Dipendenza delle propensioni degli aminoacidi α-elico e β-sheet dal tipo di piega globale della proteina

Propensioni degli aminoacidi per la conformazione α-elico o β-strand

Per i singoli aminoacidi, un Pα di <0.9 denota un α-elica demolitore, un Pα di >1.1 denota un aminoacido favorito dall’α-elica, e valori compresi tra 0,9 e 1,1 denotano che l’aminoacido è neutro in questo senso. Lo stesso principio si applica a Pβ. Le propensioni degli aminoacidi calcolate utilizzando il nostro set di dati (Pα i e Pβ i ) sono mostrate nella Tabella 2. Le loro deviazioni standard variano da 0,001 a 0,004. I risultati sono in buon accordo con i rapporti precedenti.

Abbiamo anche calcolato le propensioni degli amminoacidi per i residui esposti e sepolti (Pexp i e Pbur i ) negli elementi strutturali secondari (Tabella 2). Per gli α-elici, le tre propensioni medie Pα i , Pαexp i e Pαbur i hanno tendenze simili. D’altra parte, le propensioni medie per i residui esposti (Pβexp i ) e i residui sepolti (Pβbur i ) per i filamenti β differiscono significativamente (Tabella 2). È particolarmente interessante che Lys e Arg, ma non altri due residui carichi, Asp e Glu, sono preferiti come residui esposti nelle β-file. Non sorprende che tutti gli aminoacidi carichi siano sfavoriti come residui sepolti nei filamenti β. Le regioni sepolte disfavoriscono gli aminoacidi carichi per i filamenti β, mentre l’α-elica può tollerare gli aminoacidi carichi.

Come precedentemente riportato negli studi statistici, gli aminoacidi carichi (compresi Lys e Arg) danno valori bassi per Pβ, che è in accordo con le propensioni medie, Pβ i , determinate nel presente lavoro. I nostri risultati, tuttavia, mostrano che Lys e Arg hanno valori Pβexp relativamente alti per i residui esposti, ma questa proprietà è mascherata quando si confrontano le propensioni medie. Nel nostro set di dati, la frazione di residui esposti nei filamenti β è bassa (29%) rispetto agli α-elici (46%). La maggior parte dei residui nei filamenti β sono sepolti all’interno delle proteine e coperti da α-eliche o regioni di loop; i residui esposti sono quindi meno frequentemente incontrati nei filamenti β, e i loro contributi alla Pβ i media sono quindi piccoli. Jiang e colleghi hanno suggerito che le idrofobicità delle catene laterali degli amminoacidi sono il determinante chiave delle strutture a foglio β, ma i nostri dati suggeriscono che questo risultato è vero per i residui sepolti ma non per i residui esposti nelle strutture a foglio β. Minor e Kim hanno misurato la propensione dei 20 aminoacidi per la formazione del β-sheet in una variante del dominio di legame IgG della proteina G, che hanno quattro filamenti β antiparalleli. Le sostituzioni di aminoacidi sono state fatte in un sito ospite sulla superficie esposta al solvente del filamento centrale. Le propensioni da questi esperimenti mostrano una forte correlazione con i valori logaritmici Pβexp i ottenuti qui (R = 0.82), anche se mostrano una correlazione più debole con i nostri valori logaritmici Pβbur i (R = 0.63). Inoltre, c’è una scarsa correlazione tra le propensioni determinate da Minor e Kim e quelle di Chou e Fasman . Questi risultati mostrano che la preferenza per i filamenti β differisce per i siti esposti e sepolti.

Dipendenza delle propensioni degli aminoacidi per gli α-elici

Le propensioni degli aminoacidi i nella regione elicoidale della piega j, Pα ij , e la regione del filamento β della piega j, Pβ ij , sono state così calcolate per 39 e 24 delle pieghe SCOP, rispettivamente (Figura 1). Le loro deviazioni standard vanno da 0,01 a 0,05. Con l’eccezione di Met, Cys, Trp, Asn, Asp e His per Pα ij , e con l’eccezione di Met, Pro e Cys per Pβ ij , la popolazione di amminoacidi differisce (> livello di confidenza del 90%) per più di una coppia di pieghe.

