Wikipédia

Ramachandranov diagram

Ramachandranov diagram[1][2] je spôsob vizualizácie energeticky povolených hodnôt pre dihedrálne uhly φ a ψ (fí a psí) aminokyselín v štruktúre proteínu. Pôvodne ho vytvorili G. N. Ramachandran, C. Ramakrishnan a V. Sasisekharan v roku 1963.[1][3] Na jednotlivých osách Ramachandranovho diagramu sú zobrazené dihedrálne uhly. Zvýraznené regióny potom zobrazujú hodnoty, ktoré typicky nadobúdajú dihedrálne uhly v polypeptidových reťazcoch. Tieto uhly sú preferované, pretože pri nich nedochádza k prekryvu atómov alebo inému stérickému bráneniu. V niektorých miestach naopak dochádza k tvorbe vodíkových väzieb, ktoré stabilizujú štruktúru proteínu (dochádza teda k tvorbe sekundárnych štruktúr).

Pôvodné regióny z Ramachandranových výpočtov s aktualizovanými názvami regiónov a osami.
Dihedrálne uhly polypeptidového reťazca, φ, ψ a ω. V tomto obrázku majú všetky tri uhly hodnotu 180°.

Obrázok na ľavej strane zobrazuje definíciu dihedrálnych uhlov φ a ψ v polypeptidovom reťazci[4] (Ramachandran tieto uhly označoval ako φ a φ'). Dihedrálny uhol φ je definovaný atómami C'-N-Cα-C' (je to teda uhol otáčania okolo väzby N-Cα) a dihedrálny uhol ψ je definovaný atómami N-CA-C'-N (je to teda uhol otáčania okolo väzby Cα-C'). Obrázok zobrazuje i uhol ω (omega), avšak ten má zvyčajne hodnotu 180° (alebo výnimočne 0°), pretože čiastočný charakter dvojitej väzby drží túto peptidovú väzbu v planárnom usporiadaní.[5] Obrázok vpravo ukazuje povolené konformácie uhlov φ a ψ podľa výpočtov Ramachandrana a kolektívu s použitím guľového modelu: celými čiarami je znázornený plný polomer, čiarkovane je znázornený zmenšený polomer a bodkovane je znázornený uvoľnený uhol tau (N-Cα-C).[6] Keďže hodnoty dihedrálnych uhlov môžu byť od 0° do 360° a hodnota 0° je zhodná s 360°, spodná časť diagramu „pokračuje“ zase navrchu. Rovnako je to na ľavom a pravom okraji. Región znázornený úplne vľavo dole je napríklad pokračovaním regiónu v pravej hornej časti.

Použitie upraviť

Ramachandranov diagram sa dá využiť dvomi rozdielnymi spôsobmi. Jedným je ukážka teoretických hodnôt, alebo konformácií, ktoré môžu nadobúdať uhly φ a ψ pre jednotlivé aminokyselinové reziduá v proteíne. Druhým je ukážka empirickej distribúcie pozorovanej v konkrétnej štruktúre (napríklad obrázok vpravo), čo je možné využiť napríklad validáciu nameraných dát. V oboch prípadoch sa zvyčajne zobrazujú i regióny preferovaných hodnôt oboch uhlov.

 
Ramachandranov diagram generovaný z ľudského proteínu PCNA, trimérnej svorky DNA, ktorý obsahuje α helix i β listy (PDB 1AXC). Modré štvorčeky znázorňujú jednotlivé aminokyseliny. Regióny sú zvýraznené farebne: červenou sú preferované, hnedou povolené a žltou výnimočne povolené.

Preferencie aminokyselín upraviť

Dalo by sa predpokladať, že aminokyseliny s väčšími bočnými reťazcami budú mať menej voľný pohyb a teda i menší povolený región možných hodnôt v Ramachandranovom diagrame, ale bočné reťazce majú malý efekt na možné konformácie.[7] V skutočnosti najväčší efekt má prítomnosť (alebo neprítomnosť) metylénovej skupiny (-CH2-) na Cβ pozícii.[7] Glycín je jediná proteinogénna aminokyselina, ktorá nemá Cβ atóm a namiesto neho má vodíkový atóm, ktorý má omnoho menší van der Waalsov polomer v porovnaní s CH3, CH2 alebo CH skupinou. To je vidieť i v jeho Ramachandranovom diagrame - jeho pohyb je najmenej obmedzený zo všetkých aminokyselín a na rozdiel od ostatných nemá stranovú preferenciu. Opačný prípad platí pre aminokyselinu prolín, ktorý má päťčlenný kruh, ktorý spája Cα uhlík s kostrovým atómom N. Jeho pohyb je teda najviac obmedzený a má najmenšiu možnú kombináciu uhlov φ a ψ. Podobne, reziduum, ktoré sa v sekvencii nachádza pred prolínom (pre-prolín), má obmedzený pohyb oproti bežným prípadom.

