un set de date non-redundante PDB

pentru a extrage distribuțiile statistice ale parcelelor glicină și pre-prolină Ramachandran, am ales un subset de înaltă rezoluție al PDB furnizat de laboratorul Richardson de 500 de proteine non-omoloage. Aceste proteine au o rezoluție mai bună de 1,8%, unde toți atomii de hidrogen au fost proiectați din coloana vertebrală și optimizați în ceea ce privește ambalarea. După Richardson, luăm în considerare doar atomii care au un factor B mai mic de 30.

regiuni din graficul glicinei Ramachandran

Glicina este fundamental diferită de ceilalți aminoacizi prin faptul că îi lipsește un lanț lateral. În special, glicina nu are atomul de C, care induce multe ciocniri sterice în complotul generic Ramachandran. Numim atomul de hidrogen care este împărțit cu ceilalți aminoacizi, atomul Ha1. Numim atomul de hidrogen care înlocuiește atomul c, atomul Ha2. Absența atomului de C-uri permite parcelei de glicină Ramachandran să treacă peste granițe la -180 și 180 (figura 1a).

harta glicinei observată are 5 regiuni de densitate . În scopul de a afișa densitate observate într-o continuă regiune, ne-am schimba coordonatele de φ-ψ φ’-ψ’ în care φ’: 0° << 360°, și ψ’: -90° << 270°. Cu graficul glicinei Ramachandran deplasat (figura 3A), putem identifica în mod clar diferitele regiuni. De-a lungul benzii orizontale de la 180 la 180, există trei regiuni separate. Una dintre acestea este o versiune alungită a regiunii XVP a parcelei generice Ramachandran. Regiunea XVP corespunde structurii poliprolinei II, care formează o helixă stângă extinsă de-a lungul lanțului proteic . Regiunea xifr este o reflectare a regiunii xifr în care o secvență de reziduuri de glicină din conformația xifr va forma o helix dreptaci. În cele din urmă, există o regiune care corespunde cu regiunea de optimi a parcelei generice Ramachandran. Această regiune corespunde conformației extinse a reziduurilor în foi de la un număr de opt. Cu toate acestea, regiunea glicină-uri, centrată pe (‘) = (180°, 180°), este ușor deplasată din regiunea centimetrică a parcelei generice Ramachandran. Există, de asemenea, regiunile diagonale al și al (figura 3A), care sunt asociate cu spirale și viraje . Spre deosebire de parcela generică Ramachandran, Regiunea glicină este simetrică cu regiunea aL . În parcela generică Ramachandran, există, de asemenea, o regiune de la SEC. Parcela de glicină Ramachandran nu are nicio densitate în regiunea VIII.

parametrii glicinei. (A) parcela Ramachandran în coordonate deplasate de la-LA-LA-LA-LA-LA-LA-LA-LA-LA-LA-LA. Liniile punctate arată ciocnirile sterice care definesc limitele densităților observate (figura 2b descrie interacțiunile specifice). B) distributiile diferitelor interactiuni interatomice in functie de articolul din articolul X. Linia punctată arată limita diametrelor VDW. Linia gri oferă curba modelului calculată cu geometrie ideală. În partea de jos se află distribuția de frecvență a unghiului de circulație al lui sec. (C) distribuția frecvenței distanței interatomice d (O···H). Există 3 vârfuri, dintre care, cel mai mic la d(O···H) = 2,4 sec.

interacțiuni sterice în glicină

harta sterică originală a glicinei (figura 2a) nu explică părți mari ale complotului glicinei Ramachandran observat (figura 1a). În observată glicină Ramachandran (Figura 3A), există două mari excluse benzi orizontale la 50° <<<< -50°, care nu sunt excluse în glicină steric hartă (Figura 2A). Pe de altă parte, harta glicină sterică exclude o bandă orizontală la -30 de metri cubi < de metri cubi’ < 30 de metri cubi (figura 2A), dar această regiune este populată în graficul observat (figura 1a). Există, de asemenea, limite sterice diagonale în graficul glicinei Ramachandran observat (figura 1A), în timp ce harta sterică prezice limitele verticale (figura 2a).

