Ramachandranov diagram

Ramachandranov diagram 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. 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).
Obrázok na ľavej strane zobrazuje definíciu dihedrálnych uhlov φ a ψ v polypeptidovom reťazci (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. 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). 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.
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.
Preferencie aminokyselín.
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. V skutočnosti najväčší efekt má prítomnosť (alebo neprítomnosť) metylénovej skupiny (-CH2-) na Cβ pozícii. 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 -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 -aminokyselinami).
Nedávne aktualizácie.
Prvý Ramachandranov diagram bol spočítaný tesne po tom, čo bola určená prvá štruktúra na atómovom rozlíšení (myoglobín v roku 1960), 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; Kleywegt &amp; Jones 1996; Hooft a kol. 1997; Hovmöller a kol. 2002; Lovell a kol. 2003; Anderson a kol. 2005;"" Ting a kol. 2010")."
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). Jednotlivé regióny sú označené bežne používaným označením:
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, ale častejšie na dizajnovanie proteínov.
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).
Oddelenie Molekulárnej Biofyziky na Indickom vedeckom inštitúte oslávilo 50 rokov Ramachandranovho diagramu zorganizovaním Medzinárovnej konferencie biomolekulárnych foriem a funkcií v termíne 8. – 11. január 2013.
Podobné nástroje.
Podobným spôsobom je možné zobraziť dihedrálne uhly polysacharidov (napr. pomocou nástroja CARP ).