Svo hvað nákvæmlega er „próteinbrotning“?

Núverandi COVID-19 heimsfaraldur hefur skapað mörg vandamál sem tölvuþrjótar hafa verið ánægðir með að ráðast á. Allt frá þrívíddarprentuðum andlitshlífum og heimagerðum læknisgrímum til að skipta um fulla vélræna öndunarvél, hugmyndaflæðið var hvetjandi og hjartahlýjandi. Á sama tíma var reynt að sækja fram á öðru sviði: í rannsóknum sem miðuðu að því að berjast gegn vírusnum sjálfum.

Svo virðist sem mesti möguleikinn á að stöðva núverandi heimsfaraldur og fara fram úr öllum síðari eru í nálgun sem reynir að komast að rót vandans. Þessi „þekktu óvin þinn“ nálgun er tekin af Folding@Home tölvuverkefninu. Milljónir manna hafa skráð sig í verkefnið og gefa eitthvað af vinnsluafli örgjörva sinna og GPU og búa þannig til stærstu [dreifðu] ofurtölvu sögunnar.

En til hvers eru eiginlega allir þessir exaflops notaðir? Hvers vegna er nauðsynlegt að henda svona tölvuafli á próteinbrotning? Hvers konar lífefnafræði er hér að verki, af hverju þurfa prótein að brjóta saman? Hér er stutt yfirlit yfir próteinbrot: hvað það er, hvernig það gerist og hvers vegna það er mikilvægt.

Í fyrsta lagi, það mikilvægasta: hvers vegna þarf prótein?

Prótein eru lífsnauðsynleg mannvirki. Þeir veita ekki aðeins byggingarefni fyrir frumur, heldur þjóna þeir einnig sem ensímhvatar fyrir næstum öll lífefnafræðileg viðbrögð. Íkornar, hvort sem þeir eru burðarvirki eða ensím, eru langar keðjur amínósýrur, staðsett í ákveðinni röð. Hlutverk próteina ræðst af því hvaða amínósýrur eru staðsettar á ákveðnum stöðum á próteininu. Ef til dæmis prótein þarf að bindast við jákvætt hlaðna sameind verður bindistaðurinn að vera fylltur af neikvætt hlaðinni amínósýrum.

Til að skilja hvernig prótein öðlast þá byggingu sem ræður virkni þeirra þurfum við að fara yfir grunnatriði sameindalíffræði og upplýsingaflæði í frumunni.

Framleiðsla, eða tjáningu prótein byrjar með ferlinu uppskriftum. Við umritun losnar DNA tvöfalda helix, sem inniheldur erfðafræðilegar upplýsingar frumunnar, að hluta til, sem gerir köfnunarefnisbasar DNAsins aðgengilegar fyrir ensím sem kallast RNA pólýmerasi. Hlutverk RNA pólýmerasa er að búa til RNA afrit, eða umritun, af geni. Þetta afrit af geni sem heitir boðberi RNA (mRNA), er ein sameind tilvalin til að stjórna innanfrumu próteinverksmiðjum, ríbósómsem stunda framleiðslu, eða útsending prótein.

Ríbósóm virka eins og samsetningarvélar - þau taka mRNA sniðmátið og passa það við aðra litla bita af RNA, flytja RNA (tRNA). Hvert tRNA hefur tvö virk svæði - hluti af þremur basum sem kallast mótkódon, sem verður að passa við samsvarandi kódon mRNA, og staður til að binda amínósýru sem er sértæk fyrir þetta codon. Við þýðingu reyna tRNA sameindir í ríbósóminu af handahófi að bindast mRNA með því að nota mótkóða. Ef vel tekst til, festir tRNA sameindin amínósýruna sína við þá fyrri og myndar næsta hlekk í keðju amínósýra sem mRNA kóðar fyrir.

Þessi röð amínósýra er fyrsta stig próteinbyggingarstigveldisins, þess vegna er hún kölluð frumbygging. Öll þrívíddarbygging próteins og virkni þess er beint úr frumbyggingunni og er háð hinum ýmsu eiginleikum hverrar amínósýra og samspili þeirra hver við aðra. Án þessara efnafræðilegu eiginleika og amínósýrusamskipta, fjölpeptíð þær yrðu áfram línulegar raðir án þrívíddarbyggingar. Þetta sést í hvert skipti sem þú eldar mat - í þessu ferli er hitauppstreymi denaturation þrívíddarbygging próteina.

Langdræg tengsl próteinhluta

Næsta þrep þrívíddar uppbyggingar, sem fer út fyrir aðalskipulagið, fékk snjallt nafn efri uppbyggingu. Það felur í sér vetnistengi milli amínósýra með tiltölulega nána virkni. Meginkjarni þessara stöðugleikasamskipta kemur niður á tvennu: alfa þyrlur и beta listi. Alfa helix myndar þétt vafið svæði fjölpeptíðsins, en beta blaðið myndar slétt, breitt svæði. Báðar myndanir hafa bæði byggingareiginleika og starfræna eiginleika, allt eftir einkennum amínósýra þeirra. Til dæmis, ef alfa helix samanstendur aðallega af vatnssæknum amínósýrum, eins og arginín eða lýsín, þá mun það líklega taka þátt í vatnskenndum viðbrögðum.

Alfa þyrlur og beta blöð í próteinum. Vetnistengi myndast við tjáningu próteina.

