en icke-redundant PDB-datamängd

för att extrahera de statistiska fördelningarna av glycin-och Pre-prolin-Ramachandran-tomterna valde vi en högupplöst delmängd av PDB som tillhandahålls av Richardson lab av 500 icke-homologa proteiner. Dessa proteiner har en upplösning som är bättre än 1,8 kg där alla väteatomer har projicerats från ryggraden och optimerats när det gäller packning. Efter Richardsons betraktar vi bara atomer som har en B-faktor på mindre än 30.

regioner i glycin Ramachandran plot

glycin är fundamentalt annorlunda än de andra aminosyrorna genom att den saknar en sidokedja. I synnerhet har glycin inte C-Askoratomen, vilket inducerar många steriska sammandrabbningar i den generiska Ramachandran-tomten. Vi kallar väteatomen som delas med de andra aminosyrorna, HA1-atomen. Vi kallar väteatomen som ersätter C-Kubiatomen, HA2-atomen. Frånvaron av C-Kubiatomen gör det möjligt för glycin Ramachandran-tomten att springa över gränserna vid -180 och 180 (Figur 1a).

den observerade glycinkartan har 5 regioner av densitet . För att visa den observerade tätheten i ett sammanhängande område, vi skiftar koordinater från φ-att ψ φ’-ψ’ där φ’: 0° << 360°, och ψ: -90° << 270°. Med den skiftade glycin Ramachandran-tomten (figur 3A) kan vi tydligt identifiera de olika regionerna. Längs den horisontella band ψ’ ~ 180°, det finns tre separata regioner. En av dessa är en långsträckt version av USP-regionen i den generiska Ramachandran-tomten. Regionen motsvarar strukturen av polyprolin II, som bildar en förlängd vänsterhänt spiral längs proteinkedjan . Regionen är en återspegling av regionen där en sekvens av glycinrester i konformationen kommer att bilda en högerhänt helix. Slutligen finns det en region som motsvarar regionen för den generiska Ramachandran-tomten. Denna region motsvarar den utvidgade konformationen av rester i XXL-ark. Emellertid är glycin-regionen, som är centrerad på (exportorienterade, exportorienterade, exportorienterade, exportorienterade’) = (180°, 180°), är något förskjuten från regionen i den generiska Ramachandran-tomten. Det finns också diagonala regioner av A. V. och A. (figur 3A), som är förknippade med spiraler och svängar . Till skillnad från den generiska Ramachandran-tomten är glycin-Kaukasusregionen symmetrisk mot aL-regionen . I den generiska Ramachandran-tomten finns det också en sightseeingregion som motsvarar den vätgasbundna Bisexuell-svängen . Glycin Ramachandran-tomten har ingen densitet i regionen för utveckling av utveckling.

Glycinparametrar. A)Ramachandran-tomten i skiftade koordinater. De streckade linjerna visar de steriska sammandrabbningarna som definierar gränserna för de observerade densiteterna (Figur 2B beskriver de specifika interaktionerna). (B) fördelningen av olika interatomiska interaktioner som en funktion av taiwis’. Den streckade linjen visar gränsen för vdW-diametrarna. Den grå linjen ger modellkurvan beräknad med ideal geometri. Längst ner är frekvensfördelningen av vinkeln för den kinesiska exporterande tillverkaren. (C) frekvensfördelning av det inter-atomära avståndet d (O···H). Det finns 3 toppar, av vilka den minsta vid d(O···H) = 2,4 kcal, vilket motsvarar regionen av D.

steriska interaktioner i glycin

den ursprungliga steriska kartan över glycin (figur 2a) förklarar inte stora delar av den observerade glycinramachandranplotten (Figur 1a). I den observerade glycin Ramachandran (Figur 3A), det finns två stora uteslutas horisontella band vid 50° <<<< -50°, som inte är undantagna i glycin sterisk karta (Figur 2A). Omvänt utesluter den glycinsteriska kartan en horisontell remsa vid -30 GHz < xubbi’ < 30 xubbi (figur 2a), men denna region är befolkad i det observerade diagrammet (Figur 1a). Det finns också diagonala steriska gränser i den observerade glycin Ramachandranplotten (Figur 1a), medan sterisk karta förutsäger vertikala gränser (figur 2a).

Vi genomförde en omvärdering av sterisk karta över glycin (Figur 2B) genom att följa metoden för Ho och medarbetare . För varje interaktion i glycin-ryggraden betraktar vi variationen i det interatomiska avståndet med avseende på vinklarna för’-’ för ’ – ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’ för ’för’. Vi jämför den observerade variationen med variationen genererad från en modell som använder kanonisk ryggradsgeometri. Vi delar upp dessa interaktioner i 3 kategorier: de medberoende avstånden mellan de beroende, de beroende av de beroende och de medberoende avstånden mellan de beroende och de medberoende av varandra.

