Mevcut COVID-19 salgını, bilgisayar korsanlarının saldırmaktan mutluluk duyduğu birçok sorun yarattı. 3D baskılı yüz siperlerinden ev yapımı tıbbi maskelere, tam mekanik ventilatörün değiştirilmesine kadar fikir akışı ilham verici ve yürekleri ısıtıyordu. Aynı zamanda başka bir alanda ilerleme girişimleri de vardı: Virüsle mücadeleyi amaçlayan araştırmalarda.
Görünen o ki, mevcut salgını durdurmanın ve sonraki salgınları geride bırakmanın en büyük potansiyeli, sorunun köküne inmeye çalışan bir yaklaşımda yatıyor. Bu "düşmanını tanı" yaklaşımı Folding@Home bilgisayar projesi tarafından benimsenmiştir. Milyonlarca insan projeye kaydoldu ve işlemcilerinin ve GPU'larının işlem gücünün bir kısmını bağışlayarak tarihteki en büyük [dağıtılmış] süper bilgisayarı yarattı.
Peki tüm bu exaflop'lar tam olarak ne için kullanılıyor? Bu kadar bilgi işlem gücünü kullanmak neden gerekli? ? Burada nasıl bir biyokimya iş başında, proteinlerin neden katlanması gerekiyor? İşte protein katlanmasına hızlı bir genel bakış: nedir, nasıl olur ve neden önemlidir.
İlk olarak, en önemli şey: proteinlere neden ihtiyaç duyulur?
Proteinler hayati yapılardır. Yalnızca hücreler için yapı malzemesi sağlamakla kalmazlar, aynı zamanda hemen hemen tüm biyokimyasal reaksiyonlar için enzim katalizörleri olarak da görev yaparlar. Sincaplar olsun veya , uzun zincirlerdir , belirli bir sırada bulunur. Proteinlerin işlevleri, proteinin belirli yerlerinde hangi amino asitlerin bulunduğuna göre belirlenir. Örneğin bir proteinin pozitif yüklü bir moleküle bağlanması gerekiyorsa, bağlanma bölgesinin negatif yüklü amino asitlerle doldurulması gerekir.
Proteinlerin işlevlerini belirleyen yapıyı nasıl edindiklerini anlamak için moleküler biyolojinin temellerini ve hücredeki bilgi akışını gözden geçirmemiz gerekir.
Üretim veya proteinler süreçle başlar . Transkripsiyon sırasında, hücrenin genetik bilgisini içeren DNA çift sarmalı kısmen gevşeyerek DNA'nın nitrojen bazlarının, adı verilen bir enzim tarafından kullanılabilir hale gelmesine izin verir. . RNA polimerazın görevi bir genin RNA kopyasını veya transkripsiyonunu yapmaktır. Adı verilen bir genin bu kopyası (mRNA), hücre içi protein fabrikalarını kontrol etmek için ideal olan tek bir moleküldür, Üretimle uğraşan veya proteinler.
Ribozomlar montaj makineleri gibi çalışır; mRNA şablonunu alır ve onu diğer küçük RNA parçalarıyla eşleştirir. (tRNA). Her tRNA'nın iki aktif bölgesi vardır - adı verilen üç bazdan oluşan bir bölüm. mRNA'nın karşılık gelen kodonlarıyla eşleşmesi ve buna özel bir amino asidin bağlanması için bir bölge olması gerekir . Çeviri sırasında ribozomdaki tRNA molekülleri, antikodonları kullanarak rastgele mRNA'ya bağlanmaya çalışır. Başarılı olması durumunda, tRNA molekülü kendi amino asidini bir öncekine bağlayarak mRNA tarafından kodlanan amino asit zincirindeki bir sonraki bağlantıyı oluşturur.
Bu amino asit dizisi, protein yapısal hiyerarşisinin ilk seviyesidir, bu yüzden buna denir. . Bir proteinin tüm üç boyutlu yapısı ve fonksiyonları, doğrudan birincil yapıdan türetilir ve amino asitlerin her birinin çeşitli özelliklerine ve birbirleriyle olan etkileşimlerine bağlıdır. Bu kimyasal özellikler ve amino asit etkileşimleri olmadan, üç boyutlu bir yapıya sahip olmadan doğrusal diziler olarak kalacaklardı. Bu, her yemek pişirdiğinizde görülebilir; bu süreçte termal bir durum söz konusudur. Proteinlerin üç boyutlu yapısı.
Protein parçalarının uzun menzilli bağları
Birincil seviyenin ötesine geçen üç boyutlu yapının bir sonraki seviyesine akıllı bir isim verildi. . Nispeten yakın etkili amino asitler arasındaki hidrojen bağlarını içerir. Bu dengeleyici etkileşimlerin temel özü iki şeye dayanmaktadır: и . Alfa sarmalı polipeptitin sıkı bir şekilde sarılmış bölgesini oluştururken, beta yaprağı pürüzsüz, geniş bölgeyi oluşturur. Her iki oluşum da kendilerini oluşturan amino asitlerin özelliklerine bağlı olarak hem yapısal hem de işlevsel özelliklere sahiptir. Örneğin, eğer alfa sarmalı esas olarak hidrofilik amino asitlerden oluşuyorsa, veya , o zaman büyük olasılıkla sulu reaksiyonlara katılacaktır.
Proteinlerdeki alfa helisleri ve beta tabakaları. Hidrojen bağları protein ekspresyonu sırasında oluşur.
