V aktuální pandemii COVID-19 se objevilo mnoho problémů, na které se hackeři rádi zaměřovali. Od obličejových štítů, vytištěných na 3D tiskárnách a domácích roušek až po náhradu plnohodnotného mechanického zařízení na umělou ventilaci plic – tento příval nápadů inspiroval a potěšil duši. Zároveň se zde objevily pokusy pokročit i v jiné oblasti: ve výzkumech zaměřených na boj přímo s tímto virem.
Zdá se, že největší potenciál pro zastavení aktuální pandemie a předběhnutí všech následných, má přístup, který se snaží dostat k samotnému jádru problému. Tento přístup ze série "poznáš svého nepřítele" zastává výpočetní projekt Folding@Home. Miliony lidí se zaregistrovaly v projektu a darují část výpočetních výkonů svých procesorů a GPU, čímž vytvořily největší [distribuovaný] superpočítač v historii.
Ale k čemu konkrétně se všechny tyto exaflopy používají? Proč je potřeba věnovat takové výpočetní zdroje na ? Какая тут работает биохимия, зачем вообще белкам нужно укладываться? Вот краткий обзор фолдинга белков: что это, как он происходит и в чём его важность.
Nejdůležitější na začátek: proč jsou proteiny potřebné?
Proteiny jsou životně důležité struktury. Nejen že poskytují stavební materiál pro buňky, ale také slouží jako enzymy-katalyzátory téměř všech biochemických reakcí. Proteiny, ať už jsou nebo , představují dlouhé řetězce , uspořádaných v určitém pořadí. Funkce proteinů jsou určovány tím, jaké aminokyseliny se nacházejí na určitých místech proteinu. Pokud je například potřeba, aby se protein spojil s kladně nabitou molekulou, místo spojení musí být vyplněno záporně nabitými aminokyselinami.
Abychom pochopili, jak proteiny získávají strukturu, která určuje jejich funkci, musíme projít základy molekulární biologie a informačního toku v buňce.
Výroba, nebo proteinů začíná procesem . Během transkripce se dvojitá spirála DNA, která obsahuje genetické informace buňky, částečně rozplétá, čímž poskytuje přístup dusíkovým bázím DNA enzymu zvanému . Úkolem RNA-polymerázy je vytvořit RNA-kopii neboli transkripci genu. Tato kopie genu s názvem (mRNA) je jednovláknová molekula ideální pro řízení buněčných proteinových továren, , které se podílejí na výrobě, nebo proteinů.
Ribozomy fungují jako montážní zařízení - zachycují vzor mRNA a porovnávají jej s dalšími malými kousky RNA, (tRNA). Každá tRNA má dvě aktivní oblasti - sekci ze tří bází nazvanou , která musí odpovídat odpovídajícím kodonům mRNA, a oblast pro vazbu na aminokyselinu specifickou pro tento Během translace se molekuly tRNA náhodně pokoušejí spojit s mRNA pomocí antikodonů. V případě úspěchu molekula tRNA připojuje svou aminokyselinu k předchozí, čímž formuje další článek v řetězci aminokyselin kódovaných mRNA.
Tato sekvence aminokyselin představuje první úroveň struktury proteinu, a proto se nazývá jeho Celková trojrozměrná struktura proteinu a jeho funkce přímo vyplývá z primární struktury a závisí na různých vlastnostech každé aminokyseliny a jejich vzájemné interakci. Kdyby nebylo těchto chemických vlastností a interakcí aminokyselin, by zůstaly lineárními sekvencemi bez trojrozměrné struktury. To lze vidět pokaždé při vaření - během tohoto procesu dochází k tepelné trojrozměrné struktury proteinů.
Dálkové vazby částí proteinů
Dalšímu stupni trojrozměrné struktury, který přesahuje primární, dali důvtipný název Zahrnuje vodíkové vazby mezi aminokyselinami relativně blízkého působení. Podstata těchto stabilizačních interakcí se shrnuje do dvou aspektů: a Alfa-spirála vytváří pevně svinutý úsek polypeptidu, zatímco beta-list představuje hladkou a širokou oblast. Obě struktury mají jak strukturální, tak funkční vlastnosti, které závisí na charakteristice jejich aminokyselin. Například, pokud alfa-spirála převážně obsahuje hydrofilní aminokyseliny, jako je nebo pravděpodobně se podílí na vodních reakcích.
Alfa spirály a beta listy v bílkovinách. Vodíkové vazby se vytvářejí během expresi bílkovin.
