Вторична структура на белковините

Вторична (секундарна) структура на белковините — тридимензионална форма на ''локални сегменти'' од белковинската молекула. Двата најчести елемента на вторичната структура на белковините се алфа-завојницаите и бета плочите, а често се среќаваат и бета свијоците и омега петелките. Елементите на вторичната структура обично спонтано настануваат пред белковината да се склопи во својата тридимензионална третична структура.
Вторичната структура на белковините ја создаваат водородните врски помеѓу водородните атоми од аминогрупите и кислородните атоми од карбоксилните групи, кои влегуваат во состав на пептидниот ’рбет на белковинската молекула. Но без разлика дали ги поседува точните водородни врски, вторичната структура може на друг начин да биде дефинирана врз основа на правилниот распоред на диедарските агли на пептидниот ’рбет во одреден регион на Рамачандрановиот дијаграм.
Концептот на вторична структура за првпат бил воведен од Кај Улрик Линдерстром-Ланг, при универзитетот Стенфорд, во 1952 година. Други видови на биополимери, како што се нуклеинските киселини, исто така поседуваат карактеристични вторични структури.
1 Типови
+ Структурни одлики на трите главни форми на белковински завојници, Геометриски атрибут, α-завојница, 3<sub>10</sub>-завојница, π-завојница
Остатоци по свртување, 3.6, 3.0, 4.4
Транслација по остаток
Полупречник на завојница
Највисока точка
Најчестите типови на вторична структури се алфа-завојницаите и бета плочите. Другите видови на хелиски, како што се 3<sub>10</sub>-завојницата и π-завојницата, пресметано е дека имаат енергетски поволни обрасци на водородно поврзување, но тие ретко се среќаваат кај природните белковини, освен на краевите на α завојниците, поради неповолниот начин на пакување во центарот на завојницата. Други издолжени структури како што се полипролинската завојница и алфа-плочата се ретки во нативната состојба на белковините, но се смета дека се важни интермедиери при процесот на склопување на белковините. Тесните свијоци и лабавите, флексибилни петелки ги поврзуваат почестите елементи на вторичната структура. Случајниот навој не е вистинска вторична структура, но спаѓа во класата на конформации кои означуваат отсуство на вообичаена вторична структура.
Аминокиселините се разликуваат по нивната способност да формираат различни елементи на вторичната структура. Пролинот и глицинот се познати како „прекинувачи на завојница“, бидејќи ја нарушуваат регуларноста на α завојната конформација на полипептидниот ’рбет; сепак, и двете имаат невообичаени конформациски способности и најчесто се наоѓаат во свијоците. Аминокиселини кои имаат тенденција да образуваат завојни конформации во белковините се метионинот, аланинот, леуцинот, глутаминската киселина и лизинот (познати како „MALEK“, според едно-буквениот аминокиселински код). Спротивно на нив, големите ароматични остатоци (триптофан, тирозин и фенилаланин) и C<sup>β</sup>-разгранетите аминокиселини (изолеуцин, валин и треонин) имаат тенденција да образуваат конформации на β-нишка. Сепак, овие параметри не се доволно јаки за да се создаде сигурен метод за предвидување на вторичната структура на белковината само од нејзината аминокиселинска низа.
Се смета дека нискочестотните колективни вибрации се чувствителни на локалната ригидност во белковините, што открива дека бета структурите се општо поригидни од алфа структурите или неструктурираните белковини. Мерења на неутронско расејување директно ја имаат поврзано спектралната одлика на ~1 THz со колективните движења на вторичната структура на GFP белковината со бета-цилиндар структура.
Обрасците на водородното врзување во вторичните структури можат да бидат значително изобличени, што го отежнува автоматското одредување на вторичната структура. Постојат неколку методи за формално дефинирање на вторичната структура на белковините (на пр., DSSP (hydrogen bond estimation algorithm), DEFINE, STRIDE (Structural identification), ScrewFit, SST).
