Индекс химического сдвига
Индекс химического сдвига или CSI — это широко используемый метод в спектроскопии ядерного магнитного резонанса белков , который можно использовать для отображения и идентификации местоположения (т.е. начала и конца), а также типа вторичной структуры белка (бета-цепи, спирали и случайные клубки). области), обнаруженные в белках с использованием только о химическом сдвиге основной цепи данных [1] [2] Этот метод был изобретен Дэвидом С. Уишартом в 1992 году для анализа 1 Химические сдвиги Hα, а затем в 1994 году он расширил их, включив в них 13 Смещается позвоночник C. Оригинальный метод CSI использует тот факт, что 1 Химические сдвиги Hα аминокислотных остатков в спиралях имеют тенденцию смещаться в сильное поле (т.е. в правую сторону спектра ЯМР) относительно значений их случайных спиралей и в слабое поле (т.е. в левую сторону спектра ЯМР) в бета-нитях . Аналогичные тенденции в верхнем и нижнем поле также можно обнаружить в магистральной сети. 13 C химические сдвиги.
Выполнение
[ редактировать ]CSI — это метод, основанный на графах, который по существу использует цифровой фильтр, специфичный для аминокислот, для преобразования каждого присвоенного значения химического сдвига основной цепи в простой индекс с тремя состояниями (-1, 0, +1). Этот подход позволяет получить более понятный и гораздо более привлекательный график значений химического сдвига белка. В частности, если дальнее поле 1 Химический сдвиг Hα (относительно значения случайного спираля, специфичного для аминокислоты) определенного остатка составляет > 0,1 м.д., тогда этому аминокислотному остатку присваивается значение -1. Аналогично, если в нижнем поле 1 Химический сдвиг Ha определенного аминокислотного остатка составляет > 0,1 м.д., тогда этому остатку присваивается значение +1. аминокислотного остатка Если химический сдвиг не сдвинут в сторону поля или поля на достаточную величину (т. е. <0,1 ppm), ему присваивается значение 0. Когда этот индекс с тремя состояниями отображается в виде гистограммы по всей длине Последовательность белка, простая проверка может позволить идентифицировать бета-цепи (кластеры значений +1), альфа-спирали (кластеры значений -1) и случайные сегменты клубков (кластеры значений 0). Список случайных химических сдвигов клубков, специфичных для аминокислот, для расчетов CSI приведен в таблице 1. Пример графика CSI для небольшого белка показан на рисунке 1, где стрелки, расположенные над черными полосами, указывают местоположения бета-цепей. и прямоугольный прямоугольник, обозначающий расположение спирали.
| Аминокислота | 1 Случайный сдвиг катушки Hα (ppm) | Аминокислота | 1 Hα RC сдвиг случайный сдвиг катушки (ppm) |
|---|---|---|---|
| Путь (А) | 4.35 | Встретился (М) | 4.52 |
| Цис (С) | 4.65 | Асн (Н) | 4.75 |
| Асп (Д) | 4.76 | Про (П) | 4.44 |
| Клей) | 4.29 | Глн (клавиша Q) | 4.37 |
| Фе (Ф) | 4.66 | Злой (R) | 4.38 |
| Гли (G) | 3.97 | быть | 4.50 |
| Его (Н) | 4.63 | Тр (Т) | 4.35 |
| Сколько (я) | 3.95 | Val (V) | 3.95 |
| Свет (К) | 4.36 | Трп (Ж) | 4.70 |
| Лео (L) | 4.17 | Башня (The) | 4.60 |
Производительность
[ редактировать ]Использование только 1 Благодаря химическим сдвигам α и простым правилам кластеризации (кластеры из 3 или более вертикальных полос для бета-цепей и кластеры из 4 или более вертикальных полос для альфа-спиралей), точность CSI обычно составляет 75–80% при идентификации вторичных структур. [2] [3] [4] [5] Эта производительность частично зависит от качества набора данных ЯМР, а также от метода (ручного или программного), используемого для идентификации вторичных структур белка. Как отмечалось выше, согласованный метод CSI, который фильтрует изменения химического сдвига в сильном/дальнем поле в 13 Саα, 13 Cβ и 13 Атомы C' аналогично 1 Также были разработаны сдвиги Hα. [2] Консенсусный CSI объединяет графики CSI из магистральной сети. 1 Рука 13 Химические сдвиги C для создания единого графика CSI. Точность может достигать 85-90%. [5]
История
[ редактировать ]Связь между химическими сдвигами белков и вторичной структурой белков (в частности, альфа-спиралями) была впервые описана Джоном Маркли и его коллегами в 1967 году. [6] С развитием современных методов двумерного ЯМР стало возможным измерять больше химических сдвигов белков. Когда в начале 1980-х годов стали назначать все больше пептидов и белков, вскоре стало очевидно, что химические сдвиги аминокислот чувствительны не только к спиральным конформациям, но и к конформациям β-цепи. В частности, вторичное 1 Химические сдвиги Hα всех аминокислот демонстрируют четкую тенденцию к сильному полю при образовании спирали и очевидную тенденцию к слабому полю при формировании β-листа. [7] [8] К началу 1990-х годов имелось достаточное количество 13 С и 15 Распределение химических сдвигов N для пептидов и белков было собрано, чтобы определить, что аналогичные тенденции в сильном/слабом поле были очевидны практически для всей основной цепи. 13 Саα, 13 Сβ, 13 С', 1 ХН и 15 N (слабо) химические сдвиги. [9] [10] Именно эти довольно поразительные тенденции химического сдвига были использованы при разработке индекса химического сдвига.
