Praegune COVID-19 pandeemia on tekitanud palju probleeme, mida häkkerid on hea meelega rünnanud. Alates 3D-prinditud näokaitsetest ja omatehtud meditsiinilistest maskidest kuni täieliku mehaanilise ventilaatori väljavahetamiseni oli ideede voog inspireeriv ja südantsoojendav. Samal ajal püüti edasi liikuda ka teises valdkonnas: viiruse enda vastu võitlemisele suunatud uuringutes.
Ilmselt peitub suurim potentsiaal praeguse pandeemia peatamiseks ja kõigist järgnevatest ületamiseks lähenemisviisis, mis püüab jõuda probleemi juurteni. Seda "tunne oma vaenlast" lähenemisviisi kasutab andmetöötlusprojekt Folding@Home. Miljonid inimesed on projektiga liitunud ja annetavad osa oma protsessorite ja GPU-de töötlusvõimsusest, luues nii ajaloo suurima [hajutatud] superarvuti.
Aga milleks kõiki neid eksafloppe täpselt kasutatakse? Miks on vaja sellist arvutusvõimsust visata ? Mis biokeemia siin töötab, miks valgud üldse kokku voltima peavad? Siin on kiire ülevaade valkude voltimisest: mis see on, kuidas see juhtub ja miks see on oluline.
Esiteks, kõige tähtsam: miks on valke vaja?
Valgud on elutähtsad struktuurid. Need mitte ainult ei paku rakkude ehitusmaterjali, vaid toimivad ka ensüümkatalüsaatoritena peaaegu kõigi biokeemiliste reaktsioonide jaoks. Oravad, olgu nad või , on pikad ketid , mis asuvad kindlas järjestuses. Valkude funktsioonid määravad kindlaks, millised aminohapped paiknevad valgu teatud kohtades. Kui näiteks valk peab seonduma positiivselt laetud molekuliga, peab seondumiskoht olema täidetud negatiivselt laetud aminohapetega.
Et mõista, kuidas valgud omandavad nende funktsiooni määrava struktuuri, peame läbima molekulaarbioloogia põhitõed ja info liikumise rakus.
Tootmine või valgud algab protsessiga . Transkriptsiooni käigus rullub osaliselt lahti DNA kaksikheeliks, mis sisaldab raku geneetilist informatsiooni, võimaldades DNA lämmastiku alustel saada kättesaadavaks ensüümile nn. . RNA polümeraasi ülesanne on teha geenist RNA koopia ehk transkriptsioon. Seda geeni koopiat nimetatakse (mRNA) on üks molekul, mis sobib ideaalselt rakusiseste valgutehaste juhtimiseks, kes tegelevad tootmisega või valgud.
Ribosoomid toimivad nagu monteerimismasinad – nad võtavad mRNA malli ja sobitavad selle teiste väikeste RNA tükkidega, (tRNA). Igal tRNA-l on kaks aktiivset piirkonda – kolmest alusest koosnev osa, mida nimetatakse , mis peavad ühtima mRNA vastavate koodonitega, ja sait selle jaoks spetsiifilise aminohappe sidumiseks . Translatsiooni ajal püüavad ribosoomi tRNA molekulid antikoodoneid kasutades juhuslikult mRNA-ga seonduda. Edu korral seob tRNA molekul oma aminohappe eelmisega, moodustades järgmise lüli mRNA poolt kodeeritud aminohapete ahelas.
See aminohapete järjestus on valgu struktuurihierarhia esimene tase, mistõttu seda nimetatakse . Valgu kogu kolmemõõtmeline struktuur ja selle funktsioonid on otseselt tuletatud primaarstruktuurist ning sõltuvad iga aminohappe erinevatest omadustest ja nende vastastikmõjudest. Ilma nende keemiliste omaduste ja aminohapete koostoimeta need jääksid lineaarseteks jadadeks ilma kolmemõõtmelise struktuurita. Seda on näha iga kord, kui valmistate toitu – selles protsessis on termiline Valkude kolmemõõtmeline struktuur.
Valguosade kaugsidemed
Kolmemõõtmelise struktuuri järgmine tase, mis ületab esmase struktuuri, sai nutika nime . See sisaldab suhteliselt tiheda toimega vesiniksidemeid aminohapete vahel. Nende stabiliseerivate interaktsioonide põhiolemus taandub kahele asjale: и . Alfaheeliks moodustab polüpeptiidi tihedalt keerdunud piirkonna, beeta-leht aga sileda laia piirkonna. Mõlemal moodustisel on nii struktuursed kui ka funktsionaalsed omadused, olenevalt nende koostises olevate aminohapete omadustest. Näiteks kui alfaheeliks koosneb peamiselt hüdrofiilsetest aminohapetest, nagu või , siis osaleb see suure tõenäosusega vesireaktsioonides.
Alfa-heeliksid ja beeta-lehed valkudes. Vesiniksidemed tekivad valkude ekspressiooni käigus.
