Struktur sekunder protein

Struktur sekunder protein ialah bentuk (konformasi) tiga dimensi segmen tempatan protein. Dua elemen struktur sekunder yang paling biasa ialah heliks alfa dan helaian beta, walaupun belitan beta dan gelung omega juga berlaku. Unsur struktur sekunder biasanya terbentuk secara spontan sebagai perantara sebelum protein berlipat ke dalam struktur tertier tiga dimensinya.

Struktur sekunder secara formal ditakrifkan oleh corak ikatan hidrogen antara hidrogen amino dan atom oksigen karboksil dalam tulang belakang peptida. Struktur sekunder boleh ditakrifkan secara alternatif berdasarkan corak biasa sudut dihedral tulang belakang di kawasan tertentu plot Ramachandran tanpa mengira sama ada ia mempunyai ikatan hidrogen yang betul.

Konsep struktur sekunder mula diperkenalkan oleh Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang di Stanford pada 1952. Jenis biopolimer lain seperti asid nukleik juga mempunyai ciri struktur sekunder.

Jenis 

Struktur sekunder paling biasa ialah heliks alfa dan helaian beta. Heliks lain, seperti heliks 310 dan heliks π, dikira mempunyai corak ikatan hidrogen yang mampu berdasarkan tenaga, tetapi jarang diperhatikan dalam protein semula jadi, kecuali di hujung heliks α disebabkan pemampatan tulang belakang yang tidak elok di tengah-tengah heliks. Struktur lanjutan lain seperti heliks poliprolina dan kepingan alfa jarang ditemui dalam protein keadaan asal, tetapi sering dihipotesiskan sebagai perantara lipatan protein yang penting. Pusingan ketat dan belokan fleksibel yang longgar memautkan elemen struktur sekunder yang lebih "biasa". Gegelung rawak bukanlah struktur sekunder yang benar, tetapi merupakan kelas konformasi yang menunjukkan ketiadaan struktur sekunder biasa.

Asid amino berbeza dalam keupayaannya untuk membentuk pelbagai unsur struktur sekunder. Prolina dan glisina kadangkala dikenali sebagai "pemutus heliks" kerana ia mengganggu keteraturan konformasi tulang belakang heliks α; walau bagaimanapun, kedua-duanya mempunyai kebolehan konformasi yang luar biasa dan lazimnya ditemui dalam pusingan. Asid amino yang lebih suka menggunakan konformasi heliks dalam protein termasuk metionina, alanina, leusina, glutamat dan lisina ("MALEK" dalam kod 1 huruf asid amino ); Sebaliknya, sisa aromatik besar (triptofan, tirosina dan fenilalanina) dan asid amino bercabang Cβ (isoleusina, valina dan treonina) lebih cenderung ke arah konformassi helaian. Walau bagaimanapun, keutamaan ini tidak cukup kuat untuk menghasilkan kaedah yang boleh dipercayai untuk meramalkan struktur sekunder daripada jujukan semata-mata.

Klasifikasi DSSP 
Kamus Struktur Sekunder Protein (DSSP, Dictionary of Protein Secondary Structure), biasanya digunakan untuk menerangkan struktur sekunder protein dengan kod huruf tunggal. Struktur sekunder diberikan berdasarkan corak ikatan hidrogen seperti yang dicadangkan oleh Pauling et al. pada tahun 1951 (sebelum sebarang struktur protein pernah ditentukan menerusi eksperimen). Terdapat lapan jenis struktur sekunder yang ditakrifkan oleh DSSP:

 G = heliks 3 pusingan (heliks 310). Panjang minimum 3 sisa.
 H = heliks 4 pusingan (heliks alfa). Panjang minimum 4 sisa.
 I = heliks 5 pusingan (heliks pi). Panjang minimum 5 sisa.
 T = pusingan terikat hidrogen (3, 4 atau 5 pusingan)
 E = untaian lanjutan dalam helaian beta bentuk selari dan/atau antiselari. Panjang minimum 2 sisa.
 B = sisa dalam jambatan beta terpencil (pembentukan ikatan hidrogen helaian beta pasangan tunggal)
 S = bengkokan (satu-satunya bahagian tak berasaskan ikatan hidrogen).
 C = gegelung (sisa yang tidak berada dalam mana-mana konformasi di atas).

