مقاله برای مسابقه "بیو/مول/متن": پروتئین ها مولکول های اصلی بیولوژیکی هستند. آنها عملکردهای مختلفی را انجام می دهند: کاتالیزوری، ساختاری، انتقال، گیرنده و بسیاری دیگر. حتی DNA شناخته شده تنها نقش یک "درایو فلش" را ایفا می کند و اطلاعات مربوط به پروتئین ها را ذخیره می کند، در حالی که پروتئین ها خود "فایل ها" هستند. زندگی روی زمین را به درستی می توان پروتئین نامید. اما چقدر در مورد ساختار و عملکرد این مواد می دانیم؟ تا به حال، تا شدن پروتئین یک راز باقی مانده است - فرآیند بسته بندی فضایی یک مولکول پروتئین، پذیرش توسط یک پروتئین به شکل کاملاً تعریف شده که در آن عملکردهای خود را انجام می دهد.

اسپانسر کل مسابقه طبق کراودفاندینگ ما یک کارآفرین بود کنستانتین سینیوشین، که احترام انسانی زیادی برای آن قائل است!

اسپانسر جایزه مخاطبان شرکت اطلس بود.

اسپانسر این مقاله لو ماکاروف است.

پروتئین ها پلیمرهای زیستی هستند که می توان آنها را با دانه ها مقایسه کرد، جایی که مهره ها اسیدهای آمینه هستند که توسط پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل می شوند (از این رو نام دیگری برای پروتئین ها - پلی پپتیدها) وجود دارد. در سلول، پروتئین ها بر روی ماشین های مولکولی ویژه - ریبوزوم ها سنتز می شوند. با بیرون آمدن از ریبوزوم، زنجیره پلی پپتیدی چین خورده، و پروتئین یک ترکیب خاص، یعنی یک ساختار فضایی به خود می گیرد (شکل 1). بسیار مهم است که پروتئین به شکل خاصی در بدن وجود داشته باشد، یعنی ترکیب باید "درست" (بومی) باشد. فرآیند تا شدن پروتئین را فولدینگ می گویند. تاشو- تاشو، تخمگذار؛ توجه داشته باشید که اصطلاح "تا کردن" نه تنها برای پروتئین ها قابل استفاده است). جالب ترین چیز این است که اطلاعات مربوط به ساختار سه بعدی در خود توالی اسید آمینه "جاسازی" شده است. بنابراین، برای اینکه یک پروتئین ساختار بومی خود را بپذیرد، فقط باید «بداند» با چه توالی و چه بقایای اسید آمینه در آن وجود دارد. این اولین بار در سال 1961 توسط کریستین آنفینسن با استفاده از مثال ریبونوکلئاز پانکراس گاوی ثابت شد (شکل 2). باید گفت که علاوه بر پروتئین هایی که ساختار فضایی آنها به طور دقیق توسط توالی اسید آمینه تعیین می شود، پروتئین های به اصطلاح بدون ساختار نیز وجود دارند. پروتئین های ذاتا باز شده، IDPs): برخی از قطعات این مولکول ها، و گاهی اوقات کل مولکول ها، می توانند به طور همزمان بسیاری از ترکیبات ممکن را به خود بگیرند، که همه آنها از نظر انرژی "معادل" هستند و چنین پروتئین هایی در طبیعت کاملاً رایج هستند و عملکردهای مهمی را انجام می دهند. نوع دیگری از چین خوردگی وجود دارد که با کمک پروتئین های خاص رخ می دهد - چاپرون ها، اما بعداً در مورد آن بیشتر می شود.

شکل 1. چین‌خوردگی هم‌ترجمه‌ای یک دامنه کوچک α-مارپیچ.تا شدن زنجیره پلی پپتیدی بسیاری از پروتئین ها از قبل در ریبوزوم در طی ترجمه پروتئین (یعنی سنتز آن) آغاز می شود. پروتئین در حال بلوغ از طریق یک تونل خاص (منطقه سایه دار در زیر واحد بزرگ در شکل) از ریبوزوم خارج می شود، که یک عامل مهم در چین خوردگی زنجیره است، با انتهای C زنجیره (حاوی گروه کربوکسیل) در ریبوزوم ثابت شده است. و انتهای N (حاوی گروه آمینه) "به سمت خروجی" "پیشرفته" می شود و زمانی که 30 تا 40 باقی مانده اسید آمینه در تونل جمع می شود از آن "آویزان" می شود. ساختارهای نابالغ فشرده، مارپیچ های α، گیره های موی β، و حوزه های کوچک α-مارپیچ می توانند در تونل تشکیل شوند. تا شدن همترجمه در دو مرحله اتفاق می افتد: اول، زنجیره باز شده ( U، آشکار شد) به حالت فشرده می رود ( C، فشرده) که سپس ساختار بومی را بدست می آورد ( ن، بومی).

شکل 2. ریبونوکلئاز پانکراس گاوی و دانشمندانی که آن را مطالعه کردند. آ - ریبونوکلئاز پانکراس گاوی. آنفینسن برای مطالعه ساختار این آنزیم ( آنفینسن) (ب )، مور ( مور) (V ) و استین (استاین) (جی ) جایزه نوبل شیمی (1972) را دریافت کرد. با استفاده از این پروتئین به عنوان مثال، پدیده تا کردن مجدد برای اولین بار نشان داده شد - تشکیل خود به خود یک ساختار سوم پس از دناتوره شدن (یعنی تخریب). اهمیت تاخوردگی پروتئین این است که منجر به تشکیل یک ساختار پروتئینی کاملاً تعریف شده (بومی) می شود که در آن عمل می کند. به عنوان مثال، در آزمایش آنفینسن، ریبونوکلئاز، در نتیجه تا کردن مجدد، فعالیت آنزیمی خود را احیا کرد، یعنی دوباره شروع به کاتالیز کردن یک واکنش بیوشیمیایی به خوبی کرد. برای اینکه این آنزیم کار کند، پنج باقیمانده اسید آمینه باید در یک مرکز کاتالیزوری واحد (یک قطعه فضا) از مکان‌های کاملاً متفاوت در زنجیره پروتئین جمع شوند: هیستیدین (12)، لیزین (41)، ترئونین (47)، هیستیدین. (119) و فنیل آلانین (120).

مدل از پایگاه داده PDB (PDB ID 5D6U)، پرتره های دانشمندان از سایت ru.wikipedia.org

مرتبط بودن مشکل

مشکل اینجاست که بشر، با تمام قدرت محاسباتی و زرادخانه داده های تجربی خود، هنوز یاد نگرفته است که مدل هایی بسازد که فرآیند تاخوردگی پروتئین را توصیف کند و ساختار سه بعدی یک پروتئین را بر اساس ساختار اولیه آن پیش بینی کند (یعنی ، دنباله اسید آمینه). بنابراین، هنوز درک کاملی از این فرآیند فیزیکی وجود ندارد.