För några av interaktionerna är resultaten för glycin identiska med den för den generiska Ramachandran-tomten . För korthet utelämnar vi analysen av dessa interaktioner och sammanfattar resultaten. Den uteslutna horisontella remsan -30 msk < sacrib ’< 30 kg, på grund av n···hi+1 sterisk interaktion i glycinsterisk karta (figur 2a), existerar inte i den observerade fördelningen (Figur 1a). På samma sätt Oi-1···C steric clash i den ursprungliga glycin steric map, som utesluter en vertikal remsa centrerad på exportorienterade’ = 0 (figur 2a), existerar inte i den observerade fördelningen (Figur 1a). Vi ignorerar effekten av N * * * Hi + 1 och Oi-1···C steric sammandrabbningar. De diagonala gränserna för den observerade fördelningen definieras av de medberoende steriska interaktionerna oi-1···O och Oi-1···Ni + 1. I figur 3A visar vi passformen för dessa steriska interaktioner med data.

Här analyserar vi de mest utmärkande för glycin Ramachandran plot – tendensen för ψ’ kluster nära 180° och 0°. Vi fokuserar på de beroende växelverkan mellan de olika länderna. För varje interaktion beräknar vi först modellkurvan för motsvarande interatomiska avstånd som en funktion av Bisexuell ’ (se metoder). Vi jämför sedan den observerade fördelningen av 2B (längst ner i figur 3B) med kurvan. Om en avstötning av hårda sfärer begränsar antalet fall i samband med detta bör frekvensfördelningen i fråga om antalet fall under van der Waals (VDW) (horisontell streckad linje i figur 3b) minska i motsvarande grad.

i regionen (60 oc < oc’ < 100 oc), finner vi att drop-off i frekvensfördelningen av frekvens (botten av figur 3b) motsvarar värdena för Ha1···ni+1 (botten av figur 3B) och Ha2···O (toppen av figur 3B) som är mindre än deras vdW diametrar. I regionen (-90° <<<< 270°), drop-off i ψ frekvens fördelningen motsvarar regioner där Ha2···Ni+1 och Ha1···O * * finns under deras VDW radier. Däremot finns värdena för Ha1 * * * Hi + 1 och Ha2···Hi+1 aldrig signifikant under deras vdW-diameter (mitten av figur 3b).

det observerade beroendet av glycin på grund av HA1···O, Ha2···O, Ha1···ni+1 och Ha2···ni+1 steriska sammandrabbningar. En enkel tolkning är att det beroendet av glycin som härrör från de konformationer som placerar antingen ni+1-eller o-atomen mellan de två Ha-atomerna (figur 4A). De observerade gränserna i fördelningarna har ritats i figur 3A som horisontella linjer.

Stick figur representation av glycin och pre-prolin. (A) glycin i konformationen av 280-180, där ni+1-atomen är inklämd mellan de två Ha-atomerna, och (B) Pre-prolin i konformationen av 1-atomen, där oi-1-atomen interagerar med H-atomerna av den efterföljande prolinen.

vi får således en reviderad sterisk karta över glycin, bestående av steriska sammandrabbningar Oi-1···O, Oi-1···Ni + 1, Ha1···O, Ha2···O, Ha1···ni+1 och Ha2···ni+1. Med hjälp av parametrar från CHARMM22 beräknar vi Lennard-Jones 12-6-potentialen på grund av de reviderade steriska konflikterna (figur 5A). Minimienergiområdet står för mycket av formen på den observerade fördelningen (figur 3A).

dipol-dipol interaktioner i glycin. Axlarna visas i de skiftade vinklarna för’ -’. Energi tomter av (A) Lennard-Jones 12-6 potentialer av den reviderade uppsättningen steric sammandrabbningar; (b) Alla elektrostatiska interaktioner; (c)-(f) de individuella dipol-dipol interaktioner av glycin ryggraden (se Figur 1a för ryggraden schematisk av dipolerna). Energiparametrar togs från CHARMM22. De ljusa områdena visar regioner med minimal energi.

dipol-dipol-interaktioner i glycin

den reviderade glycinsteriska kartan förklarar inte den diagonala formen av regionerna i regionen. I den generiska Ramachandran-tomten, det visade sig att regionernas diagonala form kunde reproduceras med hjälp av elektrostatiska dipol-dipolinteraktioner men endast när dipol-dipolinteraktionerna ansågs individuellt. Den övergripande elektrostatiska interaktionen reproducerar inte den observerade Ramachandran-tomten . Här använder vi samma tillvägagångssätt för att behandla individuella elektrostatiska dipol-dipolinteraktioner längs glycin-ryggraden.

