โครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนคือโครงสร้างเชิงพื้นที่เฉพาะที่ของกระดูกสันหลังของพอลิเปปไทด์โดยไม่รวมโซ่ข้าง^{[ 1 ]}องค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิ ที่ พบได้บ่อยที่สุดสองอย่างคืออัลฟาเฮลิกซ์และเบต้าชีทแม้ว่าเบต้าเทิร์นและโอเมก้าลูปก็เกิดขึ้นได้เช่นกัน โดยทั่วไปแล้วองค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเป็นตัวกลางก่อนที่โปรตีนจะพับตัว เป็น โครงสร้างตติยภูมิสามมิติ

โครงสร้างทุติยภูมิถูกกำหนดอย่างเป็นทางการโดยรูปแบบของพันธะไฮโดรเจนระหว่าง อะตอมไฮโดรเจนของหมู่ อะมิโนและอะตอมออกซิเจน ของ หมู่ คาร์ บอกซิล ในโครงสร้างหลักของเปปไทด์ หรืออีกทางหนึ่ง โครงสร้างทุติยภูมิอาจถูกกำหนดโดยอาศัยรูปแบบปกติของมุมไดเฮด รัลของโครงสร้าง หลักในบริเวณใดบริเวณหนึ่งของแผนภาพรามาจันดรานโดยไม่คำนึงว่าจะมีพันธะไฮโดรเจนที่ถูกต้องหรือไม่

แนวคิดเรื่องโครงสร้างทุติยภูมิได้รับการนำเสนอโดยKaj Ulrik Linderstrøm-Langที่Stanfordในปี พ.ศ. 2495 ^{[ 2 ] [ 3 ]}ไบโอพอลิเมอร์ประเภทอื่นๆเช่นกรดนิวคลีอิกก็มีโครงสร้างทุติยภูมิ ที่เป็นลักษณะเฉพาะเช่น กัน

โครงสร้างทุติยภูมิที่พบได้บ่อยที่สุดคือเกลียวอัลฟาและแผ่นเบตาเกลียวอื่นๆ เช่นเกลียว3'10 และเกลียว πคำนวณแล้วว่ามีรูปแบบการเชื่อมต่อด้วยพันธะไฮโดรเจนที่ให้พลังงานเหมาะสม แต่พบได้น้อยมากในโปรตีนตามธรรมชาติ ยกเว้นที่ปลายของเกลียวอัลฟา เนื่องจากโครงสร้างหลักที่อยู่ตรงกลางเกลียวมีการจัดเรียงตัวที่ไม่เหมาะสม โครงสร้างแบบยืดออกอื่นๆ เช่นเกลียวโพลีโพรลีนและแผ่นอัลฟาพบได้น้อยใน โปรตีน ในสภาวะปกติแต่โดยทั่วไปมักถูกตั้งสมมติฐานว่าเป็นตัวกลางที่สำคัญในการพับตัวของโปรตีน การ หักง อ ที่ แน่นและการวนลูปที่หลวมและยืดหยุ่นเชื่อมโยงองค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิที่ "ปกติ" มากกว่าขดแบบสุ่มไม่ใช่โครงสร้างทุติยภูมิที่แท้จริง แต่เป็นกลุ่มของโครงสร้างที่บ่งชี้ว่าไม่มีโครงสร้างทุติยภูมิที่ปกติ

