Проблема фолдинга белка реферат
Обновлено: 17.05.2024
Дождитесь загрузки виджета хронологической шкалы.
Для просмотра необходимо включить JavaScript.
Моделирование фолдинга белков методом молекулярной динамики
В биологии это делается методами молекулярной динамики (МД). В этом подходе считается, что отдельные атомы — это просто шарики с некоторым законом взаимодействия друг с другом. Если задать начальные координаты и скорости атомов, то дальше всё движение будет происходить по законам механики под действием только этих сил. А это значит, что его можно просчитать на компьютере. Шаг по времени традиционно выбирают равным 1 фемтосекунде; это позволяет просчитать даже самые быстрые атомные колебания и избежать артефактов дискретизации.
Дальше уже, зная количество атомов в моделировании и доступных компьютерные мощности, можно оценить те временные масштабы, которые достижимы на компьютерах. Каждый шаг по времени — это вычисление нескольких сил и смещения для каждого атома. Даже для небольшой белковой молекулы это дает многие тысячи операций за один шаг. Одна наносекунда — это миллион шагов по времени и десятки миллиардов операций, и всех их надо выполнить для того, чтобы промоделировать то, как только-только начинает формироваться структура белка!
В самой первой статье на эту тему, вышедшей в 1977 году, сообщалось про моделирование небольшой белковой глобулы БПТИ в течение всего лишь 9 пикосекунд (9000 шагов моделирования). Никакого движения белка как такового увидеть там, конечно, не удалось; в статье было лишь отмечено, что некоторые атомы довольно быстро оптимизируют свое положение относительно соседей. Однако метод работал! Подробнее про раннюю историю МД-моделирования см. в статье Молекулярная динамика биомолекул. Часть I. История полувековой давности.
Два года спустя было промоделировано уже почти 100 пс жизни этой же молекулы. Затем по мере развития вычислительных мощностей время моделирования и доступные размеры молекул неуклонно росли. В 90-е годы были достижимы уже наносекунды (миллионы шагов по времени), но для полного фолдинга белка этого, конечно, мало.
В 2000-х был достигнут уже микросекундный диапазон (миллиард шагов по времени). Например, в работе 2009 года было промоделировано 10 микросекунд из жизни небольшого белкового домена WW, одного из самых быстро укладывающихся белков.
Суперкомпьютер Anton, предназначенный для моделирования фолдинга белков. Изображение с сайта heise.de
Надо еще сказать, что кроме увеличения длительности моделирования ученые увеличивают и объемы, т. е. исследуют поведение очень большого числа атомов, пусть и на не столь длительном промежутке времени. Здесь тоже есть впечатляющие достижения. Например, в 2005 году в масштабном моделировании более чем с двумя миллионами молекул было прослежено 2 наносекунды из жизни рибосомы — молекулы, которая осуществляет синтез белков, считывая информацию с РНК. Авторы проследили, как именно рибосома осуществляет критические операции во время декодирования РНК, что именно в ней поворачивается в какой момент и что за чем следует.
МД-моделирование вируса табачной мозаики в водном растворе. Изображение из статьи P. Freddolino et al., 2006. Molecular Dynamics Simulations of the Complete Satellite Tobacco Mosaic Virus
В текущей пандемии COVID-19 появилось много проблем, на которые хакеры с удовольствием набрасывались. От лицевых щитков, распечатанных на 3D-принтере и медицинских масок домашнего изготовления до замены полноценного механического аппарата искусственной вентиляции лёгких – этот поток идей вдохновлял и радовал душу. В то же самое время были попытки продвинуться и в другой области: в исследованиях, нацеленных на борьбу непосредственно с самим вирусом.
Но для чего конкретно используются все эти экзафлопы? Почему нужно бросать такие вычислительные мощности на фолдинг [укладку] белков? Какая тут работает биохимия, зачем вообще белкам нужно укладываться? Вот краткий обзор фолдинга белков: что это, как он происходит и в чём его важность.
Для начала самое важное: зачем нужны белки?
