Информация о первичной структуре белка содержится в его генетической. Правильный ответ на вопрос«Где хранится информация о структуре белка? и где осуществляется его синтез » по предмету Биология. Развернутая система поиска нашего сайта обязательно приведёт вас к нужной информации.
Программа нашла все 200 млн белков, известных науке: как это возможно
Наличие «знаков препинания» так называемых «стоп-кодонов» между генами. Наконец, перейдём непосредственно к биосинтезу белка. Этот процесс возможен лишь при наличии ряда компонентов, таких как: информационная РНК иРНК — переносит информацию от ДНК к месту синтеза белков; рибосомы — в этих органоидах происходит сам процесс биосинтеза; необходимые аминокислоты в цитоплазме клетки — собственно, из них и происходит «сборка» нужных белков; транспортные РНК тРНК — кодируют аминокислоты и доставляют их к месту синтеза; АТФ — обеспечивает энергией протекание нужных реакций. Весь процесс биосинтеза белка включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.
О них мы детально поговорим в следующих постах, а на сегодня информации хватит ; Не забудь поставить лайк и поделиться полезной информацией с друзьями! Продолжение статьи читай здесь. Переходи по ссылке и регистрируйся — времени до экзамена остаётся всё меньше!
Биосинтез белка. Генетический код и его свойства.
Что такое первичная структура белка? Генетическая информация закодирована в последовательности нуклеотидов, из которых состоят гены. При синтезе белка, информация из генетического кода транслируется в белковую молекулу на рибосоме. Рибосома считывает последовательность триплетов нуклеотидов кодонов и связывает с ними соответствующие аминокислоты. Таким образом, формируется последовательность аминокислот, которая и определяет первичную структуру белка. Первичная структура белка является основой для формирования вторичной, третичной и кватернической структур. Она определяет пространственное расположение и взаимодействие аминокислотных остатков белка, которые влияют на его функцию, свойства и активность. Информация о первичной структуре белка, то есть последовательности аминокислот, может быть найдена в различных источниках.
Мы надеемся, что эта расширенная база данных поможет огромному количеству ученых в их важной работе и откроет совершенно новые возможности для научных открытий. База данных белковых структур AlphaFold, которая находится в свободном доступе для научного сообщества, была расширена с почти одного миллиона белковых структур до более чем 200 миллионов структур, охватывающих почти каждый организм на Земле , чей геном был секвенирован. Расширение включает в себя предсказанные формы для самого широкого круга видов, включая растения, бактерии, животных и другие организмы, открывая новые направления исследований в области наук о жизни. Демис Хассабис, основатель и генеральный директор DeepMind, сказал: «Мы были поражены скоростью, с которой AlphaFold уже стал важным инструментом для сотен тысяч ученых в лабораториях и университетах по всему миру. В декабре 2020 года AlphaFold был признан организаторами Критической оценки прогнозирования структуры белка Casp решением 50-летней грандиозной задачи прогнозирования структуры белка. В то время он продемонстрировал, что может точно предсказать форму белка в масштабе и за минуты с точностью до атома.
То, что мы видим на подобных изображениях, — определенным образом свернутая в трехмерном пространстве молекула. Поверхность молекулы очень сложна, на ней есть множество выступов, впадин, участков с разным зарядом, ямок и т. Ключ и замок За счет поверхности белки взаимодействуют друг с другом. Это похоже на ключ и замок: ключ может открыть замок, только если бороздка ключа соответствует ему. В противном случае ключ или не войдет, или не повернется, или вовсе сломается. Большинство заболеваний, к примеру, рак, связаны с тем, что белки изменяются в результате мутаций, а мутировавший белок с измененной трехмерной структурой способен взаимодействовать не с тем, с чем нужно. Как если бы поврежденный ключ перестал открывать нужный замок, но приобрел способность открывать замок в двери чужой квартиры. По этому принципу работает большинство болезней — к примеру, связывающий домен S-белка коронавируса, находящегося на поверхности вирусной частицы, взаимодействует с рецепторами клетки легочного эпителия, как ключ с замком. Знание трехмерной структуры белков и умение предсказать ее очень важно именно поэтому. Кроме того, большинство современных лекарств разрабатываются по такому же принципу. Например, в случае с белком коронавируса можно было бы разработать молекулу-заглушку. Таким образом, заражение было бы невозможно, потому что участок, взаимодействующий с рецептором вирусной частицы, оказывался бы закрыт. Можно сказать, что жизнь — это взаимодействие множества молекулярных ключей с замками. Об этом науке было известно еще с 50-х годов прошлого века, однако определить трехмерную структуру белка было крайне сложно. Как определяется структура белка Определить трехмерную структуру белка можно несколькими способами. Один из методов — рентгеновская кристаллография. При таком подходе выделяется очень большое количество белка, затем он очищается, и белок образовывает кристалл.
Программа нашла все 200 млн белков, известных науке: как это возможно
Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в иРНК. Ответы 1. Хранится в ядре, синтез РНК. Автор: joker66. Где хранится информация о первичной структуре белка — места, где находятся записи о последовательности аминокислотных остатков.
Машинное определение структуры белка: ключ к пониманию заболеваний и медицинским инновациям
Далее в дело вступает фермент РНК-полимераза, который движется вдоль этой цепи. Он соединяет нуклеотиды в цепь иРНК, тем самым удлиняя ее. Замечание 2 Процесс транскрипции осуществляется одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах разных хромосом. Они же осуществляют контроль запуска и остановку синтеза инициирующие и терминальные.
Между генами они играют роль «разделительных знаков». Аминокислоты соединяются с тРНК в цитоплазме. По своей форме молекула тРНК — лист клевера.