انفجار پروژه‌های ژنومی منجر به توالی‌یابی ژنوم‌های بیشتری شده و توالی‌های DNA و RNA مربوط به پایگاه‌های داده با سرعت نمایی پر می‌شوند. در شکل شکل 3 افزایش تعداد توالی اسیدهای آمینه و همچنین افزایش تعداد ساختارهای پروتئینی شناخته شده را در بازه زمانی 1996 تا 2007 نشان می دهد. به وضوح مشاهده می شود که تعداد ساختارهای شناخته شده بسیار کمتر از تعداد دنباله ها است. در زمان نگارش این مقاله (آگوست 2016)، تعداد توالی ها در پایگاه داده UniParc بیش از 124 میلیون است، در حالی که تعداد ساختارها در پایگاه داده PDB ( بانک اطلاعات پروتئین) - فقط کمی بیشتر از 121 هزار، که کمتر از 0.1٪ از تمام توالی های شناخته شده است، و شکاف بین این دو شاخص به سرعت در حال رشد است و احتمالاً به رشد خود ادامه خواهد داد. این تاخیر زیاد به دلیل پیچیدگی نسبی روش های مدرن برای تعیین سازه است. در عین حال شناخت آنها بسیار مهم است. بنابراین، موضوع استفاده از روش‌های محاسباتی برای پیش‌بینی ساختارهای پروتئینی از روی توالی‌های آنها در حال حاضر ضروری است. در سال 2005 مجله معتبر علوم پایهمشکل تاخوردگی پروتئین را یکی از 125 مشکل بزرگ در علم مدرن تشخیص داد.

شکل 3. مقایسه نرخ رشد در تعداد توالی ها و ساختارهای شناخته شده از سال 1996 تا 2007.سال ها روی محور افقی و تعداد دنباله ها بر حسب میلیون در محور عمودی سمت چپ نشان داده شده است. خط توپر، در سمت راست عمودی - تعداد سازه ها در میلیون ها ( خط نقطه چین). شکاف بین تعداد ساختارهای شناخته شده و تعداد دنباله ها به وضوح قابل مشاهده است. در حال حاضر، شکاف حتی بیشتر شده است.

پس از مطالعه ژنوم انسان، بسیاری از ژن های انسانی و در نتیجه توالی اسید آمینه ای که آنها رمزگذاری می کنند، شناخته شدند. با این حال، این بدان معنا نیست که ما عملکرد همه ژن ها را می دانیم؛ به عبارت دیگر، عملکرد پروتئین های کدگذاری شده توسط این ژن ها را نمی دانیم. مشخص است که از بسیاری جهات عملکرد پروتئین ها را می توان با ساختار آنها پیش بینی کرد، اگرچه نه همیشه. بنابراین، رویای گرامی توانایی پیش بینی ساختار و در نتیجه عملکرد یک پروتئین از توالی نوکلئوتیدی خود ژن است.

برای حل مشکل چه کاری انجام می شود؟

با این حال، این اشتباه است که فکر کنیم ما اصلاً چیزی نمی دانیم. البته تعداد زیادی حقایق در مورد تاشو جمع آوری شده است، الگوهای این فرآیند شناخته شده است و روش های مختلفی برای مدل سازی آن ایجاد شده است. برای ردیابی پیشرفت انجام شده در جهت حل مشکل چین خوردگی، یک مسابقه بین المللی برای پیش بینی ساختار فضایی مولکول های پروتئین ایجاد شد - CASP ( ارزیابی انتقادی تکنیک‌های پیش‌بینی ساختار پروتئین)، هر دو سال یک بار برگزار می شود (مسابقه اکنون برای دوازدهمین بار برگزار می شود، از آوریل آغاز شد و در دسامبر 2016 به پایان می رسد). در این مسابقه، محققان برای اینکه ببینند چه کسی می‌تواند ساختار یک پروتئین را از روی توالی اسید آمینه آن به بهترین شکل پیش‌بینی کند، رقابت می‌کنند و رقابت با استفاده از روش دوسوکور (در زمان مسابقه، ساختار پروتئین «معمایی» انجام می‌شود. به سادگی ناشناخته است؛ هر بار که مسابقه به پایان می رسد، تعیین آن تکمیل می شود). تاکنون، ساختار پروتئین های هدف هرگز به طور دقیق پیش بینی نشده است.

دو گروه از روش های پیش بینی ساختار وجود دارد.

به اولینشامل به اصطلاح روش های مدل سازی از ابتدا (از ابتدا، از نو، اصطلاحات مترادف دیگری نیز وجود دارد)، هنگامی که مدل ها فقط بر اساس ساختار اولیه ساخته می شوند، بدون استفاده از روش های مقایسه ای با ساختارهای از قبل شناخته شده، اما با استفاده از کل درک انباشته شده از فیزیک تاشوی پلیمرهای زیستی. اهمیت اساسی این روش ها این است که به درک اصول فیزیکوشیمیایی تاخوردگی پروتئین کمک می کنند و به این سوال سوزان پاسخ می دهند - چرا یک پروتئین به این صورت تا می شود و نه به دیگری؟ اما از معایب این روش ها می توان به پیچیدگی محاسباتی بسیار بالا و دقت پایین اشاره کرد. این روش ها نیاز به ساده سازی و تقریب دارند و برای پیش بینی ساختار پروتئین های بزرگ بی اثر هستند. در سال 2007 از طریق روشهای مدلسازی از نوبرای اولین بار ساختار یکی از پروتئین های باکتریایی با دقت بالایی مشخص شد باسیلوس هالودوران، اما این پروتئین نسبتاً کوچک است (112 باقیمانده اسید آمینه) و برای به دست آوردن یک مدل دقیق، به قدرت بیش از 70000 رایانه شخصی و یک ابر رایانه نیاز بود. علاوه بر این، از 26 مدل به دست آمده، تنها یک مدل دقیق بود. روش‌های دینامیک مولکولی (MD) توصیف رویدادهای مولکولی را ممکن می‌سازد و می‌توانند فرآیند تاخوردگی پروتئین را در یک ساختار بومی ردیابی کنند: در سال 2010، این کار برای اولین بار با استفاده از قدرت محاسباتی یک ابرکامپیوتر ویژه ایجاد شد. آنتون .

شرکت دومینگروه روش ها شامل روش های مدل سازی مقایسه ای. آنها بر اساس پدیده هستند همسانی، یعنی منشاء مشترک اجسام ( اندام ها، مولکول ها و غیره). بنابراین، «پیش‌بینی‌کننده» این فرصت را دارد که توالی پروتئینی را که ساختار آن باید با یک الگو مدل‌سازی شود، یعنی پروتئینی که ساختار آن مشخص است و احتمالاً همولوگ است، مقایسه کند و بر اساس شباهت آنها، یک مدل با تنظیمات بعدی (توالی های مشابه به ساختارهای مشابه تا می شوند). این روش‌ها در حال حاضر محبوب‌تر شده‌اند، زیرا پیش‌بینی ساختار پروتئین‌ها یک کار عملی مهم است و تاکنون ابزارهای محاسباتی و پایگاه‌های داده ظاهر شده‌اند، و همچنین مشخص شده است که تعداد گزینه‌های ممکن برای ساختارهای پروتئینی تاشو محدود است (شکل 2). 4). اگرچه این روش‌ها به خودی خود مشکل تا شدن پروتئین را حل نمی‌کنند، اما می‌توانند به حل مشکلات عملی خاص کمک کنند در حالی که دیگران برای مطالعه مسائل اساسی‌تر تلاش می‌کنند.

شکل 4. دینامیک شناسایی انواع جدید چین ها (گزینه های بسته بندی).زمان (سال) بر روی محور افقی ترسیم می شود و نسبت چین های جدید در محور عمودی سمت چپ رسم می شود (برای جزئیات بیشتر به برگه مراجعه کنید) ( خط توپر، و در محور عمودی سمت راست - تعداد کل سازه ها ( خط نقطه چین) طبقه بندی شده در پایگاه داده CATH. توجه داشته باشید که این پایگاه داده به طبقه بندی ساختاری پروتئین ها می پردازد، بنابراین دانستن انواع احتمالی چین های پروتئینی برای آن مهم است. به وضوح مشاهده می شود که با گذشت زمان، پروتئین های بیشتری طبقه بندی می شوند، اما تعداد واریانت های تاشو کاهش می یابد.