Белки — жизненно необходимые структуры. Они не только дают строительный материал для клеток, но и служат ферментами-катализаторами практически всех биохимических реакций. Белки, будь они структурными или ферментными, представляют собой длинные цепочки аминокислот, расположенных в определённой последовательности. Функции белков определяются тем, какие аминокислоты расположены в определённых местах белка. Если, к примеру, белку необходимо связываться с положительно заряженной молекулой, место соединения должно быть заполнено отрицательно заряженными аминокислотами.
Чтобы понять, как белки получают структуру, определяющую их функцию, нужно пробежаться по основам молекулярной биологии и информационному потоку в клетке.
Производство, или экспрессия белков начинается с процесса транскрипции. Во время транскрипции двойная спираль ДНК, содержащая в себе генетическую информацию клетки, частично расплетается, давая доступ азотных оснований ДНК ферменту под названием РНК-полимераза. Задача РНК-полимеразы состоит в том, чтобы сделать РНК-копию, или транскрипцию, гена. Эта копия гена под названием матричная РНК (мРНК), представляет собой одинарную молекулу, идеально подходящую для управления внутриклеточными белковыми фабриками, рибосомами, которые занимаются производством, или трансляцией белков.
Рибосомы ведут себя как сборочные приспособления – они захватывают шаблон мРНК и сопоставляют его другим небольшим кусочкам РНК, транспортным РНК (тРНК). У каждой тРНК есть две активные области – секция из трёх оснований под названием антикодон, которая должна совпадать с соответствующими кодонами мРНК, и участок для связывания аминокислоты, специфичной для этого кодона. Во время трансляции молекулы тРНК в рибосоме случайным образом пытаются связаться с мРНК при помощи антикодонов. В случае успеха молекула тРНК присоединяет свою аминокислоту к предыдущей, формируя очередное звено в цепочке аминокислот, закодированной мРНК.
Эта последовательность аминокислот является первым уровнем структурной иерархии белка, поэтому и называется его первичной структурой. Вся трёхмерная структура белка и его функции напрямую происходят от первичной структуры, и зависят от различных свойств каждой из аминокислот и их взаимодействия между собой. Не будь этих химических свойств и взаимодействий аминокислот, полипептиды так и оставались бы линейными последовательностями без трёхмерной структуры. Это можно увидеть каждый раз во время готовки еды – в этом процессе происходит тепловая денатурация трёхмерной структуры белков.
Дальнодействующие связи частей белков
Следующему уровню трёхмерной структуры, выходящему за рамки первичной, дали хитроумное название вторичной структуры. В неё входят водородные связи между аминокислотами относительно близкого действия. Основная суть этих стабилизирующих взаимодействий сводится к двум вещам: альфа-спирали и бета-листу. Альфа-спираль образует туго скрученный участок полипептида, а бета-лист – гладкую и широкую область. У обоих образований есть как структурные, так и функциональные свойства, зависящие от характеристик составляющих их аминокислот. К примеру, если альфа-спираль в основном состоит из гидрофильных аминокислот, как аргинин или лизин, то она, скорее всего, будет участвовать в водных реакциях.
Альфа-спирали и бета-листы в белках. Водородные связи формируются во время экспрессии белка.
Также стабильность третичных структур обеспечивают дальнодействующие связи между аминокислотами. Классическим примером таких связей служит дисульфидный мостик, часто возникающий между двумя радикалами цистеинов. Если в парикмахерской во время процедуры перманентной завивки волос какого-нибудь клиента вы чувствовали запах, немного напоминающей тухлые яйца, то это была частичная денатурация третичной структуры содержащегося в волосах кератина, проходящая посредством уменьшения дисульфидных связей при помощи содержащих серу тиольных смесей.
Третичную структуру стабилизируют дальнодействующие взаимодействия, типа гидрофобности или дисульфидных связей
Дисульфидные связи могут возникать между цистеиновыми радикалами в одной полипептидной цепочке, или между цистеинами из разных полных цепочек. Взаимодействия между разными цепочками формируют четвертичный уровень белковой структуры. Прекрасным примером четвертичной структуры служит гемоглобин у вас в крови. Каждая молекула гемоглобина состоит из четырёх одинаковых глобинов, частей белка, каждый из которых удерживается в определённом положении внутри полипептида дисульфидными мостиками, а также связан с молекулой гема, содержащей железо. Все четыре глобина связаны межмолекулярными дисульфидными мостиками, а вся молекула целиком связывается сразу с несколькими молекулами воздуха, вплоть до четырёх, и способна отпускать их по необходимости.