Bu iki yapı ve bunların kombinasyonları protein yapısının bir sonraki seviyesini oluşturur. . İkincil yapının basit parçalarından farklı olarak üçüncül yapı esas olarak hidrofobiklikten etkilenir. Çoğu proteinin merkezi yüksek oranda hidrofobik amino asitler içerir. veya ve radikallerin "yağlı" doğasından dolayı su buradan hariç tutulur. Bu yapılar sıklıkla hücreleri çevreleyen lipit çift tabakalı membrana gömülü transmembran proteinlerinde görülür. Proteinlerin hidrofobik bölgeleri, zarın yağlı kısmında termodinamik olarak stabil kalırken, proteinin hidrofilik bölgeleri her iki taraftan sulu ortama maruz kalır.
Ayrıca üçüncül yapıların stabilitesi, amino asitler arasındaki uzun mesafeli bağlarla sağlanır. Bu tür bağlantıların klasik bir örneği genellikle iki sistein radikali arasında meydana gelir. Bir müşterinin saçına perma işlemi sırasında kuaförde çürük yumurtaya benzer bir koku aldıysanız, bu, saçta bulunan keratinin üçüncül yapısının kısmi bir denatürasyonuydu; bu, keratin ile disülfit bağlarının azaltılması yoluyla meydana gelir. kükürt içeren yardım karışımlar.
Üçüncül yapı, hidrofobiklik veya disülfit bağları gibi uzun menzilli etkileşimlerle stabilize edilir
arasında disülfit bağları oluşabilir. Aynı polipeptit zincirindeki veya farklı tam zincirlerdeki sisteinler arasındaki radikaller. Farklı zincirler arasındaki etkileşimler oluşur protein yapısının seviyesi. Kuaterner yapının mükemmel bir örneği bu senin kanında var. Her hemoglobin molekülü, her biri disülfür köprüleri tarafından polipeptit içinde belirli bir pozisyonda tutulan ve aynı zamanda demir içeren bir hem molekülü ile bağlantılı olan dört özdeş globin, protein parçasından oluşur. Dört globinin tamamı moleküller arası disülfit köprüleriyle birbirine bağlıdır ve molekülün tamamı aynı anda birden fazla hava molekülüne (dörde kadar) bağlanır ve bunları gerektiğinde serbest bırakabilir.
Hastalıklara çare bulmak amacıyla yapıların modellenmesi
Polipeptit zincirleri, büyüyen zincir ribozomdan çıktıkça, tıpkı bir hafıza alaşımı tel parçasının ısıtıldığında karmaşık şekiller alabilmesi gibi, çeviri sırasında son şeklini almaya başlar. Ancak biyolojide her zaman olduğu gibi işler bu kadar basit değildir.
Birçok hücrede, kopyalanan genler, çeviriden önce kapsamlı bir düzenlemeye tabi tutulur ve bu, genin saf baz dizisine kıyasla proteinin temel yapısını önemli ölçüde değiştirir. Bu durumda, translasyon mekanizmaları sıklıkla, yeni oluşan polipeptit zincirine geçici olarak bağlanan ve daha sonra sonuncuya geçemeyecekleri herhangi bir ara form almasını önleyen proteinler olan moleküler şaperonların yardımını gerektirir.
Bütün bunlar, bir proteinin nihai şeklini tahmin etmenin önemsiz bir iş olmadığını söylemektir. Onlarca yıldır proteinlerin yapısını incelemenin tek yolu X-ışını kristalografisi gibi fiziksel yöntemlerdi. 1960'ların sonlarına kadar biyofiziksel kimyagerler öncelikle ikincil yapı modellemesine odaklanarak protein katlanmasının hesaplamalı modellerini oluşturmaya başladılar. Bu yöntemler ve onların soyundan gelenler, birincil yapıya ek olarak çok büyük miktarda girdi verisi gerektirir - örneğin, amino asit bağ açıları tabloları, hidrofobiklik listeleri, yüklü durumlar ve hatta evrimsel zaman ölçekleri boyunca yapı ve işlevin korunması - bunların tümü, tahmin et ne olacak, son protein gibi görünüyor.
Folding@Home ağında çalışan günümüzün ikincil yapı tahminine yönelik hesaplamalı yöntemleri, yaklaşık %80 doğrulukla çalışıyor; bu, sorunun karmaşıklığı göz önüne alındığında oldukça iyi. SARS-CoV-2 spike proteini gibi proteinler üzerinde tahmine dayalı modeller tarafından oluşturulan veriler, virüsün fiziksel çalışmalarından elde edilen verilerle karşılaştırılacaktır. Sonuç olarak proteinin tam yapısını elde etmek ve belki de virüsün reseptörlere nasıl bağlandığını anlamak mümkün olacak. vücuda giden solunum yolunda bulunan bir kişi. Bu yapıyı çözebilirsek, bağlanmayı engelleyen ve enfeksiyonu önleyen ilaçlar bulabiliriz.
Protein katlama araştırması, o kadar çok hastalık ve enfeksiyona ilişkin anlayışımızın merkezinde yer alıyor; son zamanlarda büyümede patlama yaptığını gördüğümüz COVID-19'u nasıl yeneceğimizi bulmak için Folding@Home ağını kullandığımızda bile ağ kazanacak' uzun süre boşta kalmayın, çalışın. Alzheimer hastalığı veya genellikle yanlış bir şekilde deli dana hastalığı olarak adlandırılan Creutzfeldt-Jakob hastalığının bir çeşidi gibi protein yanlış katlanmasıyla ilişkili düzinelerce hastalığın altında yatan protein modellerini incelemek için çok uygun bir araştırma aracıdır. Ve kaçınılmaz olarak başka bir virüs ortaya çıktığında, onunla yeniden savaşmaya başlamaya hazır olacağız.
Kaynak: habr.com