Propensioni di amminoacidi per ogni piega SCOP. Box plots delle propensioni degli amminoacidi per ogni piega SCOP per α-eliche (A) e β-fila (B). Ogni casella racchiude il 50% dei dati con il valore mediano visualizzato come una linea. La parte superiore e inferiore della scatola segna i limiti del ±25% dei dati. Le linee che si estendono dalla parte superiore e inferiore di ogni casella segnano i valori minimi e massimi all’interno della serie di dati che rientrano in un intervallo accettabile. Qualsiasi valore al di fuori di questo intervallo, chiamato outlier, viene visualizzato come un singolo punto. La sottolineatura di alcuni residui (codice di una lettera) sull’asse orizzontale denota che i risultati del test di Fisher-Irwin sulle proporzioni della popolazione indicano che le differenze nelle propensioni sono statisticamente significative tra le pieghe.

In particolare, una vasta gamma di valori Pα ij è stata ottenuta per i residui aromatici Phe (0,66-2,00) e Tyr (0,58-1,89), a seconda del tipo di piega, e la propensione media per tutte le pieghe è circa 1,0 per questi aminoacidi (Figura 1A e Tabella 2). Anche le propensioni dei residui carichi Lys (0,65-1,56) e Arg (0,80-1,71) variano ampiamente a seconda della piega. D’altra parte, nel >80% delle pieghe SCOP, Leu o Glu sono favoriti nella conformazione α-elica, mentre Val, Pro, Ser, Thr, Asn, Asp e Gly sono sfavoriti. Ala è favorito nella conformazione α-elica nella maggior parte delle pieghe (79%) ma è sfavorito in due pieghe (Protein kinase-like e 4-helical cytokines). In particolare, il valore della propensione di Ala per la piega “4-helical cytokines” è piuttosto basso (Pα ij = 0,64). Met, Cys, Trp e His non hanno una differenza di popolazione di tipo fold al livello di confidenza del >90% in nessuna coppia di fold, anche se le loro propensioni variano ampiamente tra i vari fold. Pertanto, non abbiamo ulteriormente valutato questi aminoacidi.

Richardson et al. hanno dimostrato che Ala non è favorito nelle estremità dell’α-elica, suggerendo che un’α-elica corta non favorisce Ala. La lunghezza media dell’α-elica della piega delle citochine a 4 eliche è, tuttavia, la terza più lunga tra quelle di 39 pieghe (La più lunga e la seconda più lunga sono quelle delle pieghe “Ferritin-like” e “Four-helical up-and-down bundle”, rispettivamente). Poi, il coefficiente di correlazione tra la lunghezza media dell’α-elica e la propensione dell’amminoacido per ogni amminoacido sono stati calcolati, in modo che fossero più piccoli di 0,4. Questo risultato indica che non c’è relazione tra la lunghezza media dell’α-elica e la propensione elicoidale di ogni amminoacido.

Engel et al. mostrano che la maggior parte delle eliche sono anfifile, suggerendo che le propensioni per l’α-elica dipendono dalla frazione del residuo esposto. Quindi, abbiamo esaminato le correlazioni tra la frazione di residuo esposto e la frequenza degli aminoacidi nelle α-eliche. Nessun amminoacido ha mostrato una forte correlazione (R < -0,7 o R > 0,7) tra la frazione di residuo esposto e la frequenza degli amminoacidi, anche se i residui carichi, Lys e Asp hanno una correlazione positiva relativamente forte (RK = 0,66, RD = 0,54). Al contrario, i coefficienti di correlazione di Glu e Arg (anch’essi aminoacidi carichi) sono piccoli (RE = 0,26, RR = 0,07).

