Άρθρο για τον διαγωνισμό «bio/mol/text»: Οι πρωτεΐνες είναι τα κύρια βιολογικά μόρια. Εκτελούν πολλές διαφορετικές λειτουργίες: καταλυτικές, δομικές, μεταφορικές, υποδοχείς και πολλές άλλες. Ακόμη και το γνωστό DNA παίζει μόνο το ρόλο μιας «μονάδας flash», που αποθηκεύει πληροφορίες για τις πρωτεΐνες, ενώ οι πρωτεΐνες είναι τα ίδια τα «αρχεία». Η ζωή στη Γη δικαίως μπορεί να ονομαστεί πρωτεΐνη. Αλλά πόσα γνωρίζουμε για τη δομή και τη λειτουργία αυτών των ουσιών; Μέχρι τώρα, η αναδίπλωση πρωτεΐνης παραμένει ένα μυστήριο - η διαδικασία της χωρικής συσκευασίας ενός μορίου πρωτεΐνης, η υιοθέτηση από μια πρωτεΐνη αυστηρά καθορισμένης μορφής στην οποία εκτελεί τις λειτουργίες της.
Ο γενικός χορηγός του διαγωνισμού, σύμφωνα με το crowdfunding μας, ήταν ένας επιχειρηματίας Κονσταντίν Σινιούσιν, για το οποίο τρέφει μεγάλο ανθρώπινο σεβασμό!
Χορηγός του βραβείου κοινού ήταν η εταιρεία Atlas.
Χορηγός αυτού του άρθρου είναι ο Lev Makarov.
Οι πρωτεΐνες είναι βιοπολυμερή που μπορούν να συγκριθούν με σφαιρίδια, όπου τα σφαιρίδια είναι αμινοξέα που συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς (εξ ου και μια άλλη ονομασία για τις πρωτεΐνες - πολυπεπτίδια). Στο κύτταρο, οι πρωτεΐνες συντίθενται σε ειδικές μοριακές μηχανές - ριβοσώματα. Βγαίνοντας από το ριβόσωμα, η πολυπεπτιδική αλυσίδα διπλώνει και η πρωτεΐνη παίρνει μια ορισμένη διαμόρφωση, δηλαδή μια χωρική δομή (Εικ. 1). Είναι ζωτικής σημασίας η πρωτεΐνη να υπάρχει στο σώμα σε μια συγκεκριμένη μορφή, δηλαδή η διαμόρφωση πρέπει να είναι «σωστή» (εγγενής). Η διαδικασία αναδίπλωσης πρωτεΐνης ονομάζεται δίπλωμα. πτυσσόμενος- δίπλωμα, τοποθέτηση. Σημειώστε ότι ο όρος «δίπλωμα» δεν ισχύει μόνο για πρωτεΐνες). Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι οι πληροφορίες για την τρισδιάστατη δομή είναι «ενσωματωμένες» στην ίδια την αλληλουχία αμινοξέων. Έτσι, για να υιοθετήσει μια πρωτεΐνη τη φυσική της δομή, χρειάζεται μόνο να «γνώσει» με ποια αλληλουχία και ποια υπολείμματα αμινοξέων υπάρχουν σε αυτήν. Αυτό αποδείχθηκε για πρώτη φορά το 1961 από τον Christian Anfinsen χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της παγκρεατικής ριβονουκλεάσης βοοειδών (Εικ. 2). Θα πρέπει να ειπωθεί ότι, εκτός από τις πρωτεΐνες, των οποίων η χωρική δομή καθορίζεται αυστηρά από την αλληλουχία αμινοξέων, υπάρχουν οι λεγόμενες μη δομημένες πρωτεΐνες ( εγγενώς ξεδιπλωμένες πρωτεΐνες, IDPs): ορισμένα θραύσματα τέτοιων μορίων, και μερικές φορές ολόκληρα μόρια, είναι ικανά να λάβουν πολλές πιθανές διαμορφώσεις ταυτόχρονα, οι οποίες είναι όλες ενεργειακά «ισοδύναμες», και τέτοιες πρωτεΐνες είναι αρκετά κοινές στη φύση και επιτελούν σημαντικές λειτουργίες. Υπάρχει ένας άλλος τύπος αναδίπλωσης που συμβαίνει με τη βοήθεια ειδικών πρωτεϊνών - συνοδών, αλλά περισσότερα για αυτό αργότερα.
Εικόνα 1. Συνμεταφραστική αναδίπλωση μιας μικρής α-ελικοειδούς περιοχής.Η αναδίπλωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας πολλών πρωτεϊνών ξεκινά ήδη στο ριβόσωμα κατά τη μετάφραση της πρωτεΐνης (δηλαδή τη σύνθεσή της). Η πρωτεΐνη ωρίμανσης εξέρχεται από το ριβόσωμα μέσω μιας ειδικής σήραγγας (σκιασμένη περιοχή στη μεγάλη υπομονάδα στο σχήμα), η οποία είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην αναδίπλωση της αλυσίδας, με το C-άκρο της αλυσίδας (που περιέχει την καρβοξυλική ομάδα) στερεωμένο στο ριβόσωμα. και το Ν-άκρο (που περιέχει την αμινομάδα) «προχώρησε» «προς την έξοδο και «κολλάει» έξω από αυτό όταν συσσωρεύονται 30–40 υπολείμματα αμινοξέων στη σήραγγα. Συμπιεσμένες ανώριμες δομές, α-έλικες, β-φουρκέτες και μικρές α-έλικες περιοχές μπορούν να σχηματιστούν στη σήραγγα. Η ομομεταφραστική αναδίπλωση λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια: πρώτον, η ξεδιπλωμένη αλυσίδα ( U, ξεδιπλώθηκε) μεταβαίνει σε συμπιεσμένη κατάσταση ( C, συμπιεσμένο), το οποίο στη συνέχεια αποκτά την εγγενή δομή ( Ν, γηγενής).
Εικόνα 2. Βόεια παγκρεατική ριβονουκλεάση και οι επιστήμονες που τη μελέτησαν. ΕΝΑ - Βόεια παγκρεατική ριβονουκλεάση. Για τη μελέτη του για τη δομή αυτού του ενζύμου, ο Anfinsen ( Άνφινσεν) (σι ), Μουρ ( Μουρ) (V ) και Στάιν (Πήλινη κανάτα) (σολ ) έλαβε το Νόμπελ Χημείας (1972). Χρησιμοποιώντας αυτή την πρωτεΐνη ως παράδειγμα, καταδείχθηκε για πρώτη φορά το φαινόμενο της αναδίπλωσης - ο αυθόρμητος σχηματισμός μιας τριτογενούς δομής μετά από μετουσίωση (δηλαδή, καταστροφή). Η σημασία της αναδίπλωσης πρωτεΐνης είναι ότι οδηγεί στο σχηματισμό μιας αυστηρά καθορισμένης (εγγενούς) πρωτεϊνικής δομής στην οποία λειτουργεί. Για παράδειγμα, στο πείραμα του Anfinsen, η ριβονουκλεάση, ως αποτέλεσμα της αναδίπλωσης, αποκατέστησε την ενζυματική της δραστηριότητα, δηλαδή άρχισε και πάλι να καταλύει καλά μια βιοχημική αντίδραση. Για να λειτουργήσει αυτό το ένζυμο, πέντε υπολείμματα αμινοξέων πρέπει να συγκεντρωθούν σε ένα ενιαίο καταλυτικό κέντρο (ένα κομμάτι χώρου) από εντελώς διαφορετικά σημεία στην πρωτεϊνική αλυσίδα: ιστιδίνη (12), λυσίνη (41), θρεονίνη (47), ιστιδίνη (119) και φαινυλαλανίνη (120).
μοντέλο από τη βάση δεδομένων PDB (PDB ID 5D6U), πορτρέτα επιστημόνων από τον ιστότοπο ru.wikipedia.org
Το πρόβλημα είναι ότι η ανθρωπότητα, με όλη της την υπολογιστική ισχύ και το οπλοστάσιο των πειραματικών δεδομένων, δεν έχει μάθει ακόμη να κατασκευάζει μοντέλα που θα περιγράφουν τη διαδικασία της αναδίπλωσης της πρωτεΐνης και θα προβλέπουν την τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης με βάση την πρωταρχική της δομή (δηλ. , την αλληλουχία αμινοξέων). Έτσι, δεν υπάρχει ακόμη πλήρης κατανόηση αυτής της φυσικής διαδικασίας.
