Какво всъщност е „фолдинг на белтъци“?

В текущата пандемия COVID-19 възникнаха много проблеми, на които хакерите с радост се насочиха. От лицеви щитове, отпечатани на 3D-принтер, и медицински маски, изработени вкъщи, до замяната на пълен механичен апарат за изкуствена вентилация на белите дробове – този поток идеи вдъхнови и зарадва душата. В същото време имаше опити да се напредва и в друга област: в изследвания, насочени към борба именно с вируса.

Судя по всичко, най-голям потенциал за спиране на текущата пандемия и предотвратяване на всичките последващи е подходът, който се опитва да стигне до самия корен на проблема. Този подход от типа „познай своя враг“ манастир бележи изчислителният проект Folding@Home. Милиони хора се регистрираха в проекта и даряват част от изчислителните си мощности на процесорите и GPU, създавайки по този начин най-голямото [разпределено] суперкомпютър в историята.

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

На първо място най-важното: защо са нужни белтъците?

Белтъците са жизненоважни структури. Те не само предоставят строителен материал за клетките, но и служат като ензими-катализатори на почти всички биохимични реакции. Белтъците, независимо дали са структурни или ферментни, представляват дълги вериги аминокиселини, разположени в определена последователност. Функциите на белтъците се определят от това, кои аминокиселини се намират на определени места в белтъка. Ако, например, белтъкът трябва да се свърже с положително заредена молекула, мястото за свързване трябва да бъде запълнено с отрицателно заредени аминокиселини.

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

Производството или експресията на белтъците започва с процеса транскрипция.По време на транскрипцията двойната спирала на ДНК, съдържаща генетичната информация на клетката, частично се развива, предоставяйки достъп на азотни бази на ДНК на ензима, наречен РНК-полимераза.Задачата на РНК-полимеразата е да направи РНК-копие или транскрипция на гена. Това копие на гена е наречено матрична РНК (мРНК) представлява една единствена молекула, идеална за управление на вътреклетъчните белтъчни фабрики, рибозоми, които се занимават с производството или преводът на белтъците.

Рибозомите действат като сглобявани устройства – те улавят шаблона на мРНК и го съпоставят с други малки парчета РНК, транспортна РНК (тРНК). Всяка тРНК има две активни области – секция от три основания, наречена антикодон, която трябва да съвпада с отговарящите кодони на мРНК, и участък за свързване на аминокиселината, специфична за този кодон.По време на превода, молекулите тРНК в рибозомата случайно се опитват да се свържат с мРНК чрез антикодоните. При успех, молекулата тРНК присъединява своята аминокиселина към предходната, формирайки следващото звено в веригата от аминокиселини, кодирана от мРНК.

Тази последователност от аминокиселини е първият етап от структурната йерархия на белтъка и затова се нарича първоначална структура.Цялостната тримерна структура на белтъка и неговите функции произтичат пряко от първоначалната структура и зависят от различните свойства на всяка от аминокиселините и техните взаимодействия помежду им. Без тези химически свойства и взаимодействия на аминокиселините, пептидите така щяха да останат линейни последователности без тримерна структура. Това може да се види всеки път, когато готвим храна – в този процес настъпва термична денатурация на тримерната структура на белтъците.

Далечинните връзки между частите на белтъците

Следващото ниво на тримерната структура, излизаща извън първоначалната, носи хитроумното име вторична структура.В нея влизат водородни връзки между аминокиселините с относително близко действие. Основното съдържание на тези стабилизиращи взаимодействия се свежда до две неща: алфа-спирали и бета-лист.Алфа-спиралата образува плътно усукан участък на пептида, а бета-листът – гладка и широка област. И двата образувания имат както структурни, така и функционални свойства, зависещи от характеристиките на съставляващите ги аминокиселини. Например, ако алфа-спиралата предимно се състои от хидрофилни аминокиселини, като аргинин или лизин,, то тя най-вероятно ще участва в реакции с вода.