am efectuat o reevaluare a hărții sterice a glicinei (figura 2B) urmând metodologia Ho și a colegilor de muncă . Pentru fiecare interacțiune în coloana vertebrală a glicinei, se ia în considerare variația distanței interatomice în raport cu unghiurile de la-La-La-La-La. Comparăm variația observată cu variația generată dintr-un model care utilizează geometria coloanei vertebrale canonice. Împărțim aceste interacțiuni în 3 categorii: distanțele co-dependente în funcție de numărul 7, în funcție de numărul unu și în funcție de numărul unu.

pentru unele dintre interacțiuni, rezultatele glicinei sunt identice cu cele ale complotului generic de Ramachandran . Pentru concizie, omitem analiza acestor interacțiuni și rezumăm rezultatele. Fâșia orizontală exclusă -30 int < int’ < 30 int, datorită interacțiunii sterice n···Hi+1 în harta glicină sterică (figura 2a), nu există în distribuția observată (figura 1a). În mod similar, Oi-1···ciocnirea c sterică în harta inițială a glicinei sterice, care exclude o bandă verticală centrată pe x-x’ = 0-x (figura 2a), nu există în distribuția observată (figura 1a). Ignorăm efectul n * * * Hi + 1 și Oi-1···ciocniri C sterice. Limitele diagonale ale distribuției observate sunt definite de interacțiunile sterice co-dependente de la 7 la 7-1···O și Oi-1···Ni + 1. În figura 3A, arătăm potrivirea acestor interacțiuni sterice cu datele.

aici, analizăm caracteristica cea mai distinctivă a parcelei glicinei Ramachandran – tendința de a se aglomera în jurul valorii de 180 și 0. Ne concentrăm pe interacțiunile dependente de cel de-al VIII-lea. Pentru fiecare interacțiune, calculăm mai întâi curba model a distanței interatomice corespunzătoare în funcție de Ecuador’ (vezi metode). Apoi, comparăm distribuția observată a lui XV (partea de jos a figurii 3b) cu curba. În cazul în care o repulsie a sferei dure este limitată la valoarea egală cu’, atunci, în regiunile de la’ valoarea egală cu’ în care curba modelului este sub diametrul van der Waals (VDW) (linia orizontală punctată din Figura 3b), distribuția frecvenței ‘numărul unu’ ar trebui să scadă în mod corespunzător.

în regiune (60% << 100%), constatăm că scăderea în distribuția de frecvență a CIF (partea de jos a figurii 3b) corespunde valorilor Ha1···Ni+1 (partea de jos a figurii 3B) și Ha2···O (partea de sus a figurii 3B) care sunt mai mici decât VDW diametre. În regiune (-90° <<<< 270°), drop-off în ψ distribuția de frecvențe corespunde pentru regiunile în care Ha2···Ni+1 și Ha1···O, se regăsesc mai jos lor VDW raze. În schimb, valorile Ha1 * * * Hi + 1 și Ha2···Hi+1 nu se găsesc niciodată semnificativ sub diametrul lor VDW (mijlocul figurii 3b).

dependența de glicină observată la nivelul valorilor de la sută la sută se datorează ciocnirilor sterice Ha1···O, Ha2···o, Ha1···Ni+1 și Ha2···Ni+1. O interpretare simplă este aceea că dependența de glicină a lui XV provine din conformațiile care plasează fie atomul de Ni+1, fie atomul de o între cei doi atomi de Ha (figura 4a). Limitele observate în distribuții au fost trasate în figura 3A ca linii orizontale.

