968 at pre-prolin-aminosyrer foregående prolin-har en spesielt begrenset Ramchandran plot, sammenlignet med den generiske Ramachandran plot . Dette ble endelig observert I proteindatabasen Av MacArthur Og Thornton (Figur 1b).det er tre hovedforskjeller mellom Pre-proline Ramachandran-plottet og generisk Ramachandran-plottet. I pre-proline Ramachandran-tomten er det en stor ekskludert horisontal stripe ved -40° << 50°, som begrenser aL og α regioner. AL-regionen er flyttet opp høyere. Disse to funksjonene ble gjengitt I schimmel-Flory beregning og påfølgende beregninger . Den tredje funksjonen er et lite tetthetsbein som stikker ut under den β-regionen (Figur 1B; lilla I Figur 2c). Karplus kalte dette den ζ regionen, som er unik for pre-proline.

Tidligere beregninger fokuserte ikke på de individuelle interaksjonene, og tok ikke hensyn til den ζ regionen. Her identifiserer vi de nøyaktige steriske sammenstøtene som bestemmer pre-proline Ramachandran-plottet. Vi vil da analysere samhandlingene som er ansvarlige for den ζ regionen.

Steriske interaksjoner i pre-prolin-ryggraden

i pre-prolin, i stedet for en interaksjon med NH-atomet i den etterfølgende generiske aminosyren, interagerer pre-prolin med EN CH2-gruppe av den etterfølgende prolin (Figur 1b). CH2-gruppen utøver en mye større sterisk effekt på pre-proline Ramachandran-plottet. MacArthur og Thornton antydet at Den dominerende effekten skyldes N * * * Cδ + 1 og Cß * * * Cδ Her kan vi analysere effekten av hvert sammenstøt ved å analysere de statistiske fordelingene direkte.

vi anser de φ-ψ co-avhengige interaksjonene som involverer Cδ, Hδ1 og Hδ2-atomer av den etterfølgende prolin (Figur 1b). For hver interaksjon genererer vi konturplottet i φ-ψ av VDW-diameteravstanden. Ved å sammenligne konturplottet med den observerte tettheten i pre-prolin Ramachandran-plottet, identifiserer vi samspillet som induserer den beste kampen i grensene (Figur 6A, interaksjonene er identifisert I Figur 2c). Vi fant at biten tatt ut av nedre venstre β-regionen av den observerte tettheten skyldes Oi-1···Cδ + 1 sterisk sammenstøt. En annen begrensning i al og α regionene skyldes sammenstøtet Med H···Cδ+1 steric.

vi vurderer deretter de ψ avhengige interaksjonene. I frekvensfordelingen før prolinjet fant vi tre distinkte topper (bunnfigur 6B). Den høyeste toppen til ψ ~ -50° tilsvarer det α regionen pre-proline. Vi har fokus på to topper i β-regionen 50° << 180° større peak sentrert rundt ψ ~ 150° tilsvarer ßS regionen generisk i > – hvordan det tomt. I Denne generiske Ramachandran-tomten er dette ß regionen begrenset Av cß···O og Cß * * * Ni+1 steric sammenstøtene. I pre-proline tilsvarer den mindre toppen med sentrert på ψ ~ 70° til ζ regionen og forekommer i en region som ville bli ekskludert av En cß···o steric sammenstøt. I stedet er den mindre toppen avgrenset nedenfra Av N * * * Cδ + 1 steric sammenstøt. Dette kan ses ved å sammenligne den ψ distribusjonen med modellkurven Til N···Cδ+1 vs. ψ (midten AV Figur 6B).

pre-proline parametere. (A) Ramachandran-tomten. De stiplede linjene viser de steriske sammenstøtene som definerer noen av grensene for de observerte tetthetene (Se Figur 2c). (B) fordelingene av ulike interatomiske interaksjoner som en funksjon av ψ. De stiplede linjene viser grensen TIL vdw-diametrene. Den ensfargede grå linjen gir modellkurven beregnet med ideell geometri. Nederst er frekvensfordelingen av den ψ vinkelen.

