그렇다면 "단백질 접힘"이란 정확히 무엇입니까?

현재의 코로나19 팬데믹으로 인해 해커들이 기꺼이 공격할 수 있는 많은 문제가 발생했습니다. 3D 프린팅된 안면 보호대와 수제 의료용 마스크부터 완전한 기계식 인공호흡기 교체에 이르기까지 아이디어의 흐름은 고무적이고 마음이 따뜻해졌습니다. 동시에, 다른 영역, 즉 바이러스 자체와 싸우는 것을 목표로 하는 연구로 발전하려는 시도가 있었습니다.

현재의 팬데믹을 막고 이후의 모든 팬데믹을 능가할 수 있는 가장 큰 잠재력은 문제의 근본 원인에 접근하려는 접근 방식에 있는 것 같습니다. Folding@Home 컴퓨팅 프로젝트에서는 이러한 "적을 알라"는 접근 방식을 채택했습니다. 수백만 명의 사람들이 이 프로젝트에 등록했으며 프로세서와 GPU의 처리 능력 중 일부를 기부하여 역사상 가장 큰 [분산] 슈퍼컴퓨터를 만들었습니다.

그런데 이 엑사플롭은 정확히 무슨 용도로 사용되는 걸까요? 왜 그런 컴퓨팅 능력을 투입해야 하는가? 단백질 접힘? 여기서는 어떤 종류의 생화학이 작용하고 있으며, 왜 단백질이 접혀야 합니까? 다음은 단백질 접힘에 대한 간략한 개요입니다. 그것이 무엇인지, 어떻게 발생하는지, 왜 중요한지.

첫째, 가장 중요한 것은 단백질이 왜 필요한가입니다.

단백질은 중요한 구조입니다. 그들은 세포를 위한 건축 자재를 제공할 뿐만 아니라 거의 모든 생화학 반응에 대한 효소 촉매 역할을 합니다. 다람쥐들아, 그렇구나 구조적 또는 효소의, 긴 사슬이다 아미노산, 특정 순서로 위치합니다. 단백질의 기능은 단백질의 특정 위치에 아미노산이 위치하는 것에 따라 결정됩니다. 예를 들어, 단백질이 양전하를 띤 분자에 결합해야 한다면 결합 부위는 음전하를 띤 아미노산으로 채워져야 합니다.

단백질이 자신의 기능을 결정하는 구조를 어떻게 획득하는지 이해하려면 분자생물학의 기초와 세포 내 정보의 흐름을 살펴봐야 합니다.

생산 또는 표현 단백질은 과정에서 시작됩니다 전사. 전사 과정에서 세포의 유전 정보를 담고 있는 DNA 이중나선이 부분적으로 풀리면서 DNA의 질소 염기가 효소에 이용될 수 있게 됩니다. RNA 폴리머라제. RNA 중합효소의 역할은 유전자의 RNA 사본, 즉 전사를 만드는 것입니다. 이 유전자 사본은 메신저 RNA (mRNA)는 세포 내 단백질 공장을 제어하는 ​​데 이상적인 단일 분자입니다. 리보솜생산에 종사하고 있거나 방송 단백질.

리보솜은 조립 기계처럼 작동합니다. 리보솜은 mRNA 주형을 가져와 다른 작은 RNA 조각과 연결합니다. RNA 전달 (tRNA). 각 tRNA에는 두 개의 활성 영역이 있습니다. 안티코돈, 이는 mRNA의 해당 코돈과 일치해야 하며 이에 특이적인 아미노산이 결합하는 부위 코돈. 번역하는 동안 리보솜의 tRNA 분자는 안티코돈을 사용하여 무작위로 mRNA에 결합하려고 시도합니다. 성공하면 tRNA 분자는 자신의 아미노산을 이전 아미노산에 부착하여 mRNA가 암호화하는 아미노산 사슬의 다음 연결을 형성합니다.

이 아미노산 서열은 단백질 구조 계층의 첫 번째 수준입니다. 기본 구조. 단백질의 전체 3차원 구조와 그 기능은 1차 구조에서 직접 파생되며 각 아미노산의 다양한 특성과 상호 작용에 따라 달라집니다. 이러한 화학적 특성과 아미노산 상호작용이 없으면, 폴리펩티드 그들은 3차원 구조 없이 선형 시퀀스로 유지됩니다. 이는 음식을 요리할 때마다 볼 수 있습니다. 이 과정에서 열이 발생합니다. 변성 단백질의 3차원 구조.

단백질 부분의 장거리 결합

기본 구조를 넘어서는 다음 단계의 3차원 구조에 영리한 이름이 붙여졌습니다. 2차 구조. 이는 상대적으로 가까운 작용을 하는 아미노산 사이의 수소 결합을 포함합니다. 이러한 안정화 상호작용의 주요 본질은 다음 두 가지로 요약됩니다. 알파나선 и 베타 목록. 알파 나선은 폴리펩티드의 촘촘하게 감긴 영역을 형성하는 반면, 베타 시트는 매끄럽고 넓은 영역을 형성합니다. 두 형태 모두 구성 아미노산의 특성에 따라 구조적 및 기능적 특성을 모두 갖습니다. 예를 들어, 알파나선이 주로 친수성 아미노산으로 구성되어 있다면 다음과 같습니다. 아르기닌 또는 라이신, 그러면 수성 반응에 참여할 가능성이 높습니다.

단백질의 알파 나선과 베타 시트. 단백질 발현 중에 수소 결합이 형성됩니다.

