Il-pandemija attwali tal-COVID-19 ħolqot ħafna problemi li l-hackers kienu kuntenti li jattakkaw. Minn tarki tal-wiċċ stampati 3D u maskri mediċi magħmulin mid-dar sa sostituzzjoni ta 'ventilatur mekkaniku sħiħ, il-fluss ta' ideat kien ta 'ispirazzjoni u sħan il-qalb. Fl-istess ħin, kien hemm tentattivi biex javvanzaw f’qasam ieħor: f’riċerka mmirata lejn il-ġlieda kontra l-virus innifsu.
Apparentement, l-akbar potenzjal biex titwaqqaf il-pandemija attwali u tisboq dawk kollha sussegwenti jinsab f'approċċ li jipprova jasal sal-għerq tal-problema. Dan l-approċċ "kun af l-għadu tiegħek" huwa meħud mill-proġett tal-kompjuter Folding@Home. Miljuni ta’ nies iffirmaw għall-proġett u qed jagħtu ftit mis-saħħa tal-ipproċessar tal-proċessuri u l-GPUs tagħhom, u b’hekk joħolqu l-akbar superkompjuter [imqassam] fl-istorja.
Imma għal xiex jintużaw eżattament dawn l-exaflops kollha? Għaliex huwa meħtieġ li tarmi qawwa tal-kompjuter bħal din ? X'tip ta 'bijokimika qed taħdem hawn, għaliex il-proteini jeħtieġ li jintewa? Hawnhekk hawn ħarsa ġenerali ta 'malajr tat-tiwi tal-proteini: x'inhu, kif jiġri, u għaliex huwa importanti.
L-ewwel, l-aktar ħaġa importanti: għaliex huma meħtieġa proteini?
Il-proteini huma strutturi vitali. Huma mhux biss jipprovdu materjal tal-bini għaċ-ċelloli, iżda jservu wkoll bħala katalisti tal-enżimi għal kważi r-reazzjonijiet bijokimiċi kollha. Squirils, ikunu huma jew , huma ktajjen twal , li tinsab f'ċerta sekwenza. Il-funzjonijiet tal-proteini huma determinati minn liema aċidi amminiċi jinsabu f'ċerti postijiet fuq il-proteina. Jekk, pereżempju, proteina teħtieġ li torbot ma 'molekula ċċarġjata b'mod pożittiv, is-sit ta' rbit għandu jimtela b'aċidi amminiċi ċċarġjati b'mod negattiv.
Biex nifhmu kif il-proteini jakkwistaw l-istruttura li tiddetermina l-funzjoni tagħhom, jeħtieġ li ngħaddu fuq il-baŜi tal-bijoloġija molekulari u l-fluss ta 'informazzjoni fiċ-ċellula.
Produzzjoni, jew proteini jibda bil-proċess . Matul it-traskrizzjoni, il-helix doppja tad-DNA, li fiha l-informazzjoni ġenetika taċ-ċellula, tinħall parzjalment, u tippermetti li l-bażijiet tan-nitroġenu tad-DNA jsiru disponibbli għal enzima msejħa . Ix-xogħol ta 'RNA polymerase huwa li tagħmel kopja RNA, jew traskrizzjoni, ta' ġene. Din il-kopja ta 'ġene imsejħa (mRNA), hija molekula waħda ideali għall-kontroll ta' fabbriki ta' proteini intraċellulari, li huma involuti fil-produzzjoni, jew proteini.
Ir-ribosomi jaġixxu bħal magni tal-assemblaġġ - jieħdu l-mudell tal-mRNA u jqabbluh ma’ biċċiet żgħar oħra ta’ RNA, (tRNA). Kull tRNA għandu żewġ reġjuni attivi - sezzjoni ta 'tliet bażijiet imsejħa , li għandhom jaqblu mal-kodoni korrispondenti tal-mRNA, u sit għall-irbit ta 'aċidu amminiku speċifiku għal dan . Waqt it-traduzzjoni, il-molekuli tat-tRNA fir-ribosoma jippruvaw jingħaqdu ma' l-mRNA bl-użu ta' anticodons. Jekk tirnexxi, il-molekula tRNA tehmeż l-aċidu amminiku tagħha ma 'dak ta' qabel, u tifforma l-ħolqa li jmiss fil-katina ta 'aċidi amminiċi kkodifikati mill-mRNA.
