Ramachandrani graafik

Ramachandrani graafik ehk Ramachandrani kaart on biokeemias tuntud kahemõõtmeline graafik, mis näitab, millised konformatsioonid on enim levinud looduslike aminohappejääkide puhul valkude koosseisus. Teisiti öelduna illustreerib Ramachandrani graafik, milline on aminohappejääkide koostisse kuuluvate aatomite energeetiliselt soodsaim ruumiline paigutus tingimustes, kus kovalentsed sidemed valgu sees püsivad, kuid aatomite ja nende asendajate pöörlemine üksiksideme ümber on võimalik. Ramachandrani graafik algselt põhineb eksperimentaalselt mõõdetud andmetel ning kasutab aatomite ruumilise paigutuse kirjeldamiseks kahetahulise nurga mõistet.^[2]^[3]

Graafiku detailne kirjeldus

Aminohappe „selgroo“ koostisse kuuluvad aminorühma lämmastik (N), sellele järgnev süsinik (Cα) ja karboksüülrühma süsinik (C); nii N ja Cα kui Cα ja C vahel on üksikside, mille ümber saavad asendajad põhimõtteliselt vabalt pöörelda, ilma et side katseks. Samas piiravad vaba pöörlemist järgmised tegurid:^[4]

Cα on enamikus aminohapetes asendatud (st aminohape omab nn külgahelat ehk kõrvalahelat);
amino- ning karboksüülrühma arvelt moodustatakse peptiidsidemeid valgustruktuuris eelneva ning järgneva aminohappejäägiga;
peptiidsidemete koostisse kuuluvate aatomite asukohad on jäigalt fikseeritud tänu sellele, et karbonüülrühma kaksikside ja lämmastiku vaba elektronpaar moodustavad konjugeeritud süsteemi.

Seega on mõned aatomite asendid teistest energeetiliselt soodsamad, kui õnnestub vältida ruumilist ehk steerilist konflikti nii sama aminohappejäägi eri osade piires kui naabruses paiknevate aminohappejääkide osadega.^[5]

Näide kahetahuliste nurkade fii ja psii määramisest keskmise aminohappejäägi (Ala) jaoks tripeptiidis Gly-Ala-Val. Noolega on tähistatud suund, millest vaadates on Newmani projektsiooni võimalik koostada. Joonise alumises osas on näidatud Newmani projektsioon konformeeride jaoks, kus nii φ kui ψ väärtus on võrdne 180 kraadiga. Lihtsuse mõttes on projektsioonis näidatud ainult Ramachandrani graafiku seisukohalt olulised asendajad.

Kaasaegse Ramachandrani graafiku x-teljel on kahetahuline nurk fii (φ), mis kujutab asendajate ruumilist paigutust, vaadatuna piki Cα ja N vahelist sidet (nn Newmani projektsioon). Graafiku y-teljel on kahetahuline nurk psii (ψ), mis kujutab asendajate ruumilist paigutust, vaadatuna piki Cα ja C vahelist sidet. Seepärast nimetatakse Ramachandrani graafikut erialases kirjanduses ka φ,ψ-graafikuks. Telgede skaala ulatub -180 kraadist 180 kraadini: näiteks nurga φ väärtus on võrdne nulliga, kui vaadatuna piki Cα ja N vahelist sidet ruumis täielikult kattuvad aatomiga N ühendatud eelneva aminohappe karbonüülne süsinik ja aatomiga Cα ühendatud vaadeldava aminohappe karbonüülne süsinik.^[6]^[7]

Ramachandrani graafik^[1] glütsiini jaoks eri valkudes. Tänu külgahela puudumisele saab glütsiin esineda konformatsioonides, mis ei ole teiste aminohapete puhul levinud.

