مكتبة الروتامر المعتمدة على العمود الفقري

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة
مكتبة المتصاوغات الدورانية المعتمدة على العمود الفقري للسيرين . يوضح كل رسم بياني نسبة المتصاوغات الدورانية χ1 للسيرين كدالة لزوايا ثنائي السطوح φ و ψ للعمود الفقري

في الكيمياء الحيوية ، توفر مكتبة الروتامرات المعتمدة على الهيكل الأساسي ترددات ومتوسط ​​زوايا ثنائي السطوح والانحرافات المعيارية للتكوينات المنفصلة (المعروفة باسم الروتامرات ) للسلاسل الجانبية للأحماض الأمينية في البروتينات كدالة لزوايا ثنائي السطوح φ و ψ للهيكل الأساسي في خريطة راماشاندران . في المقابل، تعبر مكتبات الروتامرات غير المعتمدة على الهيكل الأساسي عن ترددات ومتوسط ​​زوايا ثنائي السطوح لجميع السلاسل الجانبية في البروتينات، بغض النظر عن تكوين الهيكل الأساسي لكل نوع من الأحماض الأمينية. وقد ثبت أن لمكتبات الروتامرات المعتمدة على الهيكل الأساسي مزايا كبيرة على مكتبات الروتامرات غير المعتمدة على الهيكل الأساسي، لا سيما عند استخدامها كمعامل طاقة، وذلك من خلال تسريع أوقات البحث لخوارزميات تعبئة السلاسل الجانبية المستخدمة في التنبؤ ببنية البروتين وتصميمه . [ 1 ]

تاريخ

طُوِّرت أول مكتبة للروتامرات المعتمدة على العمود الفقري في عام 1993 على يد رولاند دنبراك للمساعدة في التنبؤ بالإحداثيات الديكارتية للسلاسل الجانبية للبروتين، وذلك بمعرفة الإحداثيات الديكارتية المُحدَّدة تجريبيًا أو المُتوقَّعة لسلسلته الرئيسية. [2] استُخلصت المكتبة من هياكل 132 بروتينًا من بنك بيانات البروتين بدقة 2.0 أنغستروم أو أفضل . وقد وفرت المكتبة عدد وتكرارات روتامرات χ1 أو χ1 + χ2 لـ 18 حمضًا أمينيًا (باستثناء بقايا الجليسين والألانين ، لعدم امتلاكهما زاوية ثنائية السطوح χ1 ) لكل خانة 20° × 20° من خريطة راماشاندران (φ، ψ = -180° إلى -160°، -160° إلى -140° ، إلخ).

في عام ١٩٩٧، قدّم دنبراك وفريد ​​إي. كوهين من جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو مكتبةً للروتامرات تعتمد على العمود الفقري، مُستمدة من الإحصاءات البايزية . [ ٣ ] أتاح النهج البايزي إمكانية تعريف توزيع بايزي مسبق لترددات الروتامرات في كل خانة ١٠° × ١٠°، وذلك بافتراض استقلال التأثيرات الفراغية والكهروستاتيكية لزوايا ثنائي السطوح φ و ψ. إضافةً إلى ذلك، استُخدمت نواة دورية بدورية ١٨٠° لحساب السلاسل الجانبية على بُعد ١٨٠° في كل اتجاه من الخانة محل الاهتمام. وباعتبارها أسًا لدالة sin² ، فقد تصرفت بشكلٍ مشابه لتوزيع فون ميزس الشائع استخدامه في الإحصاءات الاتجاهية . أُتيحت مكتبة عام ١٩٩٧ للجمهور عبر شبكة الإنترنت العالمية في نفس العام، ووُظّفت مبكرًا في التنبؤ ببنية البروتين [ ٤ ] وتصميم البروتينات . [ 5 ] تم تحديث المكتبة المشتقة من الإحصاءات البايزية في عام 2002 [ 6 ]

مكتبة المتصاوغات الدورانية المعتمدة على العمود الفقري للفينيل ألانين . يوضح كل رسم بياني نسبة المتصاوغات الدورانية χ1 للفينيل ألانين كدالة لزوايا ثنائي السطوح φ و ψ للعمود الفقري

