प्रोटीन की द्वितीयक संरचना

प्रोटीन द्वितीयक संरचना पार्श्व श्रृंखलाओं को छोड़कर पॉलीपेप्टाइड रीढ़ की हड्डी की स्थानीय स्थानिक संरचना है। दो सबसे आम प्रोटीन संरचना#माध्यमिक संरचना अल्फा हेलिक्स और बीटा शीट हैं, हालांकि बीटा मोड़ और ओमेगा रन भी होते हैं। माध्यमिक संरचना तत्व आम तौर पर प्रोटीन प्रोटीन के त्रि-आयामी प्रोटीन तृतीयक संरचना में बदलने से पहले स्वचालित रूप से मध्यवर्ती के रूप में बनते हैं।

माध्यमिक संरचना को औपचारिक रूप से पेप्टाइड बैकबोन श्रृंखला में अमीन हाइड्रोजन और कार्बाक्सिल ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच हाइड्रोजन बंध के पैटर्न द्वारा परिभाषित किया गया है। माध्यमिक संरचना को वैकल्पिक रूप से रीढ़ की हड्डी के डायहेड्रल कोण के नियमित पैटर्न के आधार पर परिभाषित किया जा सकता है # रामचन्द्रन की साजिश के विशेष क्षेत्र में प्रोटीन के डायहेड्रल कोण, भले ही इसमें सही हाइड्रोजन बांड हों या नहीं।

द्वितीयक संरचना की अवधारणा पहली बार 1952 में स्टैनफोर्ड में काज उलरिक लिंडरस्ट्रॉम-लैंग द्वारा पेश की गई थी। अन्य प्रकार के जैव बहुलक जैसे न्यूक्लिक अम्ल में भी विशिष्ट न्यूक्लिक एसिड माध्यमिक संरचना होती है।

प्रकार
सबसे आम माध्यमिक संरचनाएं अल्फा हेलिक्स और बीटा शीट हैं। अन्य हेलिकॉप्टर, जैसे 310 हेलिक्स|310 हेलिक्स और पाई हेलिक्स|π हेलिक्स की गणना ऊर्जावान रूप से अनुकूल हाइड्रोजन-बॉन्डिंग पैटर्न के लिए की जाती है, लेकिन हेलिक्स के केंद्र में प्रतिकूल बैकबोन पैकिंग के कारण α हेलिकॉप्टर के सिरों को छोड़कर प्राकृतिक प्रोटीन में शायद ही कभी देखा जाता है। अन्य विस्तारित संरचनाएं जैसे PROLINE हेलिक्स]] और अल्फा शीट मूल राज्य प्रोटीन में दुर्लभ हैं लेकिन अक्सर महत्वपूर्ण प्रोटीन फोल्डिंग मध्यवर्ती के रूप में परिकल्पित की जाती हैं। तंग मोड़ (जैव रसायन) और ढीले, लचीले लूप अधिक नियमित माध्यमिक संरचना तत्वों को जोड़ते हैं। यादृच्छिक कुंडल वास्तविक माध्यमिक संरचना नहीं है, बल्कि अनुरूपताओं का वर्ग है जो नियमित माध्यमिक संरचना की अनुपस्थिति का संकेत देता है।

एमिनो एसिड विभिन्न माध्यमिक संरचना तत्वों को बनाने की उनकी क्षमता में भिन्न होते हैं। प्रोलाइन और ग्लाइसिन को कभी-कभी हेलिक्स ब्रेकर के रूप में जाना जाता है क्योंकि वे α हेलिकल बैकबोन संरचना की नियमितता को बाधित करते हैं; हालाँकि, दोनों में असामान्य गठन क्षमताएं हैं और आमतौर पर बदले में पाए जाते हैं (जैव रसायन)। अमीनो एसिड जो प्रोटीन में अल्फा हेलिक्स अनुरूपता को अपनाना पसंद करते हैं उनमें मेथिओनिन, एलेनिन, ल्यूसीन, ग्लूटामेट और लाइसिन (अमीनो एसिड में MALEK|एमिनो-एसिड 1-अक्षर कोड) शामिल हैं; इसके विपरीत, बड़े सुगंधित अवशेष ( tryptophan, टायरोसिन और फेनिलएलनिन) और सीβ-ब्रांच्ड अमीनो एसिड (आइसोल्यूसीन, वेलिन और थ्रेओनीन) बीटा शीट|β-स्ट्रैंड अनुरूपण को अपनाना पसंद करते हैं। हालाँकि, ये प्राथमिकताएँ अकेले अनुक्रम से द्वितीयक संरचना की भविष्यवाणी करने का विश्वसनीय तरीका तैयार करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं हैं।