Graafikul näidatakse punktidena selliseid (φ,ψ) koordinaatide väärtusi, mis on levinuimad konkreetse aminohappe (näiteks glütsiini) jaoks eri valkudes, eri aminohapete jaoks ühe valgu puhul või siis eri aminohapete jaoks eri valkudes (õpikutes enim kasutatud variant). Eriti punktirikkad on Ramachandrani graafikul sellised (φ,ψ) koordinaatide vahemikud, mis vastavad aminohappejääkide paigutusele valkudes leiduvates tuntud sekundaarsetes struktuurides. Näiteks levinuma paremakäelise alfa-heeliksi koostisse kuuluvate aminohappejääkide puhul varieerub φ tüüpiliselt vahemikus -80 kuni -50 kraadi ja ψ vahemikus -60 kuni -25 kraadi.^[8]^[9]

Ajalugu ja olulisus tänapäeval

Esimese Ramachandrani graafiku koostajateks olid india füüsik G. N. Ramachandran, tema doktorant C. Ramakrishnan ja india biofüüsik V. Sasisekharan. Graafik põhines esimesel valgu kristallstruktuuril (röntgendifraktsiooni abiga 1960. aastal mõõdetud müoglobiini kristallstruktuur). Esialgses variandis kasutati graafikus kahetahulise nurga ψ puhul tähistust φ’ ning telgede väärtused esitati skaalal 0 kuni 360 kraadi.^[10]^[11]

Tänapäeval kasutatakse Ramachandrani graafikut, hindamaks eksperimentaalselt mõõdetud või modelleerimise teel saadud valkude ruumiliste struktuuride kvaliteeti. Usaldusväärne info valgu ruumilise struktuuri kohta on äärmiselt oluline näiteks valguga seonduvate ravimite arendamisel.^[12]^[13]^[14] Lisaks on Ramachandrani graafiku alusel võimalik võrrelda looduslikke peptiide ja nende sünteetilisi analooge – viimaste puhul võib konformatsioonide esindatus olla mitmekesisem, võimaldades seega uudse ruumilise struktuuriga molekulide disaini.^[15]^[16]^[17]