Tyto dvě struktury a jejich kombinace tvoří další úroveň struktury bílkovin — . Na rozdíl od jednoduchých fragmentů sekundární struktury, terciární strukturu v zásadě ovlivňuje hydrofobicita. V centrech většiny bílkovin se nacházejí aminokyseliny s vysokou hydrofobicitou, jako je nebo , a voda je z těchto oblastí vyloučena kvůli "tučnaté" povaze radikálů. Tyto struktury se často objevují v transmembránových bílkovinách, které jsou zabudovány do dvojité lipidové membrány obklopující buňky. Hydrofobní oblasti bílkovin zůstávají termodynamicky stabilní uvnitř mastné části membrány, zatímco hydrofilní části bílkoviny jsou vystaveny vodnímu prostředí z obou stran.
Stabilitu terciárních struktur také zajišťují dlouhodobé vazby mezi aminokyselinami. Klasickým příkladem takových vazeb je , který často vzniká mezi dvěma radikály cysteinu. Pokud jste v kadeřnictví během procedury trvalé ondulace vlasů nějakého klienta cítili zápach, který trochu připomínal shnilá vejce, pak to byla částečná denaturace terciární struktury keratinu obsaženého ve vlasech, probíhající prostřednictvím snižování disulfidních vazeb pomocí obsahujících síru směsí.
Terciární strukturu stabilizují dlouhodobé interakce, jako je hydrofobicita nebo disulfidní vazby.
Disulfidní vazby mohou vznikat mezi radikály v jednom polypeptidovém řetězci nebo mezi cysteiny z různých úplných řetězců. Interakce mezi různými řetězci tvoří úroveň bílkovinového struktury. Skvělým příkladem kvartérní struktury je ve vaší krvi. Každá molekula hemoglobinu se skládá ze čtyř stejných globinů, částí bílkoviny, z nichž každá je držena na určité pozici uvnitř polypeptidu disulfidovými můstky a také spojena s molekulou heme obsahující železo. Všechny čtyři globiny jsou spojeny intermolekulárními disulfidovými můstky a celá molekula se může najednou vázat na několik molekul vzduchu, až na čtyři, a je schopna je uvolnit podle potřeby.
Modelování struktur při hledání léčby nemocí
Polypeptidové řetězce začínají získávat konečnou formu během translace, když se rostoucí řetězec uvolňuje z ribozomu – podobně jako úryvek drátu ze slitiny se paměťovým efektem, který může za tepla nabývat složitých tvarů. Nicméně, jako vždy v biologii, věci nejsou tak jednoduché.
Ve mnoha buňkách podléhají transkribované geny před translací významnému editaci, která výrazně mění základní strukturu bílkoviny ve srovnání s čistou sekvencí základů genu. Přitom translace mechanismy často využívají pomoc molekulárních společníků, bílkovin, které se dočasně spojují s vyvíjejícím se polypeptidovým řetězcem a brání mu v přijetí jakékoliv mezifáze, ze které se později nemůže dostat k finální.
To vše znamená, že predikce konečné formy bílkoviny není triviálním úkolem. Desítky let byl jediným způsobem, jak studovat strukturu bílkovin, fysikální metody jako rentgenová krystalografie. Až na konci 60. let začali biofyzikální chemici vytvářet výpočetní modely skládání bílkovin, převážně se zaměřením na modelování sekundární struktury. Těmto metodám a jejich následovníkům jsou potřeba obrovské objemy vstupních dat navíc k primární struktuře – například tabulky úhlů vazby aminokyselin, seznamy hydrofobnosti, nabité stavy a dokonce uchování struktury a fungování na evolučních časových osách – a to všechno proto, aby se odhadlo, jak bude konečná bílkovina vypadat.
Dnešní metody predikce sekundární struktury, jako například ty, které pracují v síti Folding@Home, dosahují přesnosti přibližně 80 % – což je docela slušné vzhledem ke složitosti úkolu. Data získaná prediktivními modely pro takové proteiny, jako je spike protein SARS-CoV-2, budou porovnána s daty fyzického studia viru. Nakonec tak bude možné získat přesnou strukturu proteinu a možná pochopit, jak se virus váže na receptory. lidé v dýchacích cestách vedoucích do těla. Pokud se nám podaří odhalit tuto strukturu, pravděpodobně najdeme léky, které blokují vazbu a brání infekci.
Výzkum skládání proteinů leží v samém srdci našeho porozumění množství onemocnění a infekcí, takže i když prostřednictvím sítě Folding@Home vymyslíme, jak porazit COVID-19, jehož explozivní nárůst jsme v poslední době svědky, tato síť nezůstane dlouho bez práce. Je to výzkumný nástroj, který je skvěle přizpůsoben pro studium proteinových modelů, které leží za desítkami onemocnění spojených s nesprávným skládáním proteinů – jako je Alzheimerova choroba nebo varianta Creutzfeldt-Jakobovy nemoci, která je často nesprávně označována jako nemoc krávy. A když se nevyhnutelně objeví další virus, budeme již připraveni znovu začít boj.
Zdroj: habr.com