이 두 구조와 그 조합은 다음 단계의 단백질 구조를 형성합니다. 3차 구조. 2차 구조의 단순한 조각과 달리 3차 구조는 주로 소수성의 영향을 받습니다. 대부분의 단백질의 중심에는 다음과 같은 소수성이 강한 아미노산이 포함되어 있습니다. 알라닌 또는 메티오닌, 그리고 라디칼의 "기름기 많은" 특성으로 인해 물은 거기에서 제외됩니다. 이러한 구조는 세포를 둘러싼 지질 이중층 막에 내장된 막횡단 단백질에 종종 나타납니다. 단백질의 소수성 영역은 막의 지방 부분 내부에서 열역학적으로 안정한 상태를 유지하는 반면, 단백질의 친수성 영역은 양쪽에서 수성 환경에 노출됩니다.

또한, 아미노산 간의 장거리 결합으로 인해 3차 구조의 안정성이 보장됩니다. 그러한 연결의 전형적인 예는 다음과 같습니다. 이황화물 다리, 종종 두 개의 시스테인 라디칼 사이에서 발생합니다. 고객의 모발에 펌 시술을 하던 중 미용실에서 약간 썩은 계란 냄새가 난다면 이는 모발에 함유된 케라틴의 3차 구조가 부분적으로 변성된 것입니다. 황 함유의 도움 티올 혼합물.

3차 구조는 소수성 또는 이황화 결합과 같은 장거리 상호작용에 의해 안정화됩니다.

이황화 결합은 다음 사이에서 발생할 수 있습니다. 시스테인 동일한 폴리펩티드 사슬의 라디칼 또는 서로 다른 완전한 사슬의 시스테인 사이. 서로 다른 체인 간의 상호 작용이 형성됩니다. 네개 한 조인 것 단백질 구조 수준. 4차 구조의 훌륭한 예는 다음과 같습니다. 헤모글로빈 그것은 당신의 혈액 속에 있습니다. 각 헤모글로빈 분자는 4개의 동일한 글로빈, 즉 단백질 부분으로 구성되며, 각 글로빈은 이황화 가교에 의해 폴리펩티드 내 특정 위치에 고정되고 철을 함유한 헴 분자와도 연결됩니다. 4개의 글로빈은 모두 분자간 이황화물 다리로 연결되어 있으며 전체 분자는 한 번에 여러 공기 분자(최대 4개)와 결합하여 필요에 따라 방출할 수 있습니다.

질병 치료법을 찾기 위한 구조 모델링

기억합금 와이어 조각이 가열되면 복잡한 모양을 취할 수 있는 것처럼, 성장하는 사슬이 리보솜을 빠져나가면서 폴리펩티드 사슬은 번역 중에 최종 모양으로 접히기 시작합니다. 그러나 생물학에서 늘 그렇듯이 상황은 그렇게 간단하지 않습니다.

많은 세포에서 전사된 유전자는 번역 전에 광범위한 편집을 거쳐 유전자의 순수한 염기서열에 비해 단백질의 기본 구조를 크게 변경합니다. 이 경우 번역 메커니즘은 초기 폴리펩티드 사슬에 일시적으로 결합하여 중간 형태를 취하는 것을 방지하는 단백질인 분자 샤페론의 도움을 요청하는 경우가 많으며 중간 형태에서 최종 형태로 이동할 수 없습니다.

이는 단백질의 최종 형태를 예측하는 것이 결코 쉬운 일이 아니라는 것을 의미합니다. 수십 년 동안 단백질 구조를 연구하는 유일한 방법은 X선 결정학과 같은 물리적 방법을 통해서였습니다. 1960년대 후반이 되어서야 생물물리화학자들은 주로 XNUMX차 구조 모델링에 중점을 두고 단백질 접힘의 컴퓨터 모델을 구축하기 시작했습니다. 이러한 방법과 그 후손에는 기본 구조(예: 아미노산 결합 각도 표, 소수성 목록, 하전 상태 목록, 심지어 진화 기간에 걸친 구조 및 기능 보존 등) 외에도 엄청난 양의 입력 데이터가 필요합니다. 최종 단백질처럼 어떤 일이 일어날지 추측해 보세요.

Folding@Home 네트워크에서 실행되는 것과 같은 80차 구조 예측을 위한 오늘날의 계산 방법은 약 2%의 정확도로 작동합니다. 이는 문제의 복잡성을 고려하면 꽤 좋은 수치입니다. SARS-CoV-XNUMX 스파이크 단백질과 같은 단백질에 대한 예측 모델을 통해 생성된 데이터는 바이러스에 대한 물리적 연구 데이터와 비교됩니다. 결과적으로 단백질의 정확한 구조를 파악하고 바이러스가 수용체에 어떻게 부착되는지 이해할 수 있습니다. 안지오텐신 전환 효소 2 신체로 이어지는 호흡기에 위치한 사람. 이 구조를 알아낼 수 있다면 결합을 차단하고 감염을 예방하는 약물을 찾을 수도 있을 것이다.

단백질 접힘 연구는 수많은 질병과 감염에 대한 우리의 이해의 핵심입니다. Folding@Home 네트워크를 사용하여 최근 폭발적으로 증가하고 있는 코로나19를 퇴치하는 방법을 알아내더라도 네트워크는 실패할 것입니다. 오랫동안 한가하게 있지 말고 일하세요. 이는 종종 광우병이라고 잘못 불리는 알츠하이머병이나 변종 크로이츠펠트-야콥병과 같은 수십 가지 단백질 잘못 접힘 질병의 기초가 되는 단백질 패턴을 연구하는 데 매우 적합한 연구 도구입니다. 그리고 필연적으로 또 다른 바이러스가 나타나면 우리는 다시 바이러스와 싸울 준비가 되어 있을 것입니다.

출처 : habr.com