Viited

↑ ^1,0 ^1,1 Lovell, Simon C.; Davis, Ian W.; Arendall, W. Bryan; de Bakker, Paul I. W.; Word, J. Michael; Prisant, Michael G.; Richardson, Jane S.; Richardson, David C. (15. veebruar 2003). "Structure validation by Calpha geometry: phi,psi and Cbeta deviation". Proteins. 50 (3): 437–450. DOI:10.1002/prot.10286. ISSN 1097-0134. PMID 12557186.
↑ Carugo, O.; Djinović-Carugo, K. (1. august 2013). "Half a century of Ramachandran plots". Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography (inglise). 69 (8): 1333–1341. DOI:10.1107/S090744491301158X. ISSN 0907-4449.
↑ Hollingsworth, Scott A.; Karplus, P. Andrew (2010). "A fresh look at the Ramachandran plot and the occurrence of standard structures in proteins". Biomolecular Concepts. 1 (3–4): 271–283. DOI:10.1515/BMC.2010.022. ISSN 1868-503X. PMC 3061398. PMID 21436958.
↑ Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002), "The Shape and Structure of Proteins", Molecular Biology of the Cell. 4th edition (inglise), Garland Science, vaadatud 11. detsembril 2023
↑ Bhagavan, N. V.; Ha, Chung-Eun (1. jaanuar 2015), Bhagavan, N. V.; Ha, Chung-Eun (toim-d), "Chapter 4 - Three-Dimensional Structure of Proteins and Disorders of Protein Misfolding", Essentials of Medical Biochemistry (Second Edition), San Diego: Academic Press, lk 31–51, ISBN 978-0-12-416687-5, vaadatud 11. detsembril 2023
↑ Robinson, Scott W.; Afzal, Avid M.; Leader, David P. (1. jaanuar 2014), Padmanabhan, Sandosh (toim), "Chapter 13 - Bioinformatics: Concepts, Methods, and Data", Handbook of Pharmacogenomics and Stratified Medicine, San Diego: Academic Press, lk 259–287, ISBN 978-0-12-386882-4, vaadatud 11. detsembril 2023
↑ Molecular Memory (2021). "Understanding PHI and PSI Angles, Ramachandran Plots, & Newman Projections". YouTube.
↑ "Secondary Structure - Alpha helices". comis.med.uvm.edu. Vaadatud 11. detsembril 2023.
↑ "4.2: Secondary Structure and Loops". Biology LibreTexts (inglise). 2. detsember 2018. Vaadatud 11. detsembril 2023.
↑ Ramachandran, G. N.; Ramakrishnan, C.; Sasisekharan, V. (1963). "Stereochemistry of polypeptide chain configurations". Journal of Molecular Biology. 7: 95–99. DOI:10.1016/s0022-2836(63)80023-6. ISSN 0022-2836. PMID 13990617.
↑ Kendrew, J. C.; Dickerson, R. E.; Strandberg, B. E.; Hart, R. G.; Davies, D. R.; Phillips, D. C.; Shore, V. C. (13. veebruar 1960). "Structure of myoglobin: A three-dimensional Fourier synthesis at 2 A. resolution". Nature. 185 (4711): 422–427. DOI:10.1038/185422a0. ISSN 0028-0836. PMID 18990802.
↑ Ho, Bosco K.; Brasseur, Robert (16. august 2005). "The Ramachandran plots of glycine and pre-proline". BMC Structural Biology. 5 (1): 14. DOI:10.1186/1472-6807-5-14. ISSN 1472-6807. PMC 1201153. PMID 16105172.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link)
↑ Agnihotry, Shikha; Pathak, Rajesh Kumar; Singh, Dev Bukhsh; Tiwari, Apoorv; Hussain, Imran (1. jaanuar 2022), Singh, Dev Bukhsh; Pathak, Rajesh Kumar (toim-d), "Chapter 11 - Protein structure prediction", Bioinformatics, Academic Press, lk 177–188, ISBN 978-0-323-89775-4, vaadatud 11. detsembril 2023
↑ Kumar, Mattaparthi Venkata Satish; Swaminathan, Rajaram (2010). "A novel approach to segregate and identify functional loop regions in protein structures using their Ramachandran maps". Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics (inglise). 78 (4): 900–916. DOI:10.1002/prot.22615. ISSN 0887-3585.
↑ Mannige, Ranjan V.; Kundu, Joyjit; Whitelam, Stephen (2016). "The Ramachandran Number: An Order Parameter for Protein Geometry". PloS One. 11 (8): e0160023. DOI:10.1371/journal.pone.0160023. ISSN 1932-6203. PMC 4973960. PMID 27490241.
↑ Doti, Nunzianna; Mardirossian, Mario; Sandomenico, Annamaria; Ruvo, Menotti; Caporale, Andrea (12. august 2021). "Recent Applications of Retro-Inverso Peptides". International Journal of Molecular Sciences. 22 (16): 8677. DOI:10.3390/ijms22168677. ISSN 1422-0067. PMC 8395423. PMID 34445382.
↑ Slough, Diana P.; McHugh, Sean M.; Lin, Yu-Shan (2018). "Understanding and designing head-to-tail cyclic peptides". Biopolymers. 109 (10): e23113. DOI:10.1002/bip.23113. ISSN 1097-0282. PMC 6135719. PMID 29528114.

[:0-1] 1,0 ^1,1 Lovell, Simon C.; Davis, Ian W.; Arendall, W. Bryan; de Bakker, Paul I. W.; Word, J. Michael; Prisant, Michael G.; Richardson, Jane S.; Richardson, David C. (15. veebruar 2003). "Structure validation by Calpha geometry: phi,psi and Cbeta deviation". Proteins. 50 (3): 437–450. DOI:10.1002/prot.10286. ISSN 1097-0134. PMID 12557186.

[2] Carugo, O.; Djinović-Carugo, K. (1. august 2013). "Half a century of Ramachandran plots". Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography (inglise). 69 (8): 1333–1341. DOI:10.1107/S090744491301158X. ISSN 0907-4449.

[3] Hollingsworth, Scott A.; Karplus, P. Andrew (2010). "A fresh look at the Ramachandran plot and the occurrence of standard structures in proteins". Biomolecular Concepts. 1 (3–4): 271–283. DOI:10.1515/BMC.2010.022. ISSN 1868-503X. PMC 3061398. PMID 21436958.