تستخدم العديد من برامج النمذجة، مثل Rosetta ، مكتبة روتامرات تعتمد على الهيكل الأساسي كدالة تقييم (عادةً ما تكون على شكل E=-ln(p(rotamer( i ) | φ,ψ)) للروتامر رقم i ، وتعمل على تحسين بنية الهيكل الأساسي للبروتينات عن طريق تقليل طاقة الروتامر باستخدام مشتقات احتمالات اللوغاريتم بالنسبة إلى φ وψ. [ 7 ] يتطلب هذا دوال احتمالية سلسة ذات مشتقات سلسة، لأن معظم خوارزميات التحسين الرياضي تستخدم المشتقات الأولى، وأحيانًا الثانية، وستعلق في الحد الأدنى المحلي على الأسطح الخشنة. في عام 2011، نشر شابوفالوف ودونبراك مكتبة روتامرات سلسة تعتمد على الهيكل الأساسي، مشتقة من تقديرات كثافة النواة وانحدارات النواة باستخدام نواة توزيع فون ميزس على متغيرات φ وψ. [ 8 ] يتم التعامل مع درجات الحرية غير الروتامرية (زوايا ثنائية السطوح التي لا تتعلق بروابط sp3 - sp3 ، مثل تم تحسين نموذج كثافة احتمالية الزاوية ثنائية السطوح لكل من الأسباراجين والأسبارتات ( χ 2 ) ، والفينيل ألانين ، والتيروسين ، والهيستيدين ، والتريبتوفان (χ 2 )، والجلوتامين والجلوتامات ( χ 3 ) من خلال نمذجة كثافة احتمالية الزاوية ثنائية السطوح لكل منها كدالة لـ χ 1 (أو χ 1 و χ 2 للجلوتامين والجلوتامات) و φ و ψ. وتُعد هذه الدوال في جوهرها انحدارات لكثافة احتمالية دورية على سطح حلقي .

إضافةً إلى التحليل الإحصائي للهياكل في بنك بيانات البروتين ، يمكن أيضًا استخلاص مكتبات الروتامر المعتمدة على العمود الفقري من محاكاة الديناميكا الجزيئية للبروتينات، كما هو موضح في مكتبة الديناميات من مجموعة فاليري داجيت البحثية. [ 9 ] ولأن هذه المكتبات تعتمد على أخذ عينات من المحاكاة، فإنها قادرة على توليد أعداد أكبر بكثير من نقاط البيانات عبر مناطق خريطة راماشاندران التي تكون قليلة الكثافة في الهياكل التجريبية، مما يؤدي إلى دلالة إحصائية أعلى في هذه المناطق. وتعتمد مكتبات الروتامر المستخلصة من المحاكاة على مجال القوة المستخدم فيها. وقد بُنيت مكتبة الديناميات على محاكاة باستخدام مجال قوة ENCAD الذي وضعه ليفيت وآخرون عام 1995. [ 10 ]

اعتماد مجموعات الروتامر على العمود الفقري

التفاعلات الفراغية التي تؤثر على تفضيلات المتصاوغات الدورانية المعتمدة على بنية العمود الفقري للسلاسل الجانبية للأحماض الأمينية، موضحة في إسقاط نيومان.