Stick Figura reprezentarea glicină și pre-prolină. (A) glicină în conformația de la x180 XQC, unde atomul de Ni+1 este intercalat între cei doi atomi de Ha, și (b) preprolină în conformația de la XQC, unde atomul de Oi-1 interacționează cu atomii de H XQC ai prolinei următoare.

obținem astfel o hartă sterică revizuită a glicinei, constând din ciocnirile sterice Oi-1···O, Oi-1···Ni+1, Ha1 * * * O, Ha2 * * * O, Ha1 * * * Ni+1 și Ha2 * * * Ni+1. Folosind parametrii din CHARMM22, calculăm potențialul Lennard-Jones 12-6 datorită ciocnirilor sterice revizuite (figura 5A). Regiunea cu energie minimă reprezintă o mare parte din forma distribuției observate (figura 3A).

interacțiuni dipol-dipol în glicină. Axele sunt prezentate în unghiurile deplasate de la’-‘ la’. Parcele energetice ale (a) potențialelor Lennard-Jones 12-6 ale setului revizuit de ciocniri sterice; (b) toate interacțiunile electrostatice; (c)-(f) interacțiunile dipol-dipol individuale ale coloanei vertebrale a glicinei (a se vedea figura 1A pentru schema coloanei vertebrale a dipolilor). Parametrii energetici au fost luați de la CHARMM22. Zonele luminoase prezintă regiuni cu energie minimă.

interacțiuni dipol-dipol în glicină

harta sterică revizuită a glicinei nu explică forma diagonală a regiunilor pentru care s-au format următoarele secțiuni: „al”, „Al”, „Al”, „Al”, ” AL ” și „al”. În graficul generic Ramachandran, s-a constatat că forma diagonală a regiunilor ar putea fi reprodusă folosind interacțiuni electrostatice dipol-dipol, dar numai atunci când interacțiunile dipol-dipol au fost luate în considerare individual. Interacțiunea electrostatică globală nu reproduce complotul Ramachandran observat . Aici, folosim aceeași abordare de tratare a interacțiunilor electrostatice dipol-dipol individuale de-a lungul coloanei vertebrale a glicinei.

se calculeaza harta energetica a intervalului de 4 interactiuni dipol-dipol in interactiunea coloana vertebrala a glicinei: COi-1···CO·NH * * * NHi+1, CO * * * NH și COi-1···NHi+1 (Figura 5C-F). Interacțiunile electrostatice sunt calculate cu potențialele Lennard-Jones ale ciocnirilor sterice identificate în secțiunea de mai sus. Constatăm că formele diferitelor regiuni ale parcelei glicinei Ramachandran (figura 3A) sunt reproduse (Figura 5). Interacțiunea CO * * * NH produce regiunile diagonale al, al, Alc, ALC și ALC (figura 5E). Interacțiunea NH···NHi+1 produce, de asemenea, o diagonală a regiunii al și a celei a segmentului a (figura 5D). Regiunea a VIII-a este simetrică cu regiunea aL. COi-1···interacțiunea cu CO produce valori minime corespunzătoare regiunilor de calculare a emisiilor de gaze cu efect de seră și a emisiilor de gaze cu efect de seră (figura 5C).

în harta glicină sterică originală (figura 2A), regiunea de lângă (-180, 180, 180,) este interzisă din cauza unei ciocniri sterice între o și H. Cu toate acestea, glicina are densitate în această regiune în complotul Ramachandran observat (figura 3A). Acest lucru poate fi observat și în distribuția de frecvență A d(O···H) (figura 3C), unde există un vârf la d(O···H) ~ 2,4. La acest vârf, atomii de O și H sunt în contact, deoarece diametrul VDW este de 2,5 centi. Astfel, în regiunea de glicină a XQC, interacțiunea favorabilă Co···HN dipol-dipol depășește repulsia sterică a atomilor de O și H (figura 5E).

complotul pre-prolină Ramachandran

Schimmel și Flory au susținut în 1968 că pre-prolina – aminoacizii care preced prolina – are un complot Ramchandran deosebit de restricționat, în comparație cu complotul generic Ramachandran . Acest lucru a fost observat în cele din urmă în baza de date de proteine de către MacArthur și Thornton (figura 1B) .