باید تاکید کرد که روش‌های مدرن برای پیش‌بینی ساختارهای پروتئینی به قدرت محاسباتی زیادی نیاز دارند و اغلب بر روی ابررایانه‌ها یا با استفاده از شبکه‌های محاسباتی توزیع‌شده مانند Rosetta@home و Folding@home انجام می‌شوند. از همه دعوت می شود تا در این پروژه ها شرکت کنند: فقط باید برنامه را روی رایانه خود اجرا کنید تا زمانی که کاربر به آن نیاز داشته باشد.

برخی از الگوهای تا شدن پروتئین

برخی از الگوهای تا شدن پروتئین شناخته شده است. اکنون اعتقاد بر این است که این فرآیند در مراحل انجام می شود: اول، یک زنجیره خطی با آنتروپی صفر به سرعت فرو می ریزد و تشکیل می شود. پیچیدگی آماری - تاشو آنتروپی. سپس این اتفاق می افتد فروپاشی آبگریز: بقایای اسید آمینه آبگریز در اعماق مولکول "پنهان" می شوند و آنهایی که آب دوست دارند در امتداد سطح "پراکنده" می شوند (به زیر مراجعه کنید). نتیجه این مرحله شکل گیری است گلبول مذاب. پس از این، پیوندهای خاصی تشکیل می شود (به زیر مراجعه کنید)، و پروتئین وارد حالت واقعی می شود گلبول ها، در حالی که انرژی آزاد به شدت کاهش می یابد.

آخرین مرحله در طول تا شدن پروتئین های بدون ساختار رخ نمی دهد - آوارگان داخلی.

لازم به ذکر است که برای هر توالی اسید آمینه، از نظر تئوری می توان مسیرهای زیادی را در نظر گرفت که می تواند برای دستیابی به ترکیب اصلی طی کند. با این حال، مشخص است که پروتئین تمام گزینه های ممکن را امتحان نمی کند، بلکه در امتداد یکی از مسیرهای ممکن تعریف شده برای هر دنباله حرکت می کند. اگر پروتئین تمام گزینه‌های ممکن را امتحان کند، زمان سفر از یک توالی ساده به حالت اصلی از طول عمر کیهان بیشتر می‌شود (پارادوکس لوینتال)! البته این اتفاق نمی‌افتد: مدت زمانی که پروتئین باید ساختار اصلی خود را بپذیرد کسری از ثانیه است. این شبیه به حل مکعب روبیک است: از حالت یک مکعب حل نشده تا حالت یک مکعب حل شده، می توانید به روش های مختلف وارد شوید، اما در مسابقات سرعت حل یک مکعب، برنده کسی است که این کار را انجام دهد. سریعتر و کارآمدتر است، یعنی مسیر خاصی را انتخاب می کند. در واقع یافتن چنین مسیری وظیفه اصلی روش های مدل سازی است از ابتدا(بالا را ببین). پاسخ به سوال اساسی تاخوردگی صرفاً در توانایی مدل‌سازی دقیق ساختارها نیست، بلکه اول از همه، در شناخت و توجیه راه رسیدن یک پروتئین به حالت اصلی خود است.

شایان ذکر است که اهمیت تاخوردگی همزمان (شکل 1) در شکل گیری ساختار پروتئین مورد بحث قرار گرفته است. توجه داشته باشید که وجود یک ریبوزوم که پروتئین روی آن سنتز می شود، تنظیمات جدی را بر روند تا شدن زنجیره تحمیل می کند. این را باید همیشه در هنگام مدل‌سازی تاخوردگی پروتئین‌های طبیعی در نظر داشت. in vivo. کانالی که زنجیره در حال رشد در آن قرار می گیرد، تنوع ساختاری آن را محدود می کند و بنابراین همه انواع ساختارها نمی توانند در آن شکل بگیرند. علاوه بر این، زنجیره در حال رشد به طور مداوم به جلو رانده می شود (با هر عمل انتقال پپتید، یعنی تشکیل یک پیوند پپتیدی جدید و متعاقب آن پیشرفت ریبوزوم توسط یک باقیمانده اسید آمینه به جلو رانده می شود) و بنابراین منطقی است که فرض کنید که ترکیب زنجیره در کانال ریبوزومی دارای ویژگی هایی مانند صلبیت و بردار بودن است که با ویژگی های یک مارپیچ α مطابقت دارد. علاوه بر این، جهت گیری متقابل بقایای اسیدهای آمینه در دو مرکز داخل ریبوزوم همیشه از یک نوع (معادل)، مستقل از ماهیت این باقیمانده ها است که ظاهراً به تشکیل مارپیچ های α کمک می کند. در واقع، α-مارپیچ ها معمولی ترین عنصر ساختار ثانویه پروتئین ها هستند. آنها توسط لینوس پاولینگ کشف شدند ( لیونوس پاولینگ) و رابرت کوری ( رابرت کوری) که همراه با والتر کلتون ( والتر کلتون) نوع جدیدی از مدل های مولکولی را پیشنهاد کرد.

در همان زمان، هنگامی که انتهای N (حاوی گروه آمینه) زنجیره پروتئین در حال رشد از تونل خارج می شود و در محلول غوطه ور می شود، شرایط فیزیکوشیمیایی این محیط شروع به عمل بر روی آن می کند و پروتئین شروع به اطاعت از آنها می کند. قوانین.

در این راستا، آکادمیسین الکساندر اسپیرین، زیست شناس مشهور مولکولی، سه تفاوت بین تاشدگی را ذکر می کند درونکشتگاهیو in vivo:

1. اولاً، ترکیب اولیه متفاوت است: اگر در شرایط آزمایشی، بازسازی مجدد از حالت خاصی از زنجیره بازشده در محلول شروع شود، در مورد ریبوزوم، چین‌خوردگی از یک ترکیب خاص ارائه شده توسط کانال ریبوزومی شروع می‌شود.
2. ثانیاً ، با تاشوی همترجمه ، تاشو از انتهای N آغاز می شود ، یعنی فرآیند تا شدن هدایت می شود و در صورت تا شدن بدون مشارکت ریبوزوم ، جستجوی ترکیبات توسط کل مولکول به یکباره انجام می شود.
3. سومین تفاوت این است که در مورد تاشوی هم‌ترجمه‌ای، انتهای C زنجیره پروتئین توسط ریبوزوم، یک ذره نسبتاً بزرگ، ثابت می‌شود که منجر به تثبیت ساختارهای میانی می‌شود (به بالا مراجعه کنید)، و در مورد تا کردن مجدد. درونکشتگاهیچنین تثبیتی رخ نمی دهد.

این ملاحظات یک بار دیگر ثابت می‌کند که مسائل بیولوژیکی را نمی‌توان «خشک» با استفاده از روش‌های بیوانفورماتیک حل کرد. حتی اگر دقیق‌ترین مدل‌های کامپیوتری بدون در نظر گرفتن عواملی که در طبیعت عمل می‌کنند ساخته شوند، می‌توانند نادرست باشند.

