Identifikation von strukturellen Motiven aus Protein-Koordinatendaten: Sekundärstruktur und erste Ebene der supersekundären Struktur*

Ein Computerprogramm wird beschrieben, das eine Beschreibung der Sekundärstruktur und supersekundären Struktur einer Polypeptidkette unter Verwendung der Liste der Alpha-Kohlenstoffkoordinaten als Eingabe erzeugt. Der Begriff "Sekundärstruktur" wird auf die Konformation von zusammenhängenden Segmenten der Kette beschränkt; das Programm bestimmt die Anfangs- und Endreste in Helices, verlängerten Strängen, scharfen Wendungen und Omega-Schleifen. Dies erfolgt durch die Verwendung von Differenzdistanzmatrizen. Die Entfernungen in idealisierten Modellen der Segmente werden mit der tatsächlichen Struktur verglichen, und die Unterschiede werden hinsichtlich einer Übereinstimmung innerhalb festgelegter Grenzen bewertet. Das Programm weist 90-95% der Reste in den meisten Proteinen mindestens einem Typ von sekundärem Element zu. In einem zweiten Schritt werden die nun definierten Helices und Stränge als gerade Liniensegmente idealisiert, und die axialen Richtungen und Positionen werden aus der Eingabeliste der C-Alpha-Koordinaten zusammengetragen. Diese Daten werden verwendet, um die moderate Krümmung in Strängen und Helices zu überprüfen, und die Liste der Sekundärstruktur wird bei Bedarf korrigiert. Die geometrischen Beziehungen zwischen diesen Liniensegmenten werden dann berechnet und als erste Ebene der supersekundären Struktur ausgegeben. Ein Maximum von sechs Parametern ist erforderlich für eine vollständige Beschreibung der Beziehungen zwischen jedem Paar. Häufig reicht eine weniger vollständige Beschreibung aus, zum Beispiel nur die interaxiale Trennung und den Winkel. Sowohl die Sekundärstruktur als auch ein Aspekt der supersekundären Struktur können in einer Charaktermatrix angezeigt werden, die dem Format der Distanzmatrix analog ist. Dies ermöglicht eine bastante genaue zweidimensionale Darstellung der dreidimensionalen Struktur, und mehrere Beispiele werden präsentiert. Ein Verfahren zur Suche nach beliebigen Substrukturen in Proteinen unter Verwendung von Distanzmatrizen wird ebenfalls beschrieben. Eine Suche nach dem DNA-bindenden Helix-Wende-Helix-Motiv in der Protein Data Bank dient als Beispiel. Eine weitere Abstraktion der oben genannten Daten kann in Form einer MetamatriX erfolgen, bei der jedes diagonale Element ein gesamtes sekundäres Segment darstellt, anstatt eines einzelnen Atoms, und die nicht-diagonalen Elemente alle Parameter enthalten, die ihre Wechselwirkungen beschreiben. Solche Matrizen können in einer einfachen Suche nach höheren Ebenen der supersekundären Struktur verwendet werden oder insgesamt als Darstellung der gesamten tertiären Struktur der Polypeptidkette.