يعود تأثير بنية العمود الفقري على ترددات دوران السلاسل الجانبية بشكل أساسي إلى التنافر الفراغي بين ذرات العمود الفقري، التي يعتمد موضعها على الزاويتين φ و ψ، وذرات غاما الثقيلة (الكربون، أو الأكسجين، أو الكبريت) في السلاسل الجانبية لكل نوع من أنواع الأحماض الأمينية (أنواع ذرات PDB: CG، CG1، CG2، OG، OG1، SG). يحدث هذا التنافر في تراكيب يمكن التنبؤ بها، وتعتمد على الزوايا ثنائية السطوح التي تربط ذرات العمود الفقري بذرات السلاسل الجانبية. [ 11 ] [ 3 ] تحدث هذه التفاعلات الفراغية عندما تشكل الزوايا ثنائية السطوح الرابطة زوجًا من الزوايا ثنائية السطوح بقيم {-60°، +60°} أو {+60°، -60°}، بطريقة مشابهة لظاهرة تداخل البنتان . على سبيل المثال، ترتبط ذرة النيتروجين في البقايا i+1 بذرة غاما الثقيلة في أي سلسلة جانبية بواسطة مجموعة متصلة من 5 ذرات: N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cγ(i). الزاوية ثنائية السطوح N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i) تساوي ψ + 120°، و C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cγ(i) تساوي χ 1 - 120°. عندما تكون ψ تساوي -60° و χ 1 تساوي +60° (المتماثل الدوراني g+ للسلسلة الجانبية)، يحدث تفاعل فراغي بين N(i+1) و Cγ لأن الزوايا ثنائية السطوح التي تربط بينهما هي N(i+1)-C(i)-Cα(i)-Cβ(i) = ψ + 120° = +60°، و C(i)-Cα(i)-Cβ(i)-Cγ(i) = χ 1 - 120° = -60°. ويحدث التفاعل نفسه عندما تكون ψ تساوي 0° و χ 1 تساوي 180° (المتماثل الدوراني trans للسلسلة الجانبية). ويؤدي أكسجين الكربونيل في البقايا i الدور نفسه عندما تكون ψ = -60° للمتماثل الدوراني g+ وعندما تكون ψ = 180° للمتماثل الدوراني trans. وأخيرًا، تحدث تفاعلات تعتمد على φ بين ذرات السلسلة الجانبية الثقيلة γ في متصاوغات g- و g+ من جهة، وكربون الكربونيل للبقايا i-1 وذرة ثقيلة γ، وبين NH العمود الفقري للبقايا i وشريكها في الرابطة الهيدروجينية من جهة أخرى.

التفاعلات الفراغية بين السلاسل الجانبية والرئيسية التي تؤثر على توزيعات مخطط راماشاندران للأحماض الأمينية. البيانات خاصة بحمض الليسين الأميني.

يمكن ملاحظة التفاعلات المعتمدة على φ وψ بين ذرات العمود الفقري وذرات الكربون الجانبية (Cγ) في توزيع المشاهدات في مخطط راماشاندران لكل متماثل دوراني χ1 ( المُشار إليه في الشكل). عند هذه المواضع، تنخفض أعداد المتماثلات الدورانية في مخطط راماشاندران بشكل ملحوظ. ويمكن تلخيصها كما يلي:

اعتماد تفاعلات العمود الفقري/السلسلة الجانبية على φ وψ
روتامرN(i+1)O(i)
g+ψ = -60°ψ = +120°
عبرψ = 180°ψ = 0°
روتامرC(i-1)رابطة هيدروجينية مع NH(i)
g+φ = +60°φ = -120°
جي-φ = -180°φ = 0°
مكتبة المتصاوغات الدورانية المعتمدة على العمود الفقري للفالين . يوضح كل رسم بياني نسبة المتصاوغات الدورانية χ1 للفالين كدالة لزوايا ثنائي السطوح φ و ψ للعمود الفقري

تتميز أنواع السلاسل الجانبية التي تحتوي على ذرتين ثقيلتين (فالين، إيزولوسين، ثريونين) بتفاعلات تعتمد على العمود الفقري مع كلتا الذرتين الثقيلتين. يمتلك الفالين CG1 عند χ1 و CG2 عند χ1 + 120°. نظرًا لأن التكوينين g+ وg- للفالين يتفاعلان فراغيًا مع العمود الفقري بالقرب من ψ=120° و-60° (نطاقات ψ الأكثر شيوعًا)، فإن الفالين هو الحمض الأميني الوحيد الذي يكون فيه المتصاوغ الدوراني t (χ1 ~ 180°) هو الأكثر شيوعًا. عند معظم قيم φ وψ، يُسمح بمتصاوغ دوراني واحد فقط للفالين (كما هو موضح في الشكل). يمتلك الإيزولوسين CG1 عند χ1 و CG2 عند χ1 -120 °. يمتلك الثريونين OG1 عند χ1 و CG2 عند χ1 -120 °.