Þessar tvær mannvirki og samsetningar þeirra mynda næsta stig próteinbyggingar - háskólastigi uppbyggingu. Ólíkt einföldum brotum af efri uppbyggingu er háskólabygging aðallega undir áhrifum vatnsfælni. Miðstöðvar flestra próteina innihalda mjög vatnsfælnar amínósýrur, svo sem alanín eða metíónín, og vatn er útilokað þaðan vegna „fitu“ eðlis róttæklinganna. Þessi mannvirki birtast oft í próteinum yfir himnur sem eru felld inn í lípíð tvílaga himnuna sem umlykur frumur. Vatnsfælin svæði próteinanna haldast varmafræðilega stöðug inni í fituhluta himnunnar á meðan vatnssæknu svæði próteinsins verða fyrir vatnsumhverfinu beggja vegna.

Einnig er stöðugleiki háskólastigsins tryggður með langdrægum tengjum milli amínósýra. Klassískt dæmi um slík tengsl er tvísúlfíð brú, sem kemur oft fram á milli tveggja cysteine ​​róttækra. Ef þú fannst lykt af einhverju eins og rotnum eggjum á hárgreiðslustofu þegar þú varst að klippa hár viðskiptavinarins, þá var þetta að hluta til afeitrun á háskólastigi keratínsins sem er í hárinu, sem á sér stað með því að draga úr tvísúlfíðtengjum við hárið. hjálp brennisteins sem inniheldur þíól blöndur.

Uppbygging háskólastigsins er stöðug með langdrægum samskiptum eins og vatnsfælni eða tvísúlfíðtengjum

Dísúlfíðtengi geta komið á milli cystein radicals í sömu fjölpeptíðkeðjunni, eða á milli cysteina úr mismunandi heilum keðjum. Samskipti milli mismunandi keðja myndast fjórðungur stig próteinbyggingar. Frábært dæmi um fjórðungsbyggingu er blóðrauða það er þér í blóð borið. Hver hemóglóbín sameind samanstendur af fjórum eins globínum, próteinhlutum, sem hver um sig er haldinn í ákveðinni stöðu innan fjölpeptíðsins með tvísúlfíðbrúum og er einnig tengdur heme sameind sem inniheldur járn. Öll globínin fjögur eru tengd með millisameinda tvísúlfíðbrýr og öll sameindin binst nokkrum loftsameindum í einu, allt að fjórum, og getur losað þær eftir þörfum.

Líkangerð mannvirkja í leit að lækningu við sjúkdómum

Fjölpeptíðkeðjur byrja að brjóta saman í lokaform sitt við þýðingu, þar sem vaxandi keðja fer út úr ríbósóminu, svipað og stykki af minnisblendivír getur tekið á sig flókið form þegar það er hitað. Hins vegar, eins og alltaf í líffræði, eru hlutirnir ekki svo einfaldir.

Í mörgum frumum fara umrituð gen í gegnum umfangsmikla breytingar fyrir þýðingu, sem breytir verulega grunnbyggingu próteins samanborið við hreina basaröð gensins. Í þessu tilviki fá þýðingaraðferðir oft hjálp sameindaleiðsögumanna, prótein sem bindast tímabundið fjölpeptíðkeðjunni sem er í uppsiglingu og koma í veg fyrir að hún taki á sig nokkurt milliform, og þaðan geta þau ekki farið yfir í þá síðustu.

Þetta er allt til að segja að spá um endanlega lögun próteins er ekki léttvægt verkefni. Í áratugi var eina leiðin til að rannsaka uppbyggingu próteina með eðlisfræðilegum aðferðum eins og röntgenkristalla. Það var ekki fyrr en seint á sjöunda áratugnum sem lífeðlisfræðilegir efnafræðingar fóru að smíða reiknilíkön um próteinbrot, fyrst og fremst að einbeita sér að efri byggingu líkanagerðar. Þessar aðferðir og afkomendur þeirra krefjast gífurlegs magns af inntaksgögnum til viðbótar við frumbygginguna - til dæmis töflur yfir amínósýrutengihorn, lista yfir vatnsfælni, hleðsluástand og jafnvel varðveislu uppbyggingu og virkni yfir þróunartímakvarða - allt til að giska á hvað mun gerast lítur út eins og lokapróteinið.

Reikniaðferðir nútímans til að spá fyrir um efri uppbyggingu, eins og þær sem keyra á Folding@Home netinu, virka með um 80% nákvæmni - sem er nokkuð gott miðað við hversu flókið vandamálið er. Gögn sem verða til með forspárlíkönum um prótein eins og SARS-CoV-2 topppróteinið verða borin saman við gögn úr líkamlegum rannsóknum á vírusnum. Fyrir vikið verður hægt að fá nákvæma uppbyggingu próteinsins og kannski skilja hvernig vírusinn festist við viðtaka angíótensínbreytandi ensím 2 einstaklingur staðsettur í öndunarfærum sem leiðir inn í líkamann. Ef við getum fundið út þessa uppbyggingu gætum við fundið lyf sem hindra bindinguna og koma í veg fyrir sýkingu.

Próteinbrotarannsóknir eru kjarninn í skilningi okkar á svo mörgum sjúkdómum og sýkingum að jafnvel þegar við notum Folding@Home netið til að finna út hvernig á að vinna bug á COVID-19, sem við höfum séð sprungið í vexti undanfarið, mun netið ' ekki vera aðgerðalaus lengi, vinna. Um er að ræða rannsóknartæki sem hentar vel til að rannsaka próteinmynstrið sem liggur að baki tugum próteinasjúkdóma, eins og Alzheimerssjúkdóms eða afbrigði Creutzfeldt-Jakob sjúkdómsins, sem oft er ranglega kallaður kúasjúkdómur. Og þegar annar vírus birtist óhjákvæmilega, munum við vera tilbúin til að byrja að berjast við hann aftur.

Heimild: www.habr.com