Tijdens de huidige COVID-19-pandemie zijn er veel problemen ontstaan, waarop hackers zich gretig hebben gestort. Van gezichtshelmen die met een 3D-printer zijn gemaakt en zelfgemaakte mondmaskers tot de vervanging van een volledig mechanisch apparaat voor kunstmatige ventilatie van de longen – deze stroom van ideeën inspireerde en vrolijkte de geest. Tegelijkertijd waren er pogingen om ook op een ander vlak vooruitgang te boeken: in onderzoeken die gericht zijn op de bestrijding van het virus zelf.
Blijkbaar heeft de aanpak die probeert door te dringen tot de kern van het probleem het grootste potentieel om de huidige pandemie te stoppen en toekomstige pandemieën voor te zijn. Deze aanpak van het 'ken je vijand'-type wordt belichaamd door het computereerproject Folding@Home. Miljoenen mensen hebben zich bij het project aangemeld en doneren een deel van de rekencapaciteit van hun CPU's en GPU's, waardoor de grootste [gedistribueerde] supercomputer in de geschiedenis is ontstaan.
Maar waarvoor worden al deze exaflops concreet gebruikt? Waarom moeten zulke rekencapaciteiten worden ingezet voor ? Какая тут работает биохимия, зачем вообще белкам нужно укладываться? Вот краткий обзор фолдинга белков: что это, как он происходит и в чём его важность.
Allereerst is het belangrijk om te begrijpen: waarom zijn eiwitten nodig?
Eiwitten zijn essentieel voor het leven. Ze bieden niet alleen bouwmateriaal voor cellen, maar fungeren ook als enzymen die bijna alle biochemische reacties katalyseren. Eiwitten, of ze nu of , zijn lange ketens , gerangschikt in een bepaalde volgorde. De functies van eiwitten worden bepaald door de specifieke aminozuren die op bepaalde plaatsen van het eiwit zijn gerangschikt. Als een eiwit bijvoorbeeld moet binden aan een positief geladen molecuul, moet de bindplaats worden opgevuld met negatief geladen aminozuren.
Om te begrijpen hoe eiwitten de structuur verkrijgen die hun functie bepaalt, moeten we de basisprincipes van de moleculaire biologie en de informatiestroom in de cel doorlopen.
De productie, of van eiwitten begint met het proces van . Tijdens de transcriptie draait de dubbele spiraal van het DNA, dat de genetische informatie van de cel bevat, gedeeltelijk open, waardoor de stikstofbasen van het DNA toegankelijk worden voor een enzym dat . De taak van RNA-polymerase is om een RNA-kopie of transcriptie van het gen te maken. Deze kopie van het gen wordt genoemd (mRNA) is a single molecule perfectly suited for controlling intracellular protein factories, , which are responsible for production, or of proteins.
Ribosomes act like assembly devices – they capture the mRNA template and match it with other small pieces of RNA, (tRNA). Each tRNA has two active areas – a section of three bases called , which must match the corresponding codons of the mRNA, and a region for binding the amino acid specific to that . During translation, tRNA molecules in the ribosome randomly attempt to bind to mRNA using anticodons. If successful, the tRNA molecule attaches its amino acid to the previous one, forming the next link in the chain of amino acids encoded by the mRNA.
This sequence of amino acids is the first level of the structural hierarchy of a protein, and is therefore called its . The entire three-dimensional structure of the protein and its functions arise directly from the primary structure, and depend on the various properties of each of the amino acids and their interactions with one another. Without these chemical properties and interactions, would remain linear sequences without a three-dimensional structure. This can be seen every time food is cooked – during this process, heat causes the of the three-dimensional structure of proteins.
Long-range connections between parts of proteins
The next level of three-dimensional structure, beyond the primary one, is cleverly named . It includes hydrogen bonds between amino acids that are relatively close together. The essence of these stabilizing interactions boils down to two things: en . An alpha helix forms a tightly coiled section of the polypeptide, while a beta sheet forms a smooth and broad region. Both formations have structural and functional properties that depend on the characteristics of the amino acids making them up. For example, if the alpha helix mainly consists of hydrophilic amino acids like of , it is likely to participate in aqueous reactions.
Alfa-spiralen en beta-bladen in eiwitten. Waterstofbindingen worden gevormd tijdens de eiwitexpressie.
Deze twee structuren en hun combinaties vormen het volgende niveau van eiwitstructuur — . In tegenstelling tot de eenvoudige fragmenten van de secundaire structuur, wordt de tertiaire structuur vooral beïnvloed door hydrofobiciteit. In de centra van de meeste eiwitten bevinden zich aminozuren met een hoge hydrofobiciteit, zoals of , en water wordt daaruit uitgesloten vanwege de 'vette' natuur van de radicalen. Deze structuren komen vaak voor in transmembrane eiwitten die zijn ingebed in de dubbele lipidenlaag die de cellen omringt. Hydrofobe delen van eiwitten blijven thermodynamisch stabiel binnen het vette gedeelte van de membraan, terwijl de hydrofiele delen van het eiwit worden blootgesteld aan de waterige omgeving aan beide zijden.