ऐसा माना जाता है कि कम आवृत्ति वाले सामूहिक कंपन प्रोटीन के भीतर स्थानीय कठोरता के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिससे पता चलता है कि बीटा संरचनाएं अल्फा या अव्यवस्थित प्रोटीन की तुलना में सामान्य रूप से अधिक कठोर होती हैं। न्यूट्रॉन प्रकीर्णन माप ने ~1 THz पर वर्णक्रमीय विशेषता को बीटा-बैरल प्रोटीन GFP की द्वितीयक संरचना की सामूहिक गतियों से सीधे जोड़ा है। माध्यमिक संरचनाओं में हाइड्रोजन बॉन्डिंग पैटर्न काफी विकृत हो सकते हैं, जिससे माध्यमिक संरचना का स्वचालित निर्धारण मुश्किल हो जाता है। प्रोटीन द्वितीयक संरचना को औपचारिक रूप से परिभाषित करने के लिए कई विधियाँ हैं (उदाहरण के लिए, डीएसएसपी (हाइड्रोजन बांड आकलन एल्गोरिदम), परिभाषित करना, स्ट्राइड (एल्गोरिदम), स्क्रूफिक्स, SST ).

डीएसएसपी वर्गीकरण
प्रोटीन माध्यमिक संरचना का शब्दकोश, संक्षेप में डीएसएसपी में, आमतौर पर एकल अक्षर कोड के साथ प्रोटीन माध्यमिक संरचना का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाता है। द्वितीयक संरचना को हाइड्रोजन बॉन्डिंग पैटर्न के आधार पर सौंपा गया है जैसा कि पॉलिंग एट अल द्वारा शुरू में प्रस्तावित किया गया था। 1951 में (किसी भी प्रोटीन संरचना को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करने से पहले)। आठ प्रकार की माध्यमिक संरचनाएँ हैं जिन्हें DSSP परिभाषित करता है:


 * जी = 3-टर्न हेलिक्स (3 10 हेलिक्स|310 हेलिक्स)। न्यूनतम लंबाई 3 अवशेष.
 * एच = 4-टर्न हेलिक्स (α हेलिक्स)। न्यूनतम लंबाई 4 अवशेष.
 * I = 5-टर्न हेलिक्स (π हेलिक्स)। न्यूनतम लंबाई 5 अवशेष।
 * टी = हाइड्रोजन बंधित मोड़ (3, 4 या 5 मोड़)
 * ई = समानांतर और/या एंटी-समानांतर β-शीट संरचना में विस्तारित स्ट्रैंड। न्यूनतम लंबाई 2 अवशेष.
 * बी = पृथक β-पुल में अवशेष (एकल जोड़ी β-शीट हाइड्रोजन बांड गठन)
 * एस = मोड़ (एकमात्र गैर-हाइड्रोजन-बंधन आधारित असाइनमेंट)।
 * सी = कुंडल (अवशेष जो उपरोक्त किसी भी अनुरूपण में नहीं हैं)।

'कॉइल' को अक्सर (स्पेस), सी (कॉइल) या '-' (डैश) के रूप में कोडित किया जाता है। हेलिकॉप्टर (जी, एच और आई) और शीट संरचना सभी की उचित लंबाई होनी आवश्यक है। इसका मतलब यह है कि प्राथमिक संरचना में 2 आसन्न अवशेषों को समान हाइड्रोजन बॉन्डिंग पैटर्न बनाना चाहिए। यदि हेलिक्स या शीट हाइड्रोजन बॉन्डिंग पैटर्न बहुत छोटा है तो उन्हें क्रमशः टी या बी के रूप में नामित किया जाता है। अन्य प्रोटीन माध्यमिक संरचना असाइनमेंट श्रेणियां मौजूद हैं (तेज मोड़, ओमेगा लूप, आदि), लेकिन उनका उपयोग कम बार किया जाता है।