La figura 2 presenta anche le propensioni per gli aminoacidi esposti e sepolti per ogni piega SCOP. Per le regioni esposte di un’α-elica (Figura 2A), meno di dieci aminoacidi mostrano la differenza di popolazione con il 90% di confidenza per almeno una coppia di pieghe. Probabilmente, questo deriva dal fatto che il dataset era limitato ai residui esposti. Glu (Pαexp ij : 1.0-1.92) è favorito nelle regioni esposte (Figura 2A) mentre Leu (Pαbur ij : 0.97-1.88) è favorito nelle regioni sepolte (Figura 2B) per più dell’80% delle pieghe. Pro e Gly sono estremamente sfavoriti sia nelle regioni esposte che in quelle sepolte per più del 92% delle pieghe. Le propensioni di Ala nelle regioni esposte e sepolte dell’α-elica hanno una tendenza simile a Pα ij . Ala è favorito nella conformazione α-elica in entrambe le regioni esposte e sepolte per il 72% e il 79% delle pieghe, rispettivamente, mentre Ala è sfavorito dall’8% e dal 13% delle pieghe quando è esposto o sepolto, rispettivamente. Per la piega delle “citochine a 4 eliche”, anche i valori della propensione di Ala in entrambe le regioni esposte e sepolte sono bassi (Pαexp ij = 0,72 e Pαbur ij = 0,60). Un’ampia gamma di valori di Pαbur ij è stata ottenuta per i residui aromatici Phe e Tyr, a seconda del tipo di piega (Figura 2B), come Pα ij .

Propensioni degli aminoacidi per residui esposti e sepolti. Box plots delle propensioni degli aminoacidi per ogni piega SCOP per i residui esposti (A) e sepolti (B) negli α-elici e per i residui esposti (C) e sepolti (D) nei β-strands. Le propensioni per i β-filamenti per Trp nel “PH domain-like barrel” SCOP fold e per Lys nel “Protein kinase-like” SCOP fold erano fuori range (4.3 in C e 3.8 in D, rispettivamente) e non sono mostrati. La sottolineatura di alcuni residui sull’asse orizzontale denota che i risultati del test di Fisher-Irwin sulle proporzioni di popolazione indicano che le differenze nelle propensioni sono statisticamente significative tra le pieghe.

Dipendenza dalla piega delle propensioni degli aminoacidi per i β-fili

Come mostrato nella Figura 1B, un ampio intervallo di valori Pβ ij è stato ottenuto per Trp (0.45-2.22), Thr (0.73-1.87), Lys (0.46-1.45) e Arg (0.51-1.42) a seconda del tipo di piega. Per Lys, anche se Pβ ij era < 0,9 in 18 delle 24 pieghe (valore medio di Pβ ij = 0,79), tre pieghe (la piega delle lipocaline, la piega OB, e la piega delle protein kinasi) hanno prodotto valori Pβ ij > 1,2, che avevano le differenze di popolazione corrispondenti al livello di confidenza del 90% con quella delle altre pieghe. Queste tre pieghe sono “all-β” o “α + β”, e tutte hanno i filamenti β ampiamente esposti, mentre i filamenti β sono solitamente coperti da regioni α-eliche o di loop, soprattutto nelle proteine “α/β” (Tabella 1). Si è pensato a lungo che i filamenti β preferiscono i residui idrofobici; tuttavia, ora sembra che le strutture a foglio β largamente esposte preferiscano i residui idrofili come Lys. Al contrario, i quattro aminoacidi Val, Ile, Phe e Tyr sono favoriti (Pβ ij > 1.1) nei β-fili di più dell’80% delle pieghe, con Val (1.40-2.68) e Ile (1.17-2.33) che hanno propensioni particolarmente elevate a questo proposito. I sei amminoacidi Pro, Ala, Asn, Asp, Glu e Gly sono sfavoriti (Pβ ij < 0.9) nelle β-file per più dell’80% delle pieghe, e Pro (0.16-0.71) e Asp (0.22-0.91) hanno propensioni piuttosto basse.

Le frazioni di residui esposti sono state osservate nell’intervallo da circa il 10% al 46% per 24 pieghe (Tabella 1) e Glu e Lys hanno correlazioni forti e positive tra le propensioni degli aminoacidi e le frazioni di residui esposti dei β-fila in ogni piega (RE = 0.76, RK = 0.73). Gln, Arg e Ile hanno anche correlazioni relativamente forti, anche se la correlazione per Ile è negativa (RQ = 0,67, RR = 0,5, RI = -0,68). In contrasto con la forte correlazione positiva trovata per Glu, non c’è alcuna correlazione per l’altro aminoacido caricato negativamente, Asp. La frazione di residuo esposto sembra essere uno dei principali fattori che governano la composizione degli aminoacidi caricati delle pieghe per i filamenti β.

