Tijekom trenutne pandemije COVID-19 pojavilo se mnogo problema na koje su hakjeri rado reagirali. Od zaštitnih štitnika izrađenih na 3D pisačima i maski za lice ručne izrade, do zamjene cjelovitih mehaničkih uređaja za umjetnu ventilaciju pluća – ovaj tok ideja inspirirao je i usrećivao. U isto vrijeme postojale su i pokušaje napredovanja u drugom području: u istraživanjima usmjerenim na borbu protiv samog virusa.
Prema svemu sudeći, najveći potencijal za zaustavljanje trenutne pandemije i premošćenje svih budućih leži u pristupu koji pokušava dokučiti samo srž problema. Ovaj pristup u području "up poznaj svog neprijatelja" slijedi računalni projekt Folding@Home. Milijuni ljudi registrirali su se u projektu i ostvaruju dio računalnih resursa svojih procesora i GPU-a, stvarajući tako najveći [distribuirani] superračunalo u povijesti.
Ali za što se konkretno koriste sve te egzaflopne snage? Zašto je potrebno usmjeriti takve računalne resurse 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.
Za početak, što je najvažnije: zašto su proteini potrebni?
Proteini su životno važna struktura. Oni ne samo da pružaju građevinski materijal za stanice, već služe i kao enzimski katalizatori gotovo svih biokemijskih reakcija. Proteini, bili oni ili , predstavljaju dugačke lance , raspoređenih u određenom redoslijedu. Funkcije proteina određene su time koje se aminokiseline nalaze na određenim mjestima u proteinu. Ako, na primjer, proteinu treba povezati se s pozitivno nabijenom molekulom, mjesto veze mora biti ispunjeno negativno nabijenim aminokiselinama.
Da bismo razumjeli kako proteini dobivaju strukturu koja određuje njihovu funkciju, trebamo se proći kroz osnove molekularne biologije i informacijski tok unutar stanice.
Proizvodnja, ili proteina počinje procesom . Tijekom transkripcije dvostruka spirala DNK, koja sadrži genetske informacije stanice, djelomično se odmotava, pružajući pristup dušičnim bazama DNK enzimu zvanom . Zadatak RNK-polimeraze je izraditi RNK-kopiju, ili transkripciju, gena. Ova kopija gena zove se (mRNK) predstavlja jedan neparni molekul, savršeno prilagođen za kontrolu unutarstaničnih proteinskih tvornica, , koji se bave proizvodnjom ili proteina.
Ribosomi se ponašaju kao montažne jedinice – hvataju uzorak mRNK i usklađuju ga s drugim malim fragmentima RNA, (tRNK). Svaka tRNK ima dva aktivna područja – deo od tri baze koji se naziva , koji se mora poklapati s odgovarajućim kodonima mRNK, i deo za vezivanje aminokiseline specifične za ovaj . Tokom translacije, molekuli tRNK u ribosomu nasumično pokušavaju da se povežu s mRNK putem antikodona. U slučaju uspeha, molekul tRNK dodaje svoju aminokiselinu prethodnoj, formirajući sledeći član u lancu aminokiselina koji je kodiran mRNK.
Ova sekvenca aminokiselina predstavlja prvi nivo strukturne hijerarhije proteina, pa se stoga naziva njegovom . Cela trodimenzionalna struktura proteina i njegove funkcije direktno proizlaze iz primarne strukture i zavise od različitih svojstava svake od aminokiselina i njihovih međusobnih interakcija. Da nije ovih hemijskih svojstava i interakcija aminokiselina, bi ostali linearne sekvence bez trodimenzionalne strukture. To se može videti svaki put tokom kuhanja hrane – u tom procesu dolazi do toplinske trodimenzionalne strukture proteina.
Dalekovidi kontakti delova proteina
Sledećem nivou trodimenzionalne strukture, koji izlazi izvan primarne, dalo se domišljato ime . Ona uključuje vodonične veze između aminokiselina relativno bliskog delovanja. Suština ovih stabilizirajućih interakcija svodi se na dve stvari: i . Alfa-spirala formira čvrsto uvijen deo polipeptida, dok beta-lista predstavlja glatko i široko područje. Obje formacije imaju kako strukturne tako i funkcionalne osobine, koje zavise od karakteristika aminokiselina koje ih čine. Na primer, ako alfa-spirala u velikoj meri sadrži hidrofilne aminokiseline, poput ili , tada će najverovatnije učestvovati u vodenim reakcijama.
Alfa spirale i beta listi u proteinima. Vodikove veze se formiraju tokom ekspresije proteina.
