मग "प्रोटीन फोल्डिंग" म्हणजे नक्की काय?

सध्याच्या कोविड-19 साथीच्या आजाराने अनेक समस्या निर्माण केल्या आहेत ज्यावर हॅकर्स हल्ला करण्यात आनंदी आहेत. 3D प्रिंटेड फेस शील्ड्स आणि होममेड मेडिकल मास्कपासून ते पूर्ण यांत्रिक व्हेंटिलेटर बदलण्यापर्यंत, कल्पनांचा प्रवाह प्रेरणादायी आणि हृदयाला उबदार करणारा होता. त्याच वेळी, दुसऱ्या क्षेत्रात प्रगती करण्याचा प्रयत्न केला गेला: व्हायरसचा सामना करण्याच्या उद्देशाने संशोधनात.

वरवर पाहता, सध्याच्या साथीच्या रोगाला थांबवण्याची आणि त्यानंतरच्या सर्व समस्यांना मागे टाकण्याची सर्वात मोठी क्षमता या समस्येच्या मुळापर्यंत जाण्याचा प्रयत्न करणाऱ्या दृष्टिकोनामध्ये आहे. हा “तुमच्या शत्रूला ओळखा” हा दृष्टीकोन फोल्डिंग@होम कॉम्प्युटिंग प्रकल्पाने घेतला आहे. लाखो लोकांनी या प्रकल्पासाठी साइन अप केले आहे आणि ते त्यांच्या प्रोसेसर आणि GPU ची काही प्रक्रिया शक्ती दान करत आहेत, अशा प्रकारे इतिहासातील सर्वात मोठा [वितरित] सुपर कॉम्प्युटर तयार केला आहे.

पण हे सगळे एक्झाफ्लॉप नक्की कशासाठी वापरले जातात? अशा संगणकीय शक्तीवर फेकणे का आवश्यक आहे प्रथिने फोल्डिंग? येथे कोणत्या प्रकारचे बायोकेमिस्ट्री कार्यरत आहे, प्रथिनांना अजिबात दुमडणे का आवश्यक आहे? येथे प्रोटीन फोल्डिंगचे एक द्रुत विहंगावलोकन आहे: ते काय आहे, ते कसे होते आणि ते का महत्त्वाचे आहे.

प्रथम, सर्वात महत्वाची गोष्ट: प्रथिने का आवश्यक आहेत?

प्रथिने महत्त्वपूर्ण संरचना आहेत. ते केवळ पेशींसाठी बांधकाम साहित्यच पुरवत नाहीत, तर जवळजवळ सर्व जैवरासायनिक अभिक्रियांसाठी एंझाइम उत्प्रेरक म्हणूनही काम करतात. गिलहरी असोत संरचनात्मक किंवा enzymatic, लांब साखळ्या आहेत एमिनो ऍसिडस्, एका विशिष्ट क्रमाने स्थित आहे. प्रथिनांची कार्ये निर्धारित केली जातात ज्याद्वारे अमीनो ऍसिड प्रथिनांवर विशिष्ट ठिकाणी स्थित आहेत. उदाहरणार्थ, प्रथिनांना सकारात्मक चार्ज केलेल्या रेणूला बांधण्याची आवश्यकता असल्यास, बंधनकारक साइट नकारात्मक चार्ज केलेल्या अमीनो ऍसिडने भरलेली असणे आवश्यक आहे.

प्रथिने त्यांचे कार्य निर्धारित करणारी रचना कशी प्राप्त करतात हे समजून घेण्यासाठी, आपल्याला आण्विक जीवशास्त्राच्या मूलभूत गोष्टी आणि सेलमधील माहितीच्या प्रवाहावर जाणे आवश्यक आहे.

