In der aktuellen COVID-19-Pandemie sind viele Probleme aufgetreten, auf die Hacker gern losgingen. Von Gesichtsschutzvisieren, die mit einem 3D-Drucker hergestellt wurden, und selbstgemachten medizinischen Masken bis hin zum Ersatz eines vollwertigen mechanischen Beatmungsgeräts – dieser Ideenfluss inspirierte und erfreute die Seele. Gleichzeitig gab es Versuche, auch in einem anderen Bereich voranzukommen: in der Forschung, die sich direkt gegen das Virus richtet.
Offensichtlich hat der Ansatz, der versucht, die Wurzel des Problems zu ergründen, das größte Potenzial, um die aktuelle Pandemie zu stoppen und alle zukünftigen zu übertreffen. Dieser Ansatz aus der Kategorie «Lerne deinen Feind kennen» wird vom Rechenprojekt Folding@Home vertreten. Millionen von Menschen haben sich für das Projekt registriert und spenden einen Teil der Rechenleistung ihrer Prozessoren und GPUs, wodurch einer der größten [verteilten] Supercomputer in der Geschichte geschaffen wurde.
Aber wofür werden all diese Exaflops konkret verwendet? Warum sollten solche Rechenleistungen auf ? Какая тут работает биохимия, зачем вообще белкам нужно укладываться? Вот краткий обзор фолдинга белков: что это, как он происходит и в чём его важность.
Zunächst das Wichtigste: Warum sind Proteine notwendig?
Proteine sind lebenswichtige Strukturen. Sie bieten nicht nur das Baumaterial für Zellen, sondern fungieren auch als Enzyme-Katalysatoren für praktisch alle biochemischen Reaktionen. Proteine, sei es oder , bestehen aus langen Ketten , die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Die Funktionen der Proteine werden durch die spezifischen Aminosäuren bestimmt, die an bestimmten Stellen des Proteins angeordnet sind. Wenn ein Protein beispielsweise mit einem positiv geladenen Molekül binden muss, muss der Bindungsort mit negativ geladenen Aminosäuren gefüllt sein.
Um zu verstehen, wie Proteine die Struktur erhalten, die ihre Funktion bestimmt, müssen wir die Grundlagen der Molekularbiologie und den Informationsfluss in der Zelle durchgehen.
Die Produktion oder von Proteinen beginnt mit dem Prozess der . Während der Transkription entfaltet sich die Doppelhelix der DNA, die die genetischen Informationen der Zelle enthält, teilweise und ermöglicht den Zugang zu den DNA-Nukleotidbasen durch ein Enzym namens . Die Aufgabe der RNA-Polymerase besteht darin, eine RNA-Kopie oder Transkription des Gens zu erstellen. Diese Kopie des Gens wird als (mRNA) ist ein einzelsträngiges Molekül, das sich ideal für die Steuerung intrazellulärer Proteinproduktionsstätten eignet, , die mit der Herstellung oder von Proteinen beschäftigt sind.
Ribosomen fungieren als Montageeinrichtungen – sie erfassen die mRNA-Vorlage und stimmen sie mit anderen kleinen RNA-Stücken ab, (tRNA). Jede tRNA hat zwei aktive Bereiche – einen Abschnitt aus drei Basen, der als bezeichnet wird und mit den entsprechenden Codons der mRNA übereinstimmen muss, sowie einen Bereich zum Binden von Aminosäuren, die für dieses spezifisch sind. Während der Translation versuchen die tRNA-Moleküle im Ribosom zufällig, sich mit der mRNA über die Anticodons zu verbinden. Im Erfolgsfall verbindet das tRNA-Molekül seine Aminosäure mit der vorherigen und bildet das nächste Glied in der Kette der Aminosäuren, die von der mRNA kodiert werden.