กรดอะมิโนมีความแตกต่างกันในความสามารถในการสร้างองค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิต่างๆเมไทโอนีนอะลานีนลิวซีนกลูตาเมตและไลซีน ("MALEK" ใน รหัส กรดอะมิโน 1 ตัวอักษร) รวมถึงอาร์จินีน (R) และกลูตามีน (Q) มีแนวโน้ม ที่จะมี โครงสร้างแบบเกลียวในโปรตีน ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}ในทางตรงกันข้าม หมู่กรดอะมิโนอะโรมาติกขนาดใหญ่ ( ทริปโตเฟนไทโรซีนและฟีนิลอะลานีน ) และกรดอะมิโนที่มีกิ่ง Cβ ( ^ไอโซลิวซีนวาลีนและทรีโอนีน ) มีแนวโน้มที่จะมีโครงสร้างแบบสายเบต้า มากกว่า ^{[ 6 ] [ 8 ]} ไกล ซีน (G), แอสปาราจีน (N), โพรลีน (P), แอสปาร์เทต (D) และเซรีน (S) มีแนวโน้มที่จะโค้ง งอและบิดงอ ในขณะที่กรดอะมิโนสองตัวสุดท้ายคือซิสเทอีน (C) และฮิสติดีน (H) ไม่แสดงความชอบใดๆ^{[ 6 ] [ 8 ]}นอกจากนี้ โพรลีนและไกลซีนบางครั้งถูกเรียกว่า "ตัวทำลายเกลียว" เนื่องจากพวกมันรบกวนความสม่ำเสมอของโครงสร้างกระดูกสันหลังแบบเกลียวอัลฟา^{[ 9 ] [ 10 ]}อย่างไรก็ตาม ความชอบเหล่านี้ไม่แข็งแกร่งพอที่จะสร้างวิธีการที่เชื่อถือได้ในการทำนายโครงสร้างทุติยภูมิจากลำดับเพียงอย่างเดียว

เชื่อกันว่าการสั่นสะเทือนรวมความถี่ต่ำมีความไวต่อความแข็งแกร่งเฉพาะที่ภายในโปรตีน ซึ่งเผยให้เห็นว่าโครงสร้างเบต้าโดยทั่วไปมีความแข็งแกร่งมากกว่าโปรตีนอัลฟาหรือโปรตีนที่ไม่มีระเบียบ^{[ 11 ] [ 12 ]}การวัดการกระเจิงของนิวตรอนได้เชื่อมโยงคุณลักษณะสเปกตรัมที่ ~1 THz โดยตรงกับการเคลื่อนที่รวมของโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนเบต้าบาร์เรล GFP ^{[ 13 ]}

รูปแบบพันธะไฮโดรเจนในโครงสร้างทุติยภูมิอาจบิดเบี้ยวอย่างมาก ซึ่งทำให้การกำหนดโครงสร้างทุติยภูมิโดยอัตโนมัติเป็นเรื่องยาก มีหลายวิธีในการกำหนดโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนอย่างเป็นทางการ⁽เช่นDSSP [ ^{14 ]} DEFINE ^{[ 15 ]} STRIDE ^{[ 16 ]} ScrewFit [ ^{17 ]} SST ^{[ 18 ] )}

การจำแนกประเภท DSSP

พจนานุกรมโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีน หรือ DSSP เป็นพจนานุกรมที่ใช้กันทั่วไปในการอธิบายโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนด้วยรหัสตัวอักษรเดี่ยว โครงสร้างทุติยภูมิจะถูกกำหนดโดยอิงจากรูปแบบพันธะไฮโดรเจนตามที่ Pauling และคณะเสนอไว้ในปี 1951 (ก่อนที่จะมีการกำหนดโครงสร้างโปรตีน ด้วยวิธีการทดลอง) DSSP กำหนดโครงสร้างทุติยภูมิไว้แปดประเภท:

• G = เกลียว 3 รอบ ( 3 helix ) ความยาวขั้นต่ำ 3 หน่วยย่อย
• H = เกลียว 4 รอบ ( เกลียวอัลฟา ) ความยาวขั้นต่ำ 4 หน่วยย่อย
• I = เกลียว 5 รอบ ( เกลียว π ) ความยาวขั้นต่ำ 5 หน่วยย่อย
• T = การหมุนด้วยพันธะไฮโดรเจน (3, 4 หรือ 5 รอบ)
• E = สายยาวที่ต่อขยายในโครงสร้าง เบต้าชีทแบบขนานและ/หรือแบบตรงข้ามความยาวขั้นต่ำ 2 หน่วยย่อย
• B = สารตกค้างในสะพานเบต้าที่แยกตัว (การสร้างพันธะไฮโดรเจนของแผ่นเบต้าคู่เดียว)
• S = โค้งงอ (การกำหนดเพียงอย่างเดียวที่ไม่เกี่ยวข้องกับพันธะไฮโดรเจน)
• C = ขด (สารตกค้างที่ไม่อยู่ในโครงสร้างใดๆ ข้างต้น)