برای حل مشکل تاشو، به اصطلاح پتانسیل های تجربی توسعه یافته اند: برهمکنش های زوجی باقیمانده ها، پیوندهای هیدروژنی، زوایای پیچش، مراکز جرم زنجیره های جانبی و بسیاری دیگر. به عنوان مثال، پتانسیل حل‌پذیری بسته به آبگریزی آن، پیش‌بینی می‌کند که آیا یک باقیمانده اسید آمینه در داخل یا خارج از پروتئین (به ترتیب مدفون یا در معرض) قرار می‌گیرد. شناخته شده است که برخی از اسیدهای آمینه "عاشق" آب هستند ( آب دوستاحتمال بیشتری وجود دارد که روی سطح مولکول پروتئین قرار گیرند، در حالی که دیگران «دوست ندارند» ( آبگریز) و در نواحی از مولکول که برای حلال غیرقابل دسترس تر هستند و توسط باقی مانده های دیگر پنهان شده اند (شکل 5) "پنهان" می شوند. اثر آبگریز در تاخوردگی پروتئین اهمیت زیادی دارد.

شکل 5. آبگریزی اسیدهای آمینه بر توزیع فضایی آنها تأثیر می گذارد (با استفاده از مثال یکی از دهیدروژنازهای انسانی). اسیدهای آمینه هیدروفیل نشان داده شده است به رنگ آبی، آبگریز - قرمز. مشاهده می شود که باقیمانده های آبدوست تمایل دارند در نواحی باز به حلال قرار گیرند، در حالی که باقی مانده های آبگریز تمایل دارند در مناطق بسته مولکول قرار گیرند.

پایگاه داده PDB (PDB ID 5ICS)

یکی از جنبه های مهم تشکیل ساختار پروتئین در تمام مراحل، تشکیل پیوند بین رادیکال ها (زنجیره های جانبی) باقی مانده های اسید آمینه است. آنها متفاوت هستند: آبگریز، الکترواستاتیک و دیگران. یک گزینه جالب، تشکیل پیوندهای دی سولفیدی ("پل ها") به دلیل تعامل اتم های گوگرد زنجیره های جانبی سیستئین است. به عنوان مثال، در ریبونوکلئاز معروف، که برای بررسی ساختار آن جایزه نوبل داده شد، چهار پیوند از این قبیل وجود دارد. با این حال، همه چیز در اینجا به این سادگی نیست. اگر زنجیره پروتئین حاوی دو اتم گوگرد متعلق به سیستئین باشد، به راحتی می توان گفت که یک پل دی سولفیدی می تواند تشکیل شود. اما اگر، برای مثال، ده اتم گوگرد وجود داشته باشد و بر این اساس، پنج پیوند SS تشکیل شود، نمی‌توانیم بدون ابهام بگوییم که کدام اتم‌های گوگرد به صورت جفت با یکدیگر تعامل خواهند داشت (اما یک پروتئین می‌تواند). طبق محاسبات توماس کریتون ( توماس کریتون) اگر 5 پیوند دی سولفیدی در یک پروتئین وجود داشته باشد، تعداد ترکیبات ممکن در حال حاضر 945 است، اگر 10 پیوند از این قبیل وجود داشته باشد، تعداد گزینه ها 654,729,075 خواهد بود و با 25 پیوند دی سولفیدی این تعداد از 5 کوادریلیون کوادریلیون (بیشتر از) فراتر می رود. 5.8 × 10 30). اما در پروتئین تنها یک گزینه محقق می شود، و آن همیشه یکسان است! البته باید توجه داشت که این موضوع در مورد خود سازماندهی پروتئین ها صادق است درونکشتگاهی("در شرایط آزمایشگاهی"، "در شیشه"، یعنی در شرایط آزمایشی، و نه در یک موجود زنده) در شرایط مناسب، و in vivo(در یک موجود زنده) خود سازماندهی پیوندهای دی سولفید رخ نمی دهد. تشکیل آنها توسط یک آنزیم خاص کاتالیز می شود - پروتئین دی سولفید ایزومراز، یا PDI، که همچنین قادر است در صورت تشکیل نادرست اتصال SS ، خطاها را "اصلاح" کند و در نتیجه روند تاشو را اصلاح کند.

درک این نکته مهم است که فرآیند تشکیل ساختار نهایی پروتئین صرفاً شامل تا کردن زنجیره نیست. در سلول ها، پروتئین ها تحت استیلاسیون، گلیکوزیلاسیون و بسیاری تغییرات دیگر قرار می گیرند. بنابراین، به عنوان مثال، تعداد اسیدهای آمینه مختلف در پروتئین ها از 20 اسیدهای آمینه شناخته شده تجاوز می کند ("بیست جادویی"، به بیان مجازی فرانسیس کریک برنده جایزه نوبل). علاوه بر این، برای تشکیل پروتئین های پیچیده (الیگومری)، لازم است که پیوندهای خاصی بین پروتومرهای فردی ایجاد شود (به عنوان مثال، در یک مولکول هموگلوبین چهار پروتومر وجود دارد، یعنی زنجیره هایی که به طور جداگانه سنتز می شوند). برای بسیاری از پروتئین ها، به ویژه آنزیم ها، افزودن یک گروه مصنوعی، یعنی یک جزء غیر پروتئینی، مهم است. تغییرات دیگری نیز ممکن است رخ دهد.

بسیاری از الگوهای دیگر تا شدن پروتئین شناخته شده است. پرده پنهان کاری به تدریج برداشته می شود. با این حال، تصویر هنوز تا کامل شدن فاصله دارد. موفقیت در پیش بینی ساختارها تاکنون تنها به صورت پراکنده بوده است. در این راستا، جامعه علمی قدم جالب بعدی را برداشت: عموم مردم را جذب کرد تا با ایجاد یک بازی، موضوع را حل کنند FoldIt، . هر کسی می تواند در مسابقات جهانی شرکت کند. ماهیت بازی این است که زنجیره پروتئین را تا حد امکان فشرده تا کنید، یعنی مولکول پروتئین را به حالتی برسانید که در آن فضای آزاد کمتری در داخل گلومرول وجود داشته باشد - دقیقاً این شکلی است که پروتئین ها در آن هستند. موجود در طبیعت (شکل 6). از نقطه نظر ترمودینامیک، این حالت با حداقل انرژی آزاد مطابقت دارد. هرچه مولکول فشرده‌تر باشد، حفره‌ها و نواحی آبگریز باز کمتر، نواحی آبدوست بازتر، پیوندهای هیدروژنی در ساختارهایی مانند صفحات β، کمتر «برخورد» اتم‌ها، امتیاز بیشتری به بازیکن تعلق می‌گیرد. بنابراین مدلی با کمترین انرژی آزاد بالاترین امتیاز را کسب می کند. اکثر بازیکنان FoldItآموزش بیوشیمیایی کمی دارند یا اصلاً آموزش ندارند. این بازی بر اساس الگوریتم های روزتا ساخته شده و شبیه سازی سازه ها نیست از نو، همانطور که نویسندگان به درستی خاطرنشان کردند، هنوز یک مشکل بسیار دشوار باقی مانده است.

شکل 6. مقایسه اشکال مختلف نمایش مدل های ساختار پروتئین (با استفاده از مثال یکی از ترانسفرازهای انسانی). آ - فرمی که به وضوح انواع سازه های ثانویه را نشان می دهد. ب - فرمی که مکان واقعی اتم های یک مولکول پروتئین را در فضا نشان می دهد ( فضا پر کنید). به وضوح مشاهده می شود که مولکول های پروتئین بسیار فشرده هستند و فضای خالی کمی بین اتم ها وجود دارد.

پایگاه داده PDB (PDB ID 5CU6)

گروهی از بازیکنان FoldItدر CASP شرکت می کند. این بازی قبلاً در پیش‌بینی ساختارها مؤثر بوده و حتی بهتر از روش‌های دیگر است و همچنین یک مشکل علمی جدی در مورد ساختار پروتئاز ویروس نقص ایمنی میش را که علم بیش از یک دهه قادر به حل آن نبود، حل کرده است.

