Какво всъщност е „фолдинг на протеини“?

В сегашната пандемия COVID-19 възникна много проблеми, на които хакерите охотно се хвърляха. От лицеви щитове, отпечатани на 3D-принтер, и домашно направени медицински маски до замяната на пълноценен механичен апарат за изкуствена вентилация на белите дробове – този поток идеи вдъхновяваше и радваше душата. В същото време имаше и опити да се напредне в друга област: изследвания, насочени към борба директно с вируса.

Съдейки по всичко, най-голям потенциал за спиране на текущата пандемия и изпреварване на всички бъдещи има подход, който се опитва да достигне до самия корен на проблема. Този подход от типа „познай врага си“ се проповядва от изчислителния проект Folding@Home. Милони хора се регистрираха в проекта и даряват част от изчислителните мощности на своите процесори и GPU, създавайки по този начин най-голямото [разпределено] суперкопютър в историята.

Но за какво точно се използват всички тези екзафлопи? Защо е необходимо да се инвестират такива изчислителни мощности в фолдинг [подреждане] на протеини.? Какая тут работает биохимия, зачем вообще белкам нужно укладываться? Вот краткий обзор фолдинга белков: что это, как он происходит и в чём его важность.

Първо най-важното: защо са нужни протеините?

Протеините са жизненоважни структури. Те не само предоставят строителен материал за клетките, но и служат като ензими-катализатори за практически всички биохимични реакции. Протеините, независимо дали са структурни или ензимни, представляват дълги вериги аминокиселини, разположени в определена последователност. Функциите на протеините се определят от това, кои аминокиселини се намират на определени места в протеина. Например, ако протеинът трябва да се свърже с положително заредена молекула, мястото на свързване трябва да бъде запълнено с отрицателно заредени аминокиселини.

За да разберем как протеините получават структура, определяща тяхната функция, трябва да преминем през основите на молекулярната биология и информационния поток в клетката.

Производството или експресията на протеини започва с процеса на транскрипция.По време на транскрипцията двойната спирала на ДНК, съдържаща генетичната информация на клетката, частично се развива, предоставяйки достъп до азотните основания на ДНК на ензима, наречен РНК-полимераза.Задачата на РНК-полимеразата е да направи РНК-копие или транскрипция на гена. Това копие на гена, наречено матрична РНК (мРНК) представлява единична молекула, идеална за управление на вътрешноклетъчните белкови фабрики, рибозомите, които се занимават с производството или транслацията на протеини.

Рибозомите действат като сглобителни устройства – те захващат шаблона мРНК и го съпоставят с други малки парченца РНК, транспортна РНК (тРНК). Всяка тРНК има две активни области – секция от три основания, наречена антикодон, която трябва да съвпада с соответствующими кодони на мРНК, и част за свързване на аминокиселина, специфична за този кодон.По време на транслацията молекулите тРНК в рибозома случайно се опитват да се свържат с мРНК чрез антикодоните. В случай на успех, молекулата тРНК присъединява своята аминокиселина към предишната, образувайки поредното звено в веригата на аминокиселините, закодирани от мРНК.

Тази последователност от аминокиселини е първото ниво на структурната йерархия на протеина, поради което се нарича първична структура.Цялостната триизмерна структура на протеина и неговите функции произтичат директно от първичната структура и зависят от различните свойства на всяка от аминокиселините и тяхното взаимодействие помежду си. Ако нямаше тези химически свойства и взаимодействия на аминокиселините, полипептидите биха останали само линейни последователности без триизмерна структура. Това може да се види всеки път при готвене – в този процес се извършва термична денатурация на триизмерната структура на протеините.

Далечно действащи връзки на частите на протеините

Следващото ниво на триизмерната структура, надхвърляща първичната, получи изобретателно наименование вторична структура.В нея влизат водородни връзки между аминокиселини, които са относително близки. Основната същност на тези стабилизиращи взаимодействия се свежда до две неща: алфа-спирали и бета-листове.Алфа-спирала образува здраво усукан участък на полипептида, а бета-листът – гладка и широка област. И двете образувания имат както структурни, така и функционални свойства, зависещи от характеристиките на включените аминокиселини. Например, ако алфа-спиралата основно се състои от хидрофилни аминокиселини, като аргинин или лизин,то тя вероятно ще участва в водни реакции.

Алфа спирали и бета листа в белтъците. Водородните връзки се формират по време на експресията на белтъка.

