Sekundarna struktura proteina je trodimenzijska oblik lokalnnih segmenata proteina. Dva najčešća sekundarna strukturna elementa su alfa heliksi i beta listovi, mada se pojavljuju i P-listovi i omega petlja. Elementi sekundarne strukture obično se spontano formiraju kao intermedijar prije nego što se protein preklopi u njegovu trodimenziijsku tercijarnu strukturu.
Sekundarna struktura formalno je definirana uzorkom vodikovih veza između amino vodika i karboksil atoma kisika u peptidu kičmenog lanca. Sekundarna struktura može se alternativno definirati na temelju pravilnog obrasca njegovih dvokrakih uglova u određenom području Ramachandranovog plota bez obzira da li ima ispravne vodikove veze.Koncept sekundarne strukture prvi je uveo Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang u Stanfordu 1952.[1][2] Ostali tipovi biopolimera kao što je nukleinska kiselina također imaju karakteristike sekundarnih struktura
| Geometrijsko obilježje | α-heliks | 310 helix | π-heliks |
|---|---|---|---|
| Ostaci po okretu | 3,6 | 3,0 | 4,4 |
| Translacije po ostatku | 1,5 Å | 2,0 Å | 1,1 Å |
| Radijus heliksa | 2,3 Å | 1,9 Å | 2,8 Å |
| Nagib | 5,4 Å | 6,0 Å | 4,8 Å |
Najčešće sekundarne strukture su alfa heliksi i P-listovi. Za ostale helikse, poput 3 <10 heliksa i π heliksa, računa se da imaju energetski povoljne obrasce vezanja vodika, ali se rijetko primjećuju u prirodnim proteinima osim na krajevima α-helikonata zbog nepovoljnog pakovanja kičme u centri heliksa. Ostale proširene strukture kao što su poliprolinski heliks i a-list su rijetke u matičnom stanju proteina, ali često se hipotetiziraju kao važni intermedijari savijanje proteina. Uski okretaji i labave, fleksibilne petlje povezuju više "pravilnih" sekundarnih elemenata strukture. Slučajni heliks nije istinski sekundarna struktura, ali je klasa konformacija koje ukazuju na nepostojanje pravilne sekundarne strukture.
Aminokiseline razlikuju se u sposobnosti formiranja različitih elemenata sekundarne strukture. Prolin i glicin su ponekad poznati i kao „spiralni prekidači“ jer narušavaju pravilnost α-spiralne konformacije kičme; međutim, oba imaju neobične konformacijske sposobnosti i obično se nalaze u prometu. Aminokiseline koje preferiraju usvajanje heliksnu konformaciju u proteinima uključuju metionin, alanin, leucin, glutamat i lizin ("MALEK", oznake aminokiselina jednim slovom); nasuprot tome, veliki aromatski ostaci triptofana, tirozina i fenilalanina) i Cβ-razgranate aminokiseline (izoleucin, valin i treonin) češće prave konformacije. β-niti Međutim, ove postavke nisu dovoljno jake da proizvedu pouzdan metod predviđanja sekundarne strukture samo iz sekvence.
Smatra se da su skupne vibracije niske frekvencije osjetljive na lokalnu krutost proteina, otkrivajući da su beta strukture općenito kruće od alfa ili poremećenih proteina.[4][5] Mjerenja neutronskog raspršivanja direktno su povezala spektarsku karakteristiku na ~ 1 THz sa skupnim motivima sekundarne strukture proteina beta-bačvastog GFP.[6]
Obrasci vezanja vodika u sekundarnim strukturama mogu biti značajno narušeni, što otežava automatsko određivanje sekundarne strukture. Postoji nekoliko metoda za formalno definiranje sekundarne strukture proteina (npr. DSSP,[7] DEFINE,[8] STRIDE,[9] ScrewFit,[10] SST[11]).