Ramachandranov diagram je pre proteinogénne L-aminokyseliny asymetrický práve kvôli prítomnosti Cβ atómu. Tento atóm nepovoľuje niektoré konformácie a výrazne obmedzuje pohyb a natočenie väzieb na Cα atóme. Práve kvôli tejto asymetrii vzniká silná preferencia pravotočivých helixov (ľavotočivé helixy sú naopak preferované D-aminokyselinami).

  •  
    Ramachandranov diagram pre všeobecný prípad. Dáta pochádzajú od Lovella, 2003
  •  
    Ramachandranov diagram pre glycín
  •  
    Ramachandranov diagram pre prolín
  •  
    Ramachandranov diagram pre pre-prolín

Nedávne aktualizácie upraviť

Prvý Ramachandranov diagram bol spočítaný tesne po tom, čo bola určená prvá štruktúra na atómovom rozlíšení (myoglobín v roku 1960[8]), aj keď jeho závery boli robené na malomolekulovej kryštalografii krátkych peptidov. Teraz, desiatky rokov potom, existujú desaťtisíce proteínových štruktúr s vysokým rozlíšením určené pomocou röntgenovej kryštalografie a nahrané do Protein Data Bank (PDB). Mnohé štúdie využili tieto dáta na určenie presnejších diagramov (napr. Morris a kol. 1992;[9] Kleywegt & Jones 1996;[10] Hooft a kol. 1997;[11] Hovmöller a kol. 2002;[12] Lovell a kol. 2003;[13] Anderson a kol. 2005;[14] Ting a kol. 2010[15]).

Štyri obrázky v galérii vyššie zobrazujú dáta z veľkej sady štruktúr s vysokým rozlíšením. Sú v nich zvýraznené preferované a povolené konformačné regióny, konkrétne pre všeobecný prípad (okrem Gly, Pro a pre-Pro), pre glycín, pre prolín a pre pre-Pro (aminokyselinu pred prolínom v polypeptidovom reťazci).[13] Jednotlivé regióny sú označené bežne používaným označením:

  • α = α helix (pravotočivý)
  • Lα = ľavotočivý helix
  • β = β list
  • ppII = polyprolín II

Podobne sú tieto regióny popísané ABEGO systémom, kde každé písmeno názvu označuje jeden motív: α (a 310) helix (A), pravotočivé β listy (B), ľavotočivé β listy (E), ľavotočivý α helix (G) a nakoniec bežne nezobraziteľné cis-peptidové väzby (O), ktoré sa občas vyskytujú u prolínu. Tento systém sa niekedy využíva na klasifikáciu motívov,[16] ale častejšie na dizajnovanie proteínov.[17]

Aj keď Ramachandranov diagram bol učebnicovým príkladom na vysvetlenie štruktúrneho správania peptidovej väzby, podrobné skúmanie správania peptidov v každom regióne Ramachandranovho diagramu prebehlo až prednedávnom (2017).[18]

Oddelenie Molekulárnej Biofyziky na Indickom vedeckom inštitúte oslávilo 50 rokov Ramachandranovho diagramu[19] zorganizovaním Medzinárovnej konferencie biomolekulárnych foriem a funkcií v termíne 8. – 11. január 2013.[20]

Podobné nástroje upraviť

Podobným spôsobom je možné zobraziť dihedrálne uhly polysacharidov (napr. pomocou nástroja CARP Archivované 2019-05-05 na Wayback Machine).[21]

