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Índice de desplazamiento químico

Ejemplo de índice de desplazamiento químico El índice de desplazamiento químico o CSI es una técnica ampliamente empleada en espectroscopia de resonancia magnética nuclear de pr...

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Ejemplo de índice de desplazamiento químico

El índice de desplazamiento químico o CSI es una técnica ampliamente empleada en espectroscopia de resonancia magnética nuclear de proteínas que se puede utilizar para mostrar e identificar la ubicación (es decir, inicio y final), así como el tipo de estructura secundaria de la proteína (cadenas beta, hélices y regiones de bobina aleatoria) encontrada en proteínas utilizando solo datos de desplazamiento químico de la cadena principal [1] [2] La técnica fue inventada por David S. Wishart en 1992 para analizar los desplazamientos químicos de 1 Hα y luego ampliada por él en 1994 para incorporar los desplazamientos de la cadena principal de 13 C. El método CSI original hace uso del hecho de que los desplazamientos químicos de 1 Hα de los residuos de aminoácidos en hélices tienden a desplazarse hacia arriba (es decir, hacia el lado derecho de un espectro de RMN) en relación con sus valores de bobina aleatoria y hacia abajo (es decir, hacia el lado izquierdo de un espectro de RMN) en cadenas beta . También se pueden detectar tipos similares de tendencias hacia arriba y hacia abajo en los desplazamientos químicos de 13 C de la cadena principal .

Implementación

El CSI es una técnica basada en gráficos que básicamente emplea un filtro digital específico de aminoácidos para convertir cada valor de desplazamiento químico asignado a la cadena principal en un índice simple de tres estados (-1, 0, +1). Este enfoque genera un gráfico de valores de desplazamiento químico de proteínas más fácil de entender y mucho más agradable a la vista. En particular, si el desplazamiento químico de 1 Hα en el campo superior (en relación con un valor de bobina aleatoria específico de aminoácidos) de un determinado residuo es > 0,1 ppm, entonces a ese residuo de aminoácido se le asigna un valor de -1. De manera similar, si el desplazamiento químico de 1 Hα en el campo inferior de un determinado residuo de aminoácido es > 0,1 ppm, entonces a ese residuo se le asigna un valor de +1. Si el desplazamiento químico de un residuo de aminoácido no se desplaza hacia abajo o hacia arriba en una cantidad suficiente (es decir, <0,1 ppm), se le asigna un valor de 0. Cuando este índice de 3 estados se representa como un gráfico de barras sobre la longitud completa de la secuencia de la proteína, una simple inspección puede permitir identificar cadenas beta (grupos de valores +1), hélices alfa (grupos de valores -1) y segmentos de espiral aleatoria (grupos de valores 0). En la Tabla 1 se proporciona una lista de los desplazamientos químicos de espiral aleatoria específicos de aminoácidos para los cálculos de CSI. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de un gráfico de CSI para una proteína pequeña con las flechas ubicadas sobre las barras negras que indican las ubicaciones de las cadenas beta y el cuadro rectangular que indica la ubicación de una hélice.

Actuación

Utilizando sólo desplazamientos químicos de 1 Hα y reglas de agrupamiento simples (grupos de 3 o más barras verticales para cadenas beta y grupos de 4 o más barras verticales para hélices alfa), el CSI es típicamente 75-80% preciso en la identificación de estructuras secundarias. [2] [3] [4] [5] Este desempeño depende en parte de la calidad del conjunto de datos de RMN así como de la técnica (manual o programática) utilizada para identificar las estructuras secundarias de la proteína. Como se señaló anteriormente, también se ha desarrollado un método de consenso CSI que filtra los cambios de desplazamiento químico de campo superior/campo inferior en átomos de 13 Cα, 13 Cβ y 13 C' de una manera similar a los desplazamientos de 1 Hα. [2] El CSI de consenso combina los gráficos CSI de los desplazamientos químicos de 1 H y 13 C de la cadena principal para generar un único gráfico CSI. Puede tener hasta un 85-90% de precisión. [5]

Historia

El vínculo entre los desplazamientos químicos de las proteínas y la estructura secundaria de las proteínas (específicamente las hélices alfa) fue descrito por primera vez por John Markley y sus colegas en 1967. [6] Con el desarrollo de las modernas técnicas de RMN bidimensional, se hizo posible medir más desplazamientos químicos de las proteínas. A principios de los años 1980, cuando se asignaron más péptidos y proteínas, pronto se hizo evidente que los desplazamientos químicos de los aminoácidos eran sensibles no solo a las conformaciones helicoidales, sino también a las conformaciones de la cadena β. Específicamente, los desplazamientos químicos secundarios de 1 Hα de todos los aminoácidos muestran una clara tendencia hacia arriba en la formación de la hélice y una obvia tendencia hacia abajo en la formación de la hoja β. [7] [8] A principios de los años 1990, se había recopilado un conjunto suficiente de asignaciones de desplazamiento químico de 13 C y 15 N para péptidos y proteínas para determinar que eran evidentes tendencias similares de campo arriba/campo abajo para esencialmente todos los desplazamientos químicos de la cadena principal de 13 Cα, 13 Cβ, 13 C', 1 HN y 15 N (débilmente). [9] [10] Fueron estas tendencias de desplazamiento químico bastante llamativas las que se explotaron en el desarrollo del índice de desplazamiento químico.