Η έκρηξη των γονιδιωματικών έργων είχε ως αποτέλεσμα τον προσδιορισμό της αλληλουχίας περισσότερων γονιδιωμάτων και των αντίστοιχων αλληλουχιών DNA και RNA που γεμίζουν βάσεις δεδομένων με εκθετικό ρυθμό. Στο Σχ. Το Σχήμα 3 δείχνει την αύξηση στον αριθμό των αλληλουχιών αμινοξέων, καθώς και την αύξηση του αριθμού των γνωστών πρωτεϊνικών δομών την περίοδο από το 1996 έως το 2007. Φαίνεται ξεκάθαρα ότι ο αριθμός των γνωστών δομών είναι πολύ μικρότερος από τον αριθμό των αλληλουχιών. Τη στιγμή της συγγραφής αυτού του άρθρου (Αύγουστος 2016), ο αριθμός των ακολουθιών στη βάση δεδομένων UniParc είναι πάνω από 124 εκατομμύρια, ενώ ο αριθμός των δομών στη βάση δεδομένων ΠΣΠ ( Τράπεζα Δεδομένων Πρωτεϊνών) - μόνο λίγο περισσότερο από 121 χιλιάδες, που είναι λιγότερο από το 0,1% όλων των γνωστών ακολουθιών, και το χάσμα μεταξύ αυτών των δύο δεικτών αυξάνεται γρήγορα και είναι πιθανό να συνεχίσει να αυξάνεται. Αυτή η μεγάλη υστέρηση οφείλεται στη σχετική πολυπλοκότητα των σύγχρονων μεθόδων για τον προσδιορισμό των κατασκευών. Ταυτόχρονα, είναι πολύ σημαντικό να τα γνωρίζουμε. Επομένως, το ζήτημα της χρήσης υπολογιστικών μεθόδων για την πρόβλεψη των πρωτεϊνικών δομών από τις αλληλουχίες τους είναι πλέον επείγον. Το 2005, το έγκυρο περιοδικό Επιστήμηαναγνώρισε το πρόβλημα της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών ως ένα από τα 125 μεγαλύτερα προβλήματα στη σύγχρονη επιστήμη.
Σχήμα 3. Σύγκριση ρυθμών αύξησης στον αριθμό των γνωστών αλληλουχιών και δομών από το 1996 έως το 2007.Τα έτη υποδεικνύονται στον οριζόντιο άξονα και ο αριθμός των ακολουθιών σε εκατομμύρια υποδεικνύεται στον αριστερό κατακόρυφο άξονα ( συμπαγής γραμμή), στη δεξιά κατακόρυφο - ο αριθμός των κατασκευών σε εκατομμύρια ( διακεκομμένη γραμμή). Το χάσμα μεταξύ του αριθμού των γνωστών δομών και του αριθμού των αλληλουχιών είναι σαφώς ορατό. Μέχρι τώρα, το χάσμα έχει αυξηθεί ακόμη περισσότερο.
Μετά την ανάγνωση του ανθρώπινου γονιδιώματος έγιναν γνωστά πολλά ανθρώπινα γονίδια και επομένως οι αλληλουχίες αμινοξέων που κωδικοποιούν. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι γνωρίζουμε τις λειτουργίες όλων των γονιδίων· με άλλα λόγια, δεν γνωρίζουμε τις λειτουργίες των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από αυτά τα γονίδια. Είναι γνωστό ότι από πολλές απόψεις οι λειτουργίες των πρωτεϊνών μπορούν να προβλεφθούν από τη δομή τους, αν και όχι πάντα. Επομένως, το αγαπημένο όνειρο είναι η ικανότητα πρόβλεψης της δομής και, κατά συνέπεια, της λειτουργίας μιας πρωτεΐνης από την αλληλουχία νουκλεοτιδίων του ίδιου του γονιδίου.
Είναι λάθος, ωστόσο, να πιστεύουμε ότι δεν γνωρίζουμε τίποτα απολύτως. Φυσικά, έχει συσσωρευτεί μεγάλος αριθμός στοιχείων σχετικά με το δίπλωμα, τα μοτίβα αυτής της διαδικασίας είναι γνωστά και έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για τη μοντελοποίησή της. Για την παρακολούθηση της προόδου που σημειώθηκε προς την επίλυση του προβλήματος αναδίπλωσης, δημιουργήθηκε ένας διεθνής διαγωνισμός για την πρόβλεψη της χωρικής δομής των μορίων πρωτεΐνης - CASP ( Κριτική Αξιολόγηση τεχνικών Πρόβλεψης Δομής Πρωτεϊνών), που πραγματοποιείται κάθε δύο χρόνια (ο διαγωνισμός γίνεται πλέον για δωδέκατη φορά, ξεκίνησε τον Απρίλιο και θα ολοκληρωθεί τον Δεκέμβριο του 2016). Σε αυτόν τον διαγωνισμό, οι ερευνητές ανταγωνίζονται για να δουν ποιος μπορεί να προβλέψει καλύτερα τη δομή μιας πρωτεΐνης από την αλληλουχία αμινοξέων της και ο διαγωνισμός διεξάγεται χρησιμοποιώντας μια διπλά τυφλή μέθοδο (τη στιγμή του διαγωνισμού, η δομή της πρωτεΐνης «μυστηρίου» είναι απλώς άγνωστο· ο προσδιορισμός του ολοκληρώνεται κάθε φορά που τελειώνει ο διαγωνισμός). Μέχρι στιγμής, οι δομές των πρωτεϊνών-στόχων δεν έχουν ποτέ προβλεφθεί με ακρίβεια.
Υπάρχουν δύο ομάδες μεθόδων πρόβλεψης δομής.
ΠΡΟΣ ΤΗΝ πρώταπεριλαμβάνουν τα λεγόμενα μέθοδοι μοντελοποίησης από την αρχή (εξαρχής, de novo, υπάρχουν και άλλοι συνώνυμοι όροι), όταν τα μοντέλα κατασκευάζονται μόνο με βάση την πρωτογενή δομή, χωρίς τη χρήση συγκριτικών μεθόδων με ήδη γνωστές δομές, αλλά χρησιμοποιώντας ολόκληρη τη συσσωρευμένη κατανόηση της φυσικής της αναδίπλωσης των βιοπολυμερών. Η θεμελιώδης σημασία αυτών των μεθόδων είναι ότι βοηθούν στην κατανόηση των φυσικοχημικών αρχών της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών και απαντούν σε αυτό το καίριο ερώτημα - γιατί μια πρωτεΐνη διπλώνει με αυτόν τον τρόπο και όχι μια άλλη; Ωστόσο, τα μειονεκτήματα αυτών των μεθόδων είναι η πολύ υψηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα και η χαμηλή ακρίβεια. Αυτές οι μέθοδοι απαιτούν απλοποιήσεις και προσεγγίσεις και είναι αναποτελεσματικές για την πρόβλεψη των δομών μεγάλων πρωτεϊνών. Το 2007, μέσω μεθόδων μοντελοποίησης de novoΓια πρώτη φορά, η δομή μιας από τις βακτηριακές πρωτεΐνες προσδιορίστηκε με υψηλή ακρίβεια Bacillus halodurans, αλλά αυτή η πρωτεΐνη είναι σχετικά μικρή (112 υπολείμματα αμινοξέων) και για να ληφθεί ένα ακριβές μοντέλο, χρειαζόταν η ισχύς περισσότερων από 70.000 προσωπικών υπολογιστών και ενός υπερυπολογιστή. Επιπλέον, από τα 26 μοντέλα που ελήφθησαν, μόνο ένα αποδείχθηκε ακριβές. Οι μέθοδοι μοριακής δυναμικής (MD) καθιστούν δυνατή την περιγραφή μοριακών γεγονότων και είναι σε θέση να ανιχνεύσουν τη διαδικασία αναδίπλωσης πρωτεΐνης σε μια φυσική δομή: το 2010, αυτό έγινε για πρώτη φορά χρησιμοποιώντας την υπολογιστική ισχύ ενός ειδικά δημιουργημένου υπερυπολογιστή Άντον .
Co. δεύτεροςομάδα μεθόδων περιλαμβάνει συγκριτικές μέθοδοι μοντελοποίησης. Βασίζονται στο φαινόμενο ομολογία, δηλαδή η κοινή προέλευση των αντικειμένων (οργάνων, μορίων κ.λπ.). Έτσι, ο «πρόβλεψης» έχει την ευκαιρία να συγκρίνει την αλληλουχία της πρωτεΐνης της οποίας η δομή πρέπει να μοντελοποιηθεί με ένα πρότυπο, δηλαδή μια πρωτεΐνη της οποίας η δομή είναι γνωστή και η οποία πιθανώς είναι ομόλογο, και με βάση την ομοιότητά τους, να δημιουργήσει ένα μοντέλο με επακόλουθες προσαρμογές (παρόμοιες ακολουθίες διπλώνουν σε παρόμοιες δομές). Αυτές οι μέθοδοι είναι πλέον πιο δημοφιλείς, καθώς η πρόβλεψη της δομής των πρωτεϊνών είναι ένα σημαντικό πρακτικό έργο, και μέχρι τώρα έχουν εμφανιστεί υπολογιστικά εργαλεία και βάσεις δεδομένων, ενώ έχει γίνει επίσης γνωστό ότι ο αριθμός των πιθανών επιλογών για αναδίπλωση πρωτεϊνικών δομών είναι περιορισμένος (Εικ. 4). Αν και αυτές οι μέθοδοι δεν λύνουν το πρόβλημα της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών, μπορούν να βοηθήσουν στην επίλυση συγκεκριμένων πρακτικών προβλημάτων, ενώ άλλες αγωνίζονται να μελετήσουν πιο θεμελιώδη ζητήματα.
