Den nuværende COVID-19-pandemi har skabt mange problemer, som hackere har været glade for at angribe. Fra 3D-printede ansigtsskærme og hjemmelavede medicinske masker til udskiftning af en komplet mekanisk ventilator var strømmen af idéer inspirerende og hjertevarm. Samtidig var der forsøg på at komme videre på et andet område: i forskning, der havde til formål at bekæmpe selve virussen.
Tilsyneladende ligger det største potentiale for at stoppe den nuværende pandemi og overgå alle efterfølgende i en tilgang, der forsøger at komme til selve roden af problemet. Denne "kend din fjende"-tilgang er taget af computerprojektet Folding@Home. Millioner af mennesker har tilmeldt sig projektet og donerer noget af processorkraften fra deres processorer og GPU'er, og skaber dermed den største [distribuerede] supercomputer i historien.
Men hvad bruges alle disse exaflops til? Hvorfor er det nødvendigt at kaste sådan computerkraft på ? Hvilken slags biokemi er på arbejde her, hvorfor skal proteiner overhovedet foldes? Her er et hurtigt overblik over proteinfoldning: hvad det er, hvordan det sker, og hvorfor det er vigtigt.
Først det vigtigste: hvorfor er proteiner nødvendige?
Proteiner er vitale strukturer. De giver ikke kun byggemateriale til celler, men tjener også som enzymkatalysatorer for næsten alle biokemiske reaktioner. Egern, det være sig eller , er lange kæder , placeret i en bestemt rækkefølge. Proteinernes funktioner bestemmes af, hvilke aminosyrer der er placeret bestemte steder på proteinet. Hvis et protein for eksempel skal binde sig til et positivt ladet molekyle, skal bindingsstedet være fyldt med negativt ladede aminosyrer.
For at forstå, hvordan proteiner får den struktur, der bestemmer deres funktion, skal vi gennemgå det grundlæggende i molekylærbiologi og informationsstrømmen i cellen.
Produktion, eller proteiner begynder med processen . Under transkriptionen afvikles DNA-dobbelthelixen, som indeholder cellens genetiske information, delvist, hvilket tillader DNA'ets nitrogenbaser at blive tilgængelige for et enzym kaldet . RNA-polymerases opgave er at lave en RNA-kopi eller transkription af et gen. Denne kopi af et gen kaldes (mRNA), er et enkelt molekyle ideelt til at kontrollere intracellulære proteinfabrikker, som beskæftiger sig med produktion, eller proteiner.
Ribosomer fungerer som samlemaskiner - de tager mRNA-skabelonen og matcher den med andre små stykker RNA, (tRNA). Hvert tRNA har to aktive regioner - en sektion af tre baser kaldet , som skal matche de tilsvarende kodoner af mRNA'et, og et sted for binding af en aminosyre, der er specifik for denne . Under translation forsøger tRNA-molekyler i ribosomet tilfældigt at binde sig til mRNA'et ved hjælp af antikodoner. Hvis det lykkes, binder tRNA-molekylet sin aminosyre til den forrige og danner det næste led i kæden af aminosyrer, der kodes af mRNA.
Denne sekvens af aminosyrer er det første niveau i proteinstrukturhierarkiet, hvorfor det kaldes . Hele den tredimensionelle struktur af et protein og dets funktioner er direkte afledt af den primære struktur og afhænger af de forskellige egenskaber af hver af aminosyrerne og deres interaktioner med hinanden. Uden disse kemiske egenskaber og aminosyreinteraktioner, de ville forblive lineære sekvenser uden en tredimensionel struktur. Dette kan ses hver gang du laver mad - i denne proces er der termisk tredimensionel struktur af proteiner.
Langrækkende bindinger af proteindele
Det næste niveau af tredimensionel struktur, der går ud over den primære, fik et smart navn . Det inkluderer hydrogenbindinger mellem aminosyrer med relativt tæt virkning. Hovedessensen af disse stabiliserende interaktioner kommer ned til to ting: и . Alfa-helixen danner den stramt oprullede region af polypeptidet, mens beta-arket danner den glatte, brede region. Begge formationer har både strukturelle og funktionelle egenskaber, afhængigt af egenskaberne af deres indgående aminosyrer. For eksempel, hvis alfa-helixen hovedsageligt består af hydrofile aminosyrer, f.eks eller , så vil den højst sandsynligt deltage i vandige reaktioner.
Alfa-spiraler og beta-ark i proteiner. Hydrogenbindinger dannes under proteinekspression.