1.1 DSSP класификација
Резимето на вторичната белковинска структура (анг. Dictionary of Protein Secondary Structure, скратено DSSP) често се користи за опишување на вторичната структура на белковините со единечни букви. Детерминирањето на вторичната структура е врз основа на обрасци на водородно поврзување, како оние кои првично биле предложени од Полинг и соработниците во 1951 година (пред да биде експериментално добиена првата белковинска структура). DSSP дефинира осум типови на вторична структура:
* G = Завојница со свртување од 3 аминокиселини (3<sub>10</sub>-завојница). Минимална должина од 3 аминокиселински остатоци.
* H = Завојница со свртување од 4 аминокиселини (α-завојница). Минимална должина од 4 аминокиселински остатоци.
* I = Завојница со свртување од 5 аминокиселини (π-завојница). Минимална должина од 5 аминокиселински остатоци.
* T = водородно поврзан свијок (3, 4 или 5 свијок)
* E = издолжена нишка со паралелна и/или антипаралелна конформација на β-плоча. Минимална должина од 2 аминокиселински остатоци.
* B = остаток во изолиран β-мост (формирање на водородна врска од единечен пар на β-плоча)
* S = кривина (единствена назнака во која не учествуваат водородни врски).
* C = навој (аминокиселински остатоци кои не припаѓаат на ниедна од горенаведените конформации).
„Навојот“ е често кодифициран како ' ' (простор), C (coil) или '–' (црта). Завојните (G, H и I) и плочестите конформации мора да имаат некоја минимална должина за да можат да се формираат. Тоа значи дека два соседни аминокиселински остатоци во првичната структура мора да го формираат истиот образец на водородни поврзувања. Ако завојниот или плочестиот образец на водородни поврзувања е премногу краток, тие се означуваат како T или B, соодветно. Постојат и други категории на вторична структура (остри свијоци, омега петелки, итн.), но тие не се користат толку често.
Вторичната структура е дефинирана со водородната врска, па затоа критична е точната дефиниција за водородна врска. Стандардната дефиниција за водородна врска на вторичната структура е дефиницијата на DSSP, која е строго електростатички модел. Таа назначува полнежи од  ±''q''<sub>1</sub> ≈ 0.42''e'' за карбонилниот јаглерод и кислород, соодветно, и полнежи од ±''q''<sub>2</sub> ≈ 0.20''e'' за амидниот водород и азот, соодветно. Електростатичката енергија е
:<math>
E = q_{1} q_{2}
\left( \frac{1}{r_\mathrm{ON + \frac{1}{r_\mathrm{CH - \frac{1}{r_\mathrm{OH - \frac{1}{r_\mathrm{CN \right) \cdot 332 \text{ kcal/mol}.
</math>
Според DSSP, водородна врска постои ако и само ако ''E'' изнесува помалку од . Иако формулата на DSSP е релативно груба апроксимација на ''физичката'' енергија на водородна врска, таа е општо прифатена како средство за дефинирање на вторичната структура.
1.2 SST класификација
е Бајесова метода за доделување на вторична структура на податоци за белковинските координати со употреба на Шеноновиот информативен критериум за изведување на минимална должина на порака (анг. Minimum Message Length, MML). SST ја третира било која назнака за вторична структура како потенцијална хипотеза која се обидува да објасни (компресира) дадени податоци за координати на белковина. Основната идеја е дека најдоброто назначување за вторична структура е она кое може да ги објасни (компресира) координатите на дадените белковински координати на најекономичен начин, на тој начин поврзувајќи го изведувањето на вторичната структура со компресијата на податоци без загуби. SST точно го одбележува било кој белковински синџир во региони со следните типови на назнаки:
* E = (Издолжена) нишка на β-набрана плоча
* G = Десногир 3<sub>10</sub>-завојница
* H = Десногир α-завојница
* I = Десногир π-завојница
* g = Левогир 3<sub>10</sub>-завојница
* h = Левогир α-завојница
* i = Левогир π-завојница
* 3 = 3<sub>10</sub>-сличен свијок
* 4 = α-сличен свијок
* 5 = π-сличен свијок
* T = Неодреден свијок
* C = Навој
* - = Неназначен остаток
ги открива π и 3<sub>10</sub> завојните капи на стандардните α-завојници, и автоматски ги сложува различните издолжени нишки во доследни β-набрани плочи.