द्वितीयक संरचना को हाइड्रोजन बॉन्डिंग द्वारा परिभाषित किया जाता है, इसलिए हाइड्रोजन बॉन्ड की सटीक परिभाषा महत्वपूर्ण है। द्वितीयक संरचना के लिए मानक हाइड्रोजन-बॉन्ड परिभाषा डीएसएसपी (एल्गोरिदम) की है, जो पूरी तरह से इलेक्ट्रोस्टैटिक मॉडल है। यह ±q का शुल्क निर्दिष्ट करता है1≈ 0.42 क्रमशः कार्बोनिल कार्बन और ऑक्सीजन पर प्राथमिक चार्ज, और ±q का चार्ज2एमाइड हाइड्रोजन और नाइट्रोजन को क्रमशः ≈ 0.20e। इलेक्ट्रोस्टैटिक ऊर्जा है



E = q_{1} q_{2} \left( \frac{1}{r_\mathrm{ON}} + \frac{1}{r_\mathrm{CH}} - \frac{1}{r_\mathrm{OH}} - \frac{1}{r_\mathrm{CN}} \right) \cdot 332 \text{ kcal/mol}. $$ डीएसएसपी के अनुसार, हाइड्रोजन-बॉन्ड तभी मौजूद होता है जब ई इससे कम हो -0.5 kcal/mol. यद्यपि डीएसएसपी फॉर्मूला भौतिक हाइड्रोजन-बंध ऊर्जा का अपेक्षाकृत अपरिष्कृत अनुमान है, इसे आम तौर पर माध्यमिक संरचना को परिभाषित करने के लिए उपकरण के रूप में स्वीकार किया जाता है।

एसएसटी वर्गीकरण
SST न्यूनतम संदेश लंबाई (न्यूनतम संदेश लंबाई) अनुमान के शैनन सूचना मानदंड का उपयोग करके प्रोटीन समन्वय डेटा को माध्यमिक संरचना निर्दिष्ट करने के लिए बायेसियन विधि है। SST द्वितीयक संरचना के किसी भी असाइनमेंट को संभावित परिकल्पना के रूप में मानता है जो दिए गए प्रोटीन समन्वय डेटा को समझाने (दोषरहित संपीड़न) का प्रयास करता है। मूल विचार यह है कि सर्वोत्तम माध्यमिक संरचनात्मक असाइनमेंट वह है जो किसी दिए गए प्रोटीन के निर्देशांक को सबसे किफायती तरीके से (दोषरहित संपीड़न) समझा सकता है, इस प्रकार माध्यमिक संरचना के अनुमान को दोषरहित डेटा संपीड़न से जोड़ सकता है। एसएसटी निम्नलिखित असाइनमेंट प्रकारों से जुड़े क्षेत्रों में किसी भी प्रोटीन श्रृंखला को सटीक रूप से चित्रित करता है:
 * ई = बीटा शीट का (विस्तारित) स्ट्रैंड|β-प्लीटेड शीट
 * जी = दाएँ हाथ का 310 हेलिक्स|310 कुंडलित वक्रता
 * एच = दाएं हाथ का अल्फा हेलिक्स|α-हेलिक्स
 * I = दाएँ हाथ का पाई हेलिक्स|π-हेलिक्स
 * जी = बाएं हाथ का 310 हेलिक्स|310 कुंडलित वक्रता
 * एच = बाएं हाथ का अल्फा हेलिक्स|α-हेलिक्स
 * i = बाएं हाथ का पाई हेलिक्स|π-हेलिक्स
 * 3=310-लाइक टर्न (जैव रसायन)
 * 4 = α जैसा मोड़ (जैव रसायन)
 * 5 = π-जैसा मोड़ (जैव रसायन)
 * टी = अनिर्दिष्ट मोड़ (जैव रसायन)
 * सी = कुंडल
 * - = अनिर्धारित अवशेष

SST π और 3 का पता लगाता है10मानक α-हेलिकॉप्टरों के लिए हेलिकल कैप्स, और स्वचालित रूप से विभिन्न विस्तारित स्ट्रैंड्स को लगातार β-प्लीटेड शीट में असेंबल करता है। यह विच्छेदित माध्यमिक संरचनात्मक तत्वों का पठनीय आउटपुट और निर्दिष्ट माध्यमिक संरचनात्मक तत्वों को व्यक्तिगत रूप से देखने के लिए संबंधित PyMOL-लोड करने योग्य स्क्रिप्ट प्रदान करता है।