Limitaciones

El método CSI no está exento de algunas deficiencias. En particular, su rendimiento disminuye si las asignaciones de desplazamiento químico están mal referenciadas o son incompletas. También es bastante sensible a la elección de desplazamientos de bobina aleatorios utilizados para calcular los desplazamientos secundarios [5] y generalmente identifica hélices alfa (>85% de precisión) mejor que cadenas beta (<75% de precisión) independientemente de la elección de desplazamientos de bobina aleatorios. [5] Además, el método CSI no identifica otros tipos de estructuras secundarias, como los giros β. Debido a estas deficiencias, se han propuesto varios enfoques alternativos similares a CSI. Estos incluyen: 1) un método de predicción que emplea potenciales de desplazamiento/estructura química derivados estadísticamente (PECAN); [11] 2) un enfoque probabilístico para la identificación de la estructura secundaria (PSSI); [12] 3) un método que combina predicciones de estructura secundaria a partir de datos de secuencia y datos de desplazamiento químico (PsiCSI), [13] 4) un enfoque de identificación de estructura secundaria que utiliza patrones de desplazamiento químico preespecificados (PLATON) [14] y 5) un método de análisis de conglomerados bidimensional conocido como 2DCSi. [15] El rendimiento de estos métodos más nuevos es generalmente ligeramente mejor (2-4%) que el método CSI original.

Utilidad

Desde su descripción original en 1992, el método CSI se ha utilizado para caracterizar la estructura secundaria de miles de péptidos y proteínas. Su popularidad se debe en gran medida al hecho de que es fácil de entender y se puede implementar sin la necesidad de programas informáticos especializados. Aunque el método CSI se puede realizar fácilmente de forma manual, varios programas de procesamiento de datos de RMN de uso común, como NMRView [16], servidores web de generación de estructuras de RMN como CS23D [17], así como varios servidores web de análisis de datos de RMN como RCI [18] , Preditor [19] y PANAV [20] han incorporado el método CSI en su software.

Véase también

Referencias

  1. ^ Wishart DS, Sykes BD, Richards FM (febrero de 1992). "El índice de desplazamiento químico: un método rápido y simple para la asignación de la estructura secundaria de proteínas mediante espectroscopia de RMN". Bioquímica . 31 (6): 1647–51. CiteSeerX  10.1.1.539.2952 . doi :10.1021/bi00121a010. PMID  1737021.
  2. ^ abc Wishart, David S. ; Sykes, Brian D. (1994). "El índice de desplazamiento químico de 13 C: un método simple para la identificación de la estructura secundaria de proteínas utilizando datos de desplazamiento químico de 13 C". Journal of Biomolecular NMR . 4 (2): 171–80. doi :10.1007/BF00175245. PMID  8019132. S2CID  42323147.
  3. ^ Wishart DS, Case DA (2001). "Uso de desplazamientos químicos en la determinación de la estructura macromolecular". Resonancia magnética nuclear de macromoléculas biológicas, parte A. Métodos en enzimología. Vol. 338. págs. 3–34. doi :10.1016/s0076-6879(02)38214-4. ISBN 9780121822392. Número de identificación personal  11460554.
  4. ^ Mielke SP, Krishnan VV (abril de 2009). "Caracterización de la estructura secundaria de proteínas a partir de desplazamientos químicos de RMN". Progreso en espectroscopia de resonancia magnética nuclear . 54 (3–4): 141–165. Bibcode :2009PNMRS..54..141M. doi :10.1016/j.pnmrs.2008.06.002. PMC 2766081 . PMID  20160946. 
  5. ^ abcd Wishart DS (febrero de 2011). "Interpretación de los datos de desplazamiento químico de las proteínas". Progreso en espectroscopia de resonancia magnética nuclear . 58 (1–2): 62–87. Bibcode :2011PNMRS..58...62W. doi :10.1016/j.pnmrs.2010.07.004. PMID  21241884.
  6. ^ Markley JL, Meadows DH, Jardetzky O (julio de 1967). "Estudios de resonancia magnética nuclear de transiciones de hélice-bobina en poliaminoácidos". Journal of Molecular Biology . 27 (1): 25–40. doi :10.1016/0022-2836(67)90349-X. PMID  6033611.
  7. ^ Clayden, NJ; Williams, RJP (1982). "Cambios en los grupos de péptidos". Journal of Magnetic Resonance . 49 (3): 383. Bibcode :1982JMagR..49..383C. doi :10.1016/0022-2364(82)90252-9.
  8. ^ Pardi A, Wagner G, Wüthrich K (diciembre de 1983). "Conformación de proteínas y desplazamientos químicos por resonancia magnética nuclear de protones". Revista Europea de Bioquímica . 137 (3): 445–54. doi : 10.1111/j.1432-1033.1983.tb07848.x . PMID  6198174.
  9. ^ Wishart DS, Sykes BD, Richards FM (noviembre de 1991). "Relación entre el desplazamiento químico por resonancia magnética nuclear y la estructura secundaria de las proteínas". Journal of Molecular Biology . 222 (2): 311–33. doi : 10.1016/0022-2836(91)90214-Q . PMID  1960729.
  10. ^ Spera, Silvia; Bax, Ad (1991). "Correlación empírica entre la conformación de la cadena principal de proteínas y los desplazamientos químicos de resonancia magnética nuclear de Cα y Cβ 13 C". Journal of the American Chemical Society . 113 (14): 5490–2. doi :10.1021/ja00014a071. INIST 5389018. 
  11. ^ Eghbalnia HR, Wang L, Bahrami A, Assadi A, Markley JL (mayo de 2005). "Análisis conformacional energético de proteínas a partir de desplazamientos químicos de RMN (PECAN) y su uso para determinar elementos estructurales secundarios". Journal of Biomolecular NMR . 32 (1): 71–81. doi :10.1007/s10858-005-5705-1. PMID  16041485. S2CID  31769093.
  12. ^ Wang Y, Jardetzky O (abril de 2002). "Identificación de la estructura secundaria de proteínas basada en probabilidad utilizando datos combinados de desplazamiento químico de RMN". Protein Science . 11 (4): 852–61. doi :10.1110/ps.3180102. PMC 2373532 . PMID  11910028. 
  13. ^ Hung LH, Samudrala R (febrero de 2003). "Clasificación precisa y automatizada de la estructura secundaria de proteínas con PsiCSI". Protein Science . 12 (2): 288–95. doi :10.1110/ps.0222303. PMC 2312422 . PMID  12538892. 
  14. ^ Labudde D, Leitner D, Krüger M, Oschkinat H (enero de 2003). "Algoritmo de predicción de tipos de aminoácidos con su estructura secundaria en proteínas (PLATON) mediante desplazamientos químicos". Journal of Biomolecular NMR . 25 (1): 41–53. doi :10.1023/A:1021952400388. PMID  12566998. S2CID  11900013.
  15. ^ Wang CC, Chen JH, Lai WC, Chuang WJ (mayo de 2007). "2DCSi: identificación de la estructura secundaria de proteínas y el estado redox mediante análisis de grupos 2D de desplazamientos químicos de RMN". Journal of Biomolecular NMR . 38 (1): 57–63. doi :10.1007/s10858-007-9146-x. PMID  17333485. S2CID  20041621.
  16. ^ Johnson BA, Blevins RA (septiembre de 1994). "NMR View: un programa informático para la visualización y el análisis de datos de RMN". Journal of Biomolecular NMR . 4 (5): 603–14. doi :10.1007/BF00404272. PMID  22911360. S2CID  32728461.
  17. ^ Wishart DS, Arndt D, Berjanskii M, Tang P, Zhou J, Lin G (julio de 2008). "CS23D: un servidor web para la generación rápida de estructuras de proteínas utilizando desplazamientos químicos de RMN y datos de secuencia". Nucleic Acids Research . 36 (número de servidor web): W496–502. doi :10.1093/nar/gkn305. PMC 2447725 . PMID  18515350. 
  18. ^ Berjanskii MV, Wishart DS (julio de 2007). "El servidor RCI: cálculo rápido y preciso de la flexibilidad de las proteínas mediante desplazamientos químicos". Nucleic Acids Research . 35 (número del servidor web): W531–7. doi :10.1093/nar/gkm328. PMC 1933179 . PMID  17485469. 
  19. ^ Berjanskii MV, Neal S, Wishart DS (julio de 2006). "PREDITOR: un servidor web para predecir las restricciones del ángulo de torsión de las proteínas". Nucleic Acids Research . 34 (número del servidor web): W63–9. doi :10.1093/nar/gkl341. PMC 1538894 . PMID  16845087. 
  20. ^ Wang B, Wang Y, Wishart DS (junio de 2010). "Un enfoque probabilístico para validar las asignaciones de desplazamiento químico de la proteína por RMN". Journal of Biomolecular NMR . 47 (2): 85–99. doi :10.1007/s10858-010-9407-y. PMID  20446018. S2CID  22564072.
  • Cálculos de CSI a través del servidor web RCI
  • Cálculos CSI a través del servidor web Preditor
  • Programa CSI independiente para Linux/Unix
  • Referenciación de desplazamiento químico para cálculos de CSI por Shiftcor
  • Re-referenciación de desplazamiento químico para cálculos de CSI por PANAV
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