[4] Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002), "The Shape and Structure of Proteins", Molecular Biology of the Cell. 4th edition (inglise), Garland Science, vaadatud 11. detsembril 2023

[5] Bhagavan, N. V.; Ha, Chung-Eun (1. jaanuar 2015), Bhagavan, N. V.; Ha, Chung-Eun (toim-d), "Chapter 4 - Three-Dimensional Structure of Proteins and Disorders of Protein Misfolding", Essentials of Medical Biochemistry (Second Edition), San Diego: Academic Press, lk 31–51, ISBN 978-0-12-416687-5, vaadatud 11. detsembril 2023

[6] Robinson, Scott W.; Afzal, Avid M.; Leader, David P. (1. jaanuar 2014), Padmanabhan, Sandosh (toim), "Chapter 13 - Bioinformatics: Concepts, Methods, and Data", Handbook of Pharmacogenomics and Stratified Medicine, San Diego: Academic Press, lk 259–287, ISBN 978-0-12-386882-4, vaadatud 11. detsembril 2023

[7] Molecular Memory (2021). "Understanding PHI and PSI Angles, Ramachandran Plots, & Newman Projections". YouTube.

[8] "Secondary Structure - Alpha helices". comis.med.uvm.edu. Vaadatud 11. detsembril 2023.

[9] "4.2: Secondary Structure and Loops". Biology LibreTexts (inglise). 2. detsember 2018. Vaadatud 11. detsembril 2023.

[10] Ramachandran, G. N.; Ramakrishnan, C.; Sasisekharan, V. (1963). "Stereochemistry of polypeptide chain configurations". Journal of Molecular Biology. 7: 95–99. DOI:10.1016/s0022-2836(63)80023-6. ISSN 0022-2836. PMID 13990617.

[11] Kendrew, J. C.; Dickerson, R. E.; Strandberg, B. E.; Hart, R. G.; Davies, D. R.; Phillips, D. C.; Shore, V. C. (13. veebruar 1960). "Structure of myoglobin: A three-dimensional Fourier synthesis at 2 A. resolution". Nature. 185 (4711): 422–427. DOI:10.1038/185422a0. ISSN 0028-0836. PMID 18990802.

[12] Ho, Bosco K.; Brasseur, Robert (16. august 2005). "The Ramachandran plots of glycine and pre-proline". BMC Structural Biology. 5 (1): 14. DOI:10.1186/1472-6807-5-14. ISSN 1472-6807. PMC 1201153. PMID 16105172.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link)

[13] Agnihotry, Shikha; Pathak, Rajesh Kumar; Singh, Dev Bukhsh; Tiwari, Apoorv; Hussain, Imran (1. jaanuar 2022), Singh, Dev Bukhsh; Pathak, Rajesh Kumar (toim-d), "Chapter 11 - Protein structure prediction", Bioinformatics, Academic Press, lk 177–188, ISBN 978-0-323-89775-4, vaadatud 11. detsembril 2023

[14] Kumar, Mattaparthi Venkata Satish; Swaminathan, Rajaram (2010). "A novel approach to segregate and identify functional loop regions in protein structures using their Ramachandran maps". Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics (inglise). 78 (4): 900–916. DOI:10.1002/prot.22615. ISSN 0887-3585.

[15] Mannige, Ranjan V.; Kundu, Joyjit; Whitelam, Stephen (2016). "The Ramachandran Number: An Order Parameter for Protein Geometry". PloS One. 11 (8): e0160023. DOI:10.1371/journal.pone.0160023. ISSN 1932-6203. PMC 4973960. PMID 27490241.

[16] Doti, Nunzianna; Mardirossian, Mario; Sandomenico, Annamaria; Ruvo, Menotti; Caporale, Andrea (12. august 2021). "Recent Applications of Retro-Inverso Peptides". International Journal of Molecular Sciences. 22 (16): 8677. DOI:10.3390/ijms22168677. ISSN 1422-0067. PMC 8395423. PMID 34445382.

[17] Slough, Diana P.; McHugh, Sean M.; Lin, Yu-Shan (2018). "Understanding and designing head-to-tail cyclic peptides". Biopolymers. 109 (10): e23113. DOI:10.1002/bip.23113. ISSN 1097-0282. PMC 6135719. PMID 29528114.

[2]

[3]

[1]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]