Εικόνα 4. Δυναμική αναγνώρισης νέων τύπων πτυχώσεων (επιλογές συσκευασίας).Ο χρόνος (έτη) απεικονίζεται στον οριζόντιο άξονα και η αναλογία των νέων πτυχώσεων στον αριστερό κατακόρυφο άξονα (για περισσότερες λεπτομέρειες, δείτε την καρτέλα) ( συμπαγής γραμμή), και στον δεξιό κάθετο άξονα - ο συνολικός αριθμός κατασκευών ( διακεκομμένη γραμμή), ταξινομημένο στη βάση δεδομένων CATH. Σημειώστε ότι αυτή η βάση δεδομένων ασχολείται με τη δομική ταξινόμηση των πρωτεϊνών, επομένως είναι σημαντικό να γνωρίζει τους πιθανούς τύπους πρωτεϊνικών πτυχών. Φαίνεται ξεκάθαρα ότι με την πάροδο του χρόνου, όλο και περισσότερες πρωτεΐνες ταξινομούνται, αλλά ο αριθμός των διπλών παραλλαγών μειώνεται.
Πρέπει να τονιστεί ότι οι σύγχρονες μέθοδοι πρόβλεψης πρωτεϊνικών δομών απαιτούν μεγάλη υπολογιστική ισχύ και συχνά πραγματοποιούνται σε υπερυπολογιστές ή χρησιμοποιώντας κατανεμημένα υπολογιστικά δίκτυα, όπως τα Rosetta@home και Folding@home. Όλοι καλούνται να συμμετάσχουν σε αυτά τα έργα: απλά πρέπει να εκτελέσετε το πρόγραμμα στον υπολογιστή σας μέχρι να το χρειαστεί ο χρήστης.
Μερικά μοτίβα αναδίπλωσης πρωτεΐνης είναι γνωστά. Τώρα πιστεύεται ότι αυτή η διαδικασία συμβαίνει σε στάδια: πρώτον, μια γραμμική αλυσίδα με μηδενική εντροπία καταρρέει γρήγορα για να σχηματιστεί στατιστικό κουβάρι - αναδίπλωση εντροπίας. Τότε συμβαίνει υδρόφοβη κατάρρευση: τα υδρόφοβα υπολείμματα αμινοξέων «κρύβονται» βαθιά μέσα στο μόριο και τα υδρόφιλα «διασπείρονται» κατά μήκος της επιφάνειας (βλ. παρακάτω). Το αποτέλεσμα αυτού του σταδίου είναι ο σχηματισμός λιωμένο σφαιρίδιο. Μετά από αυτό, σχηματίζονται συγκεκριμένοι δεσμοί (βλ. παρακάτω) και η πρωτεΐνη εισέρχεται στην πραγματική κατάσταση σφαιρίδια, ενώ η ελεύθερη ενέργεια πέφτει απότομα.
Το τελευταίο στάδιο δεν συμβαίνει κατά την αναδίπλωση των αδόμητων πρωτεϊνών - εκτοπισθέντες.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι για κάθε αλληλουχία αμινοξέων, είναι θεωρητικά δυνατό να υποθέσουμε πολλά μονοπάτια που μπορεί να ακολουθήσει για να επιτευχθεί η φυσική διαμόρφωση. Ωστόσο, είναι γνωστό ότι η πρωτεΐνη δεν δοκιμάζει όλες τις πιθανές επιλογές, αλλά κινείται κατά μήκος ενός από τα πιθανά μονοπάτια που ορίζονται για κάθε ακολουθία. Εάν η πρωτεΐνη δοκίμαζε όλες τις πιθανές επιλογές, τότε ο χρόνος ταξιδιού από μια απλή ακολουθία στη φυσική κατάσταση θα ξεπερνούσε τη διάρκεια ζωής του Σύμπαντος (παράδοξο του Levinthal)! Φυσικά, αυτό δεν συμβαίνει: ο χρόνος που χρειάζεται η πρωτεΐνη για να υιοθετήσει τη φυσική της δομή είναι κλάσματα του δευτερολέπτου. Αυτό μοιάζει με την επίλυση ενός κύβου του Ρούμπικ: από την κατάσταση ενός άλυτου κύβου στην κατάσταση ενός λυμένου κύβου, μπορείτε να έρθετε με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, αλλά σε διαγωνισμούς για την ταχύτητα επίλυσης ενός κύβου, νικητής είναι αυτός που το κάνει γρηγορότερα και πιο αποτελεσματικά, δηλαδή επιλέγει ένα συγκεκριμένο μονοπάτι. Στην πραγματικότητα, η εύρεση μιας τέτοιας διαδρομής είναι το κύριο καθήκον των μεθόδων μοντελοποίησης από την αρχή(βλέπε παραπάνω). Η απάντηση στο θεμελιώδες ερώτημα της αναδίπλωσης δεν θα βρίσκεται απλώς στην ικανότητα ακριβούς μοντελοποίησης δομών, αλλά, πρώτα απ 'όλα, στη γνώση και στην αιτιολόγηση του τρόπου με τον οποίο μια πρωτεΐνη φτάνει στη φυσική της κατάσταση.
Αξίζει να τονιστεί η σημασία της συνμεταφραστικής αναδίπλωσης (Εικ. 1), που συζητήθηκε παραπάνω, στο σχηματισμό της δομής της πρωτεΐνης. Σημειώστε ότι η παρουσία ενός ριβοσώματος, πάνω στο οποίο συντίθεται η πρωτεΐνη, επιβάλλει σοβαρές προσαρμογές στη διαδικασία αναδίπλωσης της αλυσίδας. Αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται πάντα υπόψη κατά τη μοντελοποίηση της αναδίπλωσης των φυσικών πρωτεϊνών. in vivo. Το κανάλι στο οποίο βρίσκεται η αναπτυσσόμενη αλυσίδα περιορίζει τη διαμορφωτική της μεταβλητότητα και επομένως δεν μπορούν να σχηματιστούν σε αυτήν όλοι οι τύποι δομών. Επιπλέον, η αναπτυσσόμενη αλυσίδα ωθείται συνεχώς προς τα εμπρός (από ένα κατάλοιπο αμινοξέος με κάθε πράξη διαπεπτιδοποίησης-μετατόπισης, δηλαδή ο σχηματισμός ενός νέου πεπτιδικού δεσμού και η επακόλουθη προώθηση του ριβοσώματος) και επομένως θα ήταν λογικό να Ας υποθέσουμε ότι η διαμόρφωση της αλυσίδας στο ριβοσωμικό κανάλι έχει ιδιότητες όπως η ακαμψία και η διανυσματική ικανότητα, που αντιστοιχεί στις ιδιότητες μιας α-έλικας. Επιπλέον, ο αμοιβαίος προσανατολισμός των υπολειμμάτων αμινοξέων σε δύο κέντρα μέσα στο ριβόσωμα είναι πάντα του ίδιου τύπου (ισοδύναμος), ανεξάρτητος από τη φύση αυτών των υπολειμμάτων, κάτι που προφανώς συμβάλλει επίσης στο σχηματισμό α-έλικων. Πράγματι, οι α-έλικες είναι το πιο χαρακτηριστικό στοιχείο της δευτερογενούς δομής των πρωτεϊνών. Ανακαλύφθηκαν από τον Linus Pauling ( Liunus Pauling) και Robert Corey ( Ρόμπερτ Κόρεϊ), ο οποίος, μαζί με τον Walter Koltun ( Walter Koltun) πρότεινε έναν νέο τύπο μοριακών μοντέλων.
Ταυτόχρονα, όταν το Ν-άκρο (που περιέχει την αμινομάδα) της αναπτυσσόμενης πρωτεϊνικής αλυσίδας φεύγει από τη σήραγγα και βυθίζεται στο διάλυμα, οι φυσικοχημικές συνθήκες αυτού του περιβάλλοντος αρχίζουν να δρουν σε αυτό και η πρωτεΐνη αρχίζει να υπακούει κανόνες.
Από αυτή την άποψη, ο διάσημος μοριακός βιολόγος ακαδημαϊκός Alexander Spirin σημειώνει τρεις διαφορές μεταξύ της αναδίπλωσης in vitroΚαι in vivo:
Αυτές οι σκέψεις αποδεικνύουν για άλλη μια φορά ότι τα βιολογικά ζητήματα δεν μπορούν να λυθούν «στεγνά» με τη χρήση μεθόδων βιοπληροφορικής. Ακόμη και τα πιο φαινομενικά ακριβή μοντέλα υπολογιστών μπορεί να αποδειχθούν ανακριβή εάν κατασκευαστούν χωρίς να ληφθούν υπόψη παράγοντες που λειτουργούν πραγματικά στη φύση.