există trei diferențe principale între complotul Ramachandran pre-prolină și complotul Ramachandran generic. În parcela pre-prolină Ramachandran, există o bandă orizontală mare exclusă la -40 VIII < IX < 50 X. Regiunea aL este deplasată mai sus. Aceste două caracteristici au fost reproduse în calculul Schimmel-Flory și calculele ulterioare . A treia caracteristică este un pic picior de densitate poking afară sub regiunea de la XV (figura 1B; violet în figura 2c). Karplus a numit această regiune a orașului, care este unică pentru pre-prolină.

calculele anterioare nu s-au concentrat asupra interacțiunilor individuale și nu au contabilizat Regiunea Ecuador. Aici, identificăm ciocnirile sterice exacte care determină complotul pre-prolină Ramachandran. Vom analiza apoi interacțiunile responsabile pentru regiunea VIII.

interacțiuni sterice în coloana vertebrală preprolină

în preprolină, în loc de o interacțiune cu atomul de NH în aminoacidul generic următor, preprolina interacționează cu un grup CH2 al prolinei următoare (figura 1b). Grupul CH2 exercită un efect steric mult mai mare asupra complotului Ramachandran pre-prolină. MacArthur și Thornton au sugerat că efectul dominant se datorează ciocnirilor sterice N * * * C urci + 1 și C urci···c urci + 1. Aici putem analiza eficacitatea fiecărei ciocniri analizând direct distribuțiile statistice.

avem în vedere interacțiunile co-dependente între ele, care implică atomii de C, H, H, 1 și H, 2 Ai prolinei următoare (figura 1b). Pentru fiecare interacțiune, generăm parcela de contur în intervalul de la diametrul VDW în intervalul de la valoarea de la sută la sută. Comparând graficul conturului cu densitatea observată în graficul Ramachandran pre-prolină, identificăm interacțiunile care induc cea mai bună potrivire în limite (figura 6A, interacțiunile sunt identificate în figura 2c). Am constatat că bucata scoasă din regiunea de jos-stânga a densității observate se datorează Oi-1···C Oqusi + 1 steric ciocnire. O altă restricție asupra regiunilor al și a celor de la Al și a celor de la Al se datorează ciocnirii sterice H * * * C Oquti+1.

vom lua în considerare următoarele interacțiuni dependente de la 7 la sută. În distribuția de frecvență pre-prolină, am găsit trei vârfuri distincte (figura de jos 6B). Vârful cel mai de stânga de la SEC.-50 sec. de la SEC. -5 corespunde regiunii pre-prolină a SEC. de la SEC. Ne vom concentra pe cele două vârfuri în β-regiunea 50° << 180° mai mare vârf centrat pe ψ ~ 150° corespunde ßS regiunea de generic teren Ramachandran. În parcela generică Ramachandran, această regiune a XIF este delimitată de ciocnirile sterice c XIF···O și C XIF···Ni+1. În preprolină, vârful mai mic, centrat pe 70 de grade, corespunde regiunii de la 7CT și apare într-o regiune care ar fi exclusă de ciocnirea c···o sterică. În schimb, vârful mai mic este delimitat de jos de ciocnirea sterică N * * * C Oqusi+1. Acest lucru poate fi văzut prin compararea ψ distributie la modelul curbei de N···Cδi+1 vs ψ (mijlocul Figura 6B).

parametrii Pre-prolină. (A) complotul Ramachandran. Liniile punctate arată ciocnirile sterice care definesc unele dintre limitele densităților observate (vezi figura 2C). (B) distribuțiile diferitelor interacțiuni interatomice în funcție de dispozițiile de la articolul. Liniile punctate arată limita diametrelor VDW. Linia gri solidă oferă curba modelului calculată cu geometrie ideală. În partea de jos se află distribuția de frecvență a unghiului de la suta.

folosind parametrii din CHARMM22, calculăm potențialul Lennard-Jones 12-6 datorită ciocnirilor sterice revizuite (figura 7A). Potențialele Lennard-Jones nu pot ține cont de regiunea VIII.

