У бягучай пандэміі COVID-19 з'явілася шмат праблем, на якія хакеры з задавальненнем накідваліся. Ад асабовых шчыткоў, раздрукаваных на 3D-друкарцы і медыцынскіх масак хатняга выраба да замены паўнавартаснага механічнага апарата штучнай вентыляцыі лёгкіх - гэты струмень ідэй натхняў і цешыў душу. У той жа самы час былі спробы прасунуцца і ў іншай вобласці: у даследаваннях, накіраваных на барацьбу непасрэдна з самім вірусам.
Судзячы па ўсім, найвялікі патэнцыял для прыпынку бягучай пандэміі і апярэджанні ўсіх наступных ёсць у падыходу, які спрабуе дакапацца да самага вытоку праблемы. Гэты падыход з разраду "пазнай свайго ворага" вызнае вылічальны праект Folding@Home. Мільёны людзей зарэгістраваліся ў праекце і ахвяруюць частку вылічальных магутнасцяў сваіх працэсараў і GPU, стварыўшы такім чынам найбуйны [размеркаваны] суперкампутар у гісторыі.
Але навошта менавіта ўжываюцца ўсе гэтыя экзафлопы? Чаму трэба кідаць такія вылічальныя магутнасці на ? Якая тут працуе біяхімія, навошта наогул вавёркам трэба ўкладвацца? Вось кароткі агляд фолдынгу бялкоў: што гэта, як ён адбываецца і ў чым яго важнасць.
Для пачатку найважнейшае: навошта патрэбныя вавёркі?
Вавёркі - жыццёва неабходныя структуры. Яны не толькі даюць будаўнічы матэрыял для клетак, але і служаць ферментамі-каталізатарамі практычна ўсіх біяхімічных рэакцый. Вавёркі, будзь яны або , уяўляюць сабой доўгія ланцужкі , размешчаных у пэўнай паслядоўнасці. Функцыі бялкоў вызначаюцца тым, якія амінакіслоты размешчаны ў пэўных месцах бялку. Калі, напрыклад, вавёрку трэба звязвацца са станоўча зараджанай малекулай, месца злучэння павінна быць запоўнена адмоўна зараджанымі амінакіслотамі.
Каб зразумець, як вавёркі атрымліваюць структуру, якая вызначае іх функцыю, трэба прабегчыся па асновах малекулярнай біялогіі і інфармацыйным патоку ў клетцы.
Вытворчасць, або бялкоў пачынаецца з працэсу . Падчас транскрыпцыі падвойная спіраль ДНК, утрымоўвальная ў сабе генетычную інфармацыю клеткі, часткова расплятаецца, даючы доступ азотных падстаў ДНК ферменту пад назовам . Задача РНК-полимеразы складаецца ў тым, каб зрабіць РНК-копію, ці транскрыпцыю, гена. Гэтая копія гена пад назвай (мРНК), уяўляе сабой адзінарную малекулу, ідэальна прыдатную для кіравання ўнутрыклеткавых бялковымі фабрыкамі, , якія займаюцца вытворчасцю, ці бялкоў.
Рыбасомы паводзяць сябе як зборачныя прынады – яны захопліваюць шаблон мРНК і супастаўляюць яго іншым невялікім кавалачкам РНК, (тРНК). У кожнай тРНК ёсць дзве актыўныя вобласці - секцыя з трох падстаў пад назвай , Якая павінна супадаць з адпаведнымі кодонамі мРНК, і ўчастак для звязвання амінакіслоты, спецыфічнай для гэтага . Падчас трансляцыі малекулы тРНК у Рыбасомы выпадковым чынам спрабуюць звязацца з мРНК пры дапамозе антыкадонаў. У выпадку поспеху малекула тРНК далучае сваю амінакіслату да папярэдняй, фармуючы чарговае звяно ў ланцужку амінакіслот, закадаванай мРНК.