คำว่า 'ขด' (Coil) มักถูกกำหนดรหัสเป็น '  ' (ช่องว่าง), C (ขด) หรือ '–' (ขีดกลาง) โครงสร้างแบบเกลียว (G, H และ I) และแบบแผ่น (Sheet) จะต้องมีความยาวที่เหมาะสม หมายความว่า โมเลกุล 2 ตัวที่อยู่ติดกันในโครงสร้างปฐมภูมิจะต้องมีรูปแบบการเชื่อมต่อด้วยไฮโดรเจนแบบเดียวกัน หากรูปแบบการเชื่อมต่อด้วยไฮโดรเจนของเกลียวหรือแผ่นสั้นเกินไป จะถูกกำหนดเป็น T หรือ B ตามลำดับ นอกจากนี้ยังมีหมวดหมู่การกำหนดโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนอื่นๆ อีก (เช่น การหักมุมแหลม, วงโอเมก้าเป็นต้น) แต่ไม่ค่อยได้ใช้บ่อยนัก

โครงสร้างทุติยภูมิถูกกำหนดโดยพันธะไฮโดรเจนดังนั้นคำจำกัดความที่แน่นอนของพันธะไฮโดรเจนจึงมีความสำคัญ คำจำกัดความมาตรฐานของพันธะไฮโดรเจนสำหรับโครงสร้างทุติยภูมิคือคำจำกัดความของDSSPซึ่งเป็นแบบจำลองทางไฟฟ้าสถิตล้วนๆ แบบจำลองนี้กำหนดประจุ ± q   ≈  0.42 eให้กับคาร์บอนและออกซิเจนของหมู่คาร์บอนิลตามลำดับ และประจุ ± q   ≈  0.20 eให้กับไฮโดรเจนและไนโตรเจนของหมู่เอไมด์ตามลำดับ พลังงานไฟฟ้าสถิตคือ

${\displaystyle E=q_{1}q_{2}\left({\frac {1}{r_{\mathrm {ON} }}}+{\frac {1}{r_{\mathrm {CH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {OH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {CN} }}}\right)\cdot 332{\text{ kcal/mol}}.}$

ตามทฤษฎี DSSP พันธะไฮโดรเจนจะมีอยู่ก็ต่อเมื่อEมีค่าน้อยกว่า−0.5 กิโลแคลอรี/โมล (−2.1 กิโลจูล/โมล)เท่านั้น แม้ว่าสูตร DSSP จะเป็นการประมาณ ค่าพลังงานพันธะไฮโดรเจน ทางกายภาพ อย่างคร่าวๆ แต่โดยทั่วไปก็ได้รับการยอมรับว่าเป็นเครื่องมือในการกำหนดโครงสร้างทุติยภูมิ  

ปริมาณโครงสร้างทุติยภูมิโดยประมาณของไบโอพอลิเมอร์ (เช่น "โปรตีนนี้มีโครงสร้างอัลฟาเฮลิกซ์ 40% และโครงสร้างเบต้าชีท 20% ") สามารถประมาณได้โดยใช้สเปกโทรสโก ปี ^{[ 21 ]}สำหรับโปรตีน วิธีที่ใช้กันทั่วไปคือการวัดไดโครอิซึมแบบวงกลมใน  ช่วงอัลตราไวโอเลตไกล (far-UV, 170–250 nm) ค่าต่ำสุดสองค่าที่เด่นชัดที่ 208 และ 222 nm บ่งชี้ถึงโครงสร้างอัลฟาเฮลิกซ์ ในขณะที่ค่าต่ำสุดค่าเดียวที่ 204 nm หรือ 217 nm สะท้อนถึงโครงสร้างแบบขดสุ่มหรือโครงสร้างเบต้าชีทตามลำดับ วิธีที่ใช้กันน้อยกว่าคือสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดซึ่งตรวจจับความแตกต่างในการแกว่งของพันธะของกลุ่มอะไมด์เนื่องจากพันธะไฮโดรเจน สุดท้าย ปริมาณโครงสร้างทุติยภูมิอาจประมาณได้อย่างแม่นยำโดยใช้การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสเปกตรัมNMR ที่ไม่ได้กำหนดไว้ในตอนแรก ^{[ 22 ]}   

การทำนายโครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีนจากลำดับกรดอะมิโนเพียงอย่างเดียวเป็นปัญหาที่ท้าทายมาก (ดูการทำนายโครงสร้างโปรตีน ) แต่การใช้คำจำกัดความของโครงสร้างระดับทุติยภูมิที่ง่ายกว่านั้นทำได้ง่ายกว่า

วิธีการทำนายโครงสร้างทุติยภูมิในยุคแรกๆ นั้นจำกัดอยู่เพียงการทำนายสถานะหลัก 3 สถานะ ได้แก่ เฮลิกซ์ แผ่น หรือขดแบบสุ่ม วิธีการเหล่านี้อาศัยแนวโน้มการสร้างเฮลิกซ์หรือแผ่นของกรดอะมิโนแต่ละตัว ซึ่งบางครั้งอาจเชื่อมโยงกับกฎสำหรับการประมาณพลังงานอิสระขององค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิที่กำลังก่อตัว เทคนิคแรกๆ ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำนายโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนจากลำดับกรดอะมิโน ได้แก่วิธี Chou–Fasman ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}และวิธีGOR ^{[ 26 ]}แม้ว่าวิธีการดังกล่าวจะอ้างว่ามีความแม่นยำประมาณ 60% ในการทำนายว่าสารตกค้างจะอยู่ในสถานะใดในสามสถานะ (เฮลิกซ์/แผ่น/ขด) แต่การประเมินการคำนวณแบบปิดตาในภายหลังแสดงให้เห็นว่าความแม่นยำที่แท้จริงนั้นต่ำกว่ามาก^{[ 27 ]}

ความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (เกือบถึง ~80%) เกิดขึ้นจากการใช้การจัดเรียงลำดับหลายลำดับการทราบการกระจายตัวทั้งหมดของกรดอะมิโนที่เกิดขึ้นในตำแหน่งหนึ่ง (และในบริเวณใกล้เคียง โดยทั่วไปประมาณ 7 หน่วยย่อยในแต่ละด้าน) ตลอดวิวัฒนาการทำให้เห็นภาพแนวโน้มโครงสร้างใกล้ตำแหน่งนั้นได้ดีขึ้นมาก^{[ 28 ] [ 29 ]}ตัวอย่างเช่น โปรตีนหนึ่งอาจมีไกลซีนในตำแหน่งหนึ่ง ซึ่งโดยตัวมันเองอาจบ่งชี้ถึงโครงสร้างแบบขดสุ่ม อย่างไรก็ตาม การจัดเรียงลำดับหลายลำดับอาจเผยให้เห็นว่ากรดอะมิโนที่ชอบโครงสร้างแบบเกลียวเกิดขึ้นในตำแหน่งนั้น (และตำแหน่งใกล้เคียง) ในโปรตีนที่คล้ายคลึงกัน 95% ซึ่งครอบคลุมวิวัฒนาการเกือบพันล้านปี ยิ่งไปกว่านั้น การตรวจสอบค่าความไม่ชอบน้ำ เฉลี่ย ในตำแหน่งนั้นและตำแหน่งใกล้เคียง การจัดเรียงเดียวกันนี้อาจบ่งชี้ถึงรูปแบบการเข้าถึงตัวทำละลาย ของหน่วยย่อยที่ สอดคล้องกับโครงสร้างแบบอัลฟาเฮลิกซ์^{[ 30 ]}เมื่อพิจารณาร่วมกัน ปัจจัยเหล่านี้จะบ่งชี้ว่าไกลซีนของโปรตีนดั้งเดิมมีโครงสร้างแบบอัลฟาเฮลิกซ์มากกว่าแบบขดสุ่ม มีการใช้วิธีการหลายประเภทในการรวมข้อมูลที่มีอยู่ทั้งหมดเพื่อสร้างการทำนายแบบ 3 สถานะ ซึ่งรวมถึง โครง ข่ายประสาทเทียมโมเดล Markov ที่ซ่อนอยู่และเครื่องสนับสนุนเวกเตอร์วิธีการทำนายสมัยใหม่ยังให้คะแนนความเชื่อมั่นสำหรับการทำนายในแต่ละตำแหน่งอีก ด้วย

