Index chemického posunu - Chemical shift index

Příklad indexu chemického posunu

The index chemického posunu nebo CSI je široce používanou technikou v proteinová nukleární magnetická rezonanční spektroskopie které lze použít k zobrazení a identifikaci místa (tj. začátku a konce) a také typu sekundární struktura bílkovin (beta řetězce, šroubovice a oblasti náhodných cívek) nalezené v proteinech pouze s využitím páteře chemický posun data [1][2] Tuto techniku ​​vynalezl Dr. David Wishart v roce 1992 k analýze 1Chemické posuny Hα a poté ho v roce 1994 rozšířil o začlenění 13C páteřní posuny. Původní metoda CSI využívá skutečnosti, že 1Hα chemické posuny aminokyselinových zbytků v šroubovice má tendenci být posunutý směrem nahoru (tj. směrem k pravé straně spektra NMR) vzhledem k jejich náhodným hodnotám cívek a směrem dolů (tj. směrem k levé straně spektra NMR) v beta vlákna. Podobné druhy trendů upfield / downfiled jsou také patrné v páteři 13C chemické posuny.

Implementace

CSI je technika založená na grafech, která v podstatě využívá digitální filtr specifický pro aminokyseliny k převodu každé přiřazené hodnoty chemického posunu páteře do jednoduchého třístavového (-1, 0, +1) indexu. Tento přístup generuje lépe pochopitelný a vizuálně příjemnější graf hodnot chemických posunů proteinů. Zejména v případě, že upfield 1Chemický posun Hα (ve vztahu k hodnotě náhodné cívky specifické pro aminokyselinu) určitého zbytku je> 0,1 ppm, pak je tomuto aminokyselinovému zbytku přiřazena hodnota -1. Podobně, pokud sestupné pole 1Chemický posun Hα určitého aminokyselinového zbytku je> 0,1 ppm, potom je tomuto zbytku přiřazena hodnota +1. Pokud je zbytek aminokyseliny chemický posun není posunuto směrem dolů nebo nahoru o dostatečné množství (tj. <0,1 ppm), je mu dána hodnota 0. Když je tento 3-stavový index vykreslen jako sloupcový graf po celé délce proteinové sekvence, může jednoduchá kontrola umožnit jeden pro identifikaci řetězců beta (shluky hodnot +1), alfa helixy (shluky hodnot -1) a segmenty náhodných cívek (shluky hodnot 0). Seznam aminokyselinových specifických chemických posunů náhodných cívek pro výpočty CSI je uveden v tabulce 1. Příklad grafu CSI pro malý protein je uveden na obrázku 1, přičemž šipky umístěné nad černými pruhy označujícími umístění řetězců beta a obdélníkový rámeček označující umístění šroubovice.

Tabulka 1. Specifické pro zbytky CSI 1Posunutí náhodných cívek Hα
Aminokyselina1Náhodný posun cívky Hα (ppm)Aminokyselina1Hα RC shift náhodný posun cívky (ppm)
Ala (A)4.35Setkal (M)4.52
Cys (C)4.65Asn (N)4.75
Asp (D)4.76Pro (P)4.44
Glu (E)4.29Gln (Q)4.37
Phe (Ž)4.66Arg (R)4.38
Gly (G)3.97Ser (S)4.50
Jeho (H)4.63Thr (T)4.35
Ile (I)3.95Val (V)3.95
Lys (K)4.36Trp (W)4.70
Leu (L)4.17Tyr (Y)4.60

Výkon

Pouze pomocí 1Chemické posuny Hα a jednoduchá pravidla shlukování (shluky 3 nebo více svislých pruhů pro řetězce beta a shluky 4 nebo více svislých pruhů pro alfa šroubovice) je CSI při identifikaci sekundárních struktur typicky přesná o 75-80%.[2][3][4][5] Tento výkon částečně závisí na kvalitě souboru dat NMR a také na technice (manuální nebo programové) použité k identifikaci sekundárních struktur proteinů. Jak je uvedeno výše, metoda CSI konsensu, která filtruje změny chemického posunu směrem nahoru / dolů, v 13Ca, 13Cp a 13C 'atomy podobným způsobem jako 1Byly také vyvinuty posuny Hα.[2] Konsenzuální CSI kombinuje grafy CSI z páteře 1Ruka 13Chemické posuny C pro generování jediného grafu CSI. Může to být až 85-90% přesné.[5]