Din is-sekwenza ta 'aċidi amminiċi hija l-ewwel livell tal-ġerarkija strutturali tal-proteini, u huwa għalhekk li tissejjaħ . L-istruttura tridimensjonali kollha ta 'proteina u l-funzjonijiet tagħha huma direttament derivati mill-istruttura primarja, u jiddependu fuq il-proprjetajiet varji ta' kull wieħed mill-aċidi amminiċi u l-interazzjonijiet tagħhom ma 'xulxin. Mingħajr dawn il-proprjetajiet kimiċi u l-interazzjonijiet tal-aċidu amminiku, jibqgħu sekwenzi lineari mingħajr struttura tridimensjonali. Dan jista 'jidher kull darba li issajjar l-ikel - f'dan il-proċess hemm termali struttura tridimensjonali tal-proteini.
Rabtiet fuq medda twila ta 'partijiet ta' proteini
Il-livell li jmiss ta 'struttura tridimensjonali, li jmur lil hinn minn dak primarju, ingħata isem għaqlija . Jinkludi bonds idroġenu bejn aċidi amminiċi ta 'azzjoni relattivament mill-qrib. L-essenza ewlenija ta 'dawn l-interazzjonijiet stabilizzanti tirriżulta f'żewġ affarijiet: и . Il-helix alfa tifforma r-reġjun ikkoljat sewwa tal-polypeptide, filwaqt li l-folja beta tifforma r-reġjun lixx u wiesa '. Iż-żewġ formazzjonijiet għandhom kemm proprjetajiet strutturali kif ukoll funzjonali, skont il-karatteristiċi tal-aċidi amminiċi kostitwenti tagħhom. Per eżempju, jekk il-helix alfa tikkonsisti prinċipalment minn aċidi amminiċi idrofiliċi, bħal jew , allura x'aktarx se tipparteċipa f'reazzjonijiet milwiema.
Ħeliċi alfa u folji beta fil-proteini. Il-bonds tal-idroġenu jiffurmaw waqt l-espressjoni tal-proteini.
Dawn iż-żewġ strutturi u l-kombinazzjonijiet tagħhom jiffurmaw il-livell li jmiss ta 'struttura ta' proteina - . B'differenza frammenti sempliċi ta 'struttura sekondarja, l-istruttura terzjarja hija prinċipalment influwenzata mill-idrofobiċità. Iċ-ċentri tal-biċċa l-kbira tal-proteini fihom aċidi amminiċi idrofobiċi ħafna, bħal jew , u l-ilma huwa eskluż minn hemm minħabba n-natura "żejtnija" tar-radikali. Dawn l-istrutturi spiss jidhru fil-proteini transmembrane inkorporati fil-membrana bis-saff tal-lipidi madwar iċ-ċelloli. Ir-reġjuni idrofobiċi tal-proteini jibqgħu termodinamikament stabbli ġewwa l-parti tax-xaħam tal-membrana, filwaqt li r-reġjuni idrofiliċi tal-proteina huma esposti għall-ambjent milwiema fuq iż-żewġ naħat.
Ukoll, l-istabbiltà ta 'strutturi terzjarji hija żgurata minn rabtiet fuq medda twila bejn l-aċidi amminiċi. Eżempju klassiku ta 'konnessjonijiet bħal dawn huwa , spiss iseħħ bejn żewġ radikali cysteine. Jekk ridt xi ħaġa ftit bħal bajd immuffat f'salon tax-xagħar waqt proċedura ta 'perm fuq xagħar ta' klijent, allura din kienet denaturazzjoni parzjali tal-istruttura terzjarja tal-keratina li tinsab fix-xagħar, li sseħħ permezz tat-tnaqqis ta 'bonds ta' disulfide mal- għajnuna ta 'kubrit li fihom taħlitiet.
L-istruttura terzjarja hija stabbilizzata b'interazzjonijiet fuq medda twila bħal idrofobiċità jew bonds disulfide
Jistgħu jseħħu rabtiet disulfid bejn radikali fl-istess katina tal-polypeptide, jew bejn cysteines minn ktajjen kompluti differenti. Interazzjonijiet bejn ktajjen differenti jiffurmaw livell ta 'struttura ta' proteina. Eżempju eċċellenti ta 'struttura kwaternarja huwa huwa fid-demm tiegħek. Kull molekula ta 'emoglobina tikkonsisti f'erba' globini identiċi, partijiet ta 'proteini, li kull waħda minnhom tinżamm f'pożizzjoni speċifika fi ħdan il-polipeptide permezz ta' pontijiet disulfide, u hija assoċjata wkoll ma 'molekula heme li fiha l-ħadid. L-erba 'globini kollha huma konnessi permezz ta' pontijiet disulfide intermolekulari, u l-molekula kollha tingħaqad ma 'diversi molekuli ta' l-arja f'daqqa, sa erbgħa, u tkun kapaċi tirrilaxxhom kif meħtieġ.
