البنية الثانوية للبروتين

البنية الثانوية للبروتين هي التكوين الفراغي الموضعي للسلسلة الببتيدية الرئيسية باستثناء السلاسل الجانبية. ^{[ 1 ]} العنصران الأكثر شيوعًا في البنية الثانوية هما الحلزونات ألفا والصفائح بيتا ، مع وجود الانعطافات بيتا والحلقات أوميغا أيضًا. تتشكل عناصر البنية الثانوية عادةً بشكل تلقائي كمرحلة وسيطة قبل أن يطوى البروتين إلى بنيته الثلاثية الأبعاد .

يُعرَّف التركيب الثانوي رسميًا بنمط الروابط الهيدروجينية بين ذرات الهيدروجين الأمينية وذرات الأكسجين الكربوكسيلية في سلسلة الببتيد . ويمكن تعريف التركيب الثانوي أيضًا بناءً على النمط المنتظم للزوايا ثنائية السطوح في منطقة معينة من مخطط راماشاندران، بغض النظر عن وجود الروابط الهيدروجينية الصحيحة.

تم تقديم مفهوم البنية الثانوية بواسطة كاج أولريك ليندرستروم-لانغ في جامعة ستانفورد عام 1952. ^{[ 2 ] [ 3 ]} كما تمتلك أنواع أخرى من البوليمرات الحيوية مثل الأحماض النووية هياكل ثانوية مميزة .

تُعدّ الحلزونات ألفا والصفائح بيتا أكثر البنى الثانوية شيوعًا . أما الحلزونات الأخرى، مثل حلزون 3 ₁₀ وحلزون باي ، فيُعتقد أنها تتمتع بأنماط روابط هيدروجينية مُلائمة من الناحية الطاقية، ولكنها نادرًا ما تُلاحظ في البروتينات الطبيعية إلا عند نهايات حلزونات ألفا، وذلك بسبب عدم انتظام ترتيب العمود الفقري في مركز الحلزون. وتُعدّ البنى الممتدة الأخرى، مثل حلزون البوليبرولين والصفيحة ألفا، نادرة في البروتينات في حالتها الأصلية، ولكن يُفترض غالبًا أنها وسائط مهمة في عملية طي البروتين . وتربط الانعطافات الحادة والحلقات المرنة عناصر البنية الثانوية "الأكثر انتظامًا". أما اللفائف العشوائية ، فهي ليست بنية ثانوية حقيقية، بل هي فئة من التكوينات التي تُشير إلى غياب بنية ثانوية منتظمة.

تختلف الأحماض الأمينية في قدرتها على تكوين عناصر البنية الثانوية المختلفة. يُفضل الشكل الحلزوني في البروتينات للميثيونين ، والألانين ، والليوسين ، والغلوتامات ، والليسين ( MALEK في رموز الأحماض الأمينية المكونة من حرف واحد)، بالإضافة إلى الأرجينين (R) والغلوتامين (Q)؛ ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} في المقابل، تُفضل البقايا العطرية الكبيرة ( التريبتوفان ، والتيروسين، والفينيل ألانين ) والأحماض الأمينية المتفرعة عند ذرة الكربون بيتا ( ^{الإيزولوسين} ، والفالين ، والثريونين ) اتخاذ أشكال بيتا-سترين . ^{[ 6 ] [ 8 ]} يُفضل الجليسين (G)، والأسباراجين (N)، والبرولين (P)، والأسبارتات (D)، والسيرين (S) الانعطافات والانحناءات ، بينما لا يُظهر الحمضان الأمينيان الأخيران، السيستين (C) والهيستيدين (H)، أي تفضيل. ^{[ 6 ] [ 8 ]} بالإضافة إلى ذلك، يُعرف البرولين والجليسين أحيانًا باسم "محطمي الحلزون" لأنهما يعطلان انتظام تكوين العمود الفقري الحلزوني ألفا؛ ^{[ 9 ] [ 10 ]} ومع ذلك، فإن هذه التفضيلات ليست قوية بما يكفي لإنتاج طريقة موثوقة للتنبؤ بالبنية الثانوية من التسلسل وحده.