هنگام صحبت در مورد استفاده از روش ها و ابزارهای مختلف برای حل مسئله مورد بحث، باید همیشه به یاد داشته باشید که همه دنباله ها نمی توانند به روشی کاملاً تعریف شده تا شوند. این احتمال وجود دارد که وقتی به نتایجی که تکامل تاکنون به دست آورده نگاه می کنیم، فقط دنباله هایی را می بینیم که می توانند تا شوند زیرا عملکردهای خود را به خوبی انجام داده اند و مورد علاقه انتخاب قرار گرفته اند.

"Governesses" برای پروتئین - Chaperones

در مورد تاخوردگی، ما بر استقلال نسبی این فرآیند تمرکز کردیم: مولکول پروتئین بر اساس ساختار اولیه خود یک ترکیب خاص را می گیرد و این در شرایط فیزیکوشیمیایی خاص (و مهم) (اسیدیته، دما، ماهیت حلال و غیره) اتفاق می افتد. ). با این حال، نباید این تصور ایجاد شود که تا کردن کاملا مستقل است، به خصوص برای پروتئین های بزرگ. ما فقط به آنزیم PDI اشاره کردیم که به درست شدن پروتئین کمک می کند. علاوه بر این آنزیم، آنزیم دیگری نیز وجود دارد (به عنوان مثال، PPI - پپتیدیل-پرولیل-سیس/ترانس ایزومراز،). اما آنزیم ها تنها گروهی از پروتئین ها نیستند که به پروتئین های دیگر کمک می کنند تا به درستی تا شوند. گروه ویژه دیگری از پروتئین ها وجود دارند که نقش مهمی در تا شدن دارند. به آنها رهسپار می گویند.

همراهان- پروتئین های پیچیده با مکانیسم عمل محافظه کارانه (یعنی از نظر تکاملی کم متغیر) که در تمام قلمروهای طبیعت زنده یافت می شود. این قابل درک است: نقش آنها در زندگی سلول بسیار زیاد است. همانطور که در بالا ذکر شد، زنجیره پروتئین بالغ از ریبوزوم خارج می شود. هنوز نابالغ است، اما در حالت به اصطلاح "مذاب" قرار دارد. چنین مولکول‌های نابالغی مستعد تأثیرات محیطی هستند: آنها می‌توانند با سایر پروتئین‌های سلولی تعامل کنند تا توده‌هایی تشکیل دهند که می‌تواند منجر به بیماری‌هایی مانند آلزایمر یا پارکینسون شود. اما یک جهت "درست" نیز وجود دارد که توسعه پروتئین را می توان (و باید) هدایت کرد - مسیری که گلبول مذاب را به حالت اصلی خود هدایت می کند. این جایی است که همراهان کمک می‌کنند، زنجیره‌های پروتئینی را در همان خروجی تونل ریبوزومی در کمین می‌گیرند و می‌گیرند و بنابراین پروتئین‌های نابالغی را که در یک چهارراه سرنوشت‌ساز قرار دارند در جهت درست هدایت می‌کنند. Chaperones به یک دلیل به این نام خوانده می شود: قبلاً در انگلستان این نام به یک بانوی مسن و با تجربه بود که همراه دختر جوانی بود که برای اولین بار تحت رهبری او در جهان ظاهر شد و او را از تماس های نادرست دور نگه داشت. (اصطلاح "چاپرون" هنوز در معانی مشابهی استفاده می شود.) چپرون ها برای توالی های اسید آمینه مختلف زنجیره های نوپا اختصاصی نیستند، اما می توانند پروتئین های بالغ را از پروتئین های نابالغ تشخیص دهند و روی دومی اثر بگذارند.

مهم ترین گروه همراهان است چپرونین ها. ساختار آنها جالب است: آنها بشکه هایی هستند که از دو حلقه تشکیل شده اند. پروتئین تاشونده وارد چپرونین می شود و «ورودی» با یک «کلاه» مخصوص یا با بستن لبه های بلوک های تشکیل دهنده حلقه ها بسته می شود تا مولکول پروتئین زودتر از موعد از چاپرونین خارج نشود (شکل 7). در این حالت محافظت شده، پروتئین در نهایت می تواند ترکیب اصلی خود را به خود بگیرد. فرآیندهایی که در داخل بشکه‌های چاپرونین اتفاق می‌افتند هنوز به خوبی درک نشده‌اند.

شکل 7. نمایش شماتیک دو نوع چاپرونین - I و II. آ - چپرونین های نوع I مشخصه باکتری ها هستند (چاپرون GroELدارای ساختار بشکه ای است که از دو حلقه تشکیل شده است که هر حلقه دارای 7 "بلوک" است. در داخل چپرونین محفظه ای وجود دارد که در آن تبدیل گلبول مذاب به گلبول بومی رخ می دهد. بشکه با "درب" بسته شده است - GroES); ب - چاپرونین های نوع II، مشخصه باستانی ها و یوکاریوت ها (در اینجا، هر یک از دو حلقه از 8 "بلوک" تشکیل شده است؛ محفظه نه با چسباندن یک "درپوش"، بلکه با مکانیسم لنز دوربین بسته می شود).

باید گفت که چپرون ها نه تنها در تا کردن زنجیره های بالغ شرکت می کنند، بلکه به ساختارهای پروتئینی "شکسته" که در نتیجه تأثیرات خاص در سلول به وجود آمده اند کمک می کنند تا دوباره ترکیب صحیح را به خود بگیرند. معمولی ترین علت چنین "خرابی ها" شوک حرارتی است، یعنی افزایش دما. در این راستا، نام های دیگری برای چاپرون ها اغلب استفاده می شود - پروتئین های شوک حرارتی ( پروتئین های شوک حرارتی، hsp) یا پروتئین های استرس. چپرون ها عملکردهای مهم دیگری را در سلول انجام می دهند، مانند انتقال پروتئین ها از طریق غشاها و مونتاژ پروتئین های الیگومری.

نتیجه

بنابراین، برای تا کردن پروتئین، شرایط زیر کاملاً ضروری است: ساختار اولیه، شرایط فیزیکوشیمیایی خاص، و همچنین دو گروه از پروتئین های کمکی - به طور خاص آنزیم های فعال و چپرون های غیر اختصاصی.

به طور خلاصه، اجازه دهید بگوییم که تاخوردگی پروتئین یکی از مشکلات اصلی بیوفیزیک مدرن است. و اگرچه زرادخانه بزرگی از داده ها در مورد این پدیده انباشته شده است، اما هنوز درک درستی از آن وجود ندارد، که در نهایت منجر به عدم امکان پیش بینی یک ساختار سه بعدی بر اساس توالی اسید آمینه می شود (این به ویژه برای بزرگ، از جمله الیگومریک، صادق است. پروتئین ها). پیشرفت در این زمینه و به خصوص مدلسازی از نو (2005). علوم پایه. 309 , 78–102;

ساختار اولیه پروتئین در نتیجه ترجمه پروتئین تشکیل می شود. پس از اتمام ترجمه، فرآیند تشکیل پروتئین کامل نمی شود. زنجیره پپتیدی دستخوش تغییرات فضایی می شود که منجر به تا شدن آن به یک ساختار سه بعدی منظم می شود. این فرآیند مرحله بعدی تشکیل پروتئین است و نامیده می شود تاشو.فولدینگ شامل فرآیندهای تشکیل ساختارهای پروتئینی ثانویه، سوم و چهارم است. تا شدن به طور همزمان اتفاق نمی افتد، بلکه در چند مرحله انجام می شود. طبق طرح پیشنهادی O.B. Ptitsin (1972) شامل مراحل زیر است:

پروتئین تصادفی- زنجیره پپتیدی در ساختار اولیه بلافاصله پس از ترجمه به شکل یک توپ شل تا می شود. تمام اتصالات بین باقی مانده اسید آمینه (به جز پپتید) وجود ندارد. چنین زنجیره ای خاصیت ارتجاعی دارد: کشش آن مستلزم اعمال نیرو است، پس از پایان نیرو، زنجیره در حالت توپ باز می گردد.