Για την επίλυση του προβλήματος της αναδίπλωσης, έχουν αναπτυχθεί τα λεγόμενα εμπειρικά δυναμικά: αλληλεπιδράσεις κατά ζεύγη υπολειμμάτων, δεσμοί υδρογόνου, γωνίες στρέψης, κέντρα μάζας πλευρικών αλυσίδων και πολλά άλλα. Για παράδειγμα, το δυναμικό διαλυτοποίησης προβλέπει εάν ένα υπόλειμμα αμινοξέος θα βρίσκεται μέσα ή έξω από μια πρωτεΐνη (αντίστοιχα θαμμένο ή εκτεθειμένο) ανάλογα με την υδροφοβικότητά της. Είναι γνωστό ότι ορισμένα αμινοξέα «αγαπούν» το νερό ( υδρόφιλος), θα είναι πιο πιθανό να βρίσκονται στην επιφάνεια του μορίου πρωτεΐνης, ενώ σε άλλους «δεν αρέσει» ( υδροφόβος) και «κρύβονται» σε περιοχές του μορίου που είναι πιο απρόσιτες στον διαλύτη, που καλύπτονται από άλλα υπολείμματα (Εικ. 5). Το υδρόφοβο αποτέλεσμα έχει μεγάλη σημασία στην αναδίπλωση των πρωτεϊνών.
Εικόνα 5. Η υδροφοβικότητα των αμινοξέων επηρεάζει τη χωρική κατανομή τους (χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μιας από τις ανθρώπινες αφυδρογονάσες). Δείχνονται υδρόφιλα αμινοξέα σε μπλε, υδρόφοβο - το κόκκινο. Μπορεί να φανεί ότι τα υδρόφιλα υπολείμματα τείνουν να βρίσκονται σε περιοχές ανοικτές στον διαλύτη, ενώ τα υδρόφοβα υπολείμματα τείνουν να βρίσκονται σε κλειστές περιοχές του μορίου.
Βάση δεδομένων PDB (PDB ID 5ICS)
Μια σημαντική πτυχή του σχηματισμού της δομής της πρωτεΐνης σε όλα τα στάδια είναι ο σχηματισμός δεσμών μεταξύ ριζών (πλευρικές αλυσίδες) υπολειμμάτων αμινοξέων. Είναι διαφορετικά: υδρόφοβα, ηλεκτροστατικά και άλλα. Μια ενδιαφέρουσα επιλογή είναι ο σχηματισμός δισουλφιδικών δεσμών ("γέφυρες") λόγω της αλληλεπίδρασης των ατόμων θείου των πλευρικών αλυσίδων της κυστεΐνης. Για παράδειγμα, στη διάσημη ριβονουκλεάση, για τη μελέτη της δομής της οποίας δόθηκε το βραβείο Νόμπελ, υπάρχουν τέσσερις τέτοιοι δεσμοί. Ωστόσο, όλα δεν είναι τόσο απλά εδώ. Εάν η αλυσίδα πρωτεΐνης περιέχει δύο άτομα θείου που ανήκουν στην κυστεΐνη, τότε είναι εύκολο να πούμε ότι μπορεί να σχηματιστεί μία δισουλφιδική γέφυρα. Αλλά εάν, για παράδειγμα, υπάρχουν δέκα άτομα θείου και, κατά συνέπεια, σχηματίζονται πέντε δεσμοί SS, τότε δεν μπορούμε να πούμε ξεκάθαρα ποια άτομα θείου θα αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους σε ζεύγη (αλλά μια πρωτεΐνη μπορεί). Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Thomas Creighton ( Τόμας Κρέιτον), εάν υπάρχουν 5 δισουλφιδικοί δεσμοί σε μια πρωτεΐνη, ο αριθμός των πιθανών συνδυασμών είναι ήδη 945, εάν υπάρχουν 10 τέτοιοι δεσμοί, τότε ο αριθμός των επιλογών είναι 654.729.075 και με 25 δισουλφιδικούς δεσμούς αυτός ο αριθμός υπερβαίνει τα 5 τετράδισεκατομμύρια τετρ. 5,8 × 10 30). Αλλά στην πρωτεΐνη μόνο μία επιλογή επιτυγχάνεται, και είναι πάντα η ίδια! Θα πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι αυτό ισχύει για την αυτοοργάνωση των πρωτεϊνών in vitro(«in vitro», «σε γυαλί», δηλαδή σε πειραματικές συνθήκες, και όχι σε ζωντανό οργανισμό) υπό κατάλληλες συνθήκες, και in vivo(σε έναν ζωντανό οργανισμό) δεν συμβαίνει αυτοοργάνωση των δισουλφιδικών δεσμών. Ο σχηματισμός τους καταλύεται από ένα ειδικό ένζυμο - πρωτεϊνική δισουλφιδική ισομεράση, ή PDI, το οποίο είναι επίσης ικανό να «διορθώσει» σφάλματα σε περίπτωση εσφαλμένου σχηματισμού σύνδεσης SS, διορθώνοντας έτσι τη διαδικασία αναδίπλωσης, .
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι η διαδικασία σχηματισμού της τελικής δομής μιας πρωτεΐνης δεν περιλαμβάνει απλώς το δίπλωμα της αλυσίδας. Στα κύτταρα, οι πρωτεΐνες υφίστανται ακετυλίωση, γλυκοζυλίωση και πολλές άλλες τροποποιήσεις. Επομένως, για παράδειγμα, ο αριθμός των διαφορετικών αμινοξέων στις πρωτεΐνες υπερβαίνει τα γνωστά 20 («μαγικά είκοσι», στην εικονιστική έκφραση του νομπελίστα Φράνσις Κρικ). Επιπλέον, για το σχηματισμό συμπλόκων (ολιγομερών) πρωτεϊνών, είναι απαραίτητο να σχηματιστούν ειδικοί δεσμοί μεταξύ μεμονωμένων πρωτομερών (για παράδειγμα, σε ένα μόριο αιμοσφαιρίνης υπάρχουν τέσσερα πρωτομερή, δηλαδή αλυσίδες που συντίθενται χωριστά). Για πολλές πρωτεΐνες, ειδικά ένζυμα, η προσθήκη μιας προσθετικής ομάδας, δηλαδή ενός μη πρωτεϊνικού συστατικού, είναι σημαντική. Μπορεί επίσης να συμβούν και άλλοι μετασχηματισμοί.
Πολλά άλλα μοτίβα αναδίπλωσης πρωτεΐνης είναι γνωστά. Το πέπλο της μυστικότητας αίρεται σταδιακά. Ωστόσο, η εικόνα απέχει ακόμη πολύ από την ολοκλήρωση. Η επιτυχία στην πρόβλεψη δομών ήταν μέχρι στιγμής μόνο σποραδική. Από αυτή την άποψη, η επιστημονική κοινότητα έκανε το επόμενο ενδιαφέρον βήμα: προσέλκυσε το ευρύ κοινό να λύσει το ζήτημα δημιουργώντας ένα παιχνίδι FoldIt, . Οποιοσδήποτε μπορεί να λάβει μέρος στον παγκόσμιο διαγωνισμό. Η ουσία του παιχνιδιού είναι να διπλώσει την πρωτεϊνική αλυσίδα όσο το δυνατόν πιο συμπαγή, δηλαδή να φέρει το μόριο πρωτεΐνης σε μια κατάσταση στην οποία υπάρχει όσο το δυνατόν λιγότερος ελεύθερος χώρος μέσα στο σπειράμα - αυτή είναι ακριβώς η μορφή με την οποία είναι οι πρωτεΐνες υπάρχουν στη φύση (Εικ. 6). Από την άποψη της θερμοδυναμικής, αυτή η κατάσταση αντιστοιχεί σε μια ελάχιστη ελεύθερη ενέργεια, . Όσο πιο συμπαγές είναι το μόριο, τόσο λιγότερες κοιλότητες και ανοιχτές υδρόφοβες περιοχές, τόσο πιο ανοιχτές υδρόφιλες περιοχές, δεσμοί υδρογόνου σε δομές όπως β-φύλλα, όσο λιγότερες «συγκρούσεις» ατόμων, τόσο περισσότεροι βαθμοί απονέμονται στον παίκτη. Έτσι, το μοντέλο με τη χαμηλότερη ελεύθερη ενέργεια παίρνει την υψηλότερη βαθμολογία. Οι περισσότεροι παίκτες FoldItέχουν ελάχιστη ή καθόλου βιοχημική κατάρτιση. Το παιχνίδι βασίζεται σε αλγόριθμους Rosetta και δεν είναι προσομοίωση δομών de novo, που, όπως πολύ σωστά σημειώνουν οι συγγραφείς, παραμένει ένα εξαιρετικά δύσκολο πρόβλημα.
Εικόνα 6. Σύγκριση διαφορετικών μορφών αναπαράστασης μοντέλων δομής πρωτεΐνης (χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μιας από τις ανθρώπινες τρανσφεράσες). ΕΝΑ - Ένα έντυπο που δείχνει ξεκάθαρα τους τύπους των δευτερογενών κατασκευών. σι - Μια φόρμα που δείχνει την πραγματική θέση των ατόμων ενός μορίου πρωτεΐνης στο διάστημα ( Γέμισμα χώρου). Φαίνεται ξεκάθαρα ότι τα μόρια πρωτεΐνης είναι πολύ συμπαγή, με μικρό ελεύθερο χώρο μεταξύ των ατόμων.