يُعتقد أن الاهتزازات الجماعية منخفضة التردد حساسة للصلابة الموضعية داخل البروتينات، مما يكشف أن بنى بيتا أكثر صلابة بشكل عام من بنى ألفا أو البروتينات غير المنتظمة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وقد ربطت قياسات تشتت النيوترونات بشكل مباشر السمة الطيفية عند ~1 تيراهيرتز بالحركات الجماعية للبنية الثانوية لبروتين بيتا-باريل GFP. ^{[ 13 ]}

قد تتعرض أنماط الروابط الهيدروجينية في البنى الثانوية لتشوه كبير، مما يجعل تحديد البنية الثانوية تلقائيًا أمرًا صعبًا. توجد عدة طرق لتحديد البنية الثانوية للبروتين بشكل رسمي (مثل DSSP ، ^{[ 14 ]} DEFINE، ^{[ 15 ]} STRIDE ، ^{[ 16 ]} ScrewFit، ^{[ 17 ]} SST ^{[ 18 ]} ).

تصنيف DSSP

يُستخدم قاموس البنية الثانوية للبروتينات، أو اختصارًا DSSP، لوصف البنية الثانوية للبروتينات باستخدام رموز مكونة من حرف واحد. تُحدد البنية الثانوية بناءً على أنماط الروابط الهيدروجينية، كما اقترحها بولينغ وآخرون عام 1951 (قبل تحديد أي بنية بروتينية تجريبيًا). يُعرّف قاموس DSSP ثمانية أنواع من البنية الثانوية:

• G = حلزون ثلاثي اللفات ( 3 حلزون ₁₀ ). الحد الأدنى للطول 3 بقايا.
• H = حلزون رباعي اللفات ( حلزون ألفا ). الحد الأدنى للطول 4 بقايا.
• I = حلزون ذو 5 لفات ( حلزون باي ). الحد الأدنى للطول 5 بقايا.
• T = لفة مرتبطة بروابط هيدروجينية (3 أو 4 أو 5 لفات)
• E = خيط ممتد في هيئة صفيحة بيتا متوازية و/أو مضادة للتوازي . الحد الأدنى للطول 2 من البقايا.
• ب = البقايا في جسر بيتا المعزول (تكوين رابطة هيدروجينية في صفيحة بيتا أحادية الزوج)
• S = انحناء (التعيين الوحيد غير القائم على الرابطة الهيدروجينية).
• C = اللفائف (بقايا ليست في أي من التكوينات المذكورة أعلاه).

يُرمز عادةً إلى "اللفائف" بـ "  " (مسافة)، أو C (لفائف)، أو "–" (شرطة). يجب أن تتمتع جميع أشكال الحلزونات (G، H، وI) والصفائح بطول مناسب. وهذا يعني أن اثنين من الأحماض الأمينية المتجاورة في البنية الأولية يجب أن يشكلا نفس نمط الروابط الهيدروجينية. إذا كان نمط الروابط الهيدروجينية في الحلزون أو الصفيحة قصيرًا جدًا، يُرمز إليه بـ T أو B، على التوالي. توجد فئات أخرى لتحديد البنية الثانوية للبروتين (مثل الانعطافات الحادة، وحلقات أوميغا ، وما إلى ذلك)، ولكنها أقل استخدامًا.

تُحدد البنية الثانوية بواسطة الروابط الهيدروجينية ، لذا فإن التعريف الدقيق للرابطة الهيدروجينية أمر بالغ الأهمية. التعريف القياسي للرابطة الهيدروجينية في البنية الثانوية هو تعريف DSSP ، وهو نموذج كهرساكن بحت. يُخصص هذا النموذج شحنات مقدارها ± _q1 ≈ 0.42 e لذرة الكربون والأكسجين في مجموعة الكربونيل، وشحنات مقدارها ± _q2 ≈ 0.20 e لذرة الهيدروجين والنيتروجين في مجموعة الأميد، على التوالي. الطاقة الكهروستاتيكية هي    

${\displaystyle E=q_{1}q_{2}\left({\frac {1}{r_{\mathrm {ON} }}}+{\frac {1}{r_{\mathrm {CH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {OH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {CN} }}}\right)\cdot 332{\text{ kcal/mol}}.}$

وفقًا لنظرية DSSP، توجد الرابطة الهيدروجينية إذا وفقط إذا كانت طاقة الرابطة الهيدروجينية (E) أقل من -0.5 كيلو كالوري/مول (-2.1 كيلو جول/مول) . على الرغم من أن صيغة DSSP تُعدّ تقريبًا تقريبيًا لطاقة الرابطة الهيدروجينية الفيزيائية ، إلا أنها تُعتبر عمومًا أداةً مقبولةً لتحديد البنية الثانوية.  