Per i residui esposti in un filamento β (Figura 2C), un ampio intervallo di valori Pβexp ij è stato ottenuto per Ser (0,42-1,69), Lys (0,84-1,58) e Arg (0,68-1,85). Un’ampia gamma di valori Pβbur ij è stata ottenuta per Cys (0,61-2,61), Phe (0,66-1,83), Tyr (0,64-1,92), Trp (0,31-1,77) e His (0,41-1,87) per i residui sepolti in un filo β (Figura 2D). I valori Pβexp ij di Val, Ile, Phe, Tyr, Trp e Thr sono alti (Pβexp ij > 1.1) per più del 75% delle pieghe, indicando che questi aminoacidi, che hanno una catena laterale β-ramificata o aromatica, sono favoriti nelle regioni esposte dei β-fili in tutti i tipi di pieghe. Al contrario, gli amminoacidi che sono sfavoriti in tutte le pieghe nei β-fila sono Pro (0,22-0,87), Ala (0,28-0,70) e Gly (0,23-0,88) per le regioni esposte, e Pro (0,12-0,87) per le regioni sepolte. È interessante che i valori Pβexp ij per tutte le pieghe per Ala sono più bassi in confronto (Pβexp ij < 0.7), indicando che un residuo esposto su un filamento β è una posizione estremamente sfavorevole per Ala così come per Pro e Gly. Queste forti tendenze sostengono che la solvatazione della spina dorsale è un fattore importante che determina le β-propensità termodinamiche.

Correlazioni tra le propensioni degli amminoacidi e la piega SCOP

Per indagare i fattori che determinano la dipendenza dalla piega della propensione degli amminoacidi per le strutture secondarie, sono stati calcolati i coefficienti di correlazione utilizzando le propensioni degli amminoacidi ottenuti da 39 pieghe SCOP per gli α-elici (Figura 3A) e 24 pieghe SCOP per i β-fila (Figura 3B). La figura 4, per esempio, mostra le relazioni tra le propensioni di Glu e Lys per α-eliche e β-fila. Ogni punto di dati rappresenta una piega in cui si trovano più di 2.000 residui in ciascuno degli α-elici e dei β-fila. Per le β-fila (Figura 4B), queste due propensioni aminoacidiche hanno un coefficiente di correlazione di 0,70, il che suggerisce che le pieghe ricche di Glu sono probabilmente anche ricche di Lys. Al contrario, per gli α-elici (Figura 4A) non è stata osservata alcuna correlazione significativa. Per i filamenti β, le proteine “α/β” (□ in Figura 4B) mostrano basse propensioni per Glu e Lys, anche se le lipocaline e le pieghe OB (entrambe “all-β”, + in Figura 4B) mostrano maggiori propensioni per Glu e Lys. Per le proteine “α+β” (▵ in Figura 4B), non c’è correlazione tra le propensioni di Glu e Lys. I coefficienti di correlazione per le proteine “all-β” e le proteine “α/β” sono rispettivamente 0,83 e 0,86.

Coefficienti di correlazione tra le propensioni degli aminoacidi. Coefficienti di correlazione tra le propensioni degli amminoacidi per gli α-elici (A) e i β-fili (B). Le forti correlazioni negative (R < -0.7) sono indicate in blu scuro, e le correlazioni positive (R > 0.7) sono indicate in rosso scuro. Le correlazioni negative relativamente forti (R < -0,5) sono indicate in blu chiaro e le correlazioni positive (R > 0,5) in rosa.

Relazioni tra le propensioni degli aminoacidi. Le propensioni degli amminoacidi, P, per Glu e Lys per ogni piega SCOP per gli α-elici (A) e i β-fili (B). Le classi SCOP sono: tutte le proteine α (○), proteine α/β (□), proteine α + β (Δ) e tutte le proteine beta (+).