Need kaks struktuuri ja nende kombinatsioonid moodustavad valgu struktuuri järgmise taseme - . Erinevalt lihtsatest sekundaarstruktuuri fragmentidest mõjutab tertsiaarset struktuuri peamiselt hüdrofoobsus. Enamiku valkude keskused sisaldavad tugevalt hüdrofoobseid aminohappeid, nagu või , ja vesi on radikaalide "rasvase" olemuse tõttu sealt välja jäetud. Need struktuurid esinevad sageli transmembraansetes valkudes, mis on põimitud rakke ümbritsevatesse lipiidsetesse kahekihilistesse membraanidesse. Valkude hüdrofoobsed piirkonnad jäävad membraani rasvaosa sees termodünaamiliselt stabiilseks, samas kui valgu hüdrofiilsed piirkonnad puutuvad mõlemalt poolt kokku vesikeskkonnaga.
Samuti tagavad tertsiaarsete struktuuride stabiilsuse kaugsidemed aminohapete vahel. Klassikaline näide sellistest ühendustest on , mis esineb sageli kahe tsüsteiiniradikaali vahel. Kui tundsite juuksurisalongis kliendi juustel püsiprotseduuri ajal midagi veidi mädamunade lõhna, siis oli tegemist juustes sisalduva keratiini tertsiaarse struktuuri osalise denaturatsiooniga, mis toimub disulfiidsidemete redutseerimisel juustega. väävlit sisaldava abiga segud.
Tertsiaarset struktuuri stabiliseerivad pikamaa interaktsioonid, nagu hüdrofoobsus või disulfiidsidemed
Vahepeal võivad tekkida disulfiidsidemed radikaalid samas polüpeptiidahelas või erinevatest terviklikest ahelatest pärit tsüsteiinide vahel. Tekivad vastasmõjud erinevate ahelate vahel valgu struktuuri tase. Kvaternaarse struktuuri suurepärane näide on see on sul veres. Iga hemoglobiinimolekul koosneb neljast identsest globiinist, valguosast, millest igaüks on polüpeptiidis kindlas asendis disulfiidsildade kaudu ja on samuti seotud rauda sisaldava heemimolekuliga. Kõik neli globiini on omavahel ühendatud molekulidevaheliste disulfiidsildadega ning kogu molekul seondub korraga mitme õhumolekuliga, kuni neljaga, ning suudab neid vastavalt vajadusele vabastada.
Struktuuride modelleerimine haiguse ravi otsimisel
Polüpeptiidahelad hakkavad translatsiooni ajal oma lõplikku kuju voltima, kui kasvav ahel väljub ribosoomist, sarnaselt sellele, nagu mälusulamist traat võib kuumutamisel omandada keeruka kuju. Kuid nagu bioloogias ikka, pole asjad nii lihtsad.
Paljudes rakkudes läbivad transkribeeritud geenid enne translatsiooni ulatuslikku redigeerimist, muutes oluliselt valgu põhistruktuuri võrreldes geeni puhta alusjärjestusega. Sel juhul kasutavad translatsioonimehhanismid sageli abi molekulaarseid chaperone, valke, mis ajutiselt seostuvad tekkiva polüpeptiidahelaga ja takistavad sellel omandamast mis tahes vahevormi, millest nad siis ei saa edasi liikuda lõpliku vormi juurde.
See kõik tähendab, et valgu lõpliku kuju ennustamine ei ole tühine ülesanne. Aastakümneid oli ainus viis valkude struktuuri uurimiseks kasutada füüsikalisi meetodeid nagu röntgenkristallograafia. Alles 1960. aastate lõpus hakkasid biofüüsikalised keemikud looma valkude voltimise arvutuslikke mudeleid, keskendudes peamiselt sekundaarse struktuuri modelleerimisele. Need meetodid ja nende järeltulijad nõuavad lisaks primaarstruktuurile tohutul hulgal sisendandmeid – näiteks aminohapete sidemete nurkade tabeleid, hüdrofoobsuse, laetud olekute loendeid ja isegi struktuuri ja funktsiooni säilimist evolutsioonilise aja jooksul – kõik selleks, et arvan, mis juhtub, näeb välja nagu lõplik valk.
Tänapäevased arvutusmeetodid sekundaarse struktuuri ennustamiseks, näiteks need, mis töötavad võrgus Folding@Home, töötavad umbes 80% täpsusega – mis on probleemi keerukust arvestades päris hea. Andmeid, mis on genereeritud valkude, näiteks SARS-CoV-2 spike-valgu ennustavate mudelite abil, võrreldakse viiruse füüsiliste uuringute andmetega. Selle tulemusena on võimalik saada valgu täpne struktuur ja võib-olla mõista, kuidas viirus kinnitub retseptoritele inimene, kes asub kehasse suunduvas hingamisteedes. Kui suudame selle struktuuri välja selgitada, võib-olla suudame leida ravimeid, mis blokeerivad seondumist ja takistavad nakatumist.
Valkude voltimisuuringud on meie arusaamise keskmes nii paljudest haigustest ja infektsioonidest, et isegi kui kasutame Folding@Home võrgustikku, et välja selgitada, kuidas COVID-19 võita, mille kasvu oleme viimasel ajal plahvatuslikult kasvanud, võitis võrgustik. ära ole kaua jõude, tööta. See on uurimistööriist, mis sobib hästi valgumustrite uurimiseks, mis on aluseks kümnetele valgu väärvoltimisega seotud haigustele, nagu Alzheimeri tõbi või Creutzfeldt-Jakobi tõve variant, mida sageli valesti nimetatakse hullu lehma tõveks. Ja kui paratamatult ilmub mõni teine viirus, oleme valmis sellega uuesti võitlema.
Allikas: www.habr.com