उत्पादन, किंवा अभिव्यक्ती प्रथिने प्रक्रिया सुरू होते प्रतिलेखन. ट्रान्सक्रिप्शन दरम्यान, डीएनए दुहेरी हेलिक्स, ज्यामध्ये सेलची अनुवांशिक माहिती असते, अंशतः बंद होते, ज्यामुळे डीएनएचे नायट्रोजन बेस एंझाइमसाठी उपलब्ध होऊ शकतात. आरएनए पॉलिमरेज. आरएनए पॉलिमरेझचे काम जनुकाची आरएनए प्रत किंवा प्रतिलेखन करणे आहे. एका जनुकाची ही प्रत म्हणतात मेसेंजर आरएनए (mRNA), इंट्रासेल्युलर प्रोटीन फॅक्टरी नियंत्रित करण्यासाठी एकल रेणू आदर्श आहे, ribosomesजे उत्पादनात गुंतलेले आहेत, किंवा प्रसारण प्रथिने

रिबोसोम असेंब्ली मशिन्सप्रमाणे कार्य करतात - ते mRNA टेम्प्लेट घेतात आणि RNA च्या इतर लहान तुकड्यांशी जुळतात, आरएनए हस्तांतरित करा (tRNA). प्रत्येक tRNA मध्ये दोन सक्रिय प्रदेश असतात - तीन तळांचा एक विभाग ज्याला म्हणतात अँटीकोडॉन, जे mRNA च्या संबंधित कोडनशी जुळले पाहिजे आणि यासाठी विशिष्ट एमिनो ऍसिड बांधण्यासाठी साइट कोडन. भाषांतरादरम्यान, राइबोसोममधील टीआरएनए रेणू यादृच्छिकपणे अँटीकोडॉन वापरून एमआरएनएला बांधण्याचा प्रयत्न करतात. यशस्वी झाल्यास, tRNA रेणू त्याचे अमिनो आम्ल मागील एकाशी जोडतो, mRNA द्वारे एन्कोड केलेल्या अमिनो आम्लांच्या साखळीतील पुढील दुवा तयार करतो.

अमिनो आम्लांचा हा क्रम प्रथिनांच्या संरचनात्मक पदानुक्रमाचा पहिला स्तर आहे, म्हणूनच त्याला म्हणतात. प्राथमिक रचना. प्रथिनांची संपूर्ण त्रिमितीय रचना आणि त्याची कार्ये थेट प्राथमिक रचनेतून प्राप्त होतात आणि प्रत्येक अमिनो आम्लांच्या विविध गुणधर्मांवर आणि त्यांच्या परस्परांशी परस्परसंवादावर अवलंबून असतात. या रासायनिक गुणधर्मांशिवाय आणि अमीनो ऍसिडच्या परस्परसंवादांशिवाय, पॉलीपेप्टाइड्स ते त्रिमितीय संरचनेशिवाय रेखीय अनुक्रम राहतील. आपण अन्न शिजवताना प्रत्येक वेळी हे पाहिले जाऊ शकते - या प्रक्रियेत थर्मल आहे विकृतीकरण प्रथिनांची त्रिमितीय रचना.

प्रथिने भागांचे लांब-श्रेणी बंध

त्रिमितीय संरचनेच्या पुढील स्तराला, प्राथमिकच्या पलीकडे जाऊन, एक हुशार नाव देण्यात आले दुय्यम रचना. त्यात तुलनेने जवळच्या कृतीच्या अमीनो ऍसिडमधील हायड्रोजन बंध समाविष्ट आहेत. या स्थिर परस्परसंवादांचे मुख्य सार दोन गोष्टींवर येते: अल्फा हेलिकेस и बीटा यादी. अल्फा हेलिक्स पॉलीपेप्टाइडचा घट्ट गुंडाळलेला प्रदेश बनवते, तर बीटा शीट गुळगुळीत, रुंद प्रदेश बनवते. दोन्ही रचनांमध्ये त्यांच्या घटक अमीनो ऍसिडच्या वैशिष्ट्यांवर अवलंबून संरचनात्मक आणि कार्यात्मक गुणधर्म आहेत. उदाहरणार्थ, जर अल्फा हेलिक्समध्ये प्रामुख्याने हायड्रोफिलिक अमीनो ऍसिड असतात, जसे आर्जिनिन किंवा लिसिन, नंतर ते बहुधा जलीय प्रतिक्रियांमध्ये सहभागी होईल.

प्रथिनांमध्ये अल्फा हेलिकेस आणि बीटा शीट्स. प्रथिने अभिव्यक्ती दरम्यान हायड्रोजन बंध तयार होतात.

