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Erstaunliche Genauigkeit: Wie identifiziert der chemische Verschiebungsindex Alpha-Helices und Beta-Faltblätter so genau?
In der biochemischen und strukturbiologischen Forschung ist der Chemical Shift Index (CSI) eine weit verbreitete Technik, speziell zur Analyse der Protein-Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Mithilfe dieser Technik können die Stellen (z. B. Start- und Endpositionen) und Typen (β-Stränge, α-Helices und Zufallsknäuelbereiche) von Sekundärstrukturen von Proteinen visualisiert und identifiziert werden, indem ausschließlich Daten zur chemischen Verschiebung des Rückgrats verwendet werden. David S. Wishart begann 1992 mit der Entwicklung dieser Technik, wobei er sich zunächst auf die Analyse der 1Hα-chemischen Verschiebungen konzentrierte und sie 1994 um die chemischen Verschiebungen des 13C-Rückgrats erweiterte.
Das Grundprinzip dieser Methode besteht darin, dass die chemische Verschiebung von 1Hα in α-Helices normalerweise nach oben (d. h. nach rechts im NMR-Spektrum) und in β-Faltblättern nach unten (d. h. nach links im NMR-Spektrum) verschoben ist. (links). Ähnliche Trends können auch bei den dorsalen 13C-chemischen Verschiebungen festgestellt werden.Der Kern der Chemical-Shift-Index-Technologie besteht darin, dass sie die Eigenschaften von Chemical-Shift-Änderungen von Aminosäureresten in der α-Helix und dem β-Faltblatt ausnutzt.
Implementierungsmethoden
Bei der CSI-Methode handelt es sich um eine graphenbasierte Technik, bei der aminosäurespezifische digitale Filter verwendet werden, um jeden zugewiesenen chemischen Verschiebungswert des Rückgrats in einen einfachen Index mit drei Zuständen (-1, 0, +1) umzuwandeln. Die mit dieser Methode erstellten Diagramme werden optisch klarer und sind leichter zu verstehen. Wenn die chemische Verschiebung der 1Hα-Aufwärtsverschiebung eines Aminosäurerests (relativ zu seinem aminosäurespezifischen Random-Coil-Wert) größer als 0,1 ppm war, wurde dem Rest der Wert -1 zugewiesen; wenn die Abwärtsverschiebung größer als 0,1 ppm war, wurde ihm Der Wert beträgt +1; wenn die Änderung der chemischen Verschiebung weniger als 0,1 ppm beträgt, wird ihr der Wert 0 zugewiesen.
Durch die Darstellung dieses Dreizustandsindex als Balkendiagramm können β-Stränge (Cluster mit +1-Werten), α-Helices (Cluster mit -1-Werten) und Zufallsspulensegmente (Cluster mit 0-Werten) leicht identifiziert.
Solche Diagramme erleichtern die Identifizierung der Sekundärstruktur von Proteinen. Bei der Identifizierung der Typen von Sekundärstrukturen können durch einfache Beobachtung Strukturen wie β-Ketten und α-Helices identifiziert werden.
Leistungsbewertung
Unter Verwendung von nur 1Hα-chemischen Verschiebungen und einfachen Clustering-Regeln (Cluster aus drei oder mehr vertikalen Balken für β-Stränge und vier oder mehr vertikalen Balken für α-Helices) wird die sekundäre Strukturerkennung durchgeführt. Die Genauigkeit der Strukturerkennung liegt normalerweise zwischen 75 % und 80 %. Diese Leistung hängt teilweise von der Qualität des NMR-Datensatzes und der (manuell oder programmiert) Technik ab, die zur Identifizierung der Sekundärstruktur des Proteins verwendet wird.Durch die Kombination der CSI-Muster der 1H- und 13C-chemischen Verschiebungen wird ein zusammengesetzter Index mit einer Genauigkeit von 85 % bis 90 % generiert.
Im weiteren Forschungsverlauf stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht nur eine Korrelation zwischen der chemischen Verschiebung der α-Helix und der Sekundärstruktur besteht, sondern dass auch die Struktur des β-Faltblatts derartige Änderungen der chemischen Verschiebung aufweist.
Historischer HintergrundDer Zusammenhang zwischen chemischer Verschiebung und sekundärer Proteinstruktur wurde erstmals 1967 von John Markley und Kollegen beschrieben. Mit der Entwicklung moderner zweidimensionaler NMR-Technologie ist es möglich geworden, mehr chemische Verschiebungen bei Proteinen zu messen. Nachdem in den 1990er Jahren genügend Daten zu den chemischen Verschiebungen von 13C und 15N gesammelt worden waren, stellten Wissenschaftler fest, dass die Trends dieser Änderungen der chemischen Verschiebung eine starke Unterstützung für die Entwicklung von CSI darstellen könnten.
Begrenzende Faktoren
Obwohl die CSI-Methode ihre einzigartigen Vorteile hat, weist sie auch einige Einschränkungen auf. Die Leistung wird beeinträchtigt, wenn die Zuordnung der chemischen Verschiebungen unvollständig oder fehlerhaft ist. Noch wichtiger ist, dass die Methode recht empfindlich auf die Wahl des zufälligen Spulenkorrekturwerts reagiert. Im Allgemeinen war die CSI-Methode bei der Identifizierung von α-Helices (Genauigkeit über 85 %) besser als bei β-Faltblättern (Genauigkeit unter 75 %). Darüber hinaus erkennt es andere Arten von Sekundärstrukturen wie etwa β-Schleifen nicht.Aufgrund dieser Mängel wurden viele alternative CSI-basierte Methoden vorgeschlagen, um umfassendere Methoden zur Identifizierung sekundärer Strukturen bereitzustellen.
Anwendungsbereich
Seit der Erstbeschreibung im Jahr 1992 wurde die CSI-Methode zur Charakterisierung der Sekundärstruktur Tausender Peptide und Proteine verwendet. Es erfreut sich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft großer Beliebtheit, da es leicht verständlich ist und ohne spezielle Computerprogramme umgesetzt werden kann. Viele häufig verwendete NMR-Datenverarbeitungsprogramme wie NMRView und verschiedene Webserver haben CSI-Methoden in diese Tool-Frameworks integriert, um deren Anwendung zu fördern.
Diese Methode bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in der Proteinforschung. Sie beschränkt sich nicht nur auf die Identifizierung von Sekundärstrukturen, sondern kann auch unser Verständnis und unsere Erforschung der Proteinfunktionen weiter voranbringen. Können mit Blick auf die Zukunft neue Technologien entwickelt werden, um die Mängel der CSI-Methode auszugleichen?