วิธีการทำนายโครงสร้างทุติยภูมิได้รับการประเมินโดยการทดลอง Critical Assessment of protein Structure Prediction (CASP)และมีการเทียบมาตรฐานอย่างต่อเนื่อง เช่น โดยEVA (benchmark)จากการทดสอบเหล่านี้ วิธีการที่แม่นยำที่สุดคือPsipred , SAM, ^{[ 31 ]} PORTER, ^{[ 32 ]} PROF, ^{[ 33 ]}และ SABLE ^{[ 34 ]}พื้นที่หลักที่ต้องปรับปรุงดูเหมือนจะเป็นการทำนาย β-strands; สารตกค้างที่ทำนายได้อย่างมั่นใจว่าเป็น β-strand มีแนวโน้มที่จะเป็นเช่นนั้น แต่วิธีการเหล่านี้มักจะมองข้ามบางส่วนของ β-strand (ผลลบเท็จ) มีแนวโน้มว่าความแม่นยำในการทำนายโดยรวมจะสูงสุดประมาณ 90% เนื่องจากลักษณะเฉพาะของวิธีการมาตรฐาน ( DSSP ) สำหรับการกำหนดคลาสโครงสร้างทุติยภูมิ (helix/strand/coil) ให้กับโครงสร้าง PDB ซึ่งการทำนายจะถูกเทียบมาตรฐาน^{[ 35 ]}

การทำนายโครงสร้างทุติยภูมิที่แม่นยำเป็นองค์ประกอบสำคัญในการทำนายโครงสร้างตติยภูมิยกเว้นในกรณีที่ง่ายที่สุด ( การสร้างแบบจำลองความคล้ายคลึง ) ตัวอย่างเช่น รูปแบบที่ทำนายได้อย่างมั่นใจขององค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิหกอย่าง βαββαβ เป็นลักษณะเฉพาะของโครงสร้างเฟอร์เรดอก ซิน ^{[ 36 ]}

โครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนและกรดนิวคลีอิกสามารถนำมาใช้ช่วยในการจัดเรียงลำดับหลายลำดับได้ การจัด เรียงลำดับเหล่านี้สามารถทำได้แม่นยำยิ่งขึ้นโดยการรวมข้อมูลโครงสร้างทุติยภูมิเพิ่มเติมจากข้อมูลลำดับแบบง่ายๆ ซึ่งบางครั้งอาจมีประโยชน์น้อยกว่าใน RNA เนื่องจากการจับคู่เบสมีการอนุรักษ์ไว้สูงกว่าลำดับมาก ความสัมพันธ์ที่ห่างไกลระหว่างโปรตีนที่มีโครงสร้างปฐมภูมิที่ไม่สามารถจัดเรียงลำดับได้นั้น บางครั้งอาจพบได้โดยใช้โครงสร้างทุติยภูมิ^{[ 28 ]}

มีการแสดงให้เห็นว่า α-helix มีเสถียรภาพ ทนทานต่อการกลายพันธุ์ และออกแบบได้ง่ายกว่า β-strand ในโปรตีนธรรมชาติ^{[ 37 ]}ดังนั้นการออกแบบโปรตีน α-ทั้งหมดที่ใช้งานได้น่าจะง่ายกว่าการออกแบบโปรตีนที่มีทั้งเฮลิกซ์และสแตรนด์ ซึ่งได้รับการยืนยันจากการทดลองเมื่อเร็ว ๆ นี้^{[ 38 ]}

• NetSurfP – ตัวทำนายโครงสร้างทุติยภูมิและการเข้าถึงพื้นผิว
• ศาสตราจารย์
• สกรูฟิต
• PSSpredโปรแกรมฝึกฝนโครงข่ายประสาทเทียมหลายตัวสำหรับการทำนายโครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีน
• Genesilico metaserverคือเมตาเซิร์ฟเวอร์ที่ช่วยให้สามารถเรียกใช้โปรแกรมทำนายโครงสร้างทุติยภูมิมากกว่า 20 ชนิดได้ด้วยการคลิกเพียงครั้งเดียว
• เว็บเซิร์ฟเวอร์ SST : การกำหนดโครงสร้างทุติยภูมิเชิงทฤษฎีสารสนเทศ (อิงตามการบีบอัด)