А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 73

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 73)

Примеров неудавшихся много больше, и это понятно —ведь, предсказывая, надо выбрать один или пусть несколько вариантовиз бездны оцениваемых. так что попасть рядом с такой бесконечно малой338целью даже в половине случаев (так сейчас работают наиболее успешныегруппы) — огромный успех. Методы «протягивания» становятся сейчас рабочим инструментомдля опознавания трехмерных структур белковых последовательностей.Чрезвычайно важно, что уже сформирован рецепт — делай так, так и так,и в результате ты получишь одну или несколько структур, среди которых,с довольно высокой вероятностью, будет структура, сходная с трехмернойукладкой рассматриваемой последовательности. На этом фоне и на фоне прогресса в опознавании структур белков «по гомологии» (в особенности с привлечением биоинформатических «мегасерверов», опрашивающих серверы, работающие по разным программам, и суммирующих результаты их работы) — успехи в предсказании белковых структурпутем имитации их сворачивания — пока выглядят, вообще говоря, несколькоболее скромно, хотя и здесь делается немало ярких и интересных работ.Хочу особо отметить подход д.

Бейкера, в котором своего рода имитация сворачивания используется для поиска стабильной укладки цепи. Этотподход воплощен в комплексе программ Rosetta, успешно применявшемся идля предсказания структур белков, и для белкового дизайна, о котором речьпойдет в конце этой лекции. Вначале производится подбор гомологов (с известной пространственной структурой) к каждому короткому фрагментуцепи белка, структура которого предсказывается.

Потом из пространственных структур этих фрагментов-гомологов складывается масса возможныхпространственных структур рассматриваемого белка, а затем негодныеструктуры цепи отметаются энергетическими расчетами, а лучшие выделяются. действуя таким образом, Бейкер смог не только «опознать» в PDB,но и ab initio предсказать несколько «новых», еще не наблюдавшихся укладок белковых цепей в ходе «слепого» тестирования предсказательных методов («CASP»).

И еще необходимо отметить недавние работы групп В. Панде(J. Am. Chem. Soc. (2010) 132:1526-1528) и особенно д. Шоу (Science (2010)330:341-346), которые смогли проследить сворчивание развернутых цепейнескольких, пусть пока только крошечных белков в течение десятков микросекунд, и при этом не только показать, что они достигают своих нативныхструктур, но и верно оценить скорость их сворачивания. Можно ли как-то устранить зловредное действие приблизительностинаших оценок взаимодействий в белках (для иллюстрации, см. Задачу 23.1)и улучшить опознавание и предсказание белковых структур? да, если привлечь гомологи, т. е. предсказывать структуру белка уже не только по егоаминокислотной последовательности, а по набору гомологичных последовательностей.

Использование гомологов улучшило предсказания вторичных339структур белков. Этот же метод широко и успешно применяется при предсказании вторичных структур рНк. При опознавании пространственныхукладок белковых цепей его тоже начали применять, при этом отдаетсяпредпочтение той укладке, что более или менее хороша для всех гомологов.Причем наиболее полезными оказываются гомологи с идентичностью ~40 %: они еще сохраняют почти тождественную пространственную структуру, но уже кодируют ее по-разному, что и позволяет опознать «сигнал»(структуру), несмотря на «шум» всех погрешностей предсказания.

Правда,при этом мы получим не точную структуру данной цепи, а некоторую обобщенную, т. е. приближенную структуру, общую для всех гомологов.Мой сегодняшний рассказ касался глобулярных белков. А что можносказать о фибриллярных и мембранных?В последовательностях фибриллярных белков — без всякого компьютера — просматриваются периодичности, характерные для их вторичныхструктур, причем они настолько очевидны, что опознание вторичныхструктур этих белков обычно не составляет труда. А на этой основе удается предложить несколько возможных вариантов их упаковки в фибриллу.Предсказание строения мембранных белков менее развито, чем предсказание строения белков глобулярных: слишком мало структур мембранных белков мы знаем.

Опознать внутримембранные части таких белков довольно легко: это — сплошные (точнее — почти сплошные) гидрофобныеблоки, длина которых диктуется толщиной мембраны. Однако принципыформирования укладки этих блоков в белке еще недостаточно выяснены(хотя известно главное; напомню: у мембранных белков «нутро» структуры — не гидрофобное, как у глобулярных, а полярное; гидрофобные жегруппы контактируют с жиром мембраны). В общем, работы по предсказанию пространственного строения мембранных белков только начинаются.суммируем.Предсказание трехмерных укладок белковых цепей, с точки зрения физики, является поиском самой стабильной укладки рассматриваемой цепи.такое предсказание возможно в принципе, и порой оно приводит к вполнеудовлетворительному результату.

Однако оно всегда имеет сложности,связанные с недостатком точной информации о репертуаре возможныхукладок белковых цепей и о многих взаимодействиях в белковой цепи,с погрешностями в энергетических параметрах, и т. д.В результате однозначное и надежное предсказание укладки цепи,не имеющей гомолога с уже известной структурой, исключительно по еепоследовательности пока что вряд ли возможно, но зато можно выделитьнесколько наиболее вероятных мотивов укладки цепи и — что оченьважно — отбраковать огромное множество других укладок. И такие340предсказания могут быть уточнены с учетом дополнительной информации, в частности, о по следовательностях цепей гомологичных белкови об их возможных укладках, об активных центрах и т.

