У поточній пандемії COVID-19 постало багато проблем, на які хакери із задоволенням накидалися. Від лицьових щитків, роздрукованих на 3D-принтері та медичних масок домашнього виготовлення до заміни повноцінного механічного апарату штучної вентиляції легень – цей потік ідей надихав та радував душу. У той самий час були спроби просунутися й іншій області: у дослідженнях, орієнтованих боротьби з самим вірусом.
Зважаючи на все, найбільший потенціал для зупинки поточної пандемії та випередження всіх наступних має підхід, який намагається докопатися до самого початку проблеми. Цей підхід із розряду «пізнай свого ворога» сповідує обчислювальний проект Folding@Home. Мільйони людей зареєструвалися в проекті та жертвують частину обчислювальних потужностей своїх процесорів та GPU, створивши таким чином найбільший [розподілений] суперкомп'ютер в історії.
Але навіщо саме застосовуються всі ці екзафлопи? Чому потрібно кидати такі обчислювальні потужності на ? Яка тут працює біохімія, навіщо взагалі білки потрібно укладати? Ось короткий огляд фолдингу білків: що це, як він відбувається і в чому його важливість.
Для початку найважливіше: навіщо потрібні білки?
Білки – життєво необхідні структури. Вони не лише дають будівельний матеріал для клітин, а й служать ферментами-каталізаторами практично всіх біохімічних реакцій. Білки, будь вони або , являють собою довгі ланцюжки , Розміщених у певній послідовності. Функції білків визначаються тим, які амінокислоти розташовані у певних місцях білка. Якщо, наприклад, білку необхідно зв'язуватися з позитивно зарядженою молекулою, місце з'єднання має бути заповнене негативно зарядженими амінокислотами.
Щоб зрозуміти, як білки отримують структуру, що визначає їх функцію, потрібно пробігтися основами молекулярної біології та інформаційного потоку в клітині.
Виробництво, або білків починається з процесу . Під час транскрипції подвійна спіраль ДНК, що містить генетичну інформацію клітини, частково розплітається, даючи доступ азотних основ ДНК ферменту під назвою . Завдання РНК-полімерази полягає в тому, щоб зробити РНК-копію або транскрипцію гена. Ця копія гена під назвою (мРНК), являє собою одинарну молекулу, що ідеально підходить для управління внутрішньоклітинними білковими фабриками, , які займаються виробництвом, або білків.
Рибосоми поводяться як складальні пристрої – вони захоплюють шаблон мРНК і зіставляють його іншим невеликим шматочкам РНК, (ТРНК). Кожна тРНК має дві активні області – секцію з трьох підстав під назвою , яка повинна збігатися з відповідними кодонами мРНК, та ділянка для зв'язування амінокислоти, специфічної для цього . Під час трансляції молекули тРНК у рибосомі випадково намагаються зв'язатися з мРНК за допомогою антикодонів. У разі успіху молекула тРНК приєднує свою амінокислоту до попередньої, формуючи чергову ланку в ланцюжку амінокислот, закодованої мРНК.
Ця послідовність амінокислот є першим рівнем структурної ієрархії білка, тому називається його . Вся тривимірна структура білка та його функції безпосередньо походять від первинної структури, і залежить від різних властивостей кожної з амінокислот та його взаємодії між собою. Не будь цих хімічних властивостей та взаємодій амінокислот, так і залишалися лінійними послідовностями без тривимірної структури. Це можна побачити щоразу під час приготування їжі – у цьому процесі відбувається теплова тривимірної структури білків.
Дальнодіючі зв'язки частин білків
Наступному рівню тривимірної структури, що виходить за рамки первинної, дали хитромудру назву . До неї входять водневі зв'язки між амінокислотами щодо близької дії. Основна суть цих стабілізуючих взаємодій зводиться до двох речей: и . Альфа-спіраль утворює туго скручену ділянку поліпептиду, а бета-лист – гладку та широку область. В обох утворень є як структурні, так і функціональні властивості, що залежать від характеристик їх амінокислот. Наприклад, якщо альфа-спіраль в основному складається з гідрофільних амінокислот, як або , то вона, швидше за все, братиме участь у водних реакціях.
Альфа-спіралі та бета-листи в білках. Водневі зв'язки утворюються під час експресії білка.
Ці дві структури та їх комбінації формують наступний рівень структури білка. . На відміну від простих фрагментів вторинної структури, на третинну структуру переважно впливає гідрофобність. У центрах більшості білків містяться амінокислоти з високою гідрофобністю, типу або , і вода виключається звідти через «жирну» природу радикалів. Ці структури часто з'являються у трансмембранних білках, вбудованих у подвійну ліпідну мембрану, що оточує клітини. Гідрофобні ділянки білків залишаються термодинамічно стабільними всередині жирової частини мембрани, а гідрофільні ділянки білка піддаються впливу водного середовища з обох сторін.