Rječnik sekundarnih struktura proteina, ukratko DSSP, obično se koristi za opisivanje proteinske sekundarne strukture s kodovima s jednim slovom. Sekundarna struktura dodijeljena je na osnovu obrazaca vezanja vodika kao što su prvobitno predložili Pauling i sur. u 1951. (prije nego što je bilo koja struktura proteina ikada eksperimentalno određena). Postoji osam vrsta sekundarne strukture koju definira DSSP:
'Zavojnica' je često kodificirana kao (razmak), C (zavojnica) ili '–' (crtica). Svi heliksi (G, H i I) i listovi moraju imati razumnu dužinu. To znači da dva susjedna ostatka u primarnoj strukturi moraju formirati isti obrazac vezanja vodika. Ako je obrazac vezanja spiralne spiralne kiseline ili lima prekratak, označavaju se kao T ili B. Postoje druge kategorije dodjeljivanja sekundarnih struktura proteina (oštri zavoji, Omega petlja, itd.), Ali se rjeđe javljaju.
Sekundarna struktura je definirana vodikovim vezanjem, tako da je tačna definicija vodikove veze kritična. Definicija vodikove veze za sekundarnu strukturu je definicija DSSP, koja je čisto elektrostatsčki model. Ona određuje odgovarajući električni naboj ±q1 ≈ 0,42e do karbonilnog ugljika i kisika, i naboja ±q2 ≈ 0.20e na amidni vodik, odnosno dušik. Elektrostatska energija je:
Prema DSSP-u, vodik-veza postoji ako, i samo, ako je E manji od – 0,5 kcal / mol. Iako je DSSP formula relativno gruba aproksimacija „fizičke“ energije vodikove veze, općenito je prihvaćena kao alat za definiranje sekundarne strukture.
SST je metod pristrasnosti za dodjeljivanje sekundarne strukture podacima koordinatnih proteina pomoću kriterija interferencije Shannonove informacije o minimalnoj dužini poruke (MML. SST tretira bilo koje označavanje sekundarne strukture kao potencijalnu hipotezu koja pokušava objasniti (komprimiranje) datih podataka o koordinaciji proteina. Temeljna ideja je da je sekundarni strukturna uloga koja može objasniti (komprimiranja) koordinatama datih koordinata proteina na najekonomičniji način, povezivanjem zaključaka o sekundarnim strukturama sa kompresija podataka bez gubitaka. SST precizno razgrađuje bilo koji proteinski lanac u regijama povezanim sa sljedećim tipovima označavanja:[12]
SST otkriva π i 3 10 spiralne kape na standardnim α- heliksima i automatski sastavlja razne proširene nizove u konzistentne β-pločaste listove. Omogućuje čitljiv izlaz odlomljenih sekundarnih strukturnih elemenata i odgovarajuću PyMol učitljivi zapis za pojedinačnu vizualizaciju označenih sekundarnih strukturnih elemenata.
Grubi sadržaj sekundarne strukture biopolimera (npr., "Ovaj protein je 40% α-heliksa i 20% β-lista.") može se proceniti spektroskopski.[13] Za proteine je uobičajen metod daleko-ultraljubičasti (daleko UV, 170-250 nm) kružni dihroizam. Izraženi dvostruki minimum na 208 i 222 nm ukazuje na α-spiralnu strukturu, dok pojedinačni minimum na 204 nm ili 217 nm odražava strukturu slučajnih zavojnica, odnosno β-listova. Manje uobičajen metod je infracrvena spektroskopija koja otkriva razlike u oscilacijama veze amidnih grupa zbog vezanja vodika. Konačno, sadržaj sekundarne strukture može se precizno procijeniti koristeći hemijski pomak inicijalno neodređenog NMR spektra.[14]
Sekundarne strukture, i proteina i nukleinskih kiselina, mogu se koristiti u poravnavanju višestrukih sekvenci. Ta poravnanja mogu se učiniti preciznijim uključivanjem informacija sekundarne strukture pored jednostavnih informacija o sekvenci. Ovo je ponekad manje korisno u RNK jer je uparivanje baza mnogo više očuvano od ekvence. Udaljeni odnosi između proteina čije su primarne strukture ponegdje neuskladive ponekad se mogu pronaći i pomoću sekundarne strukture.Pokazalo se da su α-heliksi stabilniji, otporniji na mutacije i znakovitiji od β lanaca u prirodnim proteinima.[15] na taj način oblikovanje funkcionalnih proteina all-α vjerojatno će biti lakše od dizajniranja proteina s heliksima i sa lancima, što je nedavno i eksperimentalno potvrđeno.[16]