يمكن تقدير المحتوى التقريبي للبنية الثانوية للبوليمر الحيوي (على سبيل المثال، "هذا البروتين يتكون من 40% حلزون ألفا و20% صفائح بيتا ") باستخدام التحليل الطيفي . ^{[ 21 ]} بالنسبة للبروتينات، تُعد ثنائية اللون الدائرية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (170-250  نانومتر) طريقة شائعة . يشير وجود حد أدنى مزدوج واضح عند 208 و222 نانومتر إلى بنية حلزون ألفا، بينما يعكس وجود حد أدنى واحد عند 204 أو 217 نانومتر بنية عشوائية أو بنية صفائح بيتا، على التوالي. هناك طريقة أقل شيوعًا وهي مطيافية الأشعة تحت الحمراء ، التي تكشف عن الاختلافات في تذبذبات روابط مجموعات الأميد الناتجة عن الروابط الهيدروجينية. أخيرًا، يمكن تقدير محتوى البنية الثانوية بدقة باستخدام الإزاحات الكيميائية لطيف الرنين النووي المغناطيسي غير المُحدد مسبقًا . ^{[ 22 ]}   

إن التنبؤ بالبنية الثلاثية للبروتين من تسلسل الأحماض الأمينية فقط يمثل مشكلة صعبة للغاية (انظر التنبؤ ببنية البروتين )، ولكن استخدام تعريفات البنية الثانوية الأبسط يكون أكثر قابلية للمعالجة.

اقتصرت الطرق المبكرة للتنبؤ بالبنية الثانوية على التنبؤ بالحالات الثلاث السائدة: الحلزون، والصفيحة، والالتفاف العشوائي. استندت هذه الطرق إلى ميل الأحماض الأمينية الفردية لتكوين الحلزون أو الصفيحة، مقترنة أحيانًا بقواعد لتقدير الطاقة الحرة لتكوين عناصر البنية الثانوية. كانت أولى التقنيات المستخدمة على نطاق واسع للتنبؤ بالبنية الثانوية للبروتين من تسلسل الأحماض الأمينية هي طريقة تشو-فاسمان ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} وطريقة GOR ^{[ 26 ]} . على الرغم من أن هذه الطرق ادعت تحقيق دقة تصل إلى 60% تقريبًا في التنبؤ بالحالة التي يتخذها الحمض الأميني من بين الحالات الثلاث (الحلزون/الصفيحة/الالتفاف)، إلا أن التقييمات الحاسوبية العمياء أظهرت لاحقًا أن الدقة الفعلية كانت أقل بكثير ^{[ 27 ] .}

تحققت زيادة ملحوظة في الدقة (إلى ما يقارب 80%) من خلال استغلال تقنية محاذاة التسلسلات المتعددة ؛ إذ إن معرفة التوزيع الكامل للأحماض الأمينية الموجودة في موضع معين (وفي جواره، عادةً ما يقارب 7 أحماض أمينية على كلا الجانبين) عبر مراحل التطور، تُعطي صورة أوضح بكثير عن التوجهات البنيوية بالقرب من ذلك الموضع. ^{[ 28 ] [ 29 ]} على سبيل المثال، قد يحتوي بروتين معين على جليسين في موضع معين، مما قد يوحي بوجود بنية عشوائية هناك. مع ذلك، قد تكشف محاذاة التسلسلات المتعددة أن الأحماض الأمينية التي تُفضل البنية الحلزونية موجودة في ذلك الموضع (والمواضع المجاورة) في 95% من البروتينات المتماثلة التي تمتد على مدى مليار عام تقريبًا من التطور. علاوة على ذلك، من خلال فحص متوسط ​​كراهية الماء في ذلك الموضع والمواضع المجاورة، قد تُشير المحاذاة نفسها أيضًا إلى نمط وصول المذيب إلى الأحماض الأمينية يتوافق مع بنية حلزونية ألفا. ^{[ 30 ]} وبناءً على ما سبق، تُشير هذه العوامل مجتمعةً إلى أن جليسين البروتين الأصلي يتخذ بنية حلزونية ألفا، بدلاً من البنية العشوائية. تُستخدم عدة أنواع من الأساليب لدمج جميع البيانات المتاحة لتكوين تنبؤ ثلاثي الحالات، بما في ذلك الشبكات العصبية ، ونماذج ماركوف المخفية ، وآلات المتجهات الداعمة . كما توفر أساليب التنبؤ الحديثة درجة ثقة لتنبؤاتها في كل موضع.