प्रायोगिक निर्धारण
बायोपॉलिमर की किसी न किसी माध्यमिक-संरचना सामग्री (उदाहरण के लिए, यह प्रोटीन 40% अल्फा हेलिक्स | α-हेलिक्स और 20% बीटा शीट | β-शीट है) का अनुमान स्पेक्ट्रोस्कोपी से लगाया जा सकता है। प्रोटीन के लिए, सामान्य विधि दूर-पराबैंगनी (सुदूर-यूवी, 170-250 एनएम) गोलाकार द्वैतवाद है। 208 और 222 एनएम पर स्पष्ट दोहरा न्यूनतम α-पेचदार संरचना को दर्शाता है, जबकि 204 एनएम या 217 एनएम पर एकल न्यूनतम क्रमशः यादृच्छिक-कॉइल या β-शीट संरचना को दर्शाता है। कम सामान्य विधि अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी है, जो हाइड्रोजन-बॉन्डिंग के कारण एमाइड समूहों के बॉन्ड दोलनों में अंतर का पता लगाती है। अंत में, प्रारंभिक रूप से अनिर्धारित परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रम के रासायनिक बदलावों का उपयोग करके माध्यमिक-संरचना सामग्री का सटीक अनुमान लगाया जा सकता है।

भविष्यवाणी
केवल इसके अमीनो अनुक्रम से प्रोटीन तृतीयक संरचना की भविष्यवाणी करना बहुत ही चुनौतीपूर्ण समस्या है (प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी देखें), लेकिन सरल माध्यमिक संरचना परिभाषाओं का उपयोग करना अधिक आसान है।

माध्यमिक-संरचना भविष्यवाणी के प्रारंभिक तरीके तीन प्रमुख राज्यों की भविष्यवाणी करने तक ही सीमित थे: हेलिक्स, शीट, या यादृच्छिक कुंडल। ये विधियां व्यक्तिगत अमीनो एसिड की हेलिक्स- या शीट-बनाने की प्रवृत्ति पर आधारित थीं, कभी-कभी माध्यमिक संरचना तत्वों के निर्माण की मुक्त ऊर्जा का अनुमान लगाने के नियमों के साथ जोड़ी जाती थीं। अमीनो एसिड अनुक्रम से प्रोटीन माध्यमिक संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए पहली व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक चाउ-फास्मान विधि थी  और GOR विधि। हालांकि इस तरह के तरीकों से यह अनुमान लगाने में ~60% सटीकता प्राप्त करने का दावा किया गया है कि अवशेष तीन अवस्थाओं (हेलिक्स/शीट/कॉइल) में से कौन सा अपनाता है, बाद में ब्लाइंड कंप्यूटिंग आकलन से पता चला कि वास्तविक सटीकता बहुत कम थी।

एकाधिक अनुक्रम संरेखण का उपयोग करके सटीकता में उल्लेखनीय वृद्धि (लगभग ~80%) की गई; पूरे विकास के दौरान स्थिति में (और इसके आसपास के क्षेत्र में, आम तौर पर दोनों तरफ ~7 अवशेष) होने वाले अमीनो एसिड के पूर्ण वितरण को जानने से उस स्थिति के निकट संरचनात्मक प्रवृत्तियों की बेहतर तस्वीर मिलती है। उदाहरण के लिए, किसी दिए गए प्रोटीन में किसी दिए गए स्थान पर ग्लाइसिन हो सकता है, जो अपने आप में वहां यादृच्छिक कुंडल का सुझाव दे सकता है। हालाँकि, एकाधिक अनुक्रम संरेखण से पता चल सकता है कि हेलिक्स-अनुकूल अमीनो एसिड लगभग अरब वर्षों के विकास में फैले 95% समजात प्रोटीन में उस स्थिति (और आस-पास की स्थिति) में होते हैं। इसके अलावा, उस और आस-पास के स्थानों पर औसत हाइड्रोफोबिसिटी की जांच करके, वही संरेखण α-हेलिक्स के अनुरूप अवशेष सुलभ सतह क्षेत्र का पैटर्न भी सुझा सकता है। साथ लेने पर, ये कारक सुझाव देंगे कि मूल प्रोटीन का ग्लाइसिन यादृच्छिक कुंडल के बजाय α-पेचदार संरचना को अपनाता है। 3-राज्य भविष्यवाणी बनाने के लिए सभी उपलब्ध डेटा को संयोजित करने के लिए कई प्रकार के तरीकों का उपयोग किया जाता है, जिसमें तंत्रिका नेटवर्क, छिपे छिपा हुआ मार्कोव मॉडल और समर्थन वेक्टर यंत्र शामिल हैं। आधुनिक भविष्यवाणी पद्धतियां हर स्थिति में उनकी भविष्यवाणियों के लिए आत्मविश्वास स्कोर भी प्रदान करती हैं।