या दोन रचना आणि त्यांचे संयोजन प्रथिन संरचनेचा पुढील स्तर तयार करतात - तृतीयक रचना. दुय्यम संरचनेच्या साध्या तुकड्यांप्रमाणे, तृतीयक संरचनेवर मुख्यतः हायड्रोफोबिसिटीचा प्रभाव असतो. बहुतेक प्रथिनांच्या केंद्रांमध्ये हायड्रोफोबिक अमीनो ऍसिड असतात, जसे की अॅलनाइन किंवा methionine, आणि रॅडिकल्सच्या "स्निग्ध" स्वरूपामुळे तेथून पाणी वगळले जाते. या रचना अनेकदा पेशींच्या आसपासच्या लिपिड बायलेयर झिल्लीमध्ये अंतर्भूत केलेल्या ट्रान्समेम्ब्रेन प्रोटीनमध्ये दिसतात. प्रथिनांचे हायड्रोफोबिक क्षेत्र झिल्लीच्या फॅटी भागामध्ये थर्मोडायनामिकली स्थिर राहतात, तर प्रथिनांचे हायड्रोफिलिक क्षेत्र दोन्ही बाजूंच्या जलीय वातावरणाच्या संपर्कात असतात.

तसेच, तृतीयक संरचनांची स्थिरता एमिनो ऍसिडमधील लांब-श्रेणी बंधांद्वारे सुनिश्चित केली जाते. अशा कनेक्शनचे उत्कृष्ट उदाहरण आहे डिसल्फाइड पूल, अनेकदा दोन सिस्टीन रॅडिकल्स दरम्यान उद्भवते. जर तुम्हाला एखाद्या क्लायंटच्या केसांवर पर्म प्रक्रियेदरम्यान हेअर सलूनमध्ये कुजलेल्या अंड्यांसारखे काहीतरी वास येत असेल, तर हे केसांमध्ये असलेल्या केराटिनच्या तृतीयक संरचनेचे आंशिक विकृतीकरण होते, जे केसांसोबत डायसल्फाइड बॉन्ड्स कमी करून उद्भवते. सल्फरयुक्त मदत थिओल मिश्रण

हायड्रोफोबिसिटी किंवा डायसल्फाइड बॉण्ड्स सारख्या दीर्घ-श्रेणीच्या परस्परसंवादाद्वारे तृतीयक संरचना स्थिर केली जाते

दरम्यान डिसल्फाइड बंध येऊ शकतात सिस्टीन एकाच पॉलीपेप्टाइड साखळीतील रेडिकल किंवा वेगवेगळ्या पूर्ण साखळीतील सिस्टीन दरम्यान. वेगवेगळ्या साखळ्यांमधील परस्परसंवाद तयार होतात चतुर्थांश प्रथिने संरचनेची पातळी. चतुर्थांश संरचनेचे उत्कृष्ट उदाहरण आहे हिमोग्लोबिन ते तुमच्या रक्तात आहे. प्रत्येक हिमोग्लोबिन रेणूमध्ये चार समान ग्लोबिन, प्रथिने भाग असतात, ज्यापैकी प्रत्येक पॉलीपेप्टाइडमध्ये डायसल्फाइड ब्रिजद्वारे विशिष्ट स्थितीत ठेवला जातो आणि लोह असलेल्या हेम रेणूशी देखील संबंधित असतो. सर्व चार ग्लोबिन्स इंटरमॉलेक्युलर डायसल्फाइड ब्रिजने जोडलेले असतात आणि संपूर्ण रेणू एकाच वेळी अनेक हवेच्या रेणूंशी, चार पर्यंत जोडलेले असतात आणि आवश्यकतेनुसार त्यांना सोडण्यास सक्षम असतात.

रोग बरा शोधत मॉडेलिंग संरचना

पॉलीपेप्टाइड साखळ्या अनुवादादरम्यान त्यांच्या अंतिम आकारात दुमडण्यास सुरवात करतात, कारण वाढणारी साखळी राइबोसोममधून बाहेर पडते, जसे की मेमरी-अलॉय वायरचा तुकडा गरम झाल्यावर जटिल आकार घेऊ शकतो. तथापि, जीवशास्त्रात नेहमीप्रमाणे, गोष्टी इतक्या सोप्या नसतात.