Ограничения
[ редактировать ]Метод CSI не лишен некоторых недостатков. В частности, его производительность падает, если назначения химических сдвигов указаны неверно или являются неполными. Он также весьма чувствителен к выбору случайных сдвигов катушки, используемых для расчета вторичных сдвигов. [5] и он обычно идентифицирует альфа-спирали (точность> 85%) лучше, чем бета-цепи (точность <75%), независимо от выбора случайных сдвигов катушки. [5] Кроме того, метод CSI не идентифицирует другие виды вторичных структур, таких как β-повороты. Из-за этих недостатков был предложен ряд альтернативных подходов, подобных CSI. К ним относятся: 1) метод прогнозирования, в котором используются статистически полученные потенциалы химического сдвига/структуры (PECAN); [11] 2) вероятностный подход к идентификации вторичной структуры (ПССИ); [12] 3) метод, который объединяет предсказания вторичной структуры на основе данных о последовательностях и данных о химическом сдвиге (PsiCSI), [13] 4) подход к идентификации вторичной структуры, который использует заранее заданные закономерности химического сдвига (ПЛАТОН). [14] и 5) метод двумерного кластерного анализа , известный как 2DCSi. [15] Производительность этих новых методов обычно немного выше (2–4%), чем исходный метод CSI.
Утилита
[ редактировать ]С момента своего первоначального описания в 1992 году метод CSI использовался для характеристики вторичной структуры тысяч пептидов и белков. Его популярность во многом обусловлена тем, что он прост для понимания и может быть реализован без необходимости использования специализированных компьютерных программ. Несмотря на то, что метод CSI можно легко выполнить вручную, ряд широко используемых программ обработки данных ЯМР, таких как NMRView, [16] Веб-серверы генерации структур ЯМР, такие как CS23D [17] а также различные веб-серверы анализа данных ЯМР, такие как RCI , [18] Предсказатель [19] и ПАНАВ [20] включили метод CSI в свое программное обеспечение.
См. также
[ редактировать ]- Химический сдвиг
- Случайный индекс катушки
- ЯМР белков
- Повторное определение химического сдвига белка
- Вторичная структура белка
- Прогноз химического сдвига белка
- ЯМР
- Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
- Спектроскопия ядерного магнитного резонанса белков
- Белок
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уишарт Д.С., Сайкс Б.Д., Ричардс Ф.М. (февраль 1992 г.). «Индекс химического сдвига: быстрый и простой метод определения вторичной структуры белка с помощью ЯМР-спектроскопии». Биохимия . 31 (6): 1647–51. CiteSeerX 10.1.1.539.2952 . дои : 10.1021/bi00121a010 . ПМИД 1737021 .
- ^ Jump up to: а б с Уишарт, Дэвид С .; Сайкс, Брайан Д. (1994). " 13 C Индекс химического сдвига: простой метод идентификации вторичной структуры белка с использованием 13 Данные о химическом сдвиге C». Journal of Biomolecular NMR . 4 (2): 171–80. : 10.1007 /BF00175245 . PMID 8019132. . S2CID 42323147 doi
- ^ Уишарт Д.С., Дело Д.А. (2001). «Использование химических сдвигов при определении структуры макромолекул». Ядерный магнитный резонанс биологических макромолекул . Часть А. Методы энзимологии. Том. 338. стр. 3–34. дои : 10.1016/s0076-6879(02)38214-4 . ISBN 9780121822392 . ПМИД 11460554 .
- ^ Мильке С.П., Кришнан В.В. (апрель 2009 г.). «Характеристика вторичной структуры белка по химическим сдвигам ЯМР» . Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 54 (3–4): 141–165. Бибкод : 2009PNMRS..54..141M . дои : 10.1016/j.pnmrs.2008.06.002 . ПМК 2766081 . ПМИД 20160946 .
- ^ Jump up to: а б с д Уишарт Д.С. (февраль 2011 г.). «Интерпретация данных о химическом сдвиге белка». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 58 (1–2): 62–87. Бибкод : 2011PNMRS..58...62W . дои : 10.1016/j.pnmrs.2010.07.004 . ПМИД 21241884 .
- ^ Маркли Дж.Л., Медоуз Д.Х., Джардецки О. (июль 1967 г.). «Ядерно-магнитное резонансное исследование переходов спираль-клубок в полиаминокислотах». Журнал молекулярной биологии . 27 (1): 25–40. дои : 10.1016/0022-2836(67)90349-X . ПМИД 6033611 .