Daarnaast wordt de stabiliteit van tertiaire structuren gegarandeerd door langafstandsketens tussen aminozuren. Een klassiek voorbeeld van dergelijke bindingen is de , die vaak voorkomt tussen twee cysteïne-radicalen. Als u in de kapsalon tijdens een permanente haarbehandeling een geur heeft geroken die enigszins naar rotte eieren rook, was dit een gedeeltelijke denaturatie van de tertiaire structuur van keratine in het haar, die plaatsvond door het verminderen van disulfidebindingen met behulp van zwavelhoudende mengsels.
De tertiaire structuur wordt gestabiliseerd door langafstand-interacties, zoals hydrofobiciteit of disulfidebindingen.
Disulfidebindingen kunnen ontstaan tussen radicalen in één polypeptideketen, of tussen cysteïnes uit verschillende volledige ketens. Interacties tussen verschillende ketens vormen eiwitstructuur. Een prachtig voorbeeld van een quaternaire structuur is in uw bloed. Elke hemoglobinemolecuul bestaat uit vier identieke globines, delen van eiwitten, die elk op een bepaalde positie binnen de polypeptide worden gehouden door disulfidebruggen, en is ook verbonden met een heem-molecuul dat ijzer bevat. Alle vier de globines zijn verbonden door inter-moleculaire disulfidebruggen, en het hele molecuul kan zich tegelijkertijd binden aan meerdere luchtmoleculen, tot vier, en is in staat om deze naar behoefte vrij te geven.
Structuurmodellering in de zoektocht naar een behandeling voor de ziekte
Polypeptideketens beginnen zich in hun uiteindelijke vorm te vouwen tijdens de translatie, wanneer de groeiende keten uit de ribosoom komt – vergelijkbaar met hoe een stuk geheugenmetaal complexe vormen kan aannemen wanneer het wordt verwarmd. Maar, zoals altijd in de biologie, is het niet zo eenvoudig.
In veel cellen worden getranscribeerde genen vóór de translatie onderworpen aan aanzienlijke bewerking, wat de basale structuur van het eiwit aanzienlijk verandert in vergelijking met de pure basesequentie van het gen. Tijdens dit proces maken translatiemechanismen vaak gebruik van moleculaire begeleiders, eiwitten die tijdelijk binden aan de opkomende polypeptideketen, en verhindert dat deze een tussenliggende vorm aanneemt waaruit ze later niet kunnen overgaan naar de uiteindelijke.
Dit alles om te zeggen dat het voorspellen van de uiteindelijke eiwitstructuur geen triviale taak is. Decennialang was de enige manier om eiwitstructuren te bestuderen gebruik te maken van fysieke methoden zoals röntgendiffractie. Pas eind jaren zestig begonnen biochemici modellen voor eiwitvouwing op te bouwen, waarbij ze zich voornamelijk richtten op het modelleren van de secundaire structuur. Deze methoden en hun afgeleiden hebben enorme hoeveelheden invoergegevens nodig, naast de primaire structuur – bijvoorbeeld tabellen van bindingshoeken van aminozuren, lijsten van hydrofobiciteit, geladen toestanden en zelfs het behoud van structuren en werking over evolutionaire tijdschalen – alles om te raden hoe het uiteindelijke eiwit eruit zal zien.
Tegenwoordig werken de methoden voor het voorspellen van secundaire structuren, zoals die in het netwerk Folding@Home, met ongeveer 80% nauwkeurigheid – wat vrij goed is gezien de complexiteit van de taak. Gegevens verkregen uit voorspellende modellen voor eiwitten zoals het spikes-eiwit van SARS-CoV-2, zullen worden vergeleken met gegevens uit fysiek onderzoek van het virus. Uiteindelijk zal dit leiden tot een nauwkeurige structuur van het eiwit en mogelijk een beter begrip geven van hoe het virus zich aan receptoren hecht. bij mensen, die zich in de luchtwegen naar binnen bevinden. Als we deze structuur kunnen begrijpen, zullen we waarschijnlijk in staat zijn om medicijnen te vinden die de binding blokkeren en infectie voorkomen.
Onderzoek naar eiwitvouwen ligt aan de basis van ons begrip van zoveel ziekten en infecties, dat zelfs wanneer we via het netwerk Folding@Home bedenken hoe we COVID-19, waarvan we de recente explosieve groei waarnemen, kunnen bestrijden, dit netwerk niet lang zonder werk zal blijven. Het is een onderzoeksinstrument dat uitstekend geschikt is voor het bestuderen van eiwitmodellen die ten grondslag liggen aan tientallen ziekten gerelateerd aan verkeerd eiwitvouwen – bijvoorbeeld Alzheimer of een variant van de ziekte van Creutzfeldt-Jakob, die vaak onjuist 'kruis besmetting' wordt genoemd. En wanneer er onvermijdelijk weer een virus opduikt, zullen we al klaar zijn om opnieuw de strijd aan te gaan.
Bron: habr.com