Тези две структури и техните комбинации образуват следващото ниво на структурата на белтъка — третична структура. За разлика от простите фрагменти на вторичната структура, на третичната структура основно влияе хидрофобността. В центровете на повечето белтъци се съдържат аминокиселини с висока хидрофобност, като аланин или метионин, и водата е изключена от там заради „мазната“ природа на радикалите. Тези структури често се появяват в трансмембранни белтъци, вградени в двойната липидна мембрана, която обгръща клетките. Хидрофобните участъци на белтъците остават термодинамично стабилни вътре в маслената част на мембраната, докато хидрофилните части на белтъка са изложени на водната среда от двете ѝ страни.

Също така, стабилността на третичните структури се осигурява от дългоразстояни връзки между аминокиселините. Класически пример за такива връзки е дисулфидният мост, често възникващ между два радикала на цистеина. Ако в фризьорския салон по време на процедурата за перманентно къдрене на косата на някой клиент сте усетили мирис, наподобяващ на гнило яйце, то това е била частична денатурация на третичната структура на съдържащия се в косата кератин, която протича посредством намаляване на дисулфидните връзки с помощта на съдържащи сяра тиолови смеси.

Третичната структура се стабилизира от дългоразстояни взаимодействия, като хидрофобност или дисулфидни връзки.

Дисулфидните връзки могат да възникват между цистеинови радикали в една полипептидна верига или между цистеини от различни пълни вериги. Взаимодействията между различни вериги формират четвъртична ниво на белтъчната структура. Прекрасен пример за четвъртична структура е хемоглобин. в кръвта ви. Всяка молекула хемоглобин се състои от четири еднакви глобини, части от протеини, всяка от които се задържа в определено положение вътре в полипептида с дисулфидни мостове, и е свързана с молекула хем, съдържаща желязо. Всички четири глобина са свързани помежду си с дисулфидни мостове, а цялата молекула може да се свързва с до четири молекули въздух и да ги освобождава при необходимост.

Моделиране на структури в търсене на лечение на заболявания

Полипептидните вериги започват да се сгъват в окончателната форма по време на транслация, когато растящата верига излиза от рибозомата – нещо като как участък от сплав с памет може да приеме сложни форми при нагряване. Но, както винаги в биологията, нещата не са толкова прости.

В много клетки преди транслацията транскрибирани гени преминават през сериозно редактиране, което значително променя основната структура на протеина в сравнение с чистата последователност на основите на гена. При това транслационните механизми често получават помощ от молекулярни асистенти, протеини, които временно се свързват с новопоявилата се полипептидна верига и не позволяват тя да приеме някаква междинна форма, от която по-късно не може да премине към окончателната.

Това всичко подчертава, че предсказването на окончателната форма на протеина не е тривиална задача. Десетилетия наред единственият начин за изследване на структурата на протеините бяха физическите методи като рентгенова кристалография. Само в края на 60-те години биофизичните химици започнаха да изграждат изчислителни модели за сгъване на протеини, главно фокусирани върху моделите на вторичната структура. Тези методи и техните наследници изискват огромни обеми входни данни в допълнение към първичната структура – например, таблици на ъглите на свързване на аминокиселини, списъци с хидрофобност, заредени състояния и дори запазване на структура и функциониране на еволюционни времеви участъци – и всичко това, за да се предположи как ще изглежда окончателният протеин.

Съвременните методи за прогнозиране на вторичната структура, използващи мрежата Folding@Home, работят с точност около 80% — което е доста добре, предвид сложността на задачата. Данните, получени от предсказателни модели за протеини като протеина шипове на SARS-CoV-2, ще бъдат сравнени с данни от физични изследвания на вируса. В крайна сметка ще можем да получим точната структура на протеина и, възможно, да разберем как вирусът се свързва с рецепторите. ангиотензинпревращающ фермент 2 човека, който се намира в дихателните пътища, водещи към вътрешността на тялото. Ако успеем да разберем тази структура, вероятно ще намерим лекарства, които блокират свързването и предотвратяват заразяване.

Изследванията на фолдинга на протеини са в самото сърце на разбирането ни за толкова много заболявания и инфекции, че дори когато с помощта на мрежата Folding@Home измислим как да победим COVID-19, чийто експлозивен ръст наблюдаваме напоследък, тази мрежа няма да остане дълго без работа. Тя е инструмент за изследване, който е отлично подходящ за изучаване на протеинови модели, стоящи зад десетки заболявания, свързани с неправилния фолдинг на протеини - например, с болестта на Алцхаймер или с един от вариантите на болестта Крейцфелдт - Якоб, която често неправилно се нарича „корове бяс“. И когато неизбежно се появи нов вирус, вече ще сме готови отново да започнем битка с него.

Източник: habr.com