Βάση δεδομένων PDB (PDB ID 5CU6)
Ομάδα παικτών FoldItλαμβάνει μέρος στο CASP. Το παιχνίδι έχει ήδη αποδειχθεί αποτελεσματικό στην πρόβλεψη δομών και ακόμη καλύτερο από άλλες μεθόδους, και έχει επίσης λύσει ένα σοβαρό επιστημονικό πρόβλημα σχετικά με τη δομή της πρωτεάσης του ιού ανοσοανεπάρκειας πιθήκου, το οποίο η επιστήμη δεν ήταν σε θέση να λύσει για περισσότερο από μια δεκαετία.
Όταν μιλάμε για τη χρήση διαφορετικών μεθόδων και εργαλείων για την επίλυση του υπό συζήτηση προβλήματος, θα πρέπει πάντα να θυμάστε ότι δεν μπορούν όλες οι ακολουθίες να διπλωθούν με αυστηρά καθορισμένο τρόπο. Είναι πιθανό ότι όταν εξετάζουμε τα αποτελέσματα που έχει επιτύχει η εξέλιξη μέχρι τώρα, βλέπουμε μόνο ακολουθίες που μπορούν να διπλωθούν επειδή έχουν εκτελέσει καλά τις λειτουργίες τους και έχουν ευνοηθεί από την επιλογή.
Μιλώντας για την αναδίπλωση, εστιάσαμε στη σχετική αυτονομία αυτής της διαδικασίας: το μόριο πρωτεΐνης παίρνει μια ορισμένη διαμόρφωση με βάση την πρωταρχική του δομή, και αυτό συμβαίνει κάτω από συγκεκριμένες (και σημαντικές) φυσικοχημικές συνθήκες (οξύτητα, θερμοκρασία, φύση του διαλύτη κ.λπ.). ). Ωστόσο, δεν πρέπει να δίνεται η εντύπωση ότι το δίπλωμα είναι εντελώς ανεξάρτητο, ειδικά για μεγάλες πρωτεΐνες. Απλώς αναφέραμε το ένζυμο PDI, το οποίο βοηθά την πρωτεΐνη να διπλώνεται σωστά. Εκτός από αυτό το ένζυμο, υπάρχουν και άλλα (για παράδειγμα, ΡΡΙ - πεπτιδυλ-προλυλ-cis/trans-ισομεράση, ). Όμως τα ένζυμα δεν είναι η μόνη ομάδα πρωτεϊνών που βοηθούν άλλες πρωτεΐνες να διπλώνουν σωστά. Υπάρχει μια άλλη ειδική ομάδα πρωτεϊνών που παίζουν σημαντικό ρόλο στο δίπλωμα. Ονομάζονται συνοδοί.
Chaperones- σύνθετες πρωτεΐνες με συντηρητικό (δηλαδή εξελικτικά χαμηλής μεταβλητής) μηχανισμό δράσης, που βρίσκονται σε όλα τα βασίλεια της ζωντανής φύσης. Αυτό είναι κατανοητό: ο ρόλος τους στη ζωή του κυττάρου είναι τεράστιος. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ωρίμανση πρωτεϊνική αλυσίδα εξέρχεται από το ριβόσωμα. Είναι ακόμη ανώριμο, αλλά βρίσκεται στη λεγόμενη «λιωμένη» κατάσταση. Τέτοια ανώριμα μόρια είναι επιρρεπή σε περιβαλλοντικές επιδράσεις: μπορούν να αλληλεπιδράσουν με άλλες κυτταρικές πρωτεΐνες για να σχηματίσουν συσσωματώματα, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ ή το Πάρκινσον. Αλλά υπάρχει επίσης μια «σωστή» κατεύθυνση προς την οποία μπορεί (και πρέπει) να κατευθυνθεί η ανάπτυξη πρωτεΐνης - η διαδρομή που θα οδηγήσει το λιωμένο σφαιρίδιο στη φυσική του κατάσταση. Εδώ βοηθούν οι συνοδοί, «παραμονεύουν» και συλλαμβάνουν αλυσίδες πρωτεΐνης στην ίδια την έξοδο από τη ριβοσωμική σήραγγα και κατευθύνουν έτσι τις ανώριμες πρωτεΐνες που βρίσκονται σε ένα μοιραίο σταυροδρόμι προς τη σωστή κατεύθυνση. Οι Chaperones ονομάζονται έτσι για έναν λόγο: προηγουμένως στην Αγγλία αυτό ήταν το όνομα μιας ηλικιωμένης, έμπειρης κυρίας που συνόδευε μια νεαρή κοπέλα που πρωτοεμφανίστηκε στον κόσμο υπό την ηγεσία της και την κράτησε από άσκοπες επαφές. (Ο όρος «συνοδός» εξακολουθεί να χρησιμοποιείται με παρόμοιες έννοιες.) Οι συνοδηγοί δεν είναι ειδικοί για διαφορετικές αλληλουχίες αμινοξέων εκκολαπτόμενων αλυσίδων, αλλά μπορούν να διακρίνουν τις ώριμες πρωτεΐνες από τις ανώριμες και να δρουν στις τελευταίες.
Η πιο σημαντική ομάδα συνοδών είναι σαπερονίνες. Η δομή τους είναι ενδιαφέρουσα: είναι βαρέλια που αποτελούνται από δύο δακτυλίους. Η αναδιπλούμενη πρωτεΐνη εισέρχεται στη σαπερονίνη και η «είσοδος» κλείνεται με ένα ειδικό «καπάκι» ή κλείνοντας τις άκρες των μπλοκ που αποτελούν τους δακτυλίους έτσι ώστε το μόριο πρωτεΐνης να μην εγκαταλείψει πρόωρα τη σαπερονίνη (Εικ. 7). Σε αυτή την προστατευμένη κατάσταση, η πρωτεΐνη μπορεί τελικά να λάβει τη φυσική της διαμόρφωση. Οι διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στα βαρέλια της σαπερονίνης είναι ακόμη ελάχιστα κατανοητές.
Εικόνα 7. Σχηματική αναπαράσταση δύο τύπων σαπερονινών - I και II. ΕΝΑ - Οι σαπερονίνες τύπου Ι είναι χαρακτηριστικές των βακτηρίων (chaperone GroELέχει τη δομή ενός βαρελιού που αποτελείται από δύο δακτυλίους, ο καθένας με 7 «μπλοκ». μέσα στη σαπερονίνη υπάρχει ένας θάλαμος στον οποίο συμβαίνει η μετατροπή του τηγμένου σφαιριδίου σε φυσικό. το βαρέλι είναι κλειστό με ένα "καπάκι" - GroES); σι - Σαπερονίνες τύπου ΙΙ, χαρακτηριστικές των αρχαίων και των ευκαρυωτών (εδώ, καθένας από τους δύο δακτυλίους αποτελείται από 8 "μπλοκ", ο θάλαμος κλείνει όχι με την τοποθέτηση ενός "καπακιού", αλλά από τον μηχανισμό του φακού της κάμερας).
Πρέπει να ειπωθεί ότι οι συνοδοί όχι μόνο συμμετέχουν στην αναδίπλωση των αλυσίδων ωρίμανσης, αλλά βοηθούν επίσης τις «σπασμένες» πρωτεϊνικές δομές που προέκυψαν στο κύτταρο ως αποτέλεσμα ορισμένων επιρροών να ξαναπάρουν τη σωστή διαμόρφωση. Η πιο χαρακτηριστική αιτία τέτοιων «βλαβών» είναι το θερμικό σοκ, δηλαδή η αύξηση της θερμοκρασίας. Από αυτή την άποψη, χρησιμοποιούνται συχνά άλλα ονόματα για συνοδούς - πρωτεΐνες θερμικού σοκ ( πρωτεΐνες θερμικού σοκ, hsp) ή πρωτεΐνες στρες. Οι συνοδοί εκτελούν άλλες σημαντικές λειτουργίες στο κύτταρο, όπως η μεταφορά πρωτεϊνών μέσω των μεμβρανών και η συναρμολόγηση ολιγομερών πρωτεϊνών.
Έτσι, για την αναδίπλωση πρωτεϊνών είναι απολύτως απαραίτητες οι ακόλουθες συνθήκες: πρωτογενής δομή, ειδικές φυσικοχημικές συνθήκες, καθώς και δύο ομάδες βοηθητικών πρωτεϊνών - συγκεκριμένα ενεργά ένζυμα και μη ειδικά λειτουργικοί συνοδόι.