vi beräknar energikartan för exporten till 4 dipol-dipol interaktioner i glycin ryggraden interaktion: COi-1···CO, NH * * * NHi+1, CO * * * NH och COi-1···NHi + 1 (figur 5C-F). De elektrostatiska interaktionerna beräknas med Lennard-Jones-potentialerna för de steriska sammandrabbningarna som identifierats i avsnittet ovan. Vi finner att formerna för de olika regionerna i glycin Ramachandran-tomten (figur 3A) reproduceras (Figur 5). Co * * * nh-interaktionen producerar den diagonala al -, exportorienterade och exportorienterade regionen (figur 5E). Nh * * * nhi+1-interaktionen ger också en diagonal al-och Kambodjansk region (figur 5D). Regionen är symmetrisk med regionen al. COi-1···samspelet mellan CO ger minima som motsvarar regionerna för den regionala utvecklingspolitiken och för den regionala utvecklingspolitiken (figur 5C).

I den ursprungliga glycin sterisk karta (Figur 2A), regionen nära (φ, ψ) = (-180°, 180°) är förbjudet på grund av en sterisk konflikt mellan O och H. Ändå har glycin densitet i denna region i den observerade Ramachandranplotten (figur 3A). Detta kan också ses i frekvensfördelningen av d (O···H) (figur 3C), där det finns en topp vid d (O···H) ~ 2,4 kcal. Vid denna topp är O-och H-atomerna i kontakt, eftersom vdW-diametern är 2,5 kcal. Således övervinner den gynnsamma Co···HN-dipol-dipolinteraktionen i glycin-regionen i glycin sterisk repulsion av O-och H-atomerna (figur 5E).

Pre-proline Ramachandran plot

Schimmel och Flory hävdade 1968 att pre-prolin – aminosyror som föregår prolin – har en särskilt begränsad Ramchandran plot, jämfört med den generiska Ramachandran plot . Detta observerades slutligen i proteindatabasen av MacArthur och Thornton (Figur 1b) .

det finns tre huvudskillnader mellan pre-proline Ramachandran-tomten och den generiska Ramachandran-tomten. I pre-proline Ramachandran plot, det är en stor uteslutas horisontella band på -40° << 50°, vilket begränsar aL och α regioner. Al-regionen flyttas upp högre. Dessa två funktioner reproducerades i Schimmel-Flory-beräkningen och efterföljande beräkningar . Den tredje funktionen är ett litet ben av densitet som pekar ut under den asiatiska regionen (Figur 1b; lila i Figur 2C). Karplus kallade detta för regionen med samma namn , som är unik för preprolin.

tidigare beräkningar fokuserade inte på de enskilda interaktionerna, och tog inte hänsyn till regionen i regionen. Här identifierar vi de exakta steriska sammandrabbningarna som bestämmer pre-proline Ramachandran-tomten. Därefter kommer vi att analysera de interaktioner som är ansvariga för regionen.

steriska interaktioner i preprolin-ryggraden

i preprolin, istället för en interaktion med NH-atomen i den efterföljande generiska aminosyran, interagerar preprolinen med en CH2-grupp av den efterföljande prolinen (Figur 1b). CH2-gruppen utövar en mycket större sterisk effekt på pre-proline Ramachandran-tomten. MacArthur och Thornton föreslog att den dominerande effekten beror på N···C AC / i+1 och C AC / i * * * C AC / i+1 steriska sammandrabbningar. Här kan vi analysera effekten av varje konflikt genom att analysera de statistiska fördelningarna direkt.

vi betraktar de medberoende interaktionerna mellan kokos och kokos som involverar C -, H-och h-atomerna i den efterföljande prolinen (Figur 1b). För varje interaktion genererar vi konturplottet i POV-xnumx xnumx av vdW-diameteravståndet. Genom att jämföra konturplottet med den observerade densiteten i pre-proline Ramachandran-plottet identifierar vi de interaktioner som inducerar den bästa matchningen i gränserna (figur 6A, interaktionerna identifieras i Figur 2C). Vi fann att den bit som tagits ut ur den nedre vänstra delen av den observerade densiteten beror på Oi-1···C Kubi+1 sterisk konflikt. En annan begränsning av Al-och vitrysslandsregionerna beror på H * * * C Askori+1 sterisk konflikt.

vi överväger nästa de beroende interaktionerna i enlighet med den. I frekvensfördelningen före prolinen för prolin, fann vi tre distinkta toppar (nedre figur 6B). Toppen längst till vänster vid ~ -50 kg motsvarar regionen före prolin. Vi fokuserar på de två topparna i β-regionen 50° << 180° större topp inriktat på ψ ~ 150° motsvarar ßS regionen av de generiska Ramachandran plot. I den generiska Ramachandran-tomten begränsas denna region av C-regionen···O och C-regionen···ni+1 steriska sammandrabbningar. I pre-prolin, mindre topp inriktat på ψ ~ 70° motsvarar ζ regionen och förekommer i en region som skulle uteslutas av Cß···O * * sterisk clash. Istället är den mindre toppen avgränsad underifrån av N * * * C dB + 1 sterisk konflikt. Detta kan man se genom att jämföra fördelningen av kakor med modellkurvan för N * * * C * +1 jämfört med (mitten av figur 6B).