Dějiny

Souvislost mezi chemickými posuny proteinů a sekundární strukturou proteinu (konkrétně alfa helixy) byla poprvé popsána v John Markley a kolegové v roce 1967.[6] S vývojem moderních 2-dimenzionálních NMR technik bylo možné měřit více proteinových chemických posunů. Vzhledem k tomu, že počátkem 80. let bylo přidělováno více peptidů a proteinů, bylo brzy zřejmé, že chemické posuny aminokyselin jsou citlivé nejen na helikální konformace, ale také na konformace β-řetězce. Konkrétně sekundární 1Chemické posuny Hα všech aminokyselin vykazují jasný trend směrem nahoru při tvorbě šroubovice a zřejmý trend směrem dolů při tvorbě β-listu.[7][8] Na počátku 90. let bylo k dispozici dostatečné množství 13C a 15Bylo shromážděno N přiřazení chemického posunu pro peptidy a proteiny, aby se zjistilo, že podobné trendy upfield / downfield byly patrné v podstatě pro všechny páteře 13Ca, 13Cβ, 13C', 1HN a 15N (slabě) chemické posuny.[9][10] Právě tyto poměrně nápadné trendy chemických posunů byly využity při vývoji indexu chemických posunů.

Omezení

Metoda CSI není bez některých nedostatků. Zejména jeho výkon klesá, pokud jsou přiřazeny chemické posuny chybně odkazováno nebo neúplné. Je také docela citlivý na výběr náhodných posunů cívek použitých k výpočtu sekundárních posunů[5] a obecně identifikuje alfa šroubovice (> 85% přesnost) lépe než beta řetězce (<75% přesnost) bez ohledu na volbu náhodných posunů cívky.[5] Metoda CSI dále neidentifikuje jiné druhy sekundárních struktur, jako jsou β-otáčky. Kvůli těmto nedostatkům byla navržena řada alternativních přístupů podobných CSI. Mezi ně patří: 1) predikční metoda, která využívá statisticky odvozené potenciály chemického posunu / struktury (PECAN);[11] 2) pravděpodobnostní přístup k identifikaci sekundární struktury (PSSI);[12] 3) metoda, která kombinuje předpovědi sekundární struktury z dat sekvence a dat chemického posunu (PsiCSI),[13] 4) přístup k identifikaci sekundární struktury, který používá předem určené vzorce chemických posunů (PLATON)[14] a 5) dvojrozměrný shluková analýza metoda známá jako 2DCSi.[15] Výkon těchto novějších metod je obecně o něco lepší (2–4%) než původní metoda CSI.

Užitečnost

Od svého původního popisu v roce 1992 se metoda CSI používá k charakterizaci sekundární struktury tisíců peptidů a proteinů. Jeho popularita je do značné míry způsobena tím, že je snadno srozumitelný a lze jej implementovat bez potřeby specializovaných počítačových programů. I když lze metodu CSI snadno provést ručně, řada běžně používaných programů pro zpracování dat NMR, jako je NMRView,[16] Webové servery pro generování struktury NMR, jako např CS23D[17] stejně jako různé webové servery pro analýzu dat NMR, jako je RCI,[18] Predátor[19] a PANAV [20] začlenili metodu CSI do svého softwaru.