تم تقييم طرق التنبؤ بالبنية الثانوية من خلال تجارب التقييم النقدي للتنبؤ ببنية البروتين (CASP)، وخضعت هذه الطرق لتقييمات مرجعية مستمرة، على سبيل المثال باستخدام EVA (المعيار المرجعي) . وبناءً على هذه الاختبارات، كانت الطرق الأكثر دقة هي Psipred وSAM ^{[ 31 ]} وPORTER ^{[ 32 ]} و PROF ^{[ 33 ]} وSABLE ^{[ 34 ]} . ويبدو أن المجال الرئيسي للتحسين يكمن في التنبؤ بالخيوط بيتا؛ فمن المرجح أن تكون البقايا التي تم التنبؤ بها بثقة على أنها خيوط بيتا كذلك، ولكن قد تغفل الطرق بعض أجزاء خيوط بيتا (نتائج سلبية خاطئة). ومن المحتمل أن يكون هناك حد أقصى لدقة التنبؤ يبلغ حوالي 90% بشكل عام، وذلك بسبب خصائص الطريقة القياسية ( DSSP ) في تحديد فئات البنية الثانوية (حلزون/خيط/لفة) لهياكل PDB، والتي تُقارن بها التنبؤات ^{[ 35 ] .}

يُعدّ التنبؤ الدقيق بالبنية الثانوية عنصرًا أساسيًا في التنبؤ بالبنية الثالثية ، في جميع الحالات باستثناء أبسطها ( نمذجة التماثل ). على سبيل المثال، يُعدّ النمط المتوقع بثقة لستة عناصر من البنية الثانوية βαββαβ بمثابة بصمة طي الفيريدوكسين . ^{[ 36 ]}

يمكن استخدام البنية الثانوية لكل من البروتينات والأحماض النووية للمساعدة في محاذاة التسلسلات المتعددة . ويمكن تحسين دقة هذه المحاذاة بإضافة معلومات البنية الثانوية إلى جانب معلومات التسلسل الأساسية. إلا أن هذه الطريقة قد تكون أقل فائدة في الحمض النووي الريبوزي (RNA) لأن ازدواج القواعد فيه أكثر حفظًا من التسلسل. ويمكن أحيانًا تحديد العلاقات البعيدة بين البروتينات التي لا يمكن محاذاة بنيتها الأولية من خلال البنية الثانوية. ^{[ 28 ]}

لقد ثبت أن الحلزونات ألفا أكثر استقرارًا ومقاومة للطفرات وقابلية للتصميم من الخيوط بيتا في البروتينات الطبيعية، ^{[ 37 ]} وبالتالي فإن تصميم بروتينات وظيفية مكونة بالكامل من حلزونات ألفا من المرجح أن يكون أسهل من تصميم بروتينات تحتوي على كل من الحلزونات والخيوط؛ وقد تم تأكيد ذلك تجريبيًا مؤخرًا. ^{[ 38 ]}

• NetSurfP – أداة التنبؤ بالبنية الثانوية وإمكانية الوصول إلى السطح
• الأستاذ
• تركيب لولبي
• برنامج PSSpred هو برنامج تدريب متعدد الشبكات العصبية للتنبؤ بالبنية الثانوية للبروتينات
• خادم Genesilico Metaserver الذي يسمح بتشغيل أكثر من 20 برنامجًا مختلفًا للتنبؤ بالبنية الثانوية بنقرة واحدة
• خادم الويب SST : تعيين هيكلي ثانوي قائم على نظرية المعلومات (الضغط).