2 Експериментално одредување
Содржината на вторични структури во молекулата на еден биополимер (на пример, 40% α-завојница и 20% β-плоча) може спектроскопски грубо да се процени. Заеднички метод за белковините е ултравиолетовиот (170-250 nm) циркуларен дихроизам. Изразен двоен минимум на 208 и 222 nm укажува на α-завојна структура, додека еден минимум на 204 nm или 217 nm укажува на структура на случаен навој или β-плоча, соодветно. Поретко се користи инфрацрвена спектроскопија, која ги детектира разликите во осцилациите на врските на амидните групи кои настануваат поради водородното поврзување. Содржината на вторичната структура може точно да се процени и со помош на хемиски шифт на првично неназначен NMR спектар.
3 Предвидување
Предвидувањето на третичната структура на белковините само од аминокиселинската низа (низа) е предизвикувачки потфат (види предвидување на структурата на белковините), но користењето на поедноставните дефиниции за вторична структура е попрактично.
Раните методи за предвидување на вторичната структура биле ограничени на предвидување на трите доминантни вторични структури: завојница, плоча или случаен навој. Овие методи биле засновани на склоностите на поединечни аминокиселини за формирање на завојница или плоча, понекогаш заедно со правилата за проценка на слободната енергија за формирање на елементите на вторичната структура. Првите широко употребувани техники за предвидување на вторичната структура на белковините од нивната аминокиселинска низа биле методот на Чоу-Фасман и GOR методот (Garnier-Osguthorpe-Robson). Иако овие методи тврделе дека постигнуваат ~60% точност во предвидувањето на некоја од трите состојби (завојница/плоча/навој), слепите компјутерски процени подоцна покажале дека вистинската точност е многу помала.
Значително зголемување на точноста (до речиси ~80%) било овозможено со употреба на порамнување на повеќе низи; знаејќи ја целосната дистрибуција на аминокиселините кои се јавуваат на одредена позиција (и во нејзината околина, обично ~7 остатоци од двете страни) низ еволуцијата дава многу подобра слика за структурните тенденции во близина на таа позиција. За илустрација, дадена белковина може да има глицин на одредена позиција, што само по себе може да сугерира случаен навој. Меѓутоа, порамнувањето на повеќе низи може да открие дека аминокиселини кои имаат тенденција да формираат завојница се јавуваат на таа позиција (и во близина) во 95% од хомологни белковини во тек на речиси милијарда години еволуција. Покрај тоа, со испитување на просечната хидрофобност на таа и блиските позиции, истото порамнување може исто така да сугерира шема на достапност на остатоците на растворувач во согласност со α-завојница. Земени заедно, овие фактори би сугерирале дека глицинот од изворната белковина зазема α-завојна структура, а не случаен навој. Неколку типови на методи се користат за комбинирање на сите расположливи податоци за да се добие предвидување на трите состојби, вклучувајќи ги невралните мрежи (анг. Neural network), скриен марков модел (анг. Hidden Markov Model (HMM)) и машини на поддржувачки вектор (анг. Support vector machine). Модерните методи за предвидување, исто така, обезбедуваат оценка на доверба за нивните предвидувања на секоја позиција.
Методите за предвидување на вторична структура биле проценети од и континуирано проценувани, на пример од ЕВА (бенчмарк). Врз основа на овие тестови, најпрецизни методи биле Psipred, SAM, PORTER, PROF и SABLE.
Точното предвидување на вторичната структура на белковините е клучен елемент во предвидувањето на третичната структура на белковините, во сите, освен во наједноставните (хомолошко моделирање) случаи. На пример, предвидената шема на шест елементи на вторичната структура βαββαβ е сигурен знак дека станува збор за фередоксински склоп.
4 Поврзано
* Структура на белковините
* Првична структура на белковините
*Третична структура на белковините
* Четвртична структура на белковините
*α-завојница
*β-плоча
*3<sub>10</sub>-завојница
*π-завојница
*Свијок
5 Наводи