Συνοψίζοντας, ας πούμε ότι η αναδίπλωση των πρωτεϊνών είναι ένα από τα κεντρικά προβλήματα της σύγχρονης βιοφυσικής. Και παρόλο που έχει συσσωρευτεί ένα μεγάλο οπλοστάσιο δεδομένων για αυτό το φαινόμενο, εξακολουθεί να είναι ελάχιστα κατανοητό, γεγονός που οδηγεί τελικά στην αδυναμία πρόβλεψης μιας τρισδιάστατης δομής με βάση την αλληλουχία αμινοξέων (αυτό ισχύει ιδιαίτερα για μεγάλα, συμπεριλαμβανομένων των ολιγομερών, πρωτεΐνες). Πρόοδος σε αυτόν τον τομέα, και ιδιαίτερα το μόντελινγκ de novo. (2005). Επιστήμη. 309
, 78–102;
Η πρωταρχική δομή μιας πρωτεΐνης σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της μετάφρασης πρωτεΐνης. Με την ολοκλήρωση της μετάφρασης, η διαδικασία σχηματισμού πρωτεΐνης δεν ολοκληρώνεται. Η πεπτιδική αλυσίδα υφίσταται χωρικές αλλαγές, οδηγώντας στην αναδίπλωση της σε μια κανονική τρισδιάστατη δομή. Αυτή η διαδικασία είναι το επόμενο στάδιο σχηματισμού πρωτεΐνης και ονομάζεται πτυσσόμενος.Η αναδίπλωση περιλαμβάνει τις διαδικασίες σχηματισμού δευτερογενών, τριτοταγών και τεταρτοταγών πρωτεϊνικών δομών. Το δίπλωμα δεν συμβαίνει ταυτόχρονα, αλλά σε πολλά στάδια. Σύμφωνα με το σχέδιο που προτείνει ο O.B. Ptitsin (1972) περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια:
Τυχαία πρωτεΐνη– η πεπτιδική αλυσίδα στην πρωτογενή δομή αμέσως μετά τη μετάφραση διπλώνεται σε μια χαλαρή μπάλα. Όλες οι συνδέσεις μεταξύ των υπολειμμάτων αμινοξέων (εκτός από το πεπτίδιο) απουσιάζουν. Μια τέτοια αλυσίδα έχει ελαστικότητα: το τέντωμα της απαιτεί την εφαρμογή δύναμης, μετά το τέλος της δύναμης η αλυσίδα επιστρέφει σε κατάσταση μπάλας.
Πρόδρομος λιωμένου σφαιριδίου– ο σχηματισμός μιας ατελούς δευτερογενούς δομής συμβαίνει λόγω της αλληλεπίδρασης όλων των λειτουργικά ενεργών ομάδων αμινοξέων, εκτός από τις ρίζες. Η αλυσίδα παίρνει μια ορισμένη χωρική δομή, αλλά ξεδιπλώνεται εν μέρει.
Λιωμένο σφαιρίδιο– σχηματίζεται η δευτερεύουσα δομή. Η συμπίεση της αλυσίδας σε ένα συμπαγές σφαιρίδιο ξεκινά λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ριζών, αλλά δεν υπάρχουν ακόμη τελικά σχηματισμένοι δεσμοί. Οι ριζοσπάστες αλληλεπιδρούν με «μόνο οποιονδήποτε», επιλέγοντας τις πιο σωστές θέσεις. Η διαμόρφωση του σφαιριδίου είναι ασταθής. Δεν υπάρχει ακόμη άκαμπτη τριτογενής δομή.
Εγγενής πρωτεΐνη– δημιουργούνται δεσμοί στο λιωμένο σφαιρίδιο:
Οι αγριόγατες σχημάτισαν τον μέγιστο δυνατό αριθμό δεσμών: η πρωτεΐνη βρίσκει τη βέλτιστα ευνοϊκή δομή.
Στις ολιγομερείς πρωτεΐνες, η αναδίπλωση ολοκληρώνει τη σύνδεση των πρωτομερών σε ολιγομερή.
Όσον αφορά το χρόνο, η αναδίπλωση ορισμένων πρωτεϊνών ξεκινά στο στάδιο μετάφρασης της πρωτεϊνοσύνθεσης και συμβαίνει καθώς αναπτύσσεται στο ριβόσωμα. Αυτή η αναδίπλωση ονομάζεται συν-μεταφραστική.Για άλλους, ξεκινά μετά τη λήξη της εκπομπής και καλείται μετα-μεταφραστική.
Αναδίπλωση μικρών μορίωνΜια πρωτεΐνη καθορίζεται από την πρωτογενή δομή μιας δεδομένης πρωτεΐνης, δηλαδή την αλληλουχία αμινοξέων στην πεπτιδική αλυσίδα, με βάση μόνο τις φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις των χημικών της ομάδων (ιδίως των ριζών). Αυτό επιβεβαιώνεται από ένα πείραμα με ριβονουκλεάση που πραγματοποιήθηκε από τον K. Anfinsen το 1973.
Ριβονουκλεάση– μια σφαιρική πρωτεΐνη που διασπά τους δεσμούς μεταξύ των νουκλεοτιδίων στο RNA. Αποτελείται από 124 αμινοξέα, μεταξύ των οποίων 8 υπολείμματα κυστεΐνης σχηματίζουν 4 δισουλφιδικούς δεσμούς: 26-84; 40-95; 58-110 και 65-72 (οι αριθμοί δείχνουν τον αριθμό των υπολειμμάτων κυστεΐνης στην αλυσίδα) (Εικ. 32).
Εικ.32. Μετουσίωση και ανανέωση της ριβονουκλεάσης. Α – φυσικό μόριο ριβονουκλεάσης, στην τριτοταγή δομή του οποίου υπάρχουν 4 δισουλφιδικοί δεσμοί. Β – μετουσιωμένο μόριο ριβονουκλεάσης. Β – φυσικό μόριο ριβονουλεάσης, στη δομή του οποίου 4 δισουλφιδικοί δεσμοί σχηματίζονται πρόσφατα μεταξύ των ίδιων υπολειμμάτων κυστεΐνης
Εάν προστεθεί ουρία (σπάζοντας δεσμούς υδρογόνου) και β-μερκαπτοαιθανόλη (θραύση δισουλφιδικών δεσμών) στο μέσο με ριβονουκλεάση, τότε η σφαιρική φυσική δομή της πρωτεΐνης καταστρέφεται ( μετουσίωση ) και σχηματίζεται η πεπτιδική αλυσίδα τυχαία μπάλα– μια τυχαία διπλωμένη πεπτιδική αλυσίδα στην πρωτογενή δομή. Η ενζυματική δραστηριότητα εξαφανίζεται λόγω της καταστροφής του ενεργού κέντρου. η πρωτεΐνη είναι στην κατάσταση που είχε πριν την αναδίπλωση. Στη συνέχεια, εάν αφαιρεθούν και οι δύο παράγοντες από το μέσο, η φυσική δομή και η ενζυματική δραστηριότητα της πρωτεΐνης αποκαθίστανται. Έτσι συμβαίνει αναγέννηση (αποκατάσταση της μετουσιωμένης πρωτεϊνικής δομής ), ανανέωση ή αναδίπλωση . Κατά συνέπεια, η αυστηρά καθορισμένη διαμόρφωση μιας πρωτεΐνης περιέχεται στην πρωτογενή δομή και, για τις μικρές πρωτεΐνες, καθορίζεται μόνο από τη φυσικοχημική αλληλεπίδραση των χημικών της ομάδων. Η πρωτεΐνη όχι μόνο «γνωρίζει» ποια χωρική διαμόρφωση να υιοθετήσει, αλλά το κάνει και εντελώς ανεξάρτητα, χωρίς πρόσθετους παράγοντες.
Ο σχηματισμός της τριτοταγούς δομής μιας πρωτεΐνης μπορεί να επηρεαστεί από τους συνδέτες της, καθώς και από τη χημική τροποποίηση των αμινοξέων.
Αναδίπλωση μεγάλων μορίωνέχει τα δικά του χαρακτηριστικά. Έτσι, μεγάλα μόρια πρωτεΐνης με υψηλό μοριακό βάρος και πολύπλοκη δομή κατά τη διαδικασία αναδίπλωσης υπό συνθήκες υψηλής συγκέντρωσης πρωτεΐνης στο κύτταρο μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους λόγω των αντιδραστικών ριζών τους. Οι υδρόφοβες ρίζες στην επιφάνεια των μορίων τείνουν να συνδυάζονται (συσσωματώνονται), γεγονός που διαταράσσει τη σωστή αναδίπλωση τους. Επομένως, κατά την αναδίπλωση, τα αντιδραστικά υπολείμματα αμινοξέων ορισμένων πρωτεϊνών πρέπει να διαχωρίζονται από τα υπολείμματα αμινοξέων άλλων πρωτεϊνών. Αυτή η λειτουργία εκτελείται βοηθητικές πρωτεΐνες. Συνδέονται με πρωτεΐνες που βρίσκονται σε ασταθή, επιρρεπή στη συσσωμάτωση κατάσταση, σταθεροποιούν τη διάταξή τους και εξασφαλίζουν τη «σωστή» αναδίπλωση τους.
Τέτοιες πρωτεΐνες ονομάζονται παράγοντες αναδίπλωσηςκαι χωρίζονται σε δύο ομάδες: αναδιπλώσεις και συνοδούς.
Ένα καταπληκτικό παιχνίδι αναπτύχθηκε από επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον (ΗΠΑ). Το πρόγραμμα, που ονομάζεται Fold.it, είναι ένα μοντέλο για την αναδίπλωση πρωτεϊνών σε τρισδιάστατες δομές. Ο παίκτης πρέπει να προσπαθήσει να το κάνει αυτό με τον πιο επιτυχημένο τρόπο. Το πρόγραμμα θα φορτωθεί με πραγματικά δεδομένα σχετικά με πραγματικές, πρόσφατα εφευρεθείσες πρωτεΐνες που δεν καταλαβαίνουν πώς διπλώνουν. Τα αποτελέσματα θα σταλούν μέσω Διαδικτύου σε ένα κέντρο επεξεργασίας, όπου θα ελεγχθούν σε έναν υπερυπολογιστή (αυτό θα συμβεί το φθινόπωρο, αλλά προς το παρόν το πρόγραμμα περιέχει ήδη λυμένους γρίφους, οπότε τώρα λειτουργεί ως προσομοιωτής).