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

Тези две структури и техните комбинации формират следващото ниво на структурата на белтъка — терциерната структура. В противоречие на простите фрагменти от вторичната структура, терциерната структура основно се влияе от хидрофобността. В центровете на повечето белтъци се съдържат аминокиселини с висока хидрофобност, като аланин или метионин, и водата се изключва оттам заради "мазната" природа на радикалите. Тези структури често се появяват в трансмембранните белтъци, вградени в двойната липидна мембрана, обграждаща клетките. Хидрофобните участъци на белтъците остават термодинамично стабилни вътре в маслената част на мембраната, а хидрофилните участъци на белтъка са изложени на водна среда от двете страни.

Също така, стабилността на терциерните структури се осигурява от дългосрочни връзки между аминокиселините. Класически пример за такива връзки е дисулфидният мост, който често възниква между два радикала на цистеин. Ако в фризьорския салон по време на процедурата за перманентна вълна на някой клиент сте усетили миризма, напомняща на развалени яйца, то това е частична денатурация на терциерната структура на кератина в косата, преминаваща чрез намаляване на дисулфидните връзки с помощта на съдържащи сяра тиолови смеси.

Терциерната структура се стабилизира от дългосрочни взаимодействия, като хидрофобност или дисулфидни връзки.

Дисулфидните връзки могат да възникват между радикалите на цистеин в една полипептидна верига или между цистеини от различни пълни вериги. Взаимодействията между различни вериги формират квартенарно ниво на белтъчната структура. Прекрасен пример за квартенарната структура е хемоглобинът във вашата кръв. Всяка молекула хемоглобин се състои от четири еднакви глобини, части от протеин, всеки от които се задържа в определено положение вътре в полипептида с дисулфидни мостове, а също така е свързан с молекула хем, съдържаща желязо. Всичките четири глобини са свързани с междумолекулярни дисулфидни мостове, а цялата молекула може да свърже едновременно с няколко молекули въздух, до четири, и е способна да ги освобождава при необходимост.

Моделиране на структури в търсене на лечение на заболяването

Полипептидните вериги започват да се оформят в окончателната си форма по време на транслацията, когато растящата верига излиза от рибозомата – подобно на това как сегмент от сплав с памет може да приема сложни форми при нагряване. Въпреки това, както винаги в биологията, всичко не е толкова просто.

В много клетки преди транслацията, транскрибирани гени преминават през сериозно редактиране, което значително променя основната структура на протеина в сравнение с чистата последователност на гените. При това транслационните механизми често получават помощ от молекулярни спътници, протеини, които временно се свързват с появяващата се полипептидна верига, и не й позволяват да приеме никаква междинна форма, от която след това да не може да премине към окончателната.

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

Днешните компютърни методи за прогнозиране на вторичната структура, работещи основно в мрежата Folding@Home, функционират с около 80% точност – което е доста добро, предвид сложността на задачата. Данните, получени от прогностичните модели за протеини като шиповия протеин на SARS-CoV-2, ще бъдат сравнявани с данни от физичните изследвания на вируса. В крайна сметка ще може да се получи точната структура на протеина и, евентуално, да се разбере как вирусът се свързва с рецепторите. ангиотензинпревръщащ фермент 2 човека, намиращи се в дихателните пътища, които водят в тялото. Ако успеем да разберем тази структура, вероятно ще можем да намерим лекарства, които блокират свързването и предотвратяват инфектиране.

Изследванията на протеиновото сгъване лежат в самото сърце на нашето разбиране за толкова много заболявания и инфекции, че дори когато с помощта на мрежата Folding@Home разработим начин за победа над COVID-19, забелязваното в последно време взривно нарастване, тази мрежа няма да остане дълго без работа. Това е изследователски инструмент, отлично подходящ за изучаване на протеинови модели, които стоят в основата на десетки заболявания, свързани с неправилно сгъване на протеините – например, при болестта на Алцхаймер или при една от разновидностите на болестта Крейцфелдт-Якоб, която често неправилно се нарича „корово бешенство“. И когато неизбежно се появи следващият вирус, ние вече ще бъдем готови отново да разпънем борба с него.

Източник: habr.com