Моделирование структур в поисках лечения болезни
Полипептидные цепочки начинают укладываться в итоговую форму во время трансляции, когда растущая цепочка выходит из рибосомы – примерно как отрезок проволоки из сплава с эффектом памяти может принимать сложные формы при нагреве. Однако, как всегда в биологии, всё не так просто.
Во многих клетках перед трансляцией транскрибированные гены подвергаются серьёзному редактированию, значительно меняющему основную структуру белка по сравнению с чистой последовательностью оснований гена. При этом трансляционные механизмы часто заручаются помощью молекулярных сопровождающих, белков, временно связывающихся с нарождающейся полипептидной цепочкой, и не дающих ей принимать какую-либо промежуточную форму, из которой они потом не смогут перейти к окончательной.
Это всё к тому, что предсказание окончательной формы белка не является тривиальной задачей. Десятилетиями единственным способом изучения структуры белков были физические методы типа рентгеновской кристаллографии. Только в конце 1960-х биофизические химики начали строить вычислительные модели фолдинга белка, в основном сконцентрировавшись на моделировании вторичной структуры. Этим методам и их потомкам требуются огромные объёмы входных данных в дополнение к первичной структуре – к примеру, таблицы углов связи аминокислот, списки гидрофобности, заряженные состояния и даже сохранение структуры и функционирование на эволюционных временных отрезках – и всё для того, чтобы догадаться, как будет выглядеть окончательный белок.
Сегодняшние вычислительные методы предсказания вторичной структуры, работающие, в частности, в сети Folding@Home, работают примерно с 80% точностью – что довольно неплохо, учитывая сложность задачи. Данные, полученные предсказательными моделями по таким белкам, как белок шипов SARS-CoV-2, будут сопоставлены с данными физического изучения вируса. В итоге можно будет получить точную структуру белка и, возможно, разобраться в том, как вирус прикрепляется к рецепторам ангиотензинпревращающего фермента 2 человека, находящимся в дыхательных путях, ведущих внутрь тела. Если мы сможем разобраться в этой структуре, мы, вероятно, сумеем найти лекарства, блокирующие связывание и предотвращающие инфицирование.
Исследования фолдинга белка лежат в самом сердце нашего понимания такого количества заболеваний и инфекций, что даже когда мы при помощи сети Folding@Home придумаем, как победить COVID-19, за взрывным ростом которого мы наблюдаем в последнее время, эта сеть не будет долго простаивать без работы. Это исследовательский инструмент, отлично подходящий для изучения белковых моделей, лежащих в основе десятков заболеваний, связанных с неправильным фолдингом белков – например, с болезнью Альцгеймера или с разновидностью болезни Крейтцфельдта — Якоба, которую часто некорректно именуют коровьим бешенством. И когда неизбежно появится очередной вирус, мы уже будем готовы снова начать с ним борьбу.
Фолдинг белков – процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру. При этом происходит сближение удаленных аминокислотных остатков полипептидной цепи, приводящее к формированию нативной структуры. Эта структура обладает уникальной биологической активностью. Поэтому фолдинг является важной стадией преобразования генетической информации в механизмы функционирования клетки.
Структура и функциональная роль шаперонов в фолдинге белков
В процессе синтеза полипептидных цепей, транспорта их через мембраны, при сборке олигомерных белков возникают промежуточные нестабильные конформации, склонные к агрегации. На вновь синтезированном полипептиде имеется множество гидрофобных радикалов, которые в трёхмерной структуре спрятаны внутри молекулы. Поэтому на время формирования нативной конформации реакционноспособные аминокислотные остатки одних белков должны быть отделены от таких же групп других белков.