Energie parcele în pre-prolină în funcție de φ-ψ. Parcele energetice ale (a) potențialelor Lennard-Jones 12-6 ale setului revizuit de ciocniri sterice; COi-1···C Interacțiuni cu 1 dipol-dipol atunci când inelul prolină care urmează se află în (B) pucker-ul în sus și (c) pucker-ul în jos. Zonele luminoase prezintă regiuni cu energie redusă.

interacțiuni care stabilizează Regiunea pre-prolină a segmentului aktif

deoarece regiunea aktiff (violet în figura 2b) aduce interacțiunea C···O în conflict steric, trebuie să existe o interacțiune compensatoare care stabilizează Regiunea aktiff. Ce este această interacțiune? Pentru a înțelege această interacțiune, luăm în considerare o analogie cu regiunea VIII în complotul generic Ramachandran. În regiunea a VIII-a, un COi distorsionat-1···se formează legătura de hidrogen HNi + 1, care aduce atomul Hi+1 în contact cu atomul Oi-1. În mod similar, în regiunea preprolinei din secolul al VIII-lea, atomul Oi-1 al preprolinei este în contact cu atomii H si H si 2 (A se vedea figura 4b; Tabelul 1), sugerând că grupul COi-1 interacționează cu grupul C si+1 al prolinei succesive.

poate Grupul C Inqc h Inqci+1 să interacționeze cu COi-1? O astfel de interacțiune s-ar încadra în clasa legăturii slabe de hidrogen CH···O, o interacțiune bine documentată în proteine . Studiile legăturii slabe de hidrogen CH * * * o utilizează un criteriu de distanță de d (H···O) < 2.8 inkt . Există o mică dependență unghiulară Găsită în legătura CH···O în jurul atomului H, unde se utilizează adesea un criteriu de unghi de OHX-x > 90-X. Acest lucru este mult mai permisiv decât geometria legăturii canonice de hidrogen. În Tabelul 1, am lista de legătură de hidrogen parametrii de COi-1···CδHδi+1 de interacțiune în ζ regiune. Deoarece prolina poate prelua două conformații majore diferite, pucker în sus și în jos, măsurători ale geometriei COi-1···C interactiunea Xqqui + 1 trebuie, de asemenea, impartita in functie de pucker-ul in sus si in jos. Geometria observată a COi-1···C geometria Xqqui + 1 îndeplinește criteriile geometrice ale legăturii slabe de hidrogen (Tabelul 1).

ca COi-1···C legătura slabă de hidrogen Xqqui+1 este un contact strâns, trebuie să modelăm interacțiunea pentru a înțelege dependența acesteia de unghiurile de la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la A la a. Pentru modelare, luăm în considerare strategiile care au fost utilizate pentru coi Analog-1···HNI + 1 legătură de hidrogen. COi-1···legătura de hidrogen HNi + 1 a fost modelată în studii Mecanico-cuantice în care s-a constatat că regiunea VIII este conformația minimă de energie în vid . O abordare mai simplă, care a modelat legătura de hidrogen cu interacțiunile electrostatice dipol-dipol, găsește, de asemenea, un minim în regiunea VIII .

aici, modelăm COi-1···C Xqqui+1 legătură slabă de hidrogen ca interacțiune electrostatică dipol-dipol (vezi metode). Cum modelăm Grupul C-X-X-X-1 ca dipol electrostatic? Bhattacharyya și Chakrabarti au constatat că, dintre grupurile CH din prolină, Grupul C-X-X-X formează cele mai multe legături de hidrogen CH···O. Atomul C se află lângă atomul de n care se retrage electronul și, prin urmare, este mai acid decât ceilalți atomi de C. În consecință, plasăm o mică sarcină parțială negativă pe atomul C. În modelul nostru, găsim un minim de energie în regiunea VIII atât pentru pucker UP (figura 7B), cât și pentru pucker DOWN (figura 7c). Concluzionăm că COi-1···C Oqqui + 1h oqq1i + 1 legătura slabă de hidrogen stabilizează Regiunea OQQ în preprolină.