Вверху этого листа находится антикодон: триплет нуклеотидов, отвечающий за кодировку аминокислоты ее эта тРНК и переносит. Замечание 4 Количество тРНК определяется количеством аминокислот. Так как много аминокислот кодируется при помощи нескольких триплетов, то количество тРНК превышает 20.
Сегодня известно примерно 60 тРНК. Ферменты — связующее звено между аминокислотами и тРНК. С помощью молекул тРНК осуществляется транспортировка аминокислот к рибосомам.
Кратко о трансляции в биологии Что такое трансляция в биологии и как связан с трансляцией биосинтез белка? Определение 5 В биологии трансляция — это процесс реализации информации о структуре белка, представленной в иРНК последовательностью нуклеотидов, как последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Как и где происходит биосинтез белка в рамках трансляции и какова схема синтеза белка?
Первый этап трансляции белка — присоединение иРНК к рибосоме. Далее трансляция в биологии — это нанизывание первой рибосомы, синтезирующей белок, на иРНК. Далее трансляция синтеза белка основывается на нанизывании новой рибосомы — по мере того, как предыдущая рибосома продвигается на конец иРНК, который освобождается.
Одна иРНК может одновременно вмещать свыше 80 рибосом, синтезирующих один и тот же белок. Определение 6 Полирибосома или полисома — группа рибосом, соединенных с одной иРНК, Информация, записанная на иРНК а не рибосома , определяет вид синтезируемого белка.
Транскрипция происходит в одно и то же время не на всей молекуле ДНК — для этого достаточно одного небольшого участка, отвечающего за определенный ген. Часть двойной спирали ДНК раскручивается, и короткий участок одной из цепей оголяется.
Роль матрицы в синтезе молекул иРНК выполняет этот же участок. Далее в дело вступает фермент РНК-полимераза, который движется вдоль этой цепи. Он соединяет нуклеотиды в цепь иРНК, тем самым удлиняя ее. Замечание 2 Процесс транскрипции осуществляется одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах разных хромосом.
Они же осуществляют контроль запуска и остановку синтеза инициирующие и терминальные. Между генами они играют роль «разделительных знаков». Аминокислоты соединяются с тРНК в цитоплазме. По своей форме молекула тРНК — лист клевера.
Вверху этого листа находится антикодон: триплет нуклеотидов, отвечающий за кодировку аминокислоты ее эта тРНК и переносит. Замечание 4 Количество тРНК определяется количеством аминокислот. Так как много аминокислот кодируется при помощи нескольких триплетов, то количество тРНК превышает 20. Сегодня известно примерно 60 тРНК.
Ферменты — связующее звено между аминокислотами и тРНК. С помощью молекул тРНК осуществляется транспортировка аминокислот к рибосомам. Кратко о трансляции в биологии Что такое трансляция в биологии и как связан с трансляцией биосинтез белка? Определение 5 В биологии трансляция — это процесс реализации информации о структуре белка, представленной в иРНК последовательностью нуклеотидов, как последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка.
Как и где происходит биосинтез белка в рамках трансляции и какова схема синтеза белка? Первый этап трансляции белка — присоединение иРНК к рибосоме. Далее трансляция в биологии — это нанизывание первой рибосомы, синтезирующей белок, на иРНК.
Сплайсинг Рис. Альтернативный сплайсинг варианты Рис. Образование разных молекул белка при вариантах альтернативного сплайсинга Образующаяся при этом иРНК поступает в цитоплазму, где на нее нанизываются рибосомы. Молекула тРНК напоминает по структуре лист клевера, на вершине которого находится триплет нуклеотидов, соответствующий по коду определенной аминокислоте антикодон , а основание «черешок» служит местом присоединения этой аминокислоты. В тРНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. По принципу комплементарности антикодон связывается со своим кодоном, причем аминокислота располагается у активного центра рибосомы и с помощью ферментов соединяется с ранее поступившими аминокислотами. В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр рибосомы ФЦР с двумя участками — пептидильным Р-участок и аминоацильным А-участок.
Этот процесс называется сканированием. Как только в Р-участок сканирующего комплекса попадает кодон АУГ, происходит присоединение большой субъединицы рибосомы. Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует.
Известно, что распределение белков в клетках всех живых организмов определяется как минимум двумя факторами. Во-первых, каждое место назначения белка внутри клетки имеет свою уникальную структуру, что отличает их друг от друга. Во-вторых, сама белковая молекула имеет специфическую метку, которая задает нужное направление для перемещения внутри клетки, а также распознается в месте назначения конкретного белка. Таким образом, если условно поделить клетку на отсеки, то для попадания в определенный клеточный отсек у белковой молекулы должен быть специфический код доступа. У эукариотических организмов мРНК способны к целенаправленному перемещению внутри клетки. Частично это определяется тем, что синтез мРНК происходит в ядре клетки, а их процессинг то есть созревание — уже в цитоплазме.
У бактерий — у которых, как и у прочих прокариот, ядра нет — процессы транскрипции синтеза мРНК и трансляции синтеза белков на основе мРНК сопряжены в пространстве и во времени, и синтез белка часто начинается еще до окончания транскрипции. Поэтому считалось, что выбор будущей локализации белков определяется исключительно их свойствами. Однако недавно ученые обнаружили, что бактериальные молекулы мРНК тоже способны к целенаправленному перемещению внутри клетки, в зависимости от «адреса доставки» белков, которые они кодируют. Причем происходит это еще до начала трансляции. С помощью генно-инженерных подходов с использованием флуоресцентных меток и микроскопии удалось проследить за перемещением и конечной локализацией двух мРНК, одна из которых кодировала цитоплазматический белок, а вторая — мембранный. Оказалось, что молекулы мРНК цитоплазматического белка формировали