پیش ساز گلبول مذاب- تشکیل یک ساختار ثانویه ناقص به دلیل برهمکنش همه گروه های فعال عملکردی اسیدهای آمینه به جز رادیکال ها رخ می دهد. زنجیره ساختار فضایی خاصی به خود می گیرد، اما تا حدی باز می شود.

گلبول مذاب- ساختار ثانویه تشکیل شده است. فشرده سازی زنجیره به شکل یک کروی فشرده به دلیل برهمکنش بین رادیکال ها آغاز می شود، اما هنوز هیچ پیوندی شکل نگرفته است. رادیکال ها با "فقط هر کسی" تعامل دارند و صحیح ترین موقعیت ها را انتخاب می کنند. پیکربندی گلبول ناپایدار است. هنوز هیچ ساختار ثالثی سفت و سختی وجود ندارد.

پروتئین بومی- پیوندها در گلبول مذاب ایجاد می شوند:

گربه‌های وحشی حداکثر تعداد ممکن پیوند را تشکیل دادند: پروتئین ساختار مطلوب را پیدا می‌کند.

در پروتئین های الیگومری، فولدینگ اتصال پروتومرها به الیگومرها را تکمیل می کند.

از نظر زمانی، تا شدن برخی از پروتئین ها در مرحله ترجمه سنتز پروتئین آغاز می شود و با رشد روی ریبوزوم اتفاق می افتد. این تاشو نامیده می شود هم ترجمهبرای دیگران، پس از پایان پخش شروع می شود و فراخوانی می شود پس از ترجمه

تا شدن مولکول های کوچکیک پروتئین توسط ساختار اولیه یک پروتئین مشخص، یعنی توالی اسیدهای آمینه در زنجیره پپتیدی، تنها بر اساس برهمکنش های فیزیکوشیمیایی گروه های شیمیایی آن (به ویژه رادیکال های خاص) تعیین می شود. این امر توسط آزمایشی با ریبونوکلئاز که توسط K. Anfinsen در سال 1973 انجام شد تأیید می شود.

ریبونوکلئاز- یک پروتئین کروی که پیوندهای بین نوکلئوتیدها را در RNA قطع می کند. از 124 اسید آمینه تشکیل شده است که در میان آنها 8 باقیمانده سیستئین 4 پیوند دی سولفیدی را تشکیل می دهند: 26-84. 40-95; 58-110 و 65-72 (اعداد نشان دهنده تعداد باقی مانده های سیستئین در زنجیره است) (شکل 32).

شکل 32. دناتوره سازی و احیای ریبونوکلئاز. الف - مولکول ریبونوکلئاز بومی که در ساختار سوم آن 4 پیوند دی سولفیدی وجود دارد. ب - مولکول ریبونوکلئاز دناتوره شده؛ ب - مولکول بومی ریبونولاز که در ساختار آن 4 پیوند دی سولفیدی بین همان باقی مانده های سیستئین ایجاد شده است.

اگر اوره (شکستن پیوندهای هیدروژنی) و بتا-مرکاپتواتانول (شکستن پیوندهای دی سولفیدی) با ریبونوکلئاز به محیط اضافه شود، ساختار کروی پروتئین از بین می رود. دناتوره سازی ) و زنجیره پپتیدی تشکیل می شود توپ تصادفی- یک زنجیره پپتیدی تا شده تصادفی در ساختار اولیه. فعالیت آنزیمی به دلیل تخریب مرکز فعال ناپدید می شود. پروتئین در حالت قبل از تا شدن است. سپس، اگر هر دو عامل از محیط حذف شوند، ساختار بومی و فعالیت آنزیمی پروتئین بازسازی می شود. به این ترتیب اتفاق می افتد تجدید طبیعت (ترمیم ساختار پروتئین دناتوره شده ), نوسازی یا تا کردن مجدد . در نتیجه، ترکیب کاملاً تعریف شده یک پروتئین در ساختار اولیه موجود است و برای پروتئین های کوچک، تنها با تعامل فیزیکی و شیمیایی گروه های شیمیایی آن تعیین می شود. پروتئین نه تنها "می داند" چه پیکربندی فضایی را اتخاذ کند، بلکه این کار را کاملاً مستقل و بدون عوامل اضافی انجام می دهد.

تشکیل ساختار سوم پروتئین می تواند تحت تأثیر لیگاندهای آن و همچنین اصلاح شیمیایی اسیدهای آمینه باشد.

تا شدن مولکول های بزرگویژگی های خاص خود را دارد. بنابراین، مولکول‌های پروتئینی بزرگ با وزن مولکولی بالا و ساختار پیچیده در طول فرآیند تاخوردگی در شرایط غلظت پروتئین بالا در سلول، به دلیل رادیکال‌های واکنش‌پذیرشان می‌توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند. رادیکال‌های آبگریز روی سطح مولکول‌ها تمایل به ترکیب (جمع شدن) دارند، که باعث اختلال در تا شدن صحیح آنها می‌شود. بنابراین در حین تا زدن باید بقایای اسید آمینه واکنش پذیر برخی از پروتئین ها از بقایای اسید آمینه سایر پروتئین ها جدا شود. این تابع انجام می شود پروتئین های جانبی. آنها به پروتئین هایی که در حالت ناپایدار و مستعد تجمع هستند متصل می شوند، ساختار آنها را تثبیت می کنند و از تا شدن "صحیح" آنها اطمینان می دهند.

چنین پروتئین هایی نامیده می شوند عوامل تاشوو به دو گروه تقسیم می شوند: فولداس ها و چپرون ها.

یک بازی شگفت انگیز توسط دانشمندان دانشگاه واشنگتن (ایالات متحده آمریکا) ساخته شده است. این برنامه که Fold.it نام دارد، مدلی برای تا کردن پروتئین ها به ساختارهای سه بعدی است. گیمر باید سعی کند این کار را به موفق ترین روش انجام دهد. این برنامه با داده های واقعی در مورد پروتئین های واقعی و تازه اختراع شده بارگذاری می شود که مشخص نیست چگونه تا می شوند. نتایج از طریق اینترنت به یک مرکز پردازش ارسال می شود، جایی که آنها در یک ابر رایانه بررسی می شوند (این در پاییز اتفاق می افتد، اما در حال حاضر این برنامه حاوی معماهای حل شده است، بنابراین اکنون به عنوان یک شبیه ساز عمل می کند).

در واقع، همه گیمرهای دنیای ما میلیاردها ساعت کار را صرف بازی هایی مانند WoW، Counter-Strike یا Solitaire می کنند که برای بشریت بی فایده است. در عین حال، آنها می توانند به طور موثرتری از هوش استفاده کنند: به عنوان مثال، تا کردن پروتئین ها روی صفحه نمایشگر خود. این هم در نوع خود جالب است.

یکی از توسعه دهندگان بازی، استاد بیوشیمی دیوید بیکر، صادقانه معتقد است که در جایی از دنیا استعدادهایی وجود دارند که توانایی ذاتی برای محاسبه مدل های سه بعدی پروتئین ها را در سر خود دارند. یک پسر 12 ساله از اندونزی این بازی را می بیند و می تواند مشکلاتی را که حتی یک ابر کامپیوتر هم نمی تواند انجام دهد را حل کند. چه کسی می داند، شاید چنین افرادی واقعا وجود داشته باشند؟

هر پروتئین (بیش از 100000 نوع در بدن انسان وجود دارد) یک مولکول طولانی است. پیش‌بینی اینکه این مولکول تحت شرایط خاص به چه شکل پیچیده‌ای تا می‌خورد (و اینکه آیا حتی می‌تواند به هر شکل پایدار تا شود) وظیفه‌ای با بالاترین درجه پیچیدگی است. مدل‌سازی رایانه‌ای یک فرآیند فشرده منابع است، اما در عین حال در داروسازی حیاتی است. به هر حال، بدون دانستن شکل یک پروتئین، نمی توان خواص آن را مدل کرد. اگر این خواص مفید باشند، می توان پروتئین ها را سنتز کرد و بر اساس آن ها، داروهای مؤثر جدیدی برای مثال برای درمان سرطان یا ایدز ساخت (جایزه نوبل در هر دو مورد تضمین شده است).

در حال حاضر، صدها هزار کامپیوتر روی یک شبکه کامپیوتری توزیع شده کار می کنند تا مدل هر مولکول پروتئین جدید را محاسبه کنند، اما دانشمندان دانشگاه واشنگتن روش دیگری را پیشنهاد می کنند: نه جستجوی احمقانه همه گزینه ها، بلکه طوفان فکری از طریق یک بازی رایانه ای. . تعداد گزینه ها با یک مرتبه قدر کاهش می یابد و ابررایانه پارامترهای تاشو صحیح را بسیار سریعتر پیدا می کند.

Fold.it "سرگرمی" سه بعدی را همه می توانند بازی کنند: حتی کودکان و منشی هایی که هیچ ایده ای در مورد زیست شناسی مولکولی ندارند. سازندگان سعی کردند این بازی را طوری بسازند که برای همه جالب باشد. و نتیجه بازی ممکن است مبنایی برای جایزه نوبل شود و جان هزاران نفر را نجات دهد.

این برنامه در نسخه های Win و Mac منتشر شده است. یک توزیع 53 مگابایتی می تواند باشد

پس از خروج زنجیره پپتیدی از ریبوزوم، باید شکل فعال بیولوژیکی خود را به خود بگیرد، یعنی. به روشی خاص جمع شوید، هر گروهی را به هم متصل کنید و غیره. واکنش هایی که یک پلی پپتید را به یک پروتئین فعال تبدیل می کنند نامیده می شوند در حال پردازشیا اصلاح پس از ترجمه پروتئین ها.

اصلاح پس از ترجمه پروتئین ها

واکنش های اصلی پردازش عبارتند از:

1. حذفاز انتهای N متیونین یا حتی چندین اسید آمینه توسط آمینوپپتیدازهای خاص.

2. آموزش و پرورش پل های دی سولفیدیبین باقی مانده های سیستئین

3. پروتئولیز جزئی- حذف بخشی از زنجیره پپتیدی، مانند انسولین یا آنزیم های پروتئولیتیک دستگاه گوارش.

4. پیوستن گروه شیمیاییبه باقی مانده های اسید آمینه زنجیره پروتئین:

• فسفراسیدها - به عنوان مثال، فسفوریلاسیون اسیدهای آمینه سرین، ترئونین، تیروزین در تنظیم فعالیت آنزیم یا برای اتصال یون های کلسیم استفاده می شود.
• کربوکسیلگروه ها - به عنوان مثال، با مشارکت ویتامین K، γ-کربوکسیلاسیون گلوتامات در ترکیب پروترومبین، پروکانورتین، فاکتور استوارت، کریسمس رخ می دهد، که امکان اتصال یون های کلسیم را در هنگام شروع لخته شدن خون فراهم می کند.
• متیلگروه ها - به عنوان مثال، متیلاسیون آرژنین و لیزین در هیستون ها برای تنظیم فعالیت ژنوم استفاده می شود.
• هیدروکسیلگروه ها - به عنوان مثال، افزودن یک گروه OH به لیزین و پرولین برای تشکیل هیدروکسی پرولین و هیدروکسی لیزین برای بلوغ مولکول های کلاژن با مشارکت ویتامین C ضروری است.
• یدبه عنوان مثال، در تیروگلوبولین، افزودن ید برای تشکیل پیش سازهای یدوتیرونین هورمون های تیروئید ضروری است.

5. روشن کنید مصنوعیگروه ها:

• کربوهیدراتباقی مانده ها - به عنوان مثال، گلیکاسیون در سنتز گلیکوپروتئین ها مورد نیاز است.
• هم- به عنوان مثال، در سنتز هموگلوبین، میوگلوبین، سیتوکروم، کاتالاز،
• ویتامینکوآنزیم ها - بیوتین، FAD، پیریدوکسال فسفات و غیره.

6. انجمن پروتومرهابه یک پروتئین الیگومری منفرد، به عنوان مثال، هموگلوبین، کلاژن، لاکتات دهیدروژناز، کراتین کیناز.

تاشو پروتئین

فولدینگ فرآیندی است که یک زنجیره پلی پپتیدی دراز را در یک ساختار فضایی سه بعدی منظم قرار می دهد. برای اطمینان از تا شدن، گروهی از پروتئین های کمکی به نام چاپرون ( پیشخوان، فرانسوی - همراه، پرستار بچه). آنها از تعامل پروتئین های تازه سنتز شده با یکدیگر جلوگیری می کنند، مناطق آبگریز پروتئین ها را از سیتوپلاسم جدا می کنند و آنها را در داخل مولکول "حذف" می کنند و دامنه های پروتئین را به درستی قرار می دهند.

شیمی بیولوژیکی Lelevich Vladimir Valeryanovich

تاشو

تا کردن پروتئین فرآیند تا کردن یک زنجیره پلی پپتیدی به ساختار فضایی صحیح است. در این حالت، بقایای اسید آمینه دور از زنجیره پلی پپتیدی به هم نزدیک می شوند و منجر به تشکیل یک ساختار بومی می شوند. این ساختار دارای فعالیت بیولوژیکی منحصر به فردی است. بنابراین، تاخوردگی مرحله مهمی در تبدیل اطلاعات ژنتیکی به مکانیسم‌های عملکرد سلولی است.

ساختار و نقش عملکردی چپرون ها در تاخوردگی پروتئین

در طول سنتز زنجیره های پلی پپتیدی، حمل و نقل آنها از طریق غشاها، و در طول مونتاژ پروتئین های الیگومری، ترکیبات ناپایدار متوسطی ایجاد می شود که مستعد تجمع هستند. پلی پپتید تازه سنتز شده دارای رادیکال های آبگریز بسیاری است که در ساختاری سه بعدی در داخل مولکول پنهان شده اند. بنابراین، در طول تشکیل ترکیب بومی، باقی مانده‌های اسید آمینه فعال برخی از پروتئین‌ها باید از همان گروه‌های پروتئین‌های دیگر جدا شوند.

در تمام موجودات شناخته شده، از پروکاریوت ها تا یوکاریوت های بالاتر، پروتئین هایی یافت شده اند که می توانند به پروتئین هایی که در حالت ناپایدار مستعد تجمع هستند، متصل شوند. آنها می توانند ساختار خود را تثبیت کنند و از تا شدن پروتئین اطمینان حاصل کنند. این پروتئین ها چپرون نامیده می شوند.

طبقه‌بندی همراهان (III)

با توجه به وزن مولکولی، تمام چپرون ها را می توان به 6 گروه اصلی تقسیم کرد:

1. وزن مولکولی بالا، با وزن مولکولی از 100 تا 110 کیلو دالتون.

2. Sh-90 - با وزن مولکولی از 83 تا 90 کیلو دالتون.

3. Sh-70 - با وزن مولکولی از 66 تا 78 کیلو دالتون.

6. چاپرون با وزن مولکولی کم با وزن مولکولی از 15 تا 30 کیلو دالتون.

در میان چپرون ها متمایز می شوند: پروتئین های سازنده (سنتز پایه بالایی که به اثرات استرس بر سلول های بدن بستگی ندارد) و پروتئین های القایی که سنتز آنها در شرایط عادی ضعیف است، اما در اثر استرس به شدت افزایش می یابد. روی سلول چاپرون های القایی متعلق به "پروتئین های شوک حرارتی" هستند که سنتز سریع آنها تقریبا در تمام سلول هایی که در معرض هر گونه استرسی هستند مشاهده می شود. نام "پروتئین های شوک حرارتی" از این واقعیت ناشی می شود که این پروتئین ها برای اولین بار در سلول هایی که در معرض دمای بالا قرار داشتند کشف شدند.

نقش چپرون ها در تاخوردگی پروتئین

در طول سنتز پروتئین، ناحیه N ترمینال پلی پپتید زودتر از ناحیه C ترمینال سنتز می شود. برای تشکیل ترکیب پروتئین، توالی اسید آمینه کامل آن مورد نیاز است. بنابراین، در طول سنتز پروتئین بر روی ریبوزوم، حفاظت از رادیکال های واکنشی (به ویژه آنهایی که آبگریز هستند) توسط Sh-70 انجام می شود.

Sh-70 یک کلاس بسیار حفاظت شده از پروتئین ها است که در تمام قسمت های سلول وجود دارد: سیتوپلاسم، هسته، میتوکندری.

تاخوردگی بسیاری از پروتئین های مولکولی بالا با ترکیب پیچیده (به عنوان مثال، ساختار دامنه) در فضای خاصی که توسط Sh-60 تشکیل شده است، رخ می دهد. Sh-60 به عنوان یک کمپلکس الیگومری متشکل از 14 زیر واحد عمل می کند.

کمپلکس چاپرون تمایل بالایی به پروتئین ها دارد که در سطح آن عناصر مشخصه مولکول های باز شده (عمدتاً مناطق غنی شده با رادیکال های آبگریز) وجود دارد. هنگامی که در حفره کمپلکس چاپرون قرار می گیرد، پروتئین به رادیکال های آبگریز بخش های آپیکال Sh-60 متصل می شود. در محیط خاص این حفره، جدا از سایر مولکول‌های سلول، مجموعه‌ای از ترکیب‌های پروتئینی ممکن رخ می‌دهد تا زمانی که یک ترکیب منفرد و از نظر انرژی مطلوب پیدا شود.

انتشار پروتئین با ترکیب بومی تشکیل شده با هیدرولیز ATP در حوزه استوایی همراه است. اگر پروتئین ترکیب اصلی خود را به دست نیاورده باشد، در تماس مکرر با کمپلکس چاپرون قرار می گیرد. این تا شدن پروتئین وابسته به چاپرون به انرژی بیشتری نیاز دارد.

بنابراین، سنتز و چین خوردگی پروتئین ها با مشارکت گروه های مختلف چپرون ها اتفاق می افتد که از برهم کنش ناخواسته پروتئین ها با سایر مولکول های سلولی جلوگیری می کند و آنها را تا تشکیل نهایی ساختار بومی همراهی می کند.

نقش چاپرون ها در محافظت از پروتئین های سلولی از تأثیرات استرس دناتوره

چاپرون های دخیل در محافظت از پروتئین های سلولی در برابر تأثیرات دناتوره کننده، همانطور که در بالا ذکر شد، به عنوان پروتئین های شوک حرارتی (HSPs) طبقه بندی می شوند و اغلب در ادبیات به عنوان HSP (پروتئین های شوک حرارتی) نامیده می شوند.

تحت تأثیر عوامل مختلف استرس (دمای بالا، هیپوکسی، عفونت، اشعه ماوراء بنفش، تغییر در pH محیط، تغییر در مولاریته محیط، اثر مواد شیمیایی سمی، فلزات سنگین و غیره)، سنتز HSP ها در سلول ها افزایش می یابد. با داشتن میل ترکیبی بالا برای نواحی آبگریز پروتئین های نیمه دناتوره شده، می توانند از دناتوره شدن کامل آنها جلوگیری کرده و ساختار بومی پروتئین ها را بازیابی کنند.

ثابت شده است که استرس کوتاه مدت باعث افزایش تولید HSP و افزایش مقاومت بدن در برابر استرس طولانی مدت می شود. بنابراین ایسکمی کوتاه مدت عضله قلب در حین دویدن با تمرین متوسط، مقاومت میوکارد را به ایسکمی طولانی مدت به طور قابل توجهی افزایش می دهد. در حال حاضر، تحقیقات امیدوارکننده در پزشکی، جستجوی روش‌های بیولوژیکی دارویی و مولکولی برای فعال‌سازی سنتز HSP در سلول‌ها است.

بیماری های مرتبط با تاخوردگی اشتباه پروتئین

محاسبات نشان داده است که تنها بخش کوچکی از گونه‌های احتمالی زنجیره‌های پلی پپتیدی می‌توانند یک ساختار فضایی پایدار داشته باشند. بیشتر این پروتئین‌ها می‌توانند با تقریباً همان انرژی گیبس، اما با خواص متفاوت، ترکیب‌های زیادی را به خود بگیرند. ساختار اولیه اکثر پروتئین های شناخته شده که توسط تکامل انتخاب شده اند، ثبات استثنایی را برای یک ترکیب واحد فراهم می کند.

با این حال، برخی از پروتئین های محلول در آب، هنگامی که شرایط تغییر می کند، می توانند ترکیب مولکول های ضعیف محلول را به دست آورند که قادر به تجمع هستند و رسوبات فیبریلار را در سلول هایی به نام آمیلوئید (از آمیلوم لاتین - نشاسته) تشکیل می دهند. درست مانند نشاسته، رسوبات آمیلوئید با رنگ آمیزی بافت با ید شناسایی می شوند.

ممکن است این اتفاق بیفتد:

1. با تولید بیش از حد پروتئین های خاص، در نتیجه غلظت آنها در سلول افزایش می یابد.

2. هنگامی که پروتئین ها وارد سلول ها می شوند یا در آنها تشکیل می شوند که می توانند روی ترکیب مولکول های پروتئین دیگر تأثیر بگذارند.

3. پس از فعال شدن پروتئولیز پروتئین های طبیعی بدن، با تشکیل قطعات نامحلول مستعد تجمع.

4. در نتیجه جهش های نقطه ای در ساختار پروتئین.

در نتیجه رسوب آمیلوئید در اندام ها و بافت ها، ساختار و عملکرد سلول ها مختل می شود، تغییرات دژنراتیو آنها و تکثیر سلول های بافت همبند مشاهده می شود. بیماری هایی به نام آمیلوئیدوز ایجاد می شود. هر نوع آمیلوئیدوز با نوع خاصی از آمیلوئید مشخص می شود. در حال حاضر بیش از 15 بیماری از این دست شرح داده شده است.