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°.
**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.

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
------------------------

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 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, 2003Ramachandranov diagram pre všeobecný prípad. Dáta pochádzajú od Lovella, 2003
* Ramachandranov diagram pre glycínRamachandranov diagram pre glycín
* Ramachandranov diagram pre prolínRamachandranov diagram pre prolín
* Ramachandranov diagram pre pre-prolínRamachandranov diagram pre pre-prolín

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 & 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:

* 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, 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).

Referencie
----------

1. 1 2  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. 1 2   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. 1 2   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
-----

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