Предвидување на структурата на белковините

мини|Составните аминокиселини на една белковина може да бидат анализирани за да се предвиди вторичната, третичната и четвртичната структура на таа белковина.|алт=|336x336пкс Предвидување на структурата на белковините — процес на изведување на тридимензионалната структура на белковините од нивната аминокиселинска низа, т.е., предвидувањето на нивното склопување и нивната вторична и третична структура од нивната првична структура. Предвидувањето на структурата е фундаментално различен проблем од инверзниот проблем на дизајнирање на белковини. Предвидување на структурата е една од најважните дејности на биоинформатиката и теоретската хемија, која е мошне значајна во медицината (на пример, за дизајнирање на нови лекови) и во биотехнологијата (за пример, за дизајнирање на нови ензими). Секои две години, перформансите на постојните методи се оценуваат со CASP експериментот (од анг. Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction - критична процена на техники за предвидување на структурата на белковините). Континуирана проценка на опслужувачите за предвидувањето на структурата на белковините се врши од страна на проектот CAMEO3D (од анг. Continuous Automated Model EvaluatiOn).

Структура на белковините и терминологија Белковините се макромолекули изградени од аминокиселини поврзани меѓусебе со пептидни врски (наречени и полипептиди). Постојат многу конформации кои може да ги заземе полипептидната верига поради нејзината ротација околу секој Cα атом. Овие конформациони промени се одговорни за разликите во тридимензионалната структура на белковините. Секоја аминокиселина во полипептидната верига е поларна, односно поседува одвоени позитивно и негативно наелектризирани региони, со слободна карбонилна група, која може да игра улога на акцептор на водородна врска, и NH група, која може да игра улога на дарител на водородна врска. Затоа овие групи може да стапуваат во интеракција во склоп на белковинската структура. Дваестте природни аминокиселини може да се класифицираат според хемискиот состав на нивните странични ланци, кои исто така играат важна структурна улога. Глицинот зазема посебна позиција, бидејќи го има најмалиот страничен ланец, т.е. само еден водороден атом, па затоа може да ја зголеми локалната флексибилност во белковинската структура. Цистеинот може да реагира со друг цистеински остаток и на тој начин да формира вкрстена врска која ја стабилизира целата белковинска структура.

Белковинската структура може да се смета како низа од елементи на вторичната структура, како што се α завојниците и β плочите, кои заедно ја чинат целокупната тридимензионална конфигурација на полипептидниот синџир. Во овие вторични структури се формираат правилни шеми на водородни врски помеѓу соседните аминокиселини, па затоа аминокиселините имаат слични Φ и Ψ агли. мини|242x242px|Агли на врзување ψ и ω|алт= Формирањето на овие структури ги неутрализира поларните групи на секоја аминокиселина. Вторичните структури густо се спакувани во јадрото на белковинската молекула каде владее хидрофобна средина. Секоја странична група на аминокиселините има ограничен волумен што може да го заземе и ограничен број на можни интеракции со другите соседни странични групи.

α-завојница

Алфа (α) завојница е најзастапениот вид на вторична структура кај белковините. Алфа-завојницата има 3,6 аминокиселински остатоци по едно свртување, со водородна врска која се формира помеѓу секој четврти остаток; просечната должина е 10 аминокиселини (3 свртувања) или 10 Å, но варира од 5 до 40 (1.5 до 11 свртувања). Порамнувањето на водородните врски создава диполен момент на завојницата, што резултира со делумно позитивен полнеж на амино крајот на завојницата. Бидејќи овој регион има слободни NH2 групи, тој би стапувал во интеракција со негативно наелектризирани групи како што се фосфати. Најчестата локација на α завојниците е површината на белковинското јадро, каде тие обезбедуваат интерфејс со водената средина. Внатрешно-ориентираните аминокиселини се хидрофобни, а надворешно-ориентираните се хидрофилни. На тој начин, секоја трета од четирите аминокиселини долж полипептидниот синџир ќе има тенденција да биде хидрофобна, а оваа шема може доста лесно да се детектира. Во мотивот леуцински патент има повторувачка шема на леуцини на контактните страни на две соседни завојници. Оваа повторлива шема може да се прикаже со дијаграм на завојно тркало. Други α завојници кои се наоѓаат во јадрото на белковината или во клеточните мембрани имаат поголема и поредовна дистрибуција на хидрофобни аминокиселини. Завојниците кои се изложени на белковинската површина имаат помал процент на хидрофобни аминокиселини. Аминокиселинската содржина на еден полипептид може да даде информации за α-завојницаните региони во молекулата. Регионите кои се побогати со аланин (А), глутаминска киселина (E), леуцин (Л) и метионин (М), а сиромашни со пролин (P), глицин (G), тирозин (Y) и серин (S) имаат тенденција да формираат α-завојница. Пролинот ги дестабилизира или ги нарушува α завојниците, но може да биде присутен во подолгите завојници, формирајќи искривување. мини|287x287px|Алфа-завојница со водородни врски (жолти точки)|алт=

β-плоча

Бета (β) плочите се формираат по пат на водородно поврзување помеѓу просечно 5-10 последователни аминокиселински остатоци, во еден дел од полипептидниот синџир, со други 5-10 последователни аминокиселински остатоци на подалечен крај од синџирот. Регионите кои стапуваат во интеракција може да се во непосредна близина, со кратка петелка меѓу нив, или повеќе оддалечени, со други структури меѓу нив. Секој од синџирите може да биде во истата насока па да формираат паралелна плоча, или да бидат во спротивна хемиска насока па да формираат антипаралелна плоча, или плочата може да биде мешана ако поседува и паралелни и антипаралелни нишки. Шемата на водородното врзување се разликува кај паралелните и антипаралелните конфигурации. Секоја аминокиселина од внатрешните нишки на плочата формира две водородни врски со соседните аминокиселини, додека секоја аминокиселина од надворешните нишки формира само една водородна врска со внатрешна нишка. Гледајќи низ плочата под прав агол во однос на нишките, подалечните нишки малку се ротирани спротивно од стрелките на часовникот за да формираат левогир вртеж. Cα атомите наизменично се менуваат над и под плочата во набрана структура, а страничните ланци на аминокиселините наизменично се поставени над и под наборите. Аглите Φ и Ψ на аминокиселините во бета плочите значително се разликуваат во еден регион на Рамачандрановиот дијаграм. Потешко се предвидува локацијата на β плочите во однос на α завојниците.