Disse to strukturer og deres kombinationer danner det næste niveau af proteinstruktur - . I modsætning til simple fragmenter af sekundær struktur er tertiær struktur hovedsageligt påvirket af hydrofobicitet. Centrene for de fleste proteiner indeholder stærkt hydrofobe aminosyrer, som f.eks eller , og vand er udelukket derfra på grund af radikalernes "fedtede" natur. Disse strukturer forekommer ofte i transmembrane proteiner indlejret i lipid-dobbeltlagsmembranen, der omgiver celler. De hydrofobe områder af proteinerne forbliver termodynamisk stabile inde i den fede del af membranen, mens de hydrofile områder af proteinet udsættes for det vandige miljø på begge sider.
Stabiliteten af tertiære strukturer er også sikret ved langrækkende bindinger mellem aminosyrer. Et klassisk eksempel på sådanne forbindelser er , der ofte forekommer mellem to cysteinradikaler. Hvis du lugtede noget lidt som rådne æg i en frisørsalon under en permanent procedure på en klients hår, så var dette en delvis denaturering af den tertiære struktur af keratinen indeholdt i håret, hvilket sker gennem reduktion af disulfidbindinger med hjælp af svovlholdig blandinger.
Tertiær struktur stabiliseres af lang rækkevidde interaktioner såsom hydrofobicitet eller disulfidbindinger
Disulfidbindinger kan forekomme mellem radikaler i den samme polypeptidkæde eller mellem cysteiner fra forskellige komplette kæder. Der dannes interaktioner mellem forskellige kæder niveau af proteinstruktur. Et glimrende eksempel på kvartær struktur er det er i dit blod. Hvert hæmoglobinmolekyle består af fire identiske globiner, proteindele, som hver holdes i en specifik position i polypeptidet af disulfidbroer og er også forbundet med et hæmmolekyle indeholdende jern. Alle fire globiner er forbundet med intermolekylære disulfidbroer, og hele molekylet binder sig til flere luftmolekyler på én gang, op til fire, og er i stand til at frigive dem efter behov.
Modellering af strukturer i jagten på en kur mod sygdom
Polypeptidkæder begynder at folde sig til deres endelige form under translation, da den voksende kæde forlader ribosomet, ligesom et stykke hukommelseslegeret tråd kan antage komplekse former, når de opvarmes. Men som altid i biologi er tingene ikke så enkle.
I mange celler gennemgår transskriberede gener omfattende redigering før translation, hvilket væsentligt ændrer proteinets grundlæggende struktur sammenlignet med genets rene basesekvens. I dette tilfælde henter translationelle mekanismer ofte hjælp fra molekylære chaperoner, proteiner, der midlertidigt binder til den begyndende polypeptidkæde og forhindrer den i at antage nogen mellemform, hvorfra de så ikke vil være i stand til at gå videre til den endelige.
Dette er alt for at sige, at forudsigelse af den endelige form af et protein ikke er en triviel opgave. I årtier var den eneste måde at studere proteiners struktur på gennem fysiske metoder såsom røntgenkrystallografi. Det var først i slutningen af 1960'erne, at biofysiske kemikere begyndte at bygge beregningsmodeller for proteinfoldning, primært med fokus på sekundær strukturmodellering. Disse metoder og deres efterkommere kræver enorme mængder inputdata ud over den primære struktur - for eksempel tabeller over aminosyrebindingsvinkler, lister over hydrofobicitet, ladede tilstande og endda bevarelse af struktur og funktion over evolutionære tidsskalaer - alt sammen for at gæt, hvad der vil ske, ligne det endelige protein.
Dagens beregningsmetoder til forudsigelse af sekundær struktur, såsom dem, der kører på Folding@Home-netværket, fungerer med omkring 80 % nøjagtighed – hvilket er ret godt i betragtning af problemets kompleksitet. Data genereret af prædiktive modeller på proteiner såsom SARS-CoV-2 spike-proteinet vil blive sammenlignet med data fra fysiske undersøgelser af virussen. Som et resultat vil det være muligt at opnå den nøjagtige struktur af proteinet og måske forstå, hvordan virussen binder sig til receptorer en person placeret i luftvejene, der fører ind i kroppen. Hvis vi kan finde ud af denne struktur, kan vi muligvis finde lægemidler, der blokerer bindingen og forhindrer infektion.
Proteinfoldningsforskning er kernen i vores forståelse af så mange sygdomme og infektioner, at selv når vi bruger Folding@Home-netværket til at finde ud af, hvordan vi kan besejre COVID-19, som vi har set eksplodere i vækst på det seneste, vil netværket ikke være ledig i lang tid. arbejde. Det er et forskningsværktøj, der er velegnet til at studere de proteinmønstre, der ligger til grund for snesevis af proteinfejlfoldningssygdomme, såsom Alzheimers sygdom eller varianten Creutzfeldt-Jakobs sygdom, ofte forkert kaldet kogalskab. Og når en anden virus uundgåeligt dukker op, vil vi være klar til at begynde at bekæmpe den igen.
Kilde: www.habr.com