Στην πραγματικότητα, όλοι οι παίκτες στον κόσμο μας ξοδεύουν δισεκατομμύρια εργατοώρες σε παιχνίδια όπως το WoW, το Counter-Strike ή το Solitaire που είναι άχρηστα για την ανθρωπότητα. Ταυτόχρονα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τη νοημοσύνη πιο αποτελεσματικά: για παράδειγμα, να αναδιπλώσουν πρωτεΐνες στην οθόνη της οθόνης τους. Αυτό είναι επίσης ενδιαφέρον με τον δικό του τρόπο.
Ένας από τους προγραμματιστές του παιχνιδιού, ο καθηγητής βιοχημείας David Baker, πιστεύει ειλικρινά ότι κάπου στον κόσμο υπάρχουν ταλέντα που έχουν την έμφυτη ικανότητα να υπολογίζουν τρισδιάστατα μοντέλα πρωτεϊνών στο κεφάλι τους. Κάποιο 12χρονο αγόρι από την Ινδονησία θα δει το παιχνίδι και θα μπορέσει να λύσει προβλήματα που ούτε ένας υπερυπολογιστής δεν μπορεί να κάνει. Ποιος ξέρει, ίσως υπάρχουν όντως τέτοιοι άνθρωποι;
Κάθε πρωτεΐνη (υπάρχουν περισσότεροι από 100.000 τύποι στο ανθρώπινο σώμα) είναι ένα μακρύ μόριο. Η πρόβλεψη σε ποιο περίπλοκο σχήμα θα αναδιπλωθεί αυτό το μόριο κάτω από ορισμένες συνθήκες (και εάν είναι καν ικανό να αναδιπλωθεί σε οποιαδήποτε σταθερή μορφή) είναι ένα έργο υψηλού βαθμού πολυπλοκότητας. Η μοντελοποίηση ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι μια διαδικασία έντασης πόρων, αλλά ταυτόχρονα κρίσιμης σημασίας για τα φαρμακευτικά προϊόντα. Εξάλλου, χωρίς να γνωρίζουμε το σχήμα μιας πρωτεΐνης, είναι αδύνατο να μοντελοποιήσουμε τις ιδιότητές της. Εάν αυτές οι ιδιότητες είναι χρήσιμες, τότε οι πρωτεΐνες μπορούν να συντεθούν και νέα αποτελεσματικά φάρμακα μπορούν να παρασκευαστούν στη βάση τους, για παράδειγμα, για τη θεραπεία του καρκίνου ή του AIDS (το βραβείο Νόμπελ είναι εγγυημένο και στις δύο περιπτώσεις).
Επί του παρόντος, εκατοντάδες χιλιάδες υπολογιστές εργάζονται σε ένα κατανεμημένο δίκτυο υπολογιστών για να υπολογίσουν το μοντέλο κάθε νέου μορίου πρωτεΐνης, αλλά επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον προτείνουν μια άλλη μέθοδο: όχι μια ανόητη αναζήτηση όλων των επιλογών, αλλά διανοητικό καταιγισμό ιδεών μέσω ενός παιχνιδιού υπολογιστή . Ο αριθμός των επιλογών μειώνεται κατά μια τάξη μεγέθους και ο υπερυπολογιστής θα βρει τις σωστές παραμέτρους αναδίπλωσης πολύ πιο γρήγορα.
Η τρισδιάστατη «ψυχαγωγία» Fold.it μπορεί να παιχτεί από όλους: ακόμη και παιδιά και γραμματείς που δεν έχουν ιδέα για τη μοριακή βιολογία. Οι προγραμματιστές προσπάθησαν να κάνουν αυτό το παιχνίδι έτσι ώστε να είναι ενδιαφέρον για όλους. Και το αποτέλεσμα του παιχνιδιού μπορεί κάλλιστα να γίνει η βάση για ένα βραβείο Νόμπελ και να σώσει τις ζωές χιλιάδων ανθρώπων.
Το πρόγραμμα κυκλοφορεί σε εκδόσεις για Win και Mac. Μπορεί να γίνει διανομή 53 MB
Αφού η πεπτιδική αλυσίδα φύγει από το ριβόσωμα, πρέπει να πάρει τη βιολογικά ενεργή της μορφή, δηλ. κουλουριαστείτε με συγκεκριμένο τρόπο, συνδέστε οποιεσδήποτε ομάδες κ.λπ. Οι αντιδράσεις που μετατρέπουν ένα πολυπεπτίδιο σε ενεργή πρωτεΐνη ονομάζονται επεξεργασίαή μετα-μεταφραστική τροποποίηση των πρωτεϊνών.
Οι κύριες αντιδράσεις επεξεργασίας περιλαμβάνουν:
1. Μετακίνησηαπό το Ν-άκρο της μεθειονίνης ή ακόμη και πολλά αμινοξέα από συγκεκριμένες αμινοπεπτιδάσες.
2. Εκπαίδευση δισουλφιδικές γέφυρεςμεταξύ των υπολειμμάτων κυστεΐνης.
3. Μερική πρωτεόλυση– αφαίρεση μέρους της πεπτιδικής αλυσίδας, όπως συμβαίνει με την ινσουλίνη ή τα πρωτεολυτικά ένζυμα του γαστρεντερικού σωλήνα.
4. Ένταξη χημική ομάδαστα υπολείμματα αμινοξέων της πρωτεϊνικής αλυσίδας:
5. Ενεργοποιήστε προσθετικήομάδες:
6. Σύλλογος πρωτομερώνσε μια μοναδική ολιγομερή πρωτεΐνη, για παράδειγμα, αιμοσφαιρίνη, κολλαγόνο, γαλακτική αφυδρογονάση, κινάση κρεατίνης.
Η αναδίπλωση είναι η διαδικασία διευθέτησης μιας επιμήκους πολυπεπτιδικής αλυσίδας σε μια κανονική τρισδιάστατη χωρική δομή. Για να εξασφαλιστεί η αναδίπλωση, μια ομάδα βοηθητικών πρωτεϊνών που ονομάζονται συνοδοί ( συνοδός, Γαλλική γλώσσα - σύντροφος, νταντά). Αποτρέπουν την αλληλεπίδραση των νεοσυντιθεμένων πρωτεϊνών μεταξύ τους, απομονώνουν τις υδρόφοβες περιοχές των πρωτεϊνών από το κυτταρόπλασμα και τις «αφαιρούν» μέσα στο μόριο και τοποθετούν σωστά τις πρωτεϊνικές περιοχές.
Βιολογική χημεία Lelevich Vladimir Valeryanovich
Η αναδίπλωση πρωτεΐνης είναι η διαδικασία αναδίπλωσης μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας στη σωστή χωρική δομή. Σε αυτή την περίπτωση, μακρινά υπολείμματα αμινοξέων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας φέρονται πιο κοντά, οδηγώντας στο σχηματισμό μιας φυσικής δομής. Αυτή η δομή έχει μοναδική βιολογική δραστηριότητα. Επομένως, η αναδίπλωση είναι ένα σημαντικό στάδιο στη μετατροπή της γενετικής πληροφορίας στους μηχανισμούς λειτουργίας των κυττάρων.
Δομή και λειτουργικός ρόλος των συνοδών στην αναδίπλωση πρωτεΐνης
Κατά τη σύνθεση πολυπεπτιδικών αλυσίδων, τη μεταφορά τους μέσω μεμβρανών και κατά τη συναρμολόγηση ολιγομερών πρωτεϊνών, προκύπτουν ενδιάμεσες ασταθείς διαμορφώσεις που είναι επιρρεπείς σε συσσωμάτωση. Το νεοσυντιθέμενο πολυπεπτίδιο έχει πολλές υδρόφοβες ρίζες, οι οποίες είναι κρυμμένες μέσα στο μόριο σε μια τρισδιάστατη δομή. Επομένως, κατά τον σχηματισμό της φυσικής διαμόρφωσης, τα αντιδραστικά υπολείμματα αμινοξέων ορισμένων πρωτεϊνών πρέπει να διαχωριστούν από τις ίδιες ομάδες άλλων πρωτεϊνών.
Σε όλους τους γνωστούς οργανισμούς, από προκαρυώτες έως ανώτερους ευκαρυώτες, έχουν βρεθεί πρωτεΐνες που μπορούν να συνδεθούν με πρωτεΐνες που βρίσκονται σε ασταθή κατάσταση επιρρεπείς σε συσσωμάτωση. Είναι σε θέση να σταθεροποιήσουν τη διαμόρφωσή τους, εξασφαλίζοντας αναδίπλωση πρωτεΐνης. Αυτές οι πρωτεΐνες ονομάζονται συνοδούς.
Ταξινόμηση συνοδών (III)
Σύμφωνα με το μοριακό βάρος, όλοι οι συνοδοί μπορούν να χωριστούν σε 6 κύριες ομάδες:
1. Υψηλό μοριακό βάρος, με μοριακό βάρος από 100 έως 110 kDa.