Ramalan 
Ramalan struktur tertier protein daripada hanya urutan asid aminonya merupakan masalah yang sangat mencabar, tetapi menggunakan takrifan struktur sekunder yang lebih mudah adalah lebih mudah dikendalikan.

Kaedah awal ramalan struktur sekunder dihadkan untuk meramalkan tiga keadaan dominan: heliks, helaian, atau gegelung rawak. Kaedah ini adalah berdasarkan kecenderungan pembentukan heliks atau helaian dalam kalangan asid amino individu, kadangkala digabungkan dengan peraturan untuk menganggar tenaga bebas untuk membentuk unsur struktur sekunder. Teknik pertama yang digunakan secara meluas untuk meramalkan struktur sekunder protein daripada jujukan asid amino ialah kaedah Chou-Fasman dan kaedah GOR. Walaupun kaedah sedemikian mendakwa mencapai ketepatan ~60% dalam meramalkan yang mana antara tiga keadaan (heliks/helaian/gegelung) sisa yang diguna pakai, penilaian pengkomputeran membuta-tuli kemudiannya menunjukkan bahawa ketepatan sebenar adalah jauh lebih rendah.

Peningkatan ketara dalam ketepatan (kepada hampir ~80%) telah dibuat dengan mengeksploitasi penjajaran jujukan berbilang; pengetahuan taburan penuh asid amino yang berlaku pada kedudukan (dan di sekitarnya, biasanya ~7 sisa pada kedua-dua belah) sepanjang evolusi memberikan gambaran yang lebih baik tentang kecenderungan struktur berhampiran kedudukan itu. Sebagai ilustrasi, protein tertentu mungkin mempunyai glisina pada kedudukan tertentu, yang dengan sendirinya mungkin mencadangkan gegelung rawak di sana. Walau bagaimanapun, penjajaran jujukan berbilang mungkin mendedahkan bahawa asid amino yang memihak kepada heliks berlaku pada kedudukan itu (dan kedudukan berdekatan) dalam 95% protein homolog yang merangkumi hampir satu bilion tahun evolusi. Selain itu, dengan mengkaji kehidrofobikan purata pada satu kedudukan serta kawasan sekitar, penjajaran sama mungkin juga mencadangkan corak kebolehcapaian pelarut sisa yang konsisten dengan heliks alfa. Diambil bersama, faktor-faktor ini akan mencadangkan bahawa glisina pada protein asal membentuk struktur α-heliks, bukannya gegelung rawak. Beberapa jenis kaedah digunakan untuk menggabungkan semua data yang tersedia untuk membentuk ramalan tiga keadaan, termasuk rangkaian neural, model Markov tersembunyi dan mesin vektor sokongan. Kaedah ramalan moden juga memberikan skor keyakinan dalam ramalan mereka pada setiap kedudukan.

Ramalan struktur sekunder yang tepat ialah elemen utama dalam ramalan struktur tertier dalam semua kes kecuali yang paling mudah (pemodelan homologi). Sebagai contoh, corak enam elemen struktur sekunder βαββαβ yang diramalkan dengan yakin ialah tanda lipatan feredoksin.

Aplikasi 
Kedua-dua protein dan struktur sekunder asid nukleik boleh digunakan untuk membantu dalam penjajaran jujukan berbilang. Penjajaran ini boleh dibuat lebih tepat dengan memasukkan maklumat struktur sekunder sebagai tambahan kepada maklumat jujukan mudah. Ini kadangkala kurang berguna dalam RNA kerana pasangan asas adalah lebih terpelihara daripada jujukan. Hubungan jauh antara protein dengan struktur primer yang tidak sejajar kadangkala boleh ditemui oleh struktur sekunder.

Telah ditunjukkan bahawa α-heliks adalah lebih stabil dan kalis mutasi dan mudah direka bentuk daripada β-helai dalam protein semula jadi, dan dengan itu, mereka bentuk protein alfa keseluruhan yang berfungsi mungkin lebih mudah daripada mereka bentuk protein dengan kedua-dua heliks dan helaian; ini telah disahkan secara eksperimen baru-baru ini.

Rujukan

Bacaan lanjut 
 
Stereokimia
Struktur protein
Laman-laman dengan terjemahan-terjemahan yang belum disemak