Гэта паслядоўнасць амінакіслот з'яўляецца першым узроўнем структурнай іерархіі бялку, таму і называецца яго . Уся трохмерная структура бялку і яго функцыі напрамую паходзяць ад першаснай структуры, і залежаць ад розных уласцівасцей кожнай з амінакіслот і іх узаемадзеяння паміж сабой. Не будзь гэтых хімічных уласцівасцяў і ўзаемадзеянняў амінакіслот, так і заставаліся б лінейнымі паслядоўнасцямі без трохмернай структуры. Гэта можна ўбачыць кожны раз падчас гатавання ежы - у гэтым працэсе адбываецца цеплавая трохмернай структуры бялкоў.
Далёкадзейныя сувязі частак бялкоў
Наступнага ўзроўню трохмернай структуры, які выходзіць за рамкі першаснай, далі мудрагелістае назву . У яе ўваходзяць вадародныя сувязі паміж амінакіслотамі адносна блізкага дзеяння. Асноўная сутнасць гэтых стабілізуючых узаемадзеянняў зводзіцца да двух рэчаў: и . Альфа-спіраль утворыць туга скручаны ўчастак поліпептыда, а бэта-ліст - гладкую і шырокую вобласць. У абодвух адукацый ёсць як структурныя, так і функцыянальныя ўласцівасці, якія залежаць ад характарыстык складнікаў іх амінакіслот. Напрыклад, калі альфа-спіраль у асноўным складаецца з гідрафільных амінакіслот, як або , то яна, хутчэй за ўсё, будзе ўдзельнічаць у водных рэакцыях.
Альфа-спіралі і бэта-лісты ў вавёрках. Вадародныя сувязі фармуюцца падчас экспрэсіі бялку.
Гэтыя дзве структуры і іх камбінацыі фармуюць наступны ўзровень структуры бялку. . У адрозненне ад простых фрагментаў другаснай структуры, на троесную структуру ў асноўным уплывае гідрафобнасць. У цэнтрах большасці бялкоў змяшчаюцца амінакіслоты з высокай гідрафобнасцю, тыпу або , і вада выключаецца адтуль з-за "тлустай" прыроды радыкалаў. Гэтыя структуры часта з'яўляюцца ў трансмембранных вавёрках, убудаваных у падвойную ліпідную мембрану, навакольнае клеткі. Гідрафобныя ўчасткі бялкоў застаюцца тэрмадынамічна стабільнымі ўнутры тлушчавай часткі мембраны, а гідрафільныя ўчасткі бялку падвяргаюцца ўздзеянню воднага асяроддзя абапал яе бакоў.
Таксама стабільнасць троесных структур забяспечваюць дальнадзейныя сувязі паміж амінакіслотамі. Класічным прыкладам такіх сувязей служыць , Часта ўзнікае паміж двума радыкаламі цистеинов. Калі ў цырульні падчас працэдуры перманентнай завіўкі валасоў якога-небудзь кліента вы адчувалі пах, трохі якая нагадвае тухлыя яйкі, то гэта была частковая дэнатурацыя троеснай структуры які змяшчаецца ў валасах кератыну, якая праходзіць пасродкам памяншэння дисульфидных сувязяў пры дапамозе ўтрымоўвальных серу сумесяў.
Трацічную структуру стабілізуюць дальнадзейныя ўзаемадзеянні, тыпу гідрафобнасці або дисульфидных сувязяў
Дисульфидные сувязі могуць узнікаць паміж радыкаламі ў адным полипептидной ланцужку, або паміж цистеинами з розных поўных ланцужкоў. Узаемадзеянні паміж рознымі ланцужкамі фармуюць узровень бялковай структуры. Выдатным прыкладам чацвярцічнай структуры служыць у вас у крыві. Кожная малекула гемаглабіну складаецца з чатырох аднолькавых глабінаў, частак бялку, кожны з якіх утрымліваецца ў пэўным становішчы ўнутры поліпептыду дисульфидными масткамі, а таксама звязаны з малекулай гема, якая змяшчае жалеза. Усе чатыры глабіны звязаны міжмалекулярнымі дысульфіднымі масткамі, а ўся малекула цалкам звязваецца адразу з некалькімі малекуламі паветра, аж да чатырох, і здольная адпускаць іх па неабходнасці.