pre-Proline parametrar. (A) Ramachandran-tomten. De streckade linjerna visar de steriska sammandrabbningarna som definierar några av gränserna för de observerade tätheterna (se figur 2C). (B) fördelningen av olika interatomiska interaktioner som en funktion av taiwis. De streckade linjerna visar gränsen för vdW-diametrarna. Den solida grå linjen ger modellkurvan beräknad med ideal geometri. I botten är frekvensfördelningen av den vinkel som anges i tabellen.

med hjälp av parametrar från CHARMM22 beräknar vi Lennard-Jones 12-6-potentialen på grund av de reviderade steriska konflikterna (figur 7A). Lennard-Jones-potentialerna kan inte redogöra för regionen i regionen.

energiplottar i pre-prolin som en funktion av exporten till den. Energiplottar av (A) Lennard-Jones 12-6 potentialer för den reviderade uppsättningen steriska sammandrabbningar; COi-1···C usci usci + 1 dipol-dipol interaktioner när den efterföljande prolinringen är i (b) upp pucker och (c) ner pucker. De ljusa områdena visar regioner med låg energi.

interaktioner som stabiliserar den preproliniska regionen förubbleri

eftersom regionen förubbleri (lila i Figur 2B) bringar interaktionen C Förubbleri···O i sterisk konflikt, måste det finnas en kompensationsinteraktion som stabiliserar regionen förubbleri. Vad är denna interaktion? För att förstå denna interaktion betraktar vi en analogi med regionen i den generiska Ramachandran-tomten. I regionen, en förvrängd COi-1···HNI+1 vätebindning bildas, vilket bringar Hi + 1-atomen i kontakt med Oi-1-atomen. På samma sätt är oi-1-atomen i pre-prolin i kontakt med h-atomerna 1-och h-2-atomerna (se figur 4b; Tabell 1), vilket tyder på att COi-1-gruppen interagerar med C-gruppen+1-gruppen i den efterföljande prolinen.

kan C-gruppen C-C-H-1 interagera med coi-1? En sådan interaktion skulle falla under klassen av ch···o svag vätebindning, en väldokumenterad interaktion i proteiner . Studier av den svaga vätebindningen CH···o använder ett avståndskriterium för d (H···O) < 2,8 kcal . Det finns lite vinkelberoende som finns i ch * * * o-bindningen runt H-atomen där ett vinkelkriterium för 2x OHX > 90 används ofta. Detta är mycket mer tillåtet än geometrin för den kanoniska vätebindningen. I Tabell 1 listar vi vätebindningsparametrarna för COi-1···C-växelverkan+1-interaktion i-regionen. Som proline kan ta på två olika stora konformationer, upp och ner pucker, mätningar av geometri COi-1···C usci + 1 interaktion måste också delas upp i termer av upp och ner pucker. Den observerade geometrin hos COi-1···C-geometrin i enlighet med de geometriska kriterierna för den svaga vätebindningen (Tabell 1).

som COi-1···C Usbi Usbi + 1 svag vätebindning är en nära kontakt, vi måste modellera interaktionen för att förstå dess beroende av vinklarna för export-usbi. För modellering, Vi anser strategier som har använts för den analoga COi-1···HNI + 1 vätebindning. COi-1···HNI + 1 vätgasbindning har modellerats i kvantmekaniska studier där det visade sig vara den minsta energikonformationen i vakuum . Ett enklare tillvägagångssätt, som modellerade vätebindningen med elektrostatiska dipol-dipolinteraktioner, finner också ett minimum i regionen .

här modellerar vi COi-1···C Usbi + 1 svag vätebindning som en elektrostatisk dipol-dipolinteraktion (se metoder). Hur modellerar vi C-gruppen+1 som en elektrostatisk dipol? Bhattacharyya och Chakrabarti fann att, av CH-grupperna i prolin, bildar C-gruppen av de mest ch···o-vätebindningarna. C-Kubiatomen sitter bredvid den elektronuttagande n-atomen och är sålunda surare än de andra C-atomerna. Följaktligen placerar vi en liten negativ partiell laddning på C-Kubi-atomen. I vår modell hittar vi ett energiminimum i regionen för både upp-pucker (figur 7B) och ned-pucker (figur 7C). Vi drar slutsatsen att COi-1···C + 1h + 1I + 1 svag vätebindning stabiliserar regionen i före prolin.