Петелка Петелки се региони од полипептидната верига, кои: 1) се наоѓаат помеѓу α завојниците и β плочите, 2) имаат различни должини и тридимензионални конфигурации и 3) се наоѓаат на површината на структурата.

Петелките на шнолите кои прават целосен пресврт во полипептидниот синџир поврзуваат две антипаралелни β-нишки и можат да бидат само две аминокиселини во должина. Петелките стапуваат во интеракција со околната водена средина и другите белковини. Бидејќи аминокиселините во петелките не се просторно ограничени, како аминокиселините во јадрото, и немаат ефект врз аранжманот на вторичните структури во јадрото, кај нив можат да настанат повеќе супституции, вметнувања и бришења. Така, во порамнувањето на низите, присуството на овие особини може да биде показател за присуство на петелка. Позициите на интроните во геномската ДНК понекогаш одговараат на локациите на петелките во кодираната белковина. Петелките, исто така, имаат тенденција да содржат поларни и наелектризирани аминокиселини и тие често се дел од активните места на ензимите. Деталниот преглед на структурите на петелките покажал дека тие припаѓаат на различни семејства.

Навои Регион од вторичната структура кој не е α-завојница, β-плоча, или свијок се нарекува навој.

Класификација на белковините Белковините може да се класифицираат според нивната структурна и низна сличност. Кај структурната класификација, големините и просторните аранжмани на вторичните структури се споредуваат со познати тридимензионални структури. Класификацијата врз основа на сличност на низите била историски првата која се користела. Најрано била направена сличност врз основа на порамнување на цели низи. Подоцна, белковините биле класифицирани врз основа на појавата на сочувани аминокиселини. Достапни се повеќе бази на податоци кои ги класифицираат белковините според една или повеќе од овие шеми. При разгледувањето на шемите за класификација на белковините, важно е да се имаат предвид неколку набљудувања. Прво, две сосема различни белковински низи, со различно еволуционо потекло, може да се склопат во слична структура. Спротивно на тоа, низата на античкиот ген за дадена структура може значително да дивергирала кај различни видови на организми, а во исто време да ги одржала (сочувала) основните структурни одлики. Пронаоѓањето на каква било заостаната сличност во низите во вакви случаи може да биде многу тешка задача. Второ, две белковини кои имаат значителен степен на сличност во низите или меѓусебно или со трета низа, исто така, имаат заедничко еволутивно потекло и треба да споделуваат некои структурни одлики. Сепак, генските дупликации и генетските преуредувања за време на еволуцијата може да доведат до појава на нови генски копии, кои потоа може да еволуираат во белковини со нова функција и структура.

Термини кои се користат за класификација на белковинските структури и низи Најчесто користените термини за еволутивни и структурни односи помеѓу белковините се наведени подолу. Разни дополнителни термини се користат за различни видови на структурни одлики кои се среќаваат кај белковините. Описи на такви термини можат да се најде на CATH мрежното место, структурна класификација на белковините (SCOP) мрежното место, и Glaxo-Wellcome туторијалот на Swiss bioinformatics Expasy мрежното место.

Активно место е локализирана комбинација на аминокиселински странични групи во рамките на третичната (тридимензионална) или четвртична (белковинска подединица) структура која може да стапува во интеракција со хемиски специфичен супстрат и која ја дава биолошката активност на белковината. Белковините со многу различни аминокиселински низи може да се склопат во структура со исто активно место.

Архитектура е релативната ориентација на вторичните структури во тридимензионалната структура, без разлика на тоа дали тие споделуваат слична структура на петелките или не.

Склоп е тип на архитектура која има сочувана структура и на петелките.

Блок е сочувана шема на аминокиселинска низа во семејство на белковини. Шемата вклучува серија на можни совпаѓања на секоја позиција во претставените низи, но нема вметнати или избришани позиции (вметнувања или бришења) во шемата или во низите. Спротивно на тоа, низните профили се тип на бодувачка матрична која претставува сличен сет на шеми кои вклучуваат вметнувања и бришења.

Класа е термин кој се користи за класификација на белковинските домени според нивната содржина на вторични структури и организацијата. Левит и Чотиа (1976) првично навеле четири класи, а подоцна биле додадени уште неколку други во SCOP базата на податоци. CATH базата на податоци наведува три класи: доминантно-α, доминантно-β и α–β класи, со тоа што α–β класата ги вклучува α/β и α+β структурите.

Јадро е дел од склопената белковинска молекула кое се состои од хидрофобна внатрешност на α-завојници и β-плочи. Оваа компактна структура ги доведува страничните групи на аминокиселините доволно блиску, така што тие можат да стапуваат во интеракција. Кога се споредуваат структурите на белковините, како што се врши во базата на податоци SCOP, јадрото е регионот кој е заеднички за повеќето структури кои имаат заеднички склоп или кои припаѓаат на истото натсемејство. Во предвидувањето на структурата, јадрото понекогаш се дефинира како распоредот на вторичните структури кои најверојатно е сочуван за време на еволутивната промена.