In generale, c’è un maggior numero di correlazioni forti (R < -0.7 o R > 0.7) per i filamenti β che per gli α-elici (Figura 3). Per esempio, quattro forti correlazioni positive e cinque forti correlazioni negative sono osservate per i filamenti β, ma ci sono solo due forti correlazioni accoppiate per gli α-elici (Ala e Gly, Tyr e Trp). La maggior parte delle correlazioni positive per i β-fila coinvolgono aminoacidi accoppiati con caratteri fisico-chimici simili (mostrati lungo la diagonale nella Figura 3B), come Val e Ile, Tyr e Trp, Ser e Gln/Thr/Asn, Asn e Thr, e Glu e Lys/Arg. Al contrario, la maggior parte delle correlazioni negative per i filamenti β coinvolgono coppie di aminoacidi con diversi caratteri fisico-chimici, come Val e Tyr/Trp/Gln/Ser, Ile e Trp/Gln/Ser/Glu/Arg, Leu e Ser/Thr/Asn, Met e Asn, e Ala e Lys.

Interessante, l’amminoacido aromatico, Phe, mostra basse correlazioni con Trp e Tyr, sia per gli α-elici che per i β-fili, anche se forti correlazioni positive tra Trp e Tyr sono osservate sia per gli α-elici che per i β-fili.

Correlazioni tra SCOP fold e propensioni per gli amminoacidi esposti o sepolti

Abbiamo anche calcolato i coefficienti di correlazione per le propensioni degli amminoacidi dei residui esposti e sepolti per gli α-elici (Figura 5), β-fila (Figura 6) e altre conformazioni (Dati non mostrati). Anche se le propensioni degli aminoacidi per gli α-elici hanno due forti correlazioni (Figura 3A), non c’è una forte correlazione per i residui esposti (Figura 5A) e sepolti (Figura 5B) per gli α-elici. La forte correlazione positiva tra Trp e Tyr per tutti i residui era assente per i residui esposti, ma una debole correlazione positiva è stata osservata per i residui sepolti. Questi risultati indicano che una piega che favorisce Trp sul lato interno di un’α-elica favorisce anche Tyr in un interno di α-eliche. Di nuovo, Phe non aveva alcuna correlazione con Trp o Tyr per i residui esposti o sepolti. Le correlazioni positive tra Ser, Asn e Thr, e le correlazioni negative tra Ser/Thr e Glu, sono state osservate solo per i residui esposti. Anche se sono state osservate alcune nuove correlazioni, questi valori erano relativamente bassi per gli α-elici. Per le altre conformazioni, una forte correlazione non è stata osservata sia per i residui esposti che per quelli sepolti.

Coefficienti di correlazione tra propensioni α-elica per residui esposti e residui sepolti. Coefficienti di correlazione tra le propensioni delle α-eliche per i residui esposti (A) e i residui sepolti (B). Le forti correlazioni negative (R < -0.7) sono indicate in blu scuro, e le correlazioni positive (R > 0.7) sono indicate in rosso scuro. Le correlazioni negative relativamente forti (R < -0,5) sono indicate in blu chiaro e le correlazioni positive (R > 0,5) in rosa.

Coefficienti di correlazione tra le propensioni al β-per i residui esposti e i residui sepolti. Coefficienti di correlazione tra le propensioni del foglio β per i residui esposti (A) e i residui sepolti (B). Le forti correlazioni negative (R < -0.7) sono indicate in blu scuro, e le correlazioni positive (R > 0.7) sono indicate in rosso scuro. Le correlazioni negative relativamente forti (R < -0,5) sono indicate in blu chiaro e le correlazioni positive (R > 0,5) in rosa.

Correlazione per gli aminoacidi sepolti nel filamento β

Al contrario, per i filamenti β, la maggior parte delle correlazioni mostrate nella Figura 3B sono forti correlazioni per i residui esposti (Figura 6A) e sepolti (Figura 6B). Le forti correlazioni negative per Val/Ile e Tyr/Trp/Gln sono state osservate per i residui sepolti ma non esposti. In altre parole, un tipo di piega che preferisce Val o Ile non preferisce Tyr, Trp o Gln, specialmente per i residui sepolti.