Во всех известных организмах от прокариотов до высших эукариотов обнаружены белки, способные связываться с белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии. Они способны стабилизировать их конформацию, обеспечивая фолдинг белков. Эти белки получили название шаперонов.
Классификация шаперонов (Ш)
В соответствии с молекулярной массой все шапероны можно разделить на 6 основных групп:
1. высокомолекулярные, с молекулярной массой от 100 до 110 кДа;
2. Ш-90 – с молекулярной массой от 83 до 90 кДа;
3. Ш-70 – с молекулярной массой от 66 до 78 кДа;
6. Низкомолекулярные шапероны с молекулярной массой от 15 до 30 кДа.
Роль шаперонов в фолдинге белков
При синтезе белков N-концевая область полипептида синтезируется раньше, чем С-концевая область. Для формирования конформации белка нужна его полная аминокислотная последовательность. Поэтому в период синтеза белка на рибосоме защиту реакционно-способных радикалов (особенно гидрофобных) осуществляют Ш-70.
Ш-70 – высококонсервативный класс белков, который присутствует во всех отделах клетки: цитоплазме, ядре, митохондриях.
Фолдинг многих высокомолекулярных белков, имеющих сложную конформацию (например, доменное строение), осуществляется в специальном пространстве, сформированном Ш-60. Ш-60 функционируют в виде олигомерного комплекса, состоящего из 14 субъединиц.
Шапероновый комплекс имеет высокое сродство к белкам, на поверхности которых есть элементы, характерные для несвёрнутых молекул (прежде всего участки, обогащённые гидрофобными радикалами). Попадая в полость шаперонового комплекса, белок связывается с гидрофобными радикалами апикальных участков Ш-60. В специфической среде этой полости, в изоляции от других молекул клетки происходит выбор возможных конформаций белка, пока не будет найдена единственная, энергетически наиболее выгодная конформация.
Высвобождение белка со сформированной нативной конформацией сопровождается гидролизом АТФ в экваториальном домене. Если белок не приобрёл нативной конформации, то он вступает в повторную связь с шапероновым комплексом. Такой шаперонзависимый фолдинг белков требует затрат большего количества энергии.
Таким образом, синтез и фолдинг белков протекает при участии разных групп шаперонов, препятствующих нежелательным взаимодействиям белков с другими молекулами клетки и сопровождающих их до окончательного формирования нативной структуры.
Роль шаперонов в защите белков клеток от денатурирующих стрессовых воздействий
Шапероны, участвующие в защите клеточных белков от денатурирующих воздействий, как уже говорилось выше, относят к белкам теплового шока (БТШ) и в литературе часто обозначают как HSP (англ. heat shock protein).
При действии различных стрессовых факторов (высокая температура, гипоксия, инфекция, УФО, изменение рН среды, изменение молярности среды, действие токсичных химических веществ, тяжёлых металлов и т.д.) в клетках усиливается синтез БТШ. Имея высокое сродство к гидрофобным участкам частично денатурированных белков, они могут препятствовать их полной денатурации и восстанавливать нативную конформацию белков.
Установлено, что кратковременные стрессовые воздействия увеличивают выработку БТШ и повышают устойчивость организма к длительным стрессовым воздействиям. Так, кратковременная ишемия сердечной мышцы в период бега при умеренных тренировках значительно повышает устойчивость миокарда к длительной ишемии. В настоящее время перспективными исследованиями в медицине считают поиски фармакологических и молекулярно-биологических способов активации синтеза БТШ в клетках.
Болезни, связанные с нарушением фолдинга белков
Расчёты показали, что лишь небольшая часть теоретически возможных вариантов полипептидных цепей может принимать одну стабильную пространственную структуру. Большинство же таких белков может принимать множество конформаций с примерно одинаковой энергией Гиббса, но с различными свойствами. Первичная структура большинства известных белков, отобранных эволюцией, обеспечивает исключительную стабильность одной конформации.
Однако некоторые растворимые в воде белки при изменении условий могут приобретать конформацию плохо растворимых, способных к агрегации молекул, образующих в клетках фибриллярные отложения, именуемые амилоидом (от лат. аmylum – крахмал). Так же, как и крахмал, амилоидные отложения выявляют при окраске ткани йодом.