2. Sh-90 – με μοριακό βάρος από 83 έως 90 kDa.
3. Sh-70 – με μοριακό βάρος από 66 έως 78 kDa.
6. Συνοδούς χαμηλού μοριακού βάρους με μοριακό βάρος από 15 έως 30 kDa.
Μεταξύ των συνοδών διακρίνονται: οι συστατικές πρωτεΐνες (η υψηλή βασική σύνθεση των οποίων δεν εξαρτάται από τις επιδράσεις του στρες στα κύτταρα του σώματος) και οι επαγώγιμες πρωτεΐνες, η σύνθεση των οποίων είναι αδύναμη υπό κανονικές συνθήκες, αλλά αυξάνεται απότομα υπό την επίδραση στρες στο κελί. Οι επαγώγιμες συνοδούς ανήκουν στις «πρωτεΐνες θερμικού σοκ», η ταχεία σύνθεση των οποίων παρατηρείται σχεδόν σε όλα τα κύτταρα που εκτίθενται σε οποιοδήποτε στρες. Το όνομα «πρωτεΐνες θερμικού σοκ» προέκυψε από το γεγονός ότι αυτές οι πρωτεΐνες ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά σε κύτταρα που εκτέθηκαν σε υψηλές θερμοκρασίες.
Ο ρόλος των συνοδών στην αναδίπλωση πρωτεΐνης
Κατά τη διάρκεια της πρωτεϊνικής σύνθεσης, η Ν-τερματική περιοχή του πολυπεπτιδίου συντίθεται νωρίτερα από την Ο-τερματική περιοχή. Για να σχηματιστεί η διαμόρφωση μιας πρωτεΐνης, απαιτείται η πλήρης αλληλουχία αμινοξέων της. Επομένως, κατά τη σύνθεση πρωτεϊνών στο ριβόσωμα, η προστασία των αντιδραστικών ριζών (ιδιαίτερα των υδρόφοβων) πραγματοποιείται από το Sh-70.
Το Sh-70 είναι μια εξαιρετικά διατηρημένη κατηγορία πρωτεϊνών που υπάρχει σε όλα τα μέρη του κυττάρου: κυτταρόπλασμα, πυρήνας, μιτοχόνδρια.
Η αναδίπλωση πολλών υψηλομοριακών πρωτεϊνών με σύνθετη διαμόρφωση (για παράδειγμα, δομή τομέα) συμβαίνει σε έναν ειδικό χώρο που σχηματίζεται από το Sh-60. Το Sh-60 λειτουργεί ως ένα ολιγομερές σύμπλοκο που αποτελείται από 14 υπομονάδες.
Το σύμπλεγμα chaperone έχει υψηλή συγγένεια με πρωτεΐνες, στην επιφάνεια των οποίων υπάρχουν στοιχεία χαρακτηριστικά των ξεδιπλωμένων μορίων (κυρίως περιοχές εμπλουτισμένες σε υδρόφοβες ρίζες). Μόλις βρεθεί στην κοιλότητα του συμπλέγματος συνοδών, η πρωτεΐνη συνδέεται με υδρόφοβες ρίζες των κορυφαίων τμημάτων του Sh-60. Στο συγκεκριμένο περιβάλλον αυτής της κοιλότητας, σε απομόνωση από άλλα μόρια του κυττάρου, εμφανίζεται μια επιλογή πιθανών πρωτεϊνικών διαμορφώσεων μέχρι να βρεθεί μια ενιαία, ενεργειακά πιο ευνοϊκή διαμόρφωση.
Η απελευθέρωση της πρωτεΐνης με τη σχηματισμένη φυσική διαμόρφωση συνοδεύεται από υδρόλυση ΑΤΡ στον ισημερινό τομέα. Εάν η πρωτεΐνη δεν έχει αποκτήσει τη φυσική της διαμόρφωση, τότε έρχεται σε επαναλαμβανόμενη επαφή με το σύμπλεγμα συνοδών. Αυτή η αναδίπλωση πρωτεΐνης που εξαρτάται από τον συνοδό απαιτεί περισσότερη ενέργεια.
Έτσι, η σύνθεση και η αναδίπλωση των πρωτεϊνών συμβαίνει με τη συμμετοχή διαφορετικών ομάδων συνοδών, οι οποίες αποτρέπουν ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνών με άλλα κυτταρικά μόρια και τις συνοδεύουν μέχρι τον τελικό σχηματισμό της φυσικής δομής.
Ο ρόλος των συνοδών στην προστασία των πρωτεϊνών των κυττάρων από τις επιρροές του στρες μετουσίωσης
Οι συνοδηγοί που εμπλέκονται στην προστασία των κυτταρικών πρωτεϊνών από μετουσιωτικές επιδράσεις, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ταξινομούνται ως πρωτεΐνες θερμικού σοκ (HSPs) και αναφέρονται συχνά στη βιβλιογραφία ως HSPs (πρωτεΐνες θερμικού σοκ).
Υπό την επίδραση διαφόρων παραγόντων στρες (υψηλή θερμοκρασία, υποξία, μόλυνση, υπεριώδη ακτινοβολία, αλλαγές στο pH του περιβάλλοντος, αλλαγές στη μοριακότητα του περιβάλλοντος, επίδραση τοξικών χημικών, βαρέων μετάλλων κ.λπ.), η σύνθεση Τα HSP στα κύτταρα αυξάνονται. Έχοντας υψηλή συγγένεια με τις υδρόφοβες περιοχές των μερικώς μετουσιωμένων πρωτεϊνών, μπορούν να αποτρέψουν την πλήρη μετουσίωσή τους και να αποκαταστήσουν τη φυσική διαμόρφωση των πρωτεϊνών.
Έχει διαπιστωθεί ότι το βραχυπρόθεσμο στρες αυξάνει την παραγωγή HSP και αυξάνει την αντίσταση του οργανισμού στο μακροχρόνιο στρες. Έτσι, η βραχυχρόνια ισχαιμία του καρδιακού μυός κατά το τρέξιμο με μέτρια προπόνηση αυξάνει σημαντικά την αντίσταση του μυοκαρδίου στη μακροχρόνια ισχαιμία. Επί του παρόντος, πολλά υποσχόμενη έρευνα στην ιατρική είναι η αναζήτηση φαρμακολογικών και μοριακών βιολογικών μεθόδων για την ενεργοποίηση της σύνθεσης HSP στα κύτταρα.
Ασθένειες που σχετίζονται με λανθασμένη αναδίπλωση πρωτεΐνης
Οι υπολογισμοί έχουν δείξει ότι μόνο ένα μικρό μέρος των θεωρητικά πιθανών παραλλαγών πολυπεπτιδικών αλυσίδων μπορεί να λάβει μια σταθερή χωρική δομή. Οι περισσότερες από αυτές τις πρωτεΐνες μπορούν να λάβουν πολλές διαμορφώσεις με περίπου την ίδια ενέργεια Gibbs, αλλά με διαφορετικές ιδιότητες. Η πρωτογενής δομή των περισσότερων γνωστών πρωτεϊνών που επιλέγονται από την εξέλιξη παρέχει εξαιρετική σταθερότητα σε μία μόνο διαμόρφωση.
Ωστόσο, ορισμένες υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες, όταν αλλάζουν οι συνθήκες, μπορούν να αποκτήσουν τη διαμόρφωση κακώς διαλυτών μορίων ικανών να συσσωρεύονται, σχηματίζοντας ινώδεις εναποθέσεις σε κύτταρα που ονομάζονται αμυλοειδές (από το λατινικό amylum - άμυλο). Ακριβώς όπως το άμυλο, οι εναποθέσεις αμυλοειδούς ανιχνεύονται με τη χρώση του ιστού με ιώδιο.
Αυτό μπορεί να συμβεί:
1. με υπερπαραγωγή ορισμένων πρωτεϊνών, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η συγκέντρωσή τους στο κύτταρο.
2. όταν πρωτεΐνες εισέρχονται στα κύτταρα ή σχηματίζονται σε αυτά που μπορούν να επηρεάσουν τη διαμόρφωση άλλων μορίων πρωτεΐνης.
3. με την ενεργοποίηση της πρωτεόλυσης φυσιολογικών πρωτεϊνών του σώματος, με το σχηματισμό αδιάλυτων θραυσμάτων επιρρεπών σε συσσωμάτωση.
4. ως αποτέλεσμα σημειακών μεταλλάξεων στη δομή της πρωτεΐνης.
Ως αποτέλεσμα της εναπόθεσης αμυλοειδούς σε όργανα και ιστούς, η δομή και η λειτουργία των κυττάρων διαταράσσονται, παρατηρούνται εκφυλιστικές αλλαγές και πολλαπλασιασμός των κυττάρων του συνδετικού ιστού. Αναπτύσσονται ασθένειες που ονομάζονται αμυλοείδωση. Κάθε τύπος αμυλοείδωσης χαρακτηρίζεται από έναν συγκεκριμένο τύπο αμυλοειδούς. Επί του παρόντος, έχουν περιγραφεί περισσότερες από 15 τέτοιες ασθένειες.