Мадэляванне структур у пошуках лячэння хваробы
Поліпептыдныя ланцужкі пачынаюць укладвацца ў выніковую форму падчас трансляцыі, калі які расце ланцужок выходзіць з Рыбасомы – прыкладна як адрэзак дроту са сплава з эфектам памяці можа прымаць складаныя формы пры нагрэве. Аднак, як заўсёды ў біялогіі, усё не так проста.
У шматлікіх клетках перад трансляцыяй транскрыбаваныя гены падвяргаюцца сур'ёзнаму рэдагаванню, значна які змяняе асноўную структуру бялку ў параўнанні з чыстай паслядоўнасцю падстаў гена. Пры гэтым трансляцыйныя механізмы часта заручаюцца дапамогай малекулярных суправаджаючых, бялкоў, часова якія звязваюцца з які нараджаецца полипептидной ланцужком, і не даюць ёй прымаць які-небудзь прамежкавую форму, з якой яны потым не змогуць перайсці да канчатковай.
Гэта ўсё да таго, што прадказанне канчатковай формы бялку не з'яўляецца відавочнай задачай. Дзесяцігоддзямі адзіным спосабам вывучэння структуры бялкоў былі фізічныя метады тыпу рэнтгенаўскай крышталаграфіі. Толькі ў канцы 1960-х біяфізічныя хімікі пачалі будаваць вылічальныя мадэлі фолдынгу бялку, у асноўным сканцэнтраваўшыся на мадэляванні другаснай структуры. Гэтым метадам і іх нашчадкам патрабуюцца велізарныя аб'ёмы ўваходных дадзеных у дадатак да першаснай структуры - да прыкладу, табліцы кутоў сувязі амінакіслот, спісы гідрафобнасці, зараджаныя станы і нават захаванне структуры і функцыянаванне на эвалюцыйных часовых адрэзках - і ўсё для таго, каб здагадацца, як будзе выглядаць канчатковы бялок.
Сённяшнія вылічальныя метады прадказання другаснай структуры, якія працуюць, у прыватнасці, у сетцы Folding@Home, працуюць прыкладна з 80% дакладнасцю – што даволі нядрэнна, улічваючы складанасць задачы. Дадзеныя, атрыманыя прадказальнымі мадэлямі па такіх вавёрках, як бялок шыпоў SARS-CoV-2, будуць супастаўлены з дадзенымі фізічнага вывучэння віруса. У выніку можна будзе атрымаць дакладную структуру бялку і, магчыма, разабрацца ў тым, як вірус прымацоўваецца да рэцэптараў. чалавека, якія знаходзяцца ў дыхальных шляхах, якія вядуць унутр цела. Калі мы зможам разабрацца ў гэтай структуры, мы, верагодна, здолеем знайсці лекі, якія блакуюць звязванне і якія прадухіляюць інфікаванне.
Даследаванні фолдынгу бялку ляжаць у самым сэрцы нашага разумення такой колькасці захворванняў і інфекцый, што нават калі мы пры дапамозе сеткі Folding@Home прыдумаем, як перамагчы COVID-19, за выбухным ростам якога мы назіраем у апошні час, гэтая сетка не будзе доўга прастойваць без працы. Гэта даследчы інструмент, выдатна прыдатны для вывучэння бялковых мадэляў, якія ляжаць у аснове дзясяткаў захворванняў, звязаных з няправільным фолдынгам бялкоў - напрыклад, з хваробай Альцгеймера або з разнавіднасцю хваробы Крейтцфельдта - Якаба, якую часта некарэктна называюць каровіным шаленствам. І калі непазбежна з'явіцца чарговы вірус, мы ўжо будзем гатовы зноў пачаць з ім барацьбу.
Крыніца: habr.com