Protein ikincil yapısı

Biyokimya ve yapısal biyolojide ikincil yapı, protein veya nükleik asit (DNA/RNA) gibi biyopolimerlerin yerel parçalarının genel, üç boyutlu  biçimleridir. Buna karşın, atomlarının üç boyutlu uzaydaki konumları üçüncül yapı tanımlamasına girer.
İkincil yapının resmî tanımı, bir biyopolimerin hidrojen bağı yapıları ile tanımlanabilir; bunlar atomik çözünürlüklü bir yapı aracılığıyla ile belirlenir. Proteinler durumunda, ikincil yapı, protein omurgasındaki amit ve karboksil grupları arasındaki hidrojen bağlarının örüntüsü ile tanımlanır. Nükleik asitlerde, ikincil yapı azolu bazlar arasındaki hidrojen bağlarının örüntüsü ile tanımlanır. Bazen hidrojen bağı örüntülerinde önemli distosiyon olabilir, böyle durumlarda ikincil yapının otomatik öngörüsü zor olabilir.
Proteinlerde ikincil yapı Ramachandran grafiğininin belli bir bölgesindeki omurga dihedral açılar örüntüsüne bağlı olarak da tanımlanabilir. Yani, bu dihedral açılara sahip bir amino asit kalıntılarından oluşan bir protein parçası, sarmal (heliks) olarak adlandırılabilir, gerçekten doğru hidrojen bağlarına sahip olup olmadığına bakılmaksızın. Genelde, yapısı çözülmüş bir proteinin PDB dosyasında onun ikincil yapısı da belirtilir.
Bir biyopolimerin ikincil yapı içeriği (örneğin "bu protein %40 α-sarmal ve %20 β-yapraktır" demek gibi) çoğu zaman spektroskopik olarak kestirilebilir. Proteinler için yaygın bir yöntem, uzak mor-ötesi (170-250 nm) dairesel dikroizmdir. 208 ve 222 nm'de belirgin bir çifte minimum, α-sarmal yapıya işaret eder, buna karşın 204 nm veya 217 nm'de tek bir minimum, sırasıyla, rastgele sarım veya β-yaprak yapının işaretidir. Daha ender kullanılan bir yöntem, kizilötesi spektrodkopisidir, bununla hidrojen bağlanmasına duyarlı olan amit gruplarının osilasyonlarına bakılır. İkincil yapı içeriğini hassas şekilde kestirmek için kullanılan bir diğer yöntem de, Nükleer manyetik rezonans spektrumundaki bazı kimyasal kaymalara bakmaktır.
ikincil yapı terimi 1952'de Stanford Universitesi'nde bulunan Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang tarafından türetilmiştir.

Protein ikincil yapı öngörüsü

Protein üçüncül yapısını sadece amino asit dizisine dayanarak öngörmek çok zorlu bir problemdir (bakınız protein yapı öngörüsü), ama basit ikincil yapı tanımlamalarını kullanmak daha çözümlenebilir bir problemdir ve uzun zamandır bir araştırma konusu olmuştur.
8-halli DSSP şifresi, bir proteindeki hidrojen bağlanma örüntülerindeki çeşitliliğin bir sadeleştirmesidir. Buna rağmen, ikincil yapı öngörü yöntemlerinin çoğu, daha da ileri giderek, bunları üç ana hâle indirgerler: Sarmal, Yaprak ve Sarım. 8 halden 3 hale dönüşümün nasıl yapıldığı yöntemden yönteme değişir. İkincil yapı öngürüsünün ilk geliştirilen yöntemleri, her bir amino asitin sarmal veya yaprak oluşturma eğilimine dayanıyordu; bazen buna ek olarak, ikincil yapı elemanlarının oluşum serbest enerjisini kestirmek için kurallar da dahi ediliyordu. Bu yöntemler, bir amino asit kalıntısının üç hâlden (sarmal/yaprak/sarım) hangisini benimseyeceğini öngörmekte %60 oranında başarılıydı. Daha sonraları, çoklu dizi hizalamasından yararlanılarak doğruluk oranında önemli bir artış elde edildi (%80'e). Evrimsel olarak birbiriyle ilişkili olan proteinlerin belli bir pozisyonda (ve onun civarında, tipik olarak her iki tarafındaki 7 pozisyonda) yer alabilecek tüm amino asit kalıntılarının dağılımını bilmek, o konum yakınındaki yapısal eğilimler hakkında çok daha iyi bir fikir verir. Örneğin, bir proteinin belli bir konumundan bir glisin olması, orada bir rastgele sarım olduğunu ima edebilir. Ancak, çoklu dizi hizalaması kullanılarak, bir milyar yıllık evrimsel mesafe ile birbirine akraba olan proteinler incelendiğinde, bu proteinlerin %95'inde, o konumda (ve yakın pozisyonlarda) sarmal tercih eden amino asitlerin bulunduğu görülebilir. Üstelik, o ve yakınındaki konumlardaki ortalama hidrofobisite, aynı dizi hizalaması ile incelendiğinde, kalıntıların solvent erişilirliğinin bir α-sarmal yapı ile tutarlılık gösterdiği görülebilir. Bu bilgiler toplu olarak değerlendirildiğinde, söz konusu proteindeki glisinin rastgele sarım değil, α-sarmal bir yapıya ait olması muhtemel bulunur. Mevcut tüm verileri katıştırarak 3-hâlli bir öngörü yapan çeşitli yöntemler vardır, bunların arasında yapay sinir ağları, gizli Markov modelleri ve destek vektör makinaları bulunur. Modern öngörü yöntemleri ayrıca her bir pozisyon için bir güven skoru da verir.
İkincil yapı öngörülerinin karşılaştırmalı olarak değerlendirildiği, örneğin EVA EVA deneyi gibi, çeşitli girişimler vardır. Yaklaşık 270 haftalık bir deneme süreci sonucunda, hâlen en hatasız yöntemler PSIPRED, SAM, PORTER, PROF ve SABLE olarak belirlenmiştir. İlginçtir, bu farklı yöntemlerin konsensusunu alarak daha iyi bir sonuç çıkmamaktadır. β-yaprakların öngörüsü hâlâ ilerlemeye ihtiyaç gösteren bir konudur; güvenle β-yaprak olduğu öngörülen amino asit kalıntılarının çoğunlukla gerçekten öyle oldukları bulunmuştur, ama bu yöntemler bazı β-yaprakları kaçırmaktadır, yani sahte negatifler vardır. Öngürü doğruluğunun muhtemelen %90 seviyesinde bir üst sınır vardır, DSSP'nin ikincil yapı sınıflarını (sarmal/yaprak/sarım) PDB yapıları ile eşleştirmesinin ayrıntıları nedeniyle.
Hatasız ikincil yapı öngörüsü, çok basit homoloji modelleme vakaları haricinde, üçüncül yapının öngörüsü için temel bir unsurdur. Örneğin, 6 ikincil yapı elemanlı βαββαβ örüntüsü, ferredoksin katlamasının imzası sayılır.

Hizalama

Hem protein hem nükleik asit ikincil yapıları, çoklu dizi hizlamasına yardımcı olmakta kullanılabilir. Sadece basit dizi bilgisi değil, ikincil yapı bilgisi de dahi edilerek bu hizalamaların daha doğru olması sağlanabilir. Bu yaklaşım, RNA için o kadar faydalı olmayabilir çünkü baz eşleşmesi, diziden çok daha fazla korumalıdır. Birincil yapıları hizalanmayacak kadar birbirinden evrimsel olarak ıraksamış proteinlerin ikincil yapılarına bakılarak aralarındaki akrabalıklar bazen fark edilebilir.