الاستخدامات

تُستخدم مكتبة الروتامر المعتمدة على العمود الفقري لدونبراك في عدد من البرامج للتنبؤ ببنية البروتين والتصميم الحاسوبي، بما في ذلك:

مراجع

  1. ↑ هوانغ، إكس؛ بيرس، آر؛ تشانغ، واي (2020). "نحو دقة وسرعة تعبئة السلاسل الجانبية للبروتين: دراسة منهجية على مكتبات الروتامر" . مجلة المعلومات الكيميائية والنمذجة . 60 (1): 410-420 . doi : 10.1021/acs.jcim.9b00812 . PMC 7938712. PMID 31851497. تاريخ الاسترجاع: 18 فبراير 2021 .  
  2. ↑ دانبراك، آر إل جونيور؛ كاربلوس، إم (1993). "مكتبة الروتامرات المعتمدة على العمود الفقري للبروتينات. تطبيق على التنبؤ بالسلاسل الجانبية". مجلة البيولوجيا الجزيئية . 230 (2): 543-74 . doi : 10.1006/jmbi.1993.1170 . PMID 8464064 . 
  3. 1 2 دانبراك، آر إل جونيور؛ كوهين، إف إي (1997). "التحليل الإحصائي البايزي لتفضيلات متماثلات السلاسل الجانبية للبروتين" . علم البروتين . 6 (8): 1661-81 . doi : 10.1002/pro.5560060807 . PMC 2143774. PMID 9260279 .  
  4. ↑ باور، إم جيه؛ كوهين، إف إي؛ دنبراك، آر إل جونيور (1997). "التنبؤ بتشكيلات السلاسل الجانبية للبروتين من مكتبة تشكيلات تعتمد على الهيكل الأساسي: أداة جديدة لنمذجة التماثل". مجلة البيولوجيا الجزيئية . 267 (5): 1268-1282 . doi : 10.1006/jmbi.1997.0926 . PMID 9150411 . 
  5. ↑ كولمان، ب؛ بيكر، د (2000). "تسلسلات البروتين الأصلية قريبة من المثالية لبنيتها" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 97 (19): 10383-8 . Bibcode : 2000PNAS...9710383K . doi : 10.1073 / pnas.97.19.10383 . PMC 27033. PMID 10984534 .  
  6. ↑ دانبراك، آر إل جونيور (2002). "مكتبات الروتامر في القرن الحادي والعشرين". الرأي الحالي في البيولوجيا الهيكلية . 12 (4): 431-440 . doi : 10.1016/s0959-440x(02)00344-5 . PMID 12163064 . 
  7. ألفورد ، آر إف؛ ليفر-فاي، إيه؛ جيليازكوف، جيه آر؛ أوميرا، إم جيه؛ ديمايو، إف بي ؛ بارك، إتش؛ شابوفالوف، إم في؛ رينفرو، بي دي؛ موليجان، في كيه؛ كابل، كيه؛ لابونتي، جيه دبليو؛ باسيللا، إم إس؛ بونو، آر؛ برادلي، بي؛ دنبراك، آر إل؛ داس، آر؛ بيكر، دي؛ كولمان، بي؛ كورتيمي، تي؛ جراي، جيه جيه (13 يونيو 2017). "دالة طاقة روزيتا لجميع الذرات لنمذجة وتصميم الجزيئات الكبيرة" . مجلة نظرية الحساب الكيميائي . 13 (6): 3031-3048 . doi : 10.1021/acs.jctc.7b00125 . PMC 5717763 . PMID 28430426 .  
  8. ↑ شابوفالوف، إم في؛ دنبراك، آر إل جونيور (2011). "مكتبة روتامرات بروتينية مُنعّمة تعتمد على العمود الفقري، مُستمدة من تقديرات كثافة النواة التكيفية والانحدارات" . ستراكشر . 19 ( 6): 844-858 . doi : 10.1016/j.str.2011.03.019 . PMC 3118414. PMID 21645855 .  
  9. ↑ تاوز، كلير لويز؛ ريسافي، ستيفن جيه؛ فولوفيتش، إيفان إم؛ داجيت، فاليري (5 يناير 2016). " مكتبات روتامر ديناميكية جديدة: تحليل قائم على البيانات لميول التشكيل الجانبي" . ستراكشر . 24 (1): 187-199 . doi : 10.1016/j.str.2015.10.017 . ISSN 0969-2126 . PMC 4715459. PMID 26745530 .   
  10. ↑ ليفيت، مايكل؛ هيرشبيرغ، ميريام؛ شارون، روث؛ داجيت، فاليري (1995). "دالة طاقة الوضع ومعاملاتها لمحاكاة الديناميكا الجزيئية للبروتينات والأحماض النووية في المحلول" . مجلة اتصالات الفيزياء الحاسوبية . 91 (1): 215-231 . Bibcode : 1995CoPhC..91..215L . doi : 10.1016/0010-4655(95)00049-L .