Також стабільність третинних структур забезпечують дальнодіючі зв'язки між амінокислотами. Класичним прикладом таких зв'язків є , що часто виникає між двома радикалами цистеїнів. Якщо в перукарні під час процедури перманентної завивки волосся якого-небудь клієнта ви відчували запах, що трохи нагадує тухлі яйця, то це була часткова денатурація третинної структури кератину, що міститься у волоссі, що проходить за допомогою зменшення дисульфідних зв'язків за допомогою містять сірку сумішей.
Третинну структуру стабілізують дальнодіючі взаємодії, типу гідрофобності або дисульфідних зв'язків
Дисульфідні зв'язки можуть виникати між радикалами в одному поліпептидному ланцюжку, або між цистеїнами з різних повних ланцюжків. Взаємодії між різними ланцюжками формують рівень білкової структури. Прекрасним прикладом четвертинної структури є у вас у крові. Кожна молекула гемоглобіну складається з чотирьох однакових глобинів, частин білка, кожен з яких утримується у певному положенні всередині поліпептиду дисульфідними містками, а також пов'язаний із молекулою гема, що містить залізо. Всі чотири глобіни пов'язані міжмолекулярними дисульфідними містками, а вся молекула цілком зв'язується відразу з кількома молекулами повітря, аж до чотирьох, і здатна відпускати їх за потребою.
Моделювання структур у пошуках лікування хвороби
Поліпептидні ланцюжки починають укладатися в підсумкову форму під час трансляції, коли ланцюжок, що росте, виходить з рибосоми – приблизно як відрізок дроту зі сплаву з ефектом пам'яті може приймати складні форми при нагріванні. Однак, як завжди у біології, все не так просто.
У багатьох клітинах перед трансляцією транскрибовані гени зазнають серйозного редагування, що значно змінює основну структуру білка в порівнянні з чистою послідовністю основ гена. При цьому трансляційні механізми часто заручаються допомогою молекулярних супроводжуючих, білків, що тимчасово зв'язуються з поліпептидним ланцюжком, що народжується, і не дають їй приймати будь-яку проміжну форму, з якої вони потім не зможуть перейти до остаточної.
Це все до того, що прогноз остаточної форми білка не є тривіальним завданням. Десятиліттями єдиним способом вивчення структури білків були фізичні методи типу рентгенівської кристалографії. Лише наприкінці 1960-х біофізичні хіміки почали будувати обчислювальні моделі фолдингу білка, здебільшого сконцентрувавшись на моделюванні вторинної структури. Цим способам та його нащадкам потрібні великі обсяги вхідних даних на додаток до первинної структурі – наприклад, таблиці кутів зв'язку амінокислот, списки гідрофобності, заряджені стану і навіть збереження структури та функціонування на еволюційних часових відрізках – і все для того, щоб здогадатися, як буде виглядати остаточний білок.
Сьогоднішні обчислювальні методи передбачення вторинної структури, що працюють, зокрема, у мережі Folding@Home, працюють приблизно з 80% точністю – що досить непогано з огляду на складність завдання. Дані, отримані прогнозними моделями за такими білками, як білок шипів SARS-CoV-2, будуть зіставлені з даними фізичного вивчення вірусу. У результаті можна буде отримати точну структуру білка і, можливо, розібратися в тому, як вірус кріпиться до рецепторів. людини, що знаходиться в дихальних шляхах, що ведуть усередину тіла. Якщо ми зможемо розібратися в цій структурі, ми, ймовірно, зуміємо знайти ліки, що блокують зв'язування та запобігають інфікуванню.
Дослідження фолдингу білка лежать у самому серці нашого розуміння такої кількості захворювань та інфекцій, що навіть коли ми за допомогою мережі Folding@Home придумаємо, як перемогти COVID-19, за вибуховим зростанням якого ми спостерігаємо останнім часом, ця мережа не довго простоюватиме без роботи. Це дослідницький інструмент, відмінно підходить для вивчення білкових моделей, що лежать в основі десятків захворювань, пов'язаних з неправильним фолдингом білків - наприклад, з хворобою Альцгеймера або з різновидом хвороби Крейтцфельдта - Якоба, яку часто некоректно називають коров'ячим сказом. І коли неминуче з'явиться черговий вірус, ми будемо готові знову розпочати боротьбу.
Джерело: habr.com