Ispezionando visivamente i residui sepolti per i β-fili nel gruppo SCOP di “concanavalin A-like lectins/glucanases” (concanavalin A), oltre ai residui sepolti di Tyr e Trp abbiamo trovato molti aminoacidi polari come Gln, Ser o Thr, e aminoacidi carichi come Glu, Lys o Arg, coinvolti in legami H tra loro per controbilanciare la polarità nell’ambiente idrofobico. Per i residui sepolti, abbiamo calcolato i coefficienti di correlazione tra le frequenze combinate degli aminoacidi idrofobici (Val, Ile e Leu) e alcuni aminoacidi polari (Tabella 3 e Figura 7). I coefficienti di correlazione calcolati dalle frequenze sono gli stessi di quelli calcolati dalle propensioni, e quindi è più facile capire le occorrenze degli aminoacidi. Le frequenze combinate di Trp, Tyr e Gln che sono sepolti hanno una forte correlazione (R = -0,87) con quelle degli aminoacidi idrofobici (Val, Ile e Leu). L’inclusione di Ser nel gruppo con Trp, Tyr e Gln ha aumentato il coefficiente di correlazione a -0,93 (Figura 7). Il fatto che i coefficienti di correlazione per Val/Ile/Leu e Tyr/Trp/Gln/Ser variano da -0,19 a -0,75 indica una sinergia nella correlazione delle frequenze combinate per i β-strands che non esiste per gli α-elici e altre conformazioni (Tabella 3). La sinergia tra questi gruppi di aminoacidi suggerisce che gli aminoacidi all’interno dello stesso gruppo possono essere scambiati. Per esempio, in un tipo di piega in cui Leu è preferito per i residui sepolti, anche Ile sarà preferito. Così, nei siti sepolti, i tipi di piega con molti residui alifatici (Val, Ile e Leu) contengono anche basse quantità di Tyr, Trp, Gln e Ser. La figura 7 mostra anche che le proteine “all-β” tendono ad avere un contenuto maggiore di Tyr, Trp, Gln e Ser, mentre le proteine “α/β” hanno un contenuto maggiore di aminoacidi alifatici nei siti sepolti. Le prime sei pieghe per il contenuto di Tyr, Trp, Gln e Ser nei siti sepolti nei filamenti β sono proteine “all-β” e hanno due grandi foglietti β impacchettati insieme (lipocaline, concanavalin A, beta-propeller a 6 lame (6-bb-propeller), galattosio-binding domain-like (Gbd), β-elica a doppio filamento (DS β-elica), e immunoglobuline-like beta-sandwich folds (Ig)). Altre proteine “all-β” che consistevano in un solo piccolo foglio β o una piccola struttura β-barile hanno un piccolo nucleo idrofobico. I legami H tra le catene laterali sepolte possono essere necessari per il corretto allineamento di due grandi fogli β in particolare.

Relazioni tra le frequenze dei residui sepolti. Relazione tra le frequenze dei residui sepolti Val, Ile e Leu, f VIL , e dei residui sepolti Trp, Tyr, Gln e Ser, f WYQS , nei β-fili. Le classi SCOP sono: Proteine α/β (□), proteine α + β (Δ) e proteine all-β (+).