Ove dvije strukture i njihove kombinacije formiraju sljedeću razinu strukture proteina — . Za razliku od jednostavnih fragmenata sekundarne strukture, tercijarnu strukturu uglavnom pogađa hidrofobnost. U centru većine proteina nalaze se aminokiseline visoke hidrofobnosti, poput ili , a voda se isključuje zbog 'masne' prirode radikala. Ove strukture se često pojavljuju u transmembranskim proteinima, ugrađenim u dvojak lipidni sloj koji okružuje ćelije. Hidrofobne dijelove proteina ostaju termodinamički stabilni unutar masne komponente membrane, dok su hidrofilni dijelovi proteina izloženi vodenom okruženju s obje strane.
Stabilnost tercijanih struktura takođe osiguravaju dalekometne veze između aminokiselina. Klasičan primjer takvih veza je , koja se često javlja između dva radikala cisteina. Ako ste u frizerskom salonu tokom procedure permantne frizure kod nekog klijenta osjetili miris koji podsjeća na pokvarena jaja, to je bila djelomična denaturacija tercijarne strukture keratina u kosi, koja se događa smanjenjem disulfidnih veza pomoću sumpornih smjesa.
Tercijarnu strukturu stabiliziraju dalekometne interakcije, poput hidrofobnosti ili disulfidnih veza.
Disulfidne veze mogu nastati između u jednoj polipeptidnoj lancu, ili između cisteina iz različitih cjelovitih lanaca. Interakcije između različitih lanaca formiraju razinu strukture proteina. Prekrasan primjer kvartarne strukture je u vašoj krvi. Svaka molekula hemoglobina sastoji se od četiri identična globina, dijelova proteina, od kojih se svaki drži na određenoj poziciji unutar polipeptida disulfidnim mostovima, a također je povezan s molekulom hema koja sadržava željezo. Sva četiri globina povezana su međumolekulskim disulfidnim mostovima, a sama molekula može vezati odmah nekoliko molekula zraka, do četiri, i sposobna je otpustiti ih po potrebi.
Modeliranje struktura u potrazi za liječenjem bolesti
Polipeptidni lanci počinju se slagati u konačni oblik tijekom translacije, kada rastući lanac izlazi iz ribosoma – otprilike kao što se komad žice od legure s memorijskim učinkom može oblikovati kada se zagrije. Međutim, kao i uvijek u biologiji, nije sve tako jednostavno.
U mnogim stanicama genetski transkribirani geni prolaze kroz značajno uređivanje prije translacije, što znatno mijenja osnovnu strukturu proteina u usporedbi s čistom sekvencijom baza gena. Pri tome, translacijski mehanizmi često zatraže pomoć molekularnih pratilaca, proteina koji se privremeno vežu za rastući polipeptidni lanac, sprječavajući ga da prihvati bilo koji međufazni oblik iz kojeg kasnije ne bi mogli preći u konačni.
Sve ovo ukazuje na to da predviđanje konačnog oblika proteina nije trivijalan zadatak. Desetljećima su jedini načini proučavanja strukture proteina bili fizički metodi poput rendgenske kristalografije. Tek krajem 1960-ih biokemijski fizičari počeli su graditi računalne modele presavijanja proteina, uglavnom fokusirajući se na modeliranje sekundarne strukture. Ovim metodama i njihovim potomcima potrebne su ogromne količine ulaznih podataka uz primarnu strukturu – na primjer, tablice kutova veze amino kiselina, popisi hidrofobnosti, nabijena stanja i čak očuvanje strukture i funkcioniranje tijekom evolucijskih vremenskih razdoblja – sve kako bi se pogodilo kako će izgledati konačni protein.
Danasšnji računalni metodi predviđanja sekundarne strukture, koji posebno djeluju u mreži Folding@Home, rade s približno 80% točnosti – što je prilično dobro s obzirom na složenost zadatka. Podaci koje dobivamo prediktivnim modelima za proteine kao što je protein bodlja SARS-CoV-2 bit će uspoređeni s podacima fizičkih istraživanja virusa. Na kraju ćemo moći dobiti točnu strukturu proteina i, možda, shvatiti kako se virus veže na receptore. ljudi u dišnim putevima koji vode unutar tijela. Ako uspijemo shvatiti ovu strukturu, vjerojatno ćemo moći pronaći lijekove koji blokiraju vezivanje i sprječavaju infekciju.
Istraživanja preklapanja proteina leže u srcu našeg razumijevanja toliko bolesti i infekcija da, čak i kada putem mreže Folding@Home osmislimo kako pobijediti COVID-19, čijem smo brzom porastu svjedoci posljednjih tjedana, ova mreža neće dugo biti bez posla. To je istraživački alat odličan za proučavanje modela proteina koji leže u osnovi desetaka bolesti povezanih s pogrešnim preklapanjem proteina – poput Alzheimerove bolesti ili varijante Creutzfeldt–Jakobove bolesti, koju često krivo nazivaju kravljim ludilom. A kada neizbježno dođe još jedan virus, bit ćemo spremni ponovno započeti borbu s njim.
Izvor: habr.com
