Карта Рамачандрана

В биохимии карта Рамачандрана (также известная как график Рама, диаграмма Рамачандрана или график [φ,ψ]), первоначально разработанная в 1963 году Г.Н. Рамачандраном, К. Рамакришнаном и В. Сасисекхараном^[1], представляет собой способ визуализирования энергетически разрешенных областей для двугранных углов ψ основной цепи в зависимости от φ аминокислотных остатков в структуре белка. Рисунок слева иллюстрирует определение основных двугранных углов φ и ψ^[2] (названных Рамачандраном φ и φ'). Угол ω при пептидной связи обычно составляет 180°, поскольку характер частичной двойной связи сохраняет пептидную связь плоской^[3]. На рисунке вверху справа показаны разрешенные конформационные области φ,ψ основной цепи из публикации Ramachandran et al. Расчеты твердых сфер^[англ.] 1963 и 1968 годов: полный радиус обозначен сплошным контуром, уменьшенный радиус — пунктиром, а ослабленный угол тау (N-Cα-C) — пунктирными линиями^[4]. Поскольку значения двугранного угла являются круглыми, а 0° соответствует 360°, края графика Рамачандрана «заворачиваются» справа налево и снизу вверх. Например, небольшая полоска разрешенных значений вдоль нижнего левого края графика является продолжением большой области расширенной цепочки в левом верхнем углу.

Remove ads

Использование

Карту Рамачандрана можно использовать двумя различными способами. Один из них — теоретически показать, какие значения или конформации углов ψ и φ возможны для аминокислотного остатка в белке (как показано вверху справа). Во-вторых, с помощью карты можно показать эмпирическое распределение точек данных, наблюдаемых в одной структуре (как здесь справа) при использовании для проверки структуры или в базе данных, состоящей из многих структур (как на трех нижних графиках слева). Любой случай обычно отображается на фоне теоретически предпочтительных регионов.

Remove ads

Аминокислотные предпочтения

Можно было бы ожидать, что более крупные боковые цепи приведут к большему количеству ограничений и, следовательно, к меньшей допустимой области на графике Рамачандрана, но эффект боковых цепей невелик^[5]. На практике основным наблюдаемым эффектом является наличие или отсутствие метиленовой группы у Cβ^[5]. Глицин имеет только атом водорода в боковой цепи с гораздо меньшим радиусом Ван-дер-Ваальса, чем группы CH₃, CH₂ или CH, которые начинают боковую цепь всех других аминокислот. Следовательно, он наименее ограничен, и это видно на графике Рамачандрана для глицина (см. График Gly в галерее), для которого допустимая область значительно больше. Напротив, график Рамачандрана для пролина с его 5-членной кольцевой боковой цепью, соединяющей Cα с основной цепью N, показывает ограниченное количество возможных комбинаций ψ и φ (см. график Pro в галерее). Остаток, предшествующий пролину («препролин»), также имеет ограниченные комбинации по сравнению с общим случаем.

Remove ads

Более свежие обновления

Суммиров вкратце

Перспектива

Первый график Рамачандрана был рассчитан сразу после того, как была определена первая структура белка с атомным разрешением (миоглобин, в 1960 году^[6]), хотя выводы были основаны на низкомолекулярной кристаллографии коротких пептидов. Теперь, много десятилетий спустя, существуют десятки тысяч белковых структур высокого разрешения, определённых с помощью рентгеновской кристаллографии и депонированных в Банке данных белков (PDB). Многие исследования использовали эти данные для создания более подробных и точных графиков φ,ψ (например, Morris et al. 1992^[7]; Kleywegt & Jones 1996^[8]; Hooft et al. 1997^[9]; Hovmöller et al. 2002^[10]; Lovell et al. 2003^[11]; Anderson et al. 2005. ^[12]; Ting et al. 2010^[13]).

Четыре фигуры ниже показывают данные из большого набора высокоразрешительных структур и контур для предпочтительных и разрешенных конформационных областей для общего случая (все аминокислоты, кроме Gly, Pro и pre-Pro), для Gly и для Pro.^[14] Наиболее распространенные области маркируются: α для α-геликси, Lα для леворучной геликси, β для β-лист и ppII для полипролина II. Такой кластер описывается альтернативно в системе ABEGO, где каждая буква представляет собой α (и 3₁₀) спираль, правые β-листы (и расширенные структуры), левые спиральники, левые листы и, наконец, неразрывные пептидные цис-связи, которые иногда встречаются с пролином; он использовался при классификации мотивов^[15] и в последнее время для проектирования белков.^[16]

Хотя график Рамачандрана был учебным пособием для объяснения структурного поведения пептидной связи, исчерпывающее исследование того, как пептид ведет себя в каждой области графика Рамачандрана, было опубликовано лишь недавно (Mannige 2017^[17]).

Отделение молекулярной биофизики Индийского института науки отметило 50-летие карты Рамачандрана^[18], организовав Международную конференцию по биомолекулярным формам и функциям 8-11 января 2013 года^[19].