Correlazione per gli amminoacidi esposti nel filamento β

Correlazioni negative per Ile/Leu e Ser/Thr/Asn sono state osservate nei residui esposti (Figura 6A), anche se le correlazioni per Ile e Thr/Asn non sono state osservate quando i residui esposti e sepolti sono stati calcolati insieme (Figura 3B). Correlazioni negative sono state osservate anche per Glu e Ser/Asn e per Arg e Thr. Abbiamo esaminato la correlazione delle frequenze combinate per questi aminoacidi esposti in β-fila come mostrato nella Tabella 4. Questo risultato mostra che esistono forti correlazioni nelle frequenze di alcuni aminoacidi idrofobici (Ile, Leu), aminoacidi carichi (Glu, Lys, Arg), e aminoacidi polari (Ser, Thr, Asn) nelle regioni esposte dei β-trefoli. È interessante che le frequenze degli aminoacidi idrofobici (Ile, Leu) e carichi (Glu, Lys, Arg) siano correlate negativamente con quelle degli aminoacidi polari (Ser, Thr, Asn). Una caratteristica comune a Ile, Leu, Glu, Lys e Arg è che hanno catene laterali relativamente lunghe, compresi più di due gruppi metilenici idrofobici, mentre Ser, Thr e Asn hanno catene laterali corte.

La figura 8 mostra una forte correlazione tra i raggruppamenti combinati di Ser, Thr e Asn con Ile, Leu, Glu, Lys e Arg (R = -0,90). Per le regioni esposte dei filamenti β, è chiaro che in tutte le proteine “α/β” e in tutte le proteine “α+β”, Ile, Leu, Glu, Lys e Arg sono preferiti e che Ser, Thr e Asn sono sfavoriti. I tipi di piega che preferiscono Ser, Thr o Asn hanno un contenuto relativamente basso di Ile, Leu, Glu, Lys o Arg, e sono proteine “all-β”. La figura 8 mostra anche la distribuzione diffusa delle pieghe delle proteine “all-β”. Per le due pieghe SCOP DS β-helix e OB-fold delle proteine “all-β”, i residui Ile, Leu, Glu, Lys o Arg sono preferiti nelle regioni esposte dei filamenti β. Questi tipi di piega hanno filamenti β contorti e piegati. Alcuni atomi di Cα nei filamenti β sono posizionati sul fondo della valle stretta e profonda formata dai filamenti β contorti e piegati (Figura 9D ed E). In tali posizioni, la catena laterale corta e polare di Ser, Thr o Asn non è in grado di raggiungere il solvente, quindi gli aminoacidi con lunghe catene laterali sono favoriti. Lo stesso vale per le proteine “α/β” (Figura 9F e G). Il foglio β è coperto da α-eliche e torsioni nelle proteine “α/β”, lasciando solo spazi stretti per i residui alle estremità dei fili β per raggiungere il solvente. Al contrario, le due pieghe SCOP concanavalin A e la β-elica destrorsa a singolo filamento (SS β-elica) hanno un contenuto notevolmente elevato di Ser, Thr e Asn nelle regioni esposte dei filamenti β e hanno β-schede ampiamente esposte e piatte (Figura 9A, B e C). La Figura 9C mostra che Ser, Asn e Thr sono dominanti nel foglio β piatto, e non entrano significativamente in contatto tra loro. Questi risultati suggeriscono che la composizione degli amminoacidi nelle regioni esposte dei β-fili governa la formazione di una torsione nei β-fogli.

Relazioni tra le frequenze dei residui esposti. Relazione tra le frequenze dei residui esposti Ile, Leu, Glu, Lys e Arg, f ILEKR , e dei residui esposti Ser, Thr e Asn, f STN , nei β-fili. Le classi SCOP sono: Proteine α/β (□), proteine α + β (Δ) e proteine all-β (+).

Residui di aminoacidi sui filamenti β-di tre pieghe. Residui di amminoacidi nei filamenti β di concanavalin A (A, B e C, PDB ID:1IOA), DS β-elica (D e E, PDB ID:1ODM), e TIM barrel (F e G, PDB ID:1SFS). I residui per le α-eliche sono colorati in magenta, e quelli per le β-fila sono colorati in giallo. Le catene laterali dei residui nelle β-fila sono colorate per tipo di atomo (azoto: blu, ossigeno: rosso, carbonio: grigio) in C.