माध्यमिक-संरचना भविष्यवाणी विधियों का मूल्यांकन प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी (सीएएसपी) प्रयोगों का महत्वपूर्ण मूल्यांकन द्वारा किया गया और लगातार बेंचमार्क किया गया, उदाहरण के लिए। ईवीए (बेंचमार्क) द्वारा। इन परीक्षणों के आधार पर, सबसे सटीक तरीके थे Psipred, SAM, बोझ ढोनेवाला, प्रोफेसर, और सेबल. सुधार का मुख्य क्षेत्र β-स्ट्रैंड्स की भविष्यवाणी प्रतीत होता है; अवशेषों का आत्मविश्वास से अनुमान लगाया गया है कि β-स्ट्रैंड के ऐसा होने की संभावना है, लेकिन विधियाँ कुछ β-स्ट्रैंड खंडों (झूठे नकारात्मक) को नजरअंदाज करने के लिए उपयुक्त हैं। पीडीबी संरचनाओं के लिए माध्यमिक-संरचना वर्गों (हेलिक्स/स्ट्रैंड/कॉइल) को निर्दिष्ट करने के लिए मानक विधि (डीएसएसपी (एल्गोरिदम)) की विशिष्टताओं के कारण, कुल मिलाकर ~90% भविष्यवाणी सटीकता की ऊपरी सीमा होने की संभावना है, जिसके विरुद्ध भविष्यवाणियां की जाती हैं। बेंचमार्क किया गया। सरलतम (प्रोटीन संरचना भविष्यवाणी) मामलों को छोड़कर सभी मामलों में, तृतीयक संरचना की भविष्यवाणी में सटीक माध्यमिक-संरचना भविष्यवाणी प्रमुख तत्व है। उदाहरण के लिए, छह माध्यमिक संरचना तत्वों βαββαβ का आत्मविश्वास से अनुमानित पैटर्न फेरेडॉक्सिन गुना का हस्ताक्षर है।

अनुप्रयोग
एकाधिक अनुक्रम संरेखण में सहायता के लिए प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड दोनों माध्यमिक संरचनाओं का उपयोग किया जा सकता है। सरल अनुक्रम जानकारी के अलावा द्वितीयक संरचना जानकारी को शामिल करके इन संरेखणों को और अधिक सटीक बनाया जा सकता है। यह कभी-कभी आरएनए में कम उपयोगी होता है क्योंकि आधार युग्मन अनुक्रम की तुलना में बहुत अधिक संरक्षित होता है। जिन प्रोटीनों की प्राथमिक संरचनाएँ असंगठित हैं, उनके बीच दूर के संबंध कभी-कभी द्वितीयक संरचना द्वारा पाए जा सकते हैं।

यह दिखाया गया है कि α-हेलिकॉप्टर प्राकृतिक प्रोटीन में β-स्ट्रैंड की तुलना में अधिक स्थिर, उत्परिवर्तन के लिए मजबूत और डिज़ाइन करने योग्य होते हैं, इस प्रकार कार्यात्मक ऑल-α प्रोटीन को डिज़ाइन करना हेलिक्स और स्ट्रैंड दोनों के साथ प्रोटीन को डिज़ाइन करने की तुलना में आसान होने की संभावना है; इसकी हाल ही में प्रायोगिक तौर पर पुष्टि की गई है।

यह भी देखें

 * तह (रसायन विज्ञान)
 * न्यूक्लिक एसिड माध्यमिक संरचना
 * अनुवाद (जीव विज्ञान)
 * संरचनात्मक रूपांकन
 * प्रोटीन वृत्ताकार द्वैतवाद डेटा बैंक
 * क्या होगा अगर सॉफ्टवेयर
 * प्रोटीन माध्यमिक संरचना भविष्यवाणी कार्यक्रमों की सूची

अग्रिम पठन

 * (The original beta-sheet conformation article.)
 * (alpha- and pi-helix conformations, since they predicted that $$3_{10}$$ helices would not be possible.)
 * (alpha- and pi-helix conformations, since they predicted that $$3_{10}$$ helices would not be possible.)

बाहरी संबंध

 * NetSurfP – Secondary Structure and Surface Accessibility predictor
 * PROF
 * ScrewFit
 * PSSpred A multiple neural network training program for protein secondary structure prediction
 * Genesilico metaserver Metaserver which allows to run over 20 different secondary structure predictors by one click
 * SST webserver: An information-theoretic (compression-based) secondary structural assignment.