Viz také

Reference

  1. ^ Wishart DS, Sykes BD, Richards FM (únor 1992). "Index chemického posunu: rychlá a jednoduchá metoda pro přiřazení sekundární struktury proteinu pomocí NMR spektroskopie". Biochemie. 31 (6): 1647–51. CiteSeerX  10.1.1.539.2952. doi:10.1021 / bi00121a010. PMID  1737021.
  2. ^ A b C Wishart, David S .; Sykes, Brian D. (1994). „The 13C Index chemického posunu: Jednoduchá metoda pro identifikaci sekundární struktury proteinu pomocí 13C údaje o chemickém posunu ". Journal of Biomolecular NMR. 4 (2): 171–80. doi:10.1007 / BF00175245. PMID  8019132.
  3. ^ Wishart DS, případ DA (2001). "Využití chemických posunů při stanovení makromolekulární struktury". Jaderná magnetická rezonance biologických makromolekul, část A. Metody v enzymologii. 338. s. 3–34. doi:10.1016 / s0076-6879 (02) 38214-4. ISBN  9780121822392. PMID  11460554.
  4. ^ Mielke SP, Krishnan VV (duben 2009). "Charakterizace sekundární struktury proteinu z NMR chemických posunů". Pokrok ve spektroskopii nukleární magnetické rezonance. 54 (3–4): 141–165. doi:10.1016 / j.pnmrs.2008.06.002. PMC  2766081. PMID  20160946.
  5. ^ A b C d Wishart DS (únor 2011). "Interpretace údajů o chemickém posunu bílkovin". Pokrok ve spektroskopii nukleární magnetické rezonance. 58 (1–2): 62–87. doi:10.1016 / j.pnmrs.2010.07.004. PMID  21241884.
  6. ^ Markley JL, Meadows DH, Jardetzky O (Červenec 1967). "Studie nukleární magnetické rezonance přechodů helix-coil v polyaminokyselinách". Journal of Molecular Biology. 27 (1): 25–40. doi:10.1016 / 0022-2836 (67) 90349-X. PMID  6033611.
  7. ^ Clayden, NJ; Williams, R.J.P (1982). "Posun skupiny peptidů". Journal of Magnetic Resonance. 49 (3): 383. Bibcode:1982JMagR..49..383C. doi:10.1016/0022-2364(82)90252-9.
  8. ^ Pardi A, Wagner G, Wüthrich K (prosinec 1983). "Proteinová konformace a protony nukleární magneticko-rezonanční chemické posuny". European Journal of Biochemistry. 137 (3): 445–54. doi:10.1111 / j.1432-1033.1983.tb07848.x. PMID  6198174.
  9. ^ Wishart DS, Sykes BD, Richards FM (listopad 1991). "Vztah mezi chemickým posunem nukleární magnetické rezonance a sekundární strukturou proteinu". Journal of Molecular Biology. 222 (2): 311–33. doi:10.1016 / 0022-2836 (91) 90214-Q. PMID  1960729.
  10. ^ Spera, Silvia; Bax, Ad (1991). „Empirická korelace mezi konformací páteře proteinu a Ca a Cβ 13Chemické posuny nukleární magnetické rezonance ". Journal of the American Chemical Society. 113 (14): 5490–2. doi:10.1021 / ja00014a071. INIST:5389018.
  11. ^ Eghbalnia HR, Wang L, Bahrami A, Assadi A, Markley JL (květen 2005). "Proteinová energetická konformační analýza z NMR chemických posunů (PECAN) a její použití při určování sekundárních strukturních prvků". Journal of Biomolecular NMR. 32 (1): 71–81. doi:10.1007 / s10858-005-5705-1. PMID  16041485.
  12. ^ Wang Y, Jardetzky O (duben 2002). "Identifikace sekundární struktury proteinu na základě pravděpodobnosti pomocí kombinovaných dat NMR chemického posunu". Věda o bílkovinách. 11 (4): 852–61. doi:10.1110 / ps.3180102. PMC  2373532. PMID  11910028.
  13. ^ Hung LH, Samudrala R (únor 2003). „Přesná a automatická klasifikace sekundární struktury proteinů pomocí PsiCSI“. Věda o bílkovinách. 12 (2): 288–95. doi:10.1110 / ps.0222303. PMC  2312422. PMID  12538892.
  14. ^ Labudde D, Leitner D, Krüger M, Oschkinat H (leden 2003). "Predikční algoritmus pro typy aminokyselin s jejich sekundární strukturou v proteinech (PLATON) pomocí chemických posunů". Journal of Biomolecular NMR. 25 (1): 41–53. doi:10.1023 / A: 1021952400388. PMID  12566998.
  15. ^ Wang CC, Chen JH, Lai WC, Chuang WJ (květen 2007). „2DCSi: identifikace sekundární struktury proteinu a redoxního stavu pomocí 2D klastrové analýzy NMR chemických posunů“. Journal of Biomolecular NMR. 38 (1): 57–63. doi:10.1007 / s10858-007-9146-x. PMID  17333485.
  16. ^ Johnson BA, Blevins RA (září 1994). "NMR View: Počítačový program pro vizualizaci a analýzu NMR dat". Journal of Biomolecular NMR. 4 (5): 603–14. doi:10.1007 / BF00404272. PMID  22911360.
  17. ^ Wishart DS, Arndt D, Berjanskii M, Tang P, Zhou J, Lin G (červenec 2008). „CS23D: webový server pro rychlé generování proteinové struktury pomocí NMR chemických posunů a sekvenčních dat“. Výzkum nukleových kyselin. 36 (Problém s webovým serverem): W496–502. doi:10.1093 / nar / gkn305. PMC  2447725. PMID  18515350.
  18. ^ Berjanskii MV, Wishart DS (červenec 2007). „RCI server: rychlý a přesný výpočet flexibility proteinů pomocí chemických posunů“. Výzkum nukleových kyselin. 35 (Problém s webovým serverem): W531–7. doi:10.1093 / nar / gkm328. PMC  1933179. PMID  17485469.
  19. ^ Berjanskii MV, Neal S, Wishart DS (červenec 2006). „PREDITOR: webový server pro predikci omezení proteinového torzního úhlu“. Výzkum nukleových kyselin. 34 (Problém s webovým serverem): W63–9. doi:10.1093 / nar / gkl341. PMC  1538894. PMID  16845087.
  20. ^ Wang B, Wang Y, Wishart DS (červen 2010). "Pravděpodobnostní přístup k ověření přiřazení chemických posunů proteinových NMR". Journal of Biomolecular NMR. 47 (2): 85–99. doi:10.1007 / s10858-010-9407-r. PMID  20446018.

externí odkazy