Ved hjelp av parametere FRA CHARMM22 beregner Vi Lennard-Jones 12-6-potensialet på grunn av de reviderte steriske sammenstøtene (Figur 7A). Lennard-Jones potentials kan ikke gjøre rede for regionen ζ

energitomter i pre-prolin som en funksjon av φ-ψ. Energi plott Av (a) Lennard-Jones 12-6 potensialer av revidert sett av steric sammenstøt; COi-1···C ③hδ + 1 dipol-dipol-interaksjoner når den etterfølgende prolinringen er i (b) OPP pucker og (c) NED pucker. Lysområdene viser regioner med lav energi.

Interaksjoner som stabiliserer den pre-proline hryvnias regionen

siden den ζ regionen (lilla I Figur 2B) bringer Cß···o interaksjonen til sterisk konflikt, må det være en kompenserende interaksjon som stabiliserer den ζ regionen. Hva er denne interaksjonen? For å forstå denne interaksjonen, vurderer vi en analogi med den γ regionen i generisk Ramachandran-plottet. I γ-regionen, en forvrengt COi-1···HNi + 1 hydrogenbinding dannes, noe som bringer Hi+1-atomet i kontakt med Oi-1-atomet. På samme måte er Oi-1-atomet i pre-proline i pre-proline i kontakt med hδ1 og H@2-atomer (Se Figur 4B; Tabell 1), noe som tyder på At COi-1-gruppen interagerer med Cδhδ+1-gruppen av den etterfølgende prolin.

Kan Cδ Hδ + 1 gruppe samhandle Med COi-1? En slik interaksjon vil falle under klassen AV ch * * * o svak hydrogenbinding, en veldokumentert interaksjon i proteiner . Studier AV ch * * * o svak hydrogenbinding bruker avstandskriterier for d (H···O) < 2,8 Å . Det er liten vinkelavhengighet funnet I CH * * * o-bindingen rundt h-atomet der en vinkelkriterier for ∠OHX > 90° brukes ofte. Dette er mye mer permissivt enn geometrien til den kanoniske hydrogenbindingen. I Tabell 1 lister vi hydrogenbindingsparametrene til COi-1···Cδδ Som proline kan ta på to forskjellige store konformasjoner, OPP og NED pucker, målinger av geometrien Av COi-1···cδhδ + 1 samspillet må også deles i FORHOLD til opp-og nedpucker. Den observerte geometrien Av COi-1···Cδδ + 1 geometri tilfredsstiller de geometriske kriteriene for svak hydrogenbinding (Tabell 1).

Som COi-1···Cδ Hryvnja + 1 svakt hydrogenbinding er en nær kontakt, vi må modellere samspillet for å forstå dets avhengighet av φ-ψ For modellering, vi vurdere strategier som har blitt brukt for den analoge COi-1···HNi + 1 hydrogenbinding. COi-1···HNi + 1 hydrogenbinding har blitt modellert i kvantemekaniske studier hvor den γ regionen ble funnet å være den minste energikonformasjon i vakuum . En enklere tilnærming, som modellerte hydrogenbindingen med elektrostatiske dipol-dipol-interaksjoner, finner også et minimum i γ-regionen .

her modellerer Vi COi-1···Cδ Hryvnias + 1 svak hydrogenbinding som en elektrostatisk dipol-dipol-interaksjon (se Metoder). Hvordan modellerer Vi c@hδi+1-gruppen som en elektrostatisk dipol? Bhattacharyya og Chakrabarti fant at, AV CH-gruppene i proline, danner Cδ Ha gruppen de FLESTE ch * * * o hydrogenbindinger. Cδ-atomet sitter ved siden Av det elektron-trekkende n-atomet og er dermed surere enn De Andre c-atomer. Følgelig plasserer vi en liten negativ delbelastning på Cδ atom. I vår modell finner vi et energiminimum i ζ-regionen for BÅDE UP pucker (Figur 7B) og DOWN pucker (Figur 7C). Vi konkluderer med At COi-1···Cδ + 1hδ1i + 1 svak hydrogenbinding stabiliserer den ζ-regionen i pre-prolin.