Это может происходить:
1. при гиперпродукции некоторых белков, в результате чего увеличивается их концентрация в клетке;
2. при попадании в клетки или образовании в них белков, способных влиять на конформацию других молекул белка;
3. при активации протеолиза нормальных белков организма, с образованием нерастворимых, склонных к агрегации фрагментов;
4. в результате точечных мутаций в структуре белка.
В результате отложения амилоида в органах и тканях нарушаются структура и функция клеток, наблюдаются их дегенеративные изменения и разрастание соединительнотканных клеток. Развиваются болезни, называемые амилоидозами. Для каждого вида амилоидоза характерен определённый тип амилоида. В настоящее время описано более 15 таких болезней.
Презентация на тему: " ФОЛДИНГ БЕЛКА.. Фолдингом белка (укладкой белка, от англ. folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную." — Транскрипт:
2 Фолдингом белка (укладкой белка, от англ. folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (так называемая третичная структура). Фолдинг белка
3 Вопрос - каким образом белки так быстро (буквально за наносекунды) принимают необходимую третичную структуру. Так, достаточно простой белок, состоящий из ста аминокислот, может принять форм. Если он даже будет изменять эти формы со скоростью 100 миллиардов в секунду, для того чтобы достигнуть необходимой, у него уйдёт на это вечность. При этом скорость, с которой белки свёртываются, чрезвычайно чувствительна к температуре. Совсем недавно китайские учёные Ляофу Луо и Цзунь Лу предложили объяснять этот процесс его квантовой природой. Это открытие для биологии настолько же важно, как открытие законов термодинамики в физике.
4 В фолдинге участвуют белки- шапероны. Большинство только что синтезированных белков может сворачиваться при отсутствии шаперонов Шапероны класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной третичной структуры повреждённых белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов.
6 Фолдинг белков происходит в эндоплазматическом ретикулуме В нём содержатся необходимые для фолдинга шапероны и ферменты Кроме того ЭПС обладает уникальным окислительным потенциалом, облегчающим образование дисульфидных связей в процессе укладки белка. Из эндоплазматического ретикулума белки с корректной укладкой отправляются к месту назначения. Белки с нарушенной укладкой подвергаются ассоциированной с эндоплазматической сетью деградации
7 Деградация белков проходит по убиквитин-протеасомному пути (Аарон Чехоновер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз, 2004) Деградация белка
8 Убиквити́н (от англ. ubiquitous вездесущий) небольшой консервативный белок Убиквитинилирование это посттрансляционное присоединение ферментами убиквитин-лигазами одного или нескольких молекул убиквитина с помощью ковалентной связи к ε-NH 2 группе остатков Лиз белка-мишени. Присоединение убиквитина влияет на внутриклеточную локализацию и функцию белков. Самым первым открытием стала деградация белков, помеченных мультиубиквитиновыми цепями, с помощью 26S- протеасомы. Система убиквитинилирования вовлечена в такие важные процессы, как пролиферация, развитие и дифференцировка клеток, реакция на стресс и патогены, репарация ДНК.
9 При помощи убиквитин-лигаз (E1, E2, E3) цепь из 4 или более молекул убиквитинов присоединяется к одному или более остатку лизина на целевом белке. Такой убиквитинилированный белок транспортируется к протеасоме, где цепь убиквитинов удаляется, позволяя белку развернуться (unfold) и загрузиться во внутрь протеасомы, где он деградирует с помощью трёх треониновых протеаз.
10 Протеасома (от англ. protease протеиназа и лат. soma тело) мультисубъединичная протеаза, присутствующая в клетках эукариот, архей и некоторых бактерий. У эукариот протеасомы присутствуют в цитозоле и ядрах Протеасомы выделяют в виде индивидуальных частиц с коэффициентами седиментации 20S и 26S В человеческой клетке насчитывается около 30,000 протеасом Они неспецифично расщепляют белки до пептидов длинной 7-9 аминокислот.
Читайте также: