Secondary structure is one of the most prominent features of a protein; it describes the local backbone conformations of its residues. Accurate and unambiguous representations of structural data are of great importance when dealing with individual proteins or with large protein databases. Two- dimensional graphs like the Ramachandran plot provide insight into the overall appearance of the whole protein structure as well as into conformations of individual residues. During my PhD work, I analyzed such structural features using the (d, ϑ)-plot that interprets the local protein backbone structure in terms of a helix of infinite length. The specific pair of helical parameters (d, ϑ) proved to be most insightful parameters compared to the other possible combinations of helix parameters and torsion angles. The formulas to calculate d and ϑ from given φ and ψ backbone dihedral angles used in the Ramachandran plot were calculated for the most recent values of protein backbone geometries in terms of bond length and bond angles. Related with the work to visualize secondary structure, the program PSSC, a new tool for the characterization of the secondary structure, was developed. In particular, I developed the software PSSC to overcome the known problems of DSSP, the standard tool for secondary structure assignment. Secondary structure assignment with PSSC leads to a better clustering in the (φ, ψ) space. Ambiguities in the secondary structure of proteins, especially at the intersection of different helix types, are represented in a comprehensible format, allowing for mixed secondary structure classes. I further demonstrated the abundance of such mixed helical regions in proteins, underlining the necessity to introduce such mixed classes. As a first application of the transformation from the (φ, ψ) in the (d, ϑ) space, the software PSSC was extended to use this information for assignment of additional secondary structure. An interactive web page displaying the results of PSSC together with a visualization in form of a (d, ϑ) plot is available at http://agknapp.chemie.fu-berlin.de/secsass.
Die Sekundärstruktur ist ein wesentliches Merkmal von Proteinen. Sie beschreibt die lokalen Backbone-Konformere der Aminosäurereste. Eine verläßliche und eindeutige Darstellung von Sekundärstrukturdaten ist unverzichtbar, sowohl bei der Analyse einzelner Proteine, als auch bei großen Proteindatenbanken. Zweidimensionale Graphen wie das Ramachandran-Diagramm bieten eine Übersicht über die gesamte Proteinstruktur sowie die Konformere der einzelnen Residuen. In meiner Dissertation habe ich Proteinsekundärstrukturen mithilfe des (d, ϑ)-Graphen analysiert. Hierbei wird die lokale Geometrie einzelner Residuen als unendlich ausgedehnte Helix interpretiert. Die Wahl des Variablenpaars (d, ϑ) hat sich hierfür gegenüber allen anderen möglichen Kombinationen von zwei Helixparametern oder Torsionswinkeln überlegen gezeigt. Die Beziehungen, um d und ϑ aus gegebenen Torsionswinkeln φ und ψ zu bestimmen, wurden mit den besten gegenwärtig verfügbaren Werten für die Winkel und Bindungslängen im Proteinrückgrat berechnet. Bei dem Programm PSSC handelt es sich um ein von mir entwickeltes Werkzeug zur Charakterisierung von Proteinsekundärstrukturen. PSSC dient insbesondere dazu, vorhandene Probleme in dem weitverbreiteten Programm DSSP zu überwinden. Die von PSSC erzeugte Sekundärstrukturzuordnung liefert eine geringere Streuung im (φ, ψ)-Raum. Mehrdeutigkeiten durch überlappende Sekundärstrukturmotive, die vor allem in längeren Helices auftreten, werden in einem übersichtlichen Code dargestellt, der die Zuordnung von gemischten Sekundärstrukturklassen gestattet. Die Notwendigkeit solcher gemischten Klassen habe ich durch die Analyse der Häufigkeit des Auftretens von gemischten Helices in Proteinen zeigen können. Eine direkte Anwendung findet die Transformation vom (φ, ψ)- in den (d, ϑ)-Raum im PSSC-Programm, um zusätzliche, nicht über Wasserstoffbrücken identifizierbare Sekundärstrukturklassen zu definieren Eine interaktive Web-Applikation, die die Sekundärstrukturzuordnung von PSSC mithilfe eines (d, ϑ)-Graphen visualisiert, ist unter http://agknapp.chemie.fu-berlin.de/secsass verfügbar.
