Language
Country/Area
No result found
Độ chính xác đáng kinh ngạc: Làm thế nào chỉ số dịch chuyển hóa học có thể xác định chính xác các xoắn alpha và các lớp beta?
Trong nghiên cứu sinh hóa và sinh học cấu trúc, Chỉ số dịch chuyển hóa học (CSI) là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi, đặc biệt để phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) protein. Kỹ thuật này có thể trực quan hóa và xác định các vị trí (ví dụ: vị trí bắt đầu và kết thúc) và loại (sợi β, xoắn α và vùng cuộn ngẫu nhiên) của cấu trúc thứ cấp protein chỉ bằng cách sử dụng dữ liệu dịch chuyển hóa học của xương sống. David S. Wishart bắt đầu phát triển kỹ thuật này vào năm 1992, ban đầu tập trung vào phân tích độ dịch chuyển hóa học 1Hα và vào năm 1994 mở rộng để bao gồm độ dịch chuyển hóa học của xương sống 13C.
Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là độ dịch chuyển hóa học 1Hα thường được dịch chuyển lên trên trong các xoắn α (tức là sang bên phải của quang phổ NMR) và xuống dưới trong các tấm β (tức là sang bên trái của quang phổ NMR). trên bên trái). Những xu hướng tương tự cũng có thể được tìm thấy trong sự dịch chuyển hóa học 13C ở mặt lưng.Cốt lõi của công nghệ chỉ số dịch chuyển hóa học là sử dụng các đặc điểm của sự thay đổi dịch chuyển hóa học của các gốc axit amin trong chuỗi xoắn α và chuỗi xoắn β.
Phương pháp triển khai
Phương pháp CSI là một kỹ thuật dựa trên đồ thị sử dụng các bộ lọc kỹ thuật số dành riêng cho từng axit amin để chuyển đổi từng giá trị dịch chuyển hóa học xương sống được chỉ định thành một chỉ số ba trạng thái đơn giản (-1, 0, +1). Các biểu đồ được tạo ra theo phương pháp này sẽ rõ ràng hơn về mặt hình ảnh và dễ hiểu hơn. Nếu độ dịch chuyển hóa học 1Hα dịch chuyển lên của một gốc axit amin (so với giá trị cuộn ngẫu nhiên đặc hiệu của axit amin đó) lớn hơn 0,1 ppm, gốc đó được gán giá trị -1; nếu độ dịch chuyển xuống lớn hơn 0,1 ppm, gốc đó được được gán giá trị + 1; nếu độ dịch chuyển hóa học nhỏ hơn 0,1 ppm, nó được gán giá trị 0.
Bằng cách vẽ chỉ số ba trạng thái này dưới dạng biểu đồ thanh, các sợi β (cụm các giá trị +1), các xoắn α (cụm các giá trị -1) và các phân đoạn cuộn ngẫu nhiên (cụm các giá trị 0) có thể dễ dàng đã được xác định.
Các sơ đồ như vậy giúp xác định cấu trúc thứ cấp của protein dễ dàng hơn. Khi xác định các loại cấu trúc thứ cấp, chỉ cần quan sát đơn giản là có thể xác định được các cấu trúc như chuỗi β và xoắn α.
Đánh giá hiệu suất
Chỉ sử dụng độ dịch chuyển hóa học 1Hα và các quy tắc phân cụ đơn giản (các cụm gồm ba hoặc nhiều thanh dọc đối với chuỗi β và bốn hoặc nhiều thanh dọc đối với chuỗi xoắn α), cấu trúc thứ cấp Độ chính xác của nhận dạng cấu trúc thường nằm trong khoảng từ 75% đến 80%. Hiệu suất này phụ thuộc một phần vào chất lượng của tập dữ liệu NMR và kỹ thuật (thủ công hoặc lập trình) được sử dụng để xác định cấu trúc thứ cấp của protein.Bằng cách kết hợp các mẫu CSI của độ dịch chuyển hóa học 1H và 13C, chỉ số tổng hợp được tạo ra với độ chính xác từ 85% đến 90%.
Khi nghiên cứu tiến triển, các nhà khoa học phát hiện ra rằng không chỉ có mối tương quan giữa độ dịch chuyển hóa học của xoắn α và cấu trúc thứ cấp mà cấu trúc của tấm β cũng cho thấy những thay đổi về độ dịch chuyển hóa học như vậy.
Bối cảnh lịch sửMối liên hệ giữa sự dịch chuyển hóa học và cấu trúc thứ cấp của protein lần đầu tiên được John Markley và các đồng nghiệp mô tả vào năm 1967. Với sự phát triển của công nghệ NMR hai chiều hiện đại, người ta có thể đo được nhiều sự dịch chuyển hóa học của protein hơn. Đến những năm 1990, sau khi thu thập đủ dữ liệu về độ dịch chuyển hóa học của 13C và 15N, các nhà khoa học nhận thấy rằng xu hướng của những thay đổi về độ dịch chuyển hóa học này có thể cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho sự phát triển của CSI.
Các yếu tố hạn chế
Mặc dù phương pháp CSI có những ưu điểm riêng nhưng cũng có một số hạn chế. Hiệu suất của nó bị ảnh hưởng khi việc phân bổ độ dịch chuyển hóa học không đầy đủ hoặc sai sót. Quan trọng hơn, phương pháp này khá nhạy cảm với việc lựa chọn giá trị hiệu chỉnh cuộn dây ngẫu nhiên. Nhìn chung, phương pháp CSI có hiệu quả hơn trong việc xác định xoắn α (độ chính xác hơn 85%) so với xoắn β (độ chính xác dưới 75%). Hơn nữa, nó không thể nhận ra các loại cấu trúc thứ cấp khác như β-turn.Do những thiếu sót này, nhiều phương pháp thay thế dựa trên CSI đã được đề xuất để cung cấp các phương pháp nhận dạng cấu trúc thứ cấp toàn diện hơn.
Phạm vi ứng dụng
Kể từ khi được mô tả lần đầu tiên vào năm 1992, phương pháp CSI đã được sử dụng để mô tả cấu trúc thứ cấp của hàng nghìn peptide và protein. Phương pháp này phổ biến trong cộng đồng khoa học vì dễ hiểu và có thể thực hiện mà không cần chương trình máy tính chuyên dụng. Nhiều chương trình xử lý dữ liệu NMR thường dùng, chẳng hạn như NMRView và nhiều máy chủ web khác, đã kết hợp các phương pháp CSI vào các khuôn khổ công cụ này để thúc đẩy ứng dụng của chúng.
Phương pháp này có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu protein. Nó không chỉ giới hạn ở việc xác định các cấu trúc thứ cấp mà còn có thể thúc đẩy hơn nữa sự hiểu biết và khám phá của chúng ta về chức năng của protein. Nhìn về tương lai, liệu các công nghệ mới có thể được phát triển để khắc phục những thiếu sót của phương pháp CSI không?