Wang et al. hanno dimostrato che le β-fila isolate nelle simulazioni di dinamica molecolare non sono contorte, suggerendo che la stabilizzazione della torsione deve essere dovuta alle interazioni inter-fila. Un altro studio di simulazione al computer ha trovato che le interazioni inter-fila da catene laterali inducono una torsione e che le catene laterali β ramificate sono importanti per la formazione della torsione. D’altra parte, Koh et al. e Bosco et al. hanno usato analisi statistiche per dimostrare che la struttura del foglio β è determinata principalmente dalla spina dorsale, e il contributo delle catene laterali è piccolo. Questo indica che la torsione è una proprietà intrinseca di una catena polipeptidica, il che implica che un filamento β dovrebbe torcersi indipendentemente dalla sua sequenza aminoacidica. Tuttavia, alcune pieghe hanno un grande foglio β piatto, come i gruppi SCOP concanavalin A e SS β-helix. Studi precedenti hanno preso di mira solo il filamento β ritorto e non si sono concentrati sul foglio β piatto. I nostri risultati suggeriscono che la composizione aminoacidica nelle regioni esposte dei filamenti β può essere correlata alla torsione e alla piega del filamento, dimostrando che le interazioni della catena laterale sono anche un fattore importante per la torsione del filamento β. Una spiegazione intuitiva è che le lunghe catene laterali di Leu, Ile, Lys, Arg e Glu nelle regioni esposte si avvicinano per formare il nucleo idrofobico, con la conseguente formazione di una torsione e/o curva nei filamenti β. Al contrario, le catene laterali di Ser, Thr e Asn hanno basse idrofobicità e sono corte, così che le interazioni idrofobiche tra le catene laterali sono deboli e producono un foglio β piatto. Pertanto, sembra che la tensione all’interno di un β-sheet sia uno dei principali fattori che governano la propensione degli aminoacidi delle pieghe per i β-strands.

I tipi di β-sheet e la propensione degli aminoacidi

Le pieghe possono essere classificate dai loro tipi di β-sheet in tre; β-sheet parallelo, antiparallelo e misto. Per la classe delle proteine “all-β” e la classe delle proteine “α + β”, i foglietti β di tutte le pieghe utilizzate in questo studio sono completamente antiparalleli tranne la SS β-elica che ha un foglio β completamente parallelo. Le pieghe della classe proteica “α/β” hanno fogli β completamente o principalmente paralleli. I fogli β delle tre pieghe “Flavodoxin-like”, “NAD(P)-binding Rossmann-fold domains” e “TIM beta/alpha-barrel” sono completamente paralleli, mentre “Periplasmic binding protein-like II” e “Thioredoxin fold” hanno fogli β misti.

Per i residui esposti dei filamenti β (Figura 8), le trame per le pieghe della classe di proteine “all-β” erano ampiamente distribuite, anche se sono comunemente completamente antiparallele β-sheet ad eccezione della SS β-helix. Inoltre, le pieghe della classe di proteine “α/β” hanno composizioni aminoacidiche diverse da quelle della SS β-helix, anche se hanno fogli β paralleli. La figura 7 mostra che le trame per le pieghe della classe di proteine “all-β” erano ampiamente distribuite e la trama della SS β-helix è al centro del grafico. Le frazioni di residui (fβbur VIL ) delle tre pieghe che hanno fogli β completamente paralleli erano anche ampiamente distribuite (51,4, 47,2 e 42,7%).

Questi risultati indicano che le correlazioni trovate nella Figura 7 e 8 non possono essere spiegate dai tipi di fogli β. Di conseguenza, pensiamo che le propensioni non dipendano dai tipi di β-fogli.

Robustezza del dataset

Abbiamo controllato la robustezza dei nostri risultati usando il dataset di più di 1.500 residui e meno di 2.000 residui, che non è incluso nel dataset usato in questo studio; sei pieghe per l’α-elica e otto pieghe per i β-fili. Per le β-fila, forti correlazioni sono state osservate anche per i residui sepolti (RWYQS-VIL = -0,81) e per i residui esposti (RILEKR-STN = -0,78). Non ci sono forti correlazioni per i residui sepolti (RWYQS-VIL = -0,64) e per i residui esposti (RILEKR-STN = -0,48) negli α-elici. Questi risultati sono gli stessi di quelli ottenuti per il dataset contenente più di 2.000 residui. Pertanto, i risultati qui presentati sembrano essere indipendenti dalla selezione del dataset.