बऱ्याच पेशींमध्ये, लिप्यंतरण केलेल्या जनुकांचे भाषांतर करण्यापूर्वी व्यापक संपादन केले जाते, जीनच्या शुद्ध बेस अनुक्रमाच्या तुलनेत प्रथिनांच्या मूलभूत संरचनेत लक्षणीय बदल होतो. या प्रकरणात, अनुवादात्मक यंत्रणा अनेकदा आण्विक चॅपरोन्सची मदत घेतात, प्रथिने जे तात्पुरते नवजात पॉलीपेप्टाइड साखळीला बांधतात आणि त्याला कोणतेही मध्यवर्ती स्वरूप घेण्यापासून प्रतिबंधित करतात, ज्यातून ते अंतिम स्वरूपाकडे जाण्यास सक्षम नसतात.

प्रथिनांच्या अंतिम आकाराचे भाकीत करणे हे काही क्षुल्लक काम नाही असे म्हणायचे आहे. अनेक दशकांपासून, प्रथिनांच्या संरचनेचा अभ्यास करण्याचा एकमेव मार्ग म्हणजे एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी सारख्या भौतिक पद्धतींद्वारे. 1960 च्या दशकाच्या उत्तरार्धापर्यंत बायोफिजिकल केमिस्टांनी प्रोटीन फोल्डिंगचे संगणकीय मॉडेल तयार करण्यास सुरुवात केली, प्रामुख्याने दुय्यम संरचना मॉडेलिंगवर लक्ष केंद्रित केले. या पद्धती आणि त्यांच्या वंशजांना प्राथमिक संरचनेव्यतिरिक्त मोठ्या प्रमाणात इनपुट डेटाची आवश्यकता असते - उदाहरणार्थ, एमिनो अॅसिड बाँड कोनांची तक्ते, हायड्रोफोबिसिटीची यादी, चार्ज केलेल्या अवस्था आणि अगदी उत्क्रांतीकालीन कालखंडानुसार रचना आणि कार्याचे संवर्धन - सर्व काही अंतिम प्रथिनासारखे काय दिसेल याचा अंदाज लावा.

दुय्यम संरचना अंदाजासाठी आजच्या संगणकीय पद्धती, जसे की फोल्डिंग@होम नेटवर्कवर चालणार्‍या, सुमारे 80% अचूकतेसह कार्य करतात-जे समस्येची जटिलता लक्षात घेता खूपच चांगली आहे. SARS-CoV-2 स्पाइक प्रोटीन सारख्या प्रथिनांवर भविष्यसूचक मॉडेल्सद्वारे व्युत्पन्न केलेल्या डेटाची तुलना व्हायरसच्या भौतिक अभ्यासाच्या डेटाशी केली जाईल. परिणामी, प्रथिनांची अचूक रचना प्राप्त करणे शक्य होईल आणि कदाचित, व्हायरस रिसेप्टर्सला कसा जोडतो हे समजू शकेल. एंजियोटेन्सिन कन्व्हर्टिंग एन्झाइम 2 श्वसनमार्गामध्ये शरीरात जाणारी व्यक्ती. जर आम्ही ही रचना शोधू शकलो, तर आम्ही अशी औषधे शोधू शकू जी बाइंडिंग अवरोधित करतात आणि संसर्ग टाळतात.

प्रथिने फोल्डिंग संशोधन हे अनेक रोग आणि संक्रमणांबद्दलच्या आपल्या आकलनाच्या केंद्रस्थानी आहे की जेव्हा आपण अलीकडेच वाढताना पाहत असलेल्या COVID-19 ला कसे पराभूत करावे हे शोधण्यासाठी आम्ही Folding@Home नेटवर्क वापरतो तेव्हाही नेटवर्क जिंकेल' जास्त काळ निष्क्रिय राहू नका. काम करा. हे एक संशोधन साधन आहे जे प्रथिनांच्या नमुन्यांचा अभ्यास करण्यासाठी योग्य आहे जे अल्झायमर रोग किंवा वेरिएंट क्रेउत्झफेल्ड-जेकोब रोग यांसारख्या डझनभर प्रथिने चुकीच्या फोल्डिंग रोगांना अधोरेखित करतात, ज्याला बर्याचदा चुकीच्या पद्धतीने मॅड काउ रोग म्हणतात. आणि जेव्हा दुसरा व्हायरस अपरिहार्यपणे दिसून येईल, तेव्हा आम्ही पुन्हा त्याच्याशी लढायला तयार होऊ.

स्त्रोत: www.habr.com