- ^ Клейден, Нью-Джерси; Уильямс, RJP (1982). «Сдвиги пептидных групп». Журнал магнитного резонанса . 49 (3): 383. Бибкод : 1982JMagR..49..383C . дои : 10.1016/0022-2364(82)90252-9 .
- ^ Парди А., Вагнер Г., Вютрих К. (декабрь 1983 г.). «Конформация белка и химические сдвиги протонного ядерного магнитного резонанса» . Европейский журнал биохимии . 137 (3): 445–54. дои : 10.1111/j.1432-1033.1983.tb07848.x . ПМИД 6198174 .
- ^ Уишарт Д.С., Сайкс Б.Д., Ричардс Ф.М. (ноябрь 1991 г.). «Связь между химическим сдвигом ядерного магнитного резонанса и вторичной структурой белка» . Журнал молекулярной биологии . 222 (2): 311–33. дои : 10.1016/0022-2836(91)90214-Q . ПМИД 1960729 .
- ^ Спера, Сильвия; Бакс, Ад (1991). «Эмпирическая корреляция между конформацией основной цепи белка и Cα и Cβ 13 Химические сдвиги ядерного магнитного резонанса C». Журнал Американского химического общества . 113 (14): 5490–2. doi : 10.1021/ja00014a071 . INIST 5389018 .
- ^ Эгбалния Х.Р., Ван Л., Бахрами А., Ассади А., Маркли Дж.Л. (май 2005 г.). «Энергетический конформационный анализ белка по химическим сдвигам ЯМР (PECAN) и его использование для определения вторичных структурных элементов». Журнал биомолекулярного ЯМР . 32 (1): 71–81. дои : 10.1007/s10858-005-5705-1 . ПМИД 16041485 . S2CID 31769093 .
- ^ Ван Ю, Джардецки О (апрель 2002 г.). «Вероятностная идентификация вторичной структуры белка с использованием комбинированных данных о химическом сдвиге ЯМР» . Белковая наука . 11 (4): 852–61. дои : 10.1110/ps.3180102 . ПМЦ 2373532 . ПМИД 11910028 .
- ^ Хунг Л.Х., Самудрала Р. (февраль 2003 г.). «Точная и автоматизированная классификация вторичной структуры белков с помощью PsiCSI» . Белковая наука . 12 (2): 288–95. дои : 10.1110/ps.0222303 . ПМК 2312422 . ПМИД 12538892 .
- ^ Лабудд Д., Лейтнер Д., Крюгер М., Ошкинат Х. (январь 2003 г.). «Алгоритм прогнозирования типов аминокислот с их вторичной структурой в белках (ПЛАТОН) с использованием химических сдвигов». Журнал биомолекулярного ЯМР . 25 (1): 41–53. дои : 10.1023/A:1021952400388 . ПМИД 12566998 . S2CID 11900013 .
- ^ Ван CC, Чен Дж. Х., Лай В. К., Чуанг В. Дж. (май 2007 г.). «2DCSi: идентификация вторичной структуры белка и окислительно-восстановительного состояния с использованием 2D-кластерного анализа химических сдвигов ЯМР». Журнал биомолекулярного ЯМР . 38 (1): 57–63. дои : 10.1007/s10858-007-9146-x . ПМИД 17333485 . S2CID 20041621 .
- ^ Джонсон Б.А., Блевинс Р.А. (сентябрь 1994 г.). «NMR View: компьютерная программа для визуализации и анализа данных ЯМР». Журнал биомолекулярного ЯМР . 4 (5): 603–14. дои : 10.1007/BF00404272 . ПМИД 22911360 . S2CID 32728461 .
- ^ Вишарт Д.С., Арндт Д., Бержанский М., Тан П., Чжоу Дж., Лин Г. (июль 2008 г.). «CS23D: веб-сервер для быстрого создания структуры белков с использованием химических сдвигов ЯМР и данных о последовательностях» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (проблема с веб-сервером): W496–502. дои : 10.1093/нар/gkn305 . ПМЦ 2447725 . ПМИД 18515350 .
- ^ Бержанский М.В., Вишарт Д.С. (июль 2007 г.). «Сервер RCI: быстрый и точный расчет гибкости белка с использованием химических сдвигов» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (проблема с веб-сервером): W531–7. дои : 10.1093/нар/gkm328 . ЧВК 1933179 . ПМИД 17485469 .
- ^ Бержанский М.В., Нил С., Вишарт Д.С. (июль 2006 г.). «PREDITOR: веб-сервер для прогнозирования ограничений угла скручивания белков» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (проблема с веб-сервером): W63–9. дои : 10.1093/нар/gkl341 . ПМЦ 1538894 . ПМИД 16845087 .
- ^ Ван Б., Ван Ю, Вишарт Д.С. (июнь 2010 г.). «Вероятностный подход к проверке присвоения химического сдвига ЯМР белков». Журнал биомолекулярного ЯМР . 47 (2): 85–99. дои : 10.1007/s10858-010-9407-y . ПМИД 20446018 . S2CID 22564072 .