Language
Country/Area
No result found
Precisione sorprendente: in che modo l'indice di spostamento chimico identifica con precisione le alfa eliche e i foglietti beta?
Nella ricerca sulla biochimica e sulla biologia strutturale, il Chemical Shift Index (CSI) è una tecnica ampiamente utilizzata specificamente per l'analisi della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) delle proteine. Questa tecnica consente di visualizzare e identificare i siti (ad esempio, posizioni di inizio e fine) e i tipi (β-filamenti, α-eliche e regioni a spirale casuale) delle strutture secondarie delle proteine utilizzando solo i dati sullo spostamento chimico della catena principale. David S. Wishart iniziò a sviluppare questa tecnica nel 1992, concentrandosi inizialmente sull'analisi degli spostamenti chimici 1Hα e nel 1994 espandendola per includere gli spostamenti chimici della catena principale 13C.
Il principio di base di questo metodo è che lo spostamento chimico 1Hα è solitamente spostato verso l'alto nelle eliche α (cioè, a destra dello spettro NMR) e verso il basso nei fogli β (cioè, a sinistra dello spettro NMR). sinistra). Tendenze simili si possono riscontrare anche negli spostamenti chimici del 13C dorsale.Il fulcro della tecnologia dell'indice di spostamento chimico è lo sfruttamento delle caratteristiche delle variazioni di spostamento chimico dei residui di amminoacidi nell'α-elica e nel β-sheet.
Metodi di implementazione
Il metodo CSI è una tecnica basata su grafici che utilizza filtri digitali specifici per amminoacidi per convertire ogni valore di spostamento chimico assegnato alla catena principale in un semplice indice a tre stati (-1, 0, +1). I grafici generati con questo metodo diventano visivamente più chiari e facili da comprendere. Se lo spostamento chimico di un residuo di amminoacido verso l'alto 1Hα (rispetto al suo valore di bobina casuale specifico dell'amminoacido) era maggiore di 0,1 ppm, al residuo veniva assegnato un valore di -1; se lo spostamento verso il basso era maggiore di 0,1 ppm, era assegnato un valore di + 1; se la variazione dello spostamento chimico è inferiore a 0,1 ppm, viene assegnato a 0.
Tracciando questo indice a tre stati come un grafico a barre, i filamenti β (cluster di valori +1), le eliche α (cluster di valori -1) e i segmenti di bobina casuali (cluster di valori 0) possono essere facilmente identificato.
Tali diagrammi facilitano l'identificazione della struttura secondaria delle proteine. Nell'identificazione dei tipi di strutture secondarie, una semplice osservazione può identificare strutture quali catene β e eliche α.
Valutazione delle prestazioni
Utilizzando solo spostamenti chimici di 1Hα e semplici regole di clustering (cluster di tre o più barre verticali per i filamenti β e quattro o più barre verticali per le α-eliche), la precisione del riconoscimento della struttura secondaria è solitamente compresa tra il 75% e l'80%. Questa prestazione dipende in parte dalla qualità del set di dati NMR e dalla tecnica (manuale o programmata) utilizzata per identificare la struttura secondaria delle proteine.Combinando i modelli CSI degli spostamenti chimici 1H e 13C, si genera un indice composito con una precisione compresa tra l'85% e il 90%.
Con il progredire della ricerca, gli scienziati hanno scoperto che non solo esiste una correlazione tra lo spostamento chimico dell'α-elica e la struttura secondaria, ma che anche la struttura del foglietto β mostra tali cambiamenti di spostamento chimico.
Contesto storicoLa connessione tra spostamento chimico e struttura secondaria delle proteine è stata descritta per la prima volta nel 1967 da John Markley e colleghi. Con lo sviluppo della moderna tecnologia NMR bidimensionale, è diventato possibile misurare più spostamenti chimici delle proteine. Negli anni '90, dopo aver raccolto sufficienti dati sugli spostamenti chimici del 13C e del 15N, gli scienziati scoprirono che le tendenze di queste variazioni degli spostamenti chimici avrebbero potuto fornire un forte supporto allo sviluppo del CSI.
Fattori limitanti
Sebbene il metodo CSI presenti vantaggi unici, presenta anche alcuni limiti. Le sue prestazioni vengono compromesse quando l'assegnazione degli spostamenti chimici è incompleta o errata. Ancora più importante, il metodo è piuttosto sensibile alla scelta del valore di correzione casuale della bobina. In generale, il metodo CSI ha avuto risultati migliori nell'identificazione delle α-eliche (oltre l'85% di accuratezza) rispetto ai foglietti β (meno del 75% di accuratezza). Inoltre, non riesce a riconoscere altri tipi di strutture secondarie come i β-turn.A causa di queste carenze, sono stati proposti molti metodi alternativi basati su CSI per fornire metodi di identificazione della struttura secondaria più completi.
Ambito di applicazione
Fin dalla sua prima descrizione nel 1992, il metodo CSI è stato utilizzato per caratterizzare la struttura secondaria di migliaia di peptidi e proteine. È popolare nella comunità scientifica perché è facile da capire e può essere implementato senza programmi informatici specializzati. Molti programmi di elaborazione dei dati NMR di uso comune, come NMRView e vari server web, hanno incorporato metodi CSI in questi framework di strumenti per promuoverne l'applicazione.
Questo metodo ha ampie prospettive di applicazione nella ricerca sulle proteine. Non si limita solo all'identificazione delle strutture secondarie, ma può anche promuovere ulteriormente la nostra comprensione ed esplorazione delle funzioni delle proteine. Guardando al futuro, è possibile sviluppare nuove tecnologie per compensare le carenze del metodo CSI?