д. В прагматическом аспекте, вопрос о предсказании трехмерного строения белка сейчас ставится скорее как задача опознания, чем предсказания.Она ставится так: похожа ли пространственная структура рассматриваемой белковой последовательности на какую-либо из уже известных пространственных белковых структур? Если да, то как именно рассматриваемая последовательность располагается в этой структуре?стратегия опознания ограничена (ведь не все возможные пространственные структуры белков уже известны, а опознать можно только известную), она обладает одним несомненным преимуществом перед априорным(и не ограниченным набором известных структур) предсказанием. Опознавструктуру белка, мы часто можем догадаться, чем он занимается; а предсказание структуры — само по себе, без опознания сходства с чем-то ужеизвестным — не дает никаких намеков на этот счет. Надо отметить, что на физике базируется только часть методов, направленных на предсказание (точнее — на опознание) структур белков.Большинство же методов пытается опознать сходство данной последовательности (и, часто, ее окружения в геноме) с последовательностями (и геномным окружением) уже известных белков.Все «опознавательные» подходы базируются на банках данныхпо структурам и последовательностям биополимеров.

Они содержат такойгигантский объем информации, что сложилась и окрепла тенденция братьвсю необходимую информацию именно из этих Банков: и набор возможных структур, и энергии самых разных взаимодействий в них, и семействагомологов, и набор возможных функций, и годных для того активныхцентров. Это называется «биоинформатикой»; эта ветвь науки быстроразвивается, и на это даются гигантские средства. Не меньшие средстварасходуются на пополнение баз данных. Вы все знаете о проекте «геномчеловека», призванном установить первичную структуру всех человеческих генов, а также генов ряда других организмов (всего — порядкасотен тысяч генов).

Этот проект уже завершен в той части, что касаетсясеквенирования, т. е. определения нуклеотидной последовательности,человеческих хромосом. Несколько сложнее дело обстоит с выделениеми аннотированием генов на этих хромосомах. Выделить ген на дНк эукариота — задача нетривиальная и сложная: ведь (вспомните сплайсинг,и особенно альтернативный сплайсинг) приходится находить все те кусочки, из которых складывается ген, кодирующий белок. Однако люди надеются, что и эта задача будет решена через несколько лет.341Уже запущены следующие масштабные биоинформационные проекты:Проект «Протеомика» призван опознать все белок-кодирующие геныи, далее, узнать, чем занимается каждый белок-кодирующий ген в контексте генома: опознать биохимическую функцию этого белка (кодирует лиген оксиредуктазу? или нуклеазу? или?), его роль в клетке (вовлечен ли онв нуклеотидный метаболизм? или в регуляцию? или?), а также его связис продуктами других генов.Опознавание укладок белковых цепей, возможно, послужит в этом проектеодним из инструментов.

Ведь, в конечном счете, именно функция интересуетбиолога, а структуры и последовательности обслуживают этот интерес.другой проект, «Структурная геномика», призван расшифровать(рентгеном или ЯМр) хотя бы по одному представителю из каждого семейства белков — всего этот проект должен дать, за время порядка 10 лет,порядка десятка тысяч разнообразных белковых структур (что обойдетсяв ~10 миллиардов долларов). когда этот проект будет завершен, предсказание белковых структур ab initio окажется излишним — пространственныеструктуры интересующих вас последовательностей можно будет простоопознавать по гомологии.И, наконец, гигантский проект «Индивидуальные геномы» — отгеномов индивидуальных людей до геномов поразивших именно ихопухолей, бактерий и вирусов… В заключительной части этой лекции я хочу кратко рассказать о белковой  инженерии, то есть о направленной модификации белков ужесуществующих, и о белковом дизайне, т.

е. о конструировании новых белков.Олигонуклеотидный синтез и техника рекомбинантных дНк дали возможность получения генов белков, не существовавших в природе; рентгени ЯМр позволили увидеть трехмерные структуры белков; а мощные ЭВМи компьютерная графика позволили вступить в интерактивный диалогс этими пространственными структурами — менять в них что-то и оценивать последствия этих изменений. Объединившись, эти методы стали,соответственно, «руками», «глазами» и «мозгом» новой области молекулярной биологии — белковой инженерии. Ее стратегическая задача — создание знаний и методов, позволяющих получать белки с наперед заданнойфункцией и структурой. трудно переоценить перспективность этих исследований для конструирования новых лекарств, катализаторов, для схемотехники и т. д.Прицельный белково-инженерный эксперимент уже дал ответ на рядфундаментальных вопросов.

Показано, что за выбор пространственнойструктуры отвечают далеко не все детали плотной упаковки — структурабелка выдерживает массу точечных мутаций; и вряд ли отвечают за этот342выбор петли: если заменить или вырезать из белковой цепи участок,кодирующий петлю, то «рана» на теле глобулы обычно затягивается.О том, что целенаправленное введение точечных мутаций дает массуинформации об энергетике белковой глобулы и промежуточных структурна пути ее самоорганизации, мы уже говорили; а о том, как они применяются для исследования активности белка, — поговорим на следующейлекции.следует отметить и индустриальное применение белковой инженериив фармакологии и химии для получения, путем введения направленных мутаций, белков с повышенной (или пониженной — смотря, что требуется спросом) стабильностью и модифицированной каталитической активностью. сущность белково-инженерного подхода к модификации белкадемонстрируется рисунком 23–6.

Характеристики

Список файлов лекций