Immudellar ta 'strutturi fit-tfittxija ta' kura għall-mard
Il-ktajjen tal-polipeptidi jibdew jintwew fil-forma finali tagħhom waqt it-traduzzjoni, hekk kif il-katina li qed tikber toħroġ mir-ribosoma, bħal biċċa wajer ta 'liga tal-memorja tista' tieħu forom kumplessi meta tissaħħan. Madankollu, bħal dejjem fil-bijoloġija, l-affarijiet mhumiex daqshekk sempliċi.
F'ħafna ċelluli, il-ġeni traskritti jgħaddu minn editjar estensiv qabel it-traduzzjoni, li jibdel b'mod sinifikanti l-istruttura bażika tal-proteina meta mqabbla mas-sekwenza bażi pura tal-ġene. F'dan il-każ, il-mekkaniżmi ta 'traduzzjoni ħafna drabi jimpjegaw l-għajnuna ta' chaperones molekulari, proteini li temporanjament jorbtu mal-katina tal-polipeptide li qed titwieled u jipprevjenuha milli tieħu kwalunkwe forma intermedja, li minnha mbagħad ma jkunux jistgħu jimxu għal dik finali.
Dan kollu jfisser li t-tbassir tal-forma finali ta 'proteina mhuwiex kompitu trivjali. Għal għexieren ta 'snin, l-uniku mod biex tistudja l-istruttura tal-proteini kien permezz ta' metodi fiżiċi bħall-kristallografija tar-raġġi-X. Kien biss lejn l-aħħar tas-sittinijiet li l-kimiċi bijofiżiċi bdew jibnu mudelli komputazzjonali ta 'tiwi tal-proteini, li jikkonċentraw primarjament fuq l-immudellar ta' l-istruttura sekondarja. Dawn il-metodi u d-dixxendenti tagħhom jeħtieġu ammonti enormi ta’ dejta ta’ input minbarra l-istruttura primarja – pereżempju, tabelli ta’ angoli ta’ bonds ta’ aċidi amminiċi, listi ta’ idrofobiċità, stati ċċarġjati, u anke konservazzjoni ta’ struttura u funzjoni fuq skali ta’ żmien evoluttivi – kollha sabiex aqta x'se jiġri look like l-proteina finali.
Il-metodi ta 'komputazzjoni tal-lum għat-tbassir tal-istruttura sekondarja, bħal dawk li jaħdmu fuq in-netwerk Folding@Home, jaħdmu b'eżattezza ta' madwar 80%—li hija pjuttost tajba meta wieħed iqis il-kumplessità tal-problema. Dejta ġġenerata minn mudelli ta 'tbassir fuq proteini bħall-proteina spike SARS-CoV-2 se titqabbel ma' data minn studji fiżiċi tal-virus. Bħala riżultat, ikun possibbli li tinkiseb l-istruttura eżatta tal-proteina u, forsi, tifhem kif il-virus jeħel mar-riċetturi persuna li tinsab fil-passaġġ respiratorju li jwassal fil-ġisem. Jekk nistgħu nifhmu din l-istruttura, nistgħu nkunu kapaċi nsibu mediċini li jimblukkaw l-irbit u jipprevjenu l-infezzjoni.
Ir-riċerka dwar it-tiwi tal-proteini hija fil-qalba tal-fehim tagħna ta 'tant mard u infezzjonijiet li anke meta nużaw in-netwerk Folding@Home biex insemmu kif negħlbu l-COVID-19, li rajna jisplodi fit-tkabbir dan l-aħħar, in-netwerk jirbaħ' t tkun idle għal żmien twil. Hija għodda ta 'riċerka li hija adattata tajjeb għall-istudju tal-mudelli tal-proteini li huma bbażati fuq għexieren ta' mard assoċjat ma 'titwija ħażina tal-proteini, bħall-marda ta' Alzheimer jew varjant tal-marda ta 'Creutzfeldt-Jakob, spiss imsejjaħ b'mod żbaljat il-marda tal-baqar tal-ġenn. U meta inevitabbilment jitfaċċa virus ieħor, inkunu lesti li nerġgħu nibdew niġġielduh.
Sors: www.habr.com