Diese Aminosäuresequenz ist die erste Ebene der strukturellen Hierarchie eines Proteins und wird daher als seine bezeichnet. Die gesamte dreidimensionale Struktur des Proteins und seine Funktionen leiten sich direkt aus der Primärstruktur ab und hängen von den verschiedenen Eigenschaften jeder einzelnen Aminosäure und deren Wechselwirkungen ab. Wenn es diese chemischen Eigenschaften und die Wechselwirkungen der Aminosäuren nicht gäbe, würden linear bleiben, ohne dreidimensionale Struktur. Dies kann man jedes Mal beim Kochen beobachten – in diesem Prozess findet eine thermische der dreidimensionalen Struktur von Proteinen statt.
Fernwirkende Bindungen der Proteinteile
Der nächsten Ebene der dreidimensionalen Struktur, die über die primäre hinausgeht, wurde der einfallsreiche Name gegeben. Sie umfasst Wasserstoffbrücken zwischen relativ nahen Aminosäuren. Das Wesentliche dieser stabilisierenden Wechselwirkungen lässt sich auf zwei Aspekte reduzieren: und . Die Alpha-Helix bildet einen fest gewundenen Abschnitt des Polypeptids, während das Beta-Faltblatt einen glatten und breiten Bereich darstellt. Beide Strukturen verfügen sowohl über strukturelle als auch funktionale Eigenschaften, die von den Merkmalen der sie bildenden Aminosäuren abhängen. Wenn die Alpha-Helix hauptsächlich aus hydrophilen Aminosäuren wie oder , besteht, wird sie wahrscheinlich an wasserhaltigen Reaktionen beteiligt sein.
Alpha-Helices und Beta-Faltblätter in Proteinen. Wasserstoffbrückenbindungen entstehen während der Proteinexpression.
Diese beiden Strukturen und ihre Kombinationen formen die nächste Ebene der Proteinstruktur — . Im Gegensatz zu einfachen Fragmenten der sekundären Struktur wird die tertiäre Struktur hauptsächlich von der Hydrophobizität beeinflusst. In den Zentren der meisten Proteine befinden sich Aminosäuren mit hoher Hydrophobizität, wie oder , und Wasser wird aufgrund der „fetten“ Natur der Radikale aus diesen Bereichen ausgeschlossen. Diese Strukturen erscheinen häufig in transmembranären Proteinen, die in die doppelte Lipidmembran eingebettet sind, die die Zellen umgibt. Hydrophobe Bereiche von Proteinen bleiben thermodynamisch stabil innerhalb des Fettanteils der Membran, während hydrophile Bereiche des Proteins von der wässrigen Umgebung auf beiden Seiten betroffen sind.
Die Stabilität der tertiären Strukturen wird auch durch Fernwirkungen zwischen den Aminosäuren gewährleistet. Ein klassisches Beispiel für solche Bindungen ist , die häufig zwischen zwei Cystein-Radikalen auftritt. Wenn Sie in einem Friseursalon während einer Dauerwelle einen Geruch wahrgenommen haben, der ein wenig an faule Eier erinnerte, dann war das die partielle Denaturierung der tertiären Struktur des in den Haaren enthaltenen Keratins, die durch die Verringerung der Disulfidbindungen mit schwefelhaltigen Gemischen geschieht.
Die tertiäre Struktur wird durch Fernwirkungen wie Hydrophobizität oder Disulfidbindung stabilisiert.
Disulfidbindungen können zwischen Radikalen innerhalb einer Polypeptidkette oder zwischen Cysteins aus verschiedenen vollständigen Ketten entstehen. Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Ketten bilden Ebene der Proteinstruktur. Ein hervorragendes Beispiel für eine quartäre Struktur ist Es ist in Ihrem Blut. Jedes Molekül Hämoglobin besteht aus vier identischen Globinen, die Teile eines Proteins sind, wobei jeder von ihnen an einer bestimmten Stelle innerhalb des Polypeptids durch Disulfidbrücken gehalten wird und mit einem Eisenhaltigen Häm-Molekül verbunden ist. Alle vier Globine sind durch intermolekulare Disulfidbrücken verbunden, und das gesamte Molekül bindet gleichzeitig an mehrere Luftmoleküle, bis zu vier, und ist in der Lage, diese nach Bedarf freizugeben.
Modellierung von Strukturen bei der Suche nach Heilmethoden für Krankheiten
Polypeptidketten beginnen während der Translation, wenn die wachsende Kette die Ribosomen verlässt, in ihre endgültige Form zu falten – ähnlich wie ein Stück Draht aus einer Legierung mit Formgedächtnis komplizierte Formen annehmen kann, wenn es erwärmt wird. Doch wie immer in der Biologie ist alles komplizierter.
In vielen Zellen unterliegen die transkribierten Gene vor der Translation einer gründlichen Bearbeitung, die die Grundstruktur des Proteins im Vergleich zur reinen Basensequenz des Gens erheblich verändert. In diesem Prozess arbeiten die translationalen Mechanismen oft mit molekularen Begleitproteinen zusammen, die vorübergehend an der entstehenden Polypeptidkette binden und verhindern, dass sie eine Zwischenform annimmt, aus der sie später nicht mehr zur endgültigen Form übergehen kann.
Dies führt dazu, dass die Vorhersage der endgültigen Proteinstruktur keine triviale Aufgabe ist. Jahrzehntelang war die einzige Methode zur Untersuchung von Proteinstrukturen physikalische Verfahren wie die Röntgenkristallographie. Erst Ende der 1960er Jahre begannen biophysikalische Chemiker, computergestützte Modelle für das Protein-Folding zu entwickeln, wobei der Fokus hauptsächlich auf der Modellierung der Sekundärstruktur lag. Diese Methoden und ihre Nachfolger erfordern riesige Mengen an Eingabedaten zusätzlich zur Primärstruktur – beispielsweise Tabellen mit Bindungswinkeln der Aminosäuren, Hydrophobizitätslisten, geladene Zustände und sogar die Erhaltung der Struktur und Funktion über evolutionäre Zeiträume hinweg – alles, um herauszufinden, wie das endgültige Protein aussehen wird.
Die heutigen rechnergestützten Methoden zur Vorhersage der Sekundärstruktur, die insbesondere im Netzwerk Folding@Home tätig sind, erreichen eine Genauigkeit von etwa 80 % – was angesichts der Komplexität der Aufgabe recht gut ist. Die von den Vorhersagemodellen für Proteine wie das Spike-Protein von SARS-CoV-2 erhaltenen Daten werden mit den Daten aus physikalischen Virusuntersuchungen verglichen. Dadurch wird es möglich, die genaue Struktur des Proteins zu bestimmen und möglicherweise zu verstehen, wie das Virus an die Rezeptoren bindet. des Menschen, die sich in den Atemwegen befinden, die ins Innere des Körpers führen. Wenn wir diese Struktur entschlüsseln können, sind wir wahrscheinlich in der Lage, Medikamente zu finden, die die Bindung blockieren und eine Infektion verhindern.
Forschungen zum Protein-Folding stehen im Zentrum unseres Verständnisses einer Vielzahl von Krankheiten und Infektionen, sodass selbst wenn wir mit Hilfe des Netzwerks Folding@Home einen Weg finden, COVID-19 zu besiegen, dessen explosionsartigem Anstieg wir in letzter Zeit beiwohnen, dieses Netzwerk nicht lange ohne Arbeit bleiben wird. Es ist ein hervorragendes Forschungsinstrument für das Studium der Proteinmodelle, die den Dutzenden von Krankheiten zugrunde liegen, die mit falschem Falten von Proteinen verbunden sind – zum Beispiel mit Alzheimer oder mit einer Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, die oft fälschlicherweise als Rinderwahnsinn bezeichnet wird. Und wenn unvermeidlich ein neuer Virus auftaucht, werden wir bereits bereit sein, erneut gegen ihn zu kämpfen.
Quelle: habr.com