  11. ↑ دانبراك، آر إل جونيور؛ كاربلوس، إم (1994). "تحليل توافقي لتفضيلات المتصاوغات الدورانية المعتمدة على العمود الفقري للسلاسل الجانبية للبروتين" . مجلة نيتشر للبيولوجيا التركيبية . 1 (5): 334-340 . doi : 10.1038/nsb0594-334 . ISSN 1545-9985 . PMID 7664040. S2CID 9157373 .   
  12. ↑ ووترهاوس، أ؛ بيرتوني، م؛ بينيرت، س؛ ستودر، ج؛ تاورييلو، ج؛ جوميني، ر؛ هير، ف ت؛ دي بير، ت أ ب؛ ريمبفر، س؛ بوردولي، ل؛ ليبور، ر؛ شويدي، ت (2018). "SWISS-MODEL: نمذجة التماثل لهياكل البروتينات ومعقداتها" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 46 (W1): W296– W303 . doi : 10.1093/nar/gky427 . PMC 6030848. PMID 29788355 .  
  13. ↑ ستودر، جي؛ تاورييلو، جي؛ بينيرت، إس؛ بياسيني، إم؛ جونر، إن؛ شويدي، تي (2021). "ProMod3 - مجموعة أدوات متعددة الاستخدامات لنمذجة التماثل" . مجلة PLOS لعلم الأحياء الحاسوبي . 17 (1) e1008667. Bibcode : 2021PLSCB..17E8667S . doi : 10.1371/journal.pcbi.1008667 . PMC 7872268. PMID 33507980 .  
  14. ↑ كيلي، إل إيه؛ ميزوليس، إس؛ ييتس، سي إم؛ واس، إم إن؛ ستيرنبرغ، إم جيه (2015). " بوابة Phyre2 الإلكترونية لنمذجة البروتينات والتنبؤ بها وتحليلها" . بروتوكولات الطبيعة . 10 (6): 845-858 . doi : 10.1038/nprot.2015.053 . PMC 5298202. PMID 25950237 .  
  15. ↑ برنامج OpenEye العلمي. "تشكيلات الجزيئات الكبيرة - مجموعات الأدوات - جافا" . مجموعة أدوات OEChem 3.1.0.0 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 فبراير 2021 .
  16. ^ كريجر، إي. “نمذجة السلسلة الجانبية للبروتين في YASARA” . www.yasara.org . ياسارا العلوم البيولوجية . تم الاسترجاع في 10 فبراير 2021 .
  17. ↑ هيو، ل؛ بارك، هـ؛ سيوك، ج (2013). "GalaxyRefine: تحسين بنية البروتين مدفوعًا بإعادة ترتيب السلاسل الجانبية" . أبحاث الأحماض النووية . 41 (عدد خادم الويب): W384-8. doi : 10.1093/nar/gkt458 . PMC 3692086. PMID 23737448 .  
  18. ↑ كريڤوف، جورجي ج.؛ شابوفالوف، ماكسيم ف.؛ دنبراك، رولاند ل. (2009). "تحسين التنبؤ بتكوينات السلاسل الجانبية للبروتين باستخدام SCWRL4" . البروتينات : التركيب، الوظيفة، والمعلوماتية الحيوية . 77 (4): 778-795 . doi : 10.1002/prot.22488 . ISSN 1097-0134 . PMC 2885146. PMID 19603484 .   
  19. ↑ هوانغ، إكس؛ بيرس، آر؛ تشانغ، واي (2020). "EvoEF2: دالة طاقة دقيقة وسريعة لتصميم البروتينات الحاسوبي" . المعلوماتية الحيوية . 36 (4): 1135-1142 . doi : 10.1093/bioinformatics/btz740 . PMC 7144094. PMID 31588495 .  
  20. ↑ كولب، دانيال و. "Rotamer Toggle - PyMOLWiki" . pymolwiki.org . اتحاد SBGrid . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 فبراير 2021 .
  21. ↑ بيترسن، إي إف؛ جودارد، تي دي؛ هوانغ، سي سي؛ مينغ، إي سي؛ كوتش، جي إس؛ كرول، تي آي؛ موريس، جيه إتش؛ فيرين، تي إي. "أدوات روتامر (كيميرا إكس)" . دليل مستخدم كيميرا إكس . جامعة كاليفورنيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 فبراير 2021 .