Referencie upraviť

  1. ↑ a b UHRÍKOVÁ, D. a kol.. Biofyzika - vybrané kapitoly [online]. [Cit. 2022-02-02]. S. 162. Dostupné online.
  2. ↑ Peptidová väzba a polypeptidový reťazec [online]. hugepdf.com, [cit. 2022-02-02]. Dostupné online. (po anglicky)
  3. ↑ Stereochemistry of polypeptide chain configurations. Journal of Molecular Biology, 1963, s. 95–9. DOI: 10.1016/S0022-2836(63)80023-6. PMID 13990617.
  4. ↑ RICHARDSON, J.S.. Anatomy and Taxonomy of Protein Structures. [s.l.] : [s.n.], 1981. ISBN 9780120342341. DOI:10.1016/S0065-3233(08)60520-3 The Anatomy and Taxonomy of Protein Structure, s. 167–339.
  5. ↑ The Structure of Proteins: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1951, s. 205–211. DOI: 10.1073/pnas.37.4.205. PMID 14816373.
  6. ↑ RAMACHANDRAN, G.N.; SASISKHARAN, V.. Conformation of polypeptides and proteins. [s.l.] : [s.n.], 1968. ISBN 9780120342235. DOI:10.1016/S0065-3233(08)60402-7 S. 283–437.
  7. ↑ a b The interrelationships of side-chain and main-chain conformations in proteins. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 2001, s. 1–102. DOI: 10.1016/S0079-6107(01)00005-0. PMID 11389934.
  8. ↑ Structure of myoglobin: a three-dimensional Fourier synthesis at 2Å resolution. Nature, 1960, s. 422–427. DOI: 10.1038/185422a0. PMID 18990802.
  9. ↑ Stereochemical quality of protein structure coordinates. Proteins: Structure, Function, and Genetics, 1992, s. 345–64. DOI: 10.1002/prot.340120407. PMID 1579569.
  10. ↑ Phi/psi-chology: Ramachandran revisited. Structure, 1996, s. 1395–400. DOI: 10.1016/S0969-2126(96)00147-5. PMID 8994966.
  11. ↑ Objectively judging the quality of a protein structure from a Ramachandran plot. Comput Appl Biosci, 1997, s. 425–430. DOI: 10.1093/bioinformatics/13.4.425. PMID 9283757.
  12. ↑ Conformations of amino acids in proteins. Acta Crystallographica D, 2002, s. 768–76. Dostupné online. DOI: 10.1107/S0907444902003359. PMID 11976487.
  13. ↑ a b Structure validation by Cα geometry: ϕ,ψ and Cβ deviation. Proteins: Structure, Function, and Genetics, 2003, s. 437–50. DOI: 10.1002/prot.10286. PMID 12557186.
  14. ↑ Main-chain conformational tendencies of amino acids. Proteins, 2005, s. 679–89. DOI: 10.1002/prot.20530. PMID 16021632.
  15. ↑ Neighbor-dependent Ramachandran probability distributions of amino acids developed from a hierarchical Dirichlet process model. PLOS Computational Biology, 2010, s. e1000763. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000763. PMID 20442867.
  16. ↑ Automatic Classification and Analysis of αα-Turn Motifs in Proteins. Journal of Molecular Biology, January 1996, s. 235–253. DOI: 10.1006/jmbi.1996.0020. PMID 8568871.
  17. ↑ Control over overall shape and size in de novo designed proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences, 6 October 2015, s. E5478–E5485. DOI: 10.1073/pnas.1509508112. PMID 26396255.
  18. ↑ An exhaustive survey of regular peptide conformations using a new metric for backbone handedness (h). PeerJ, 16 May 2017, s. e3327. Dostupné online [cit. 2017-05-18]. DOI: 10.7717/peerj.3327. PMID 28533975.
  19. ↑ 50th Anniversary of Ramachandran Plots [online]. Professor Laurence A. Moran, [cit. 2013-01-17]. Dostupné online.
  20. ↑ ICBFF-2013 [online]. MBU, IISc, Bangalore, [cit. 2013-01-28]. Dostupné online. Archivované 2013-01-15 z originálu.
  21. ↑ Carbohydrate Structure Suite (CSS): analysis of carbohydrate 3D structures derived from the PDB. Nucleic Acids Res, 2005, s. D242–246. DOI: 10.1093/nar/gki013. PMID 15608187.

Zdroj upraviť

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Ramachandran plot na anglickej Wikipédii.

Zdroj: „https://sk.wikipedia.org/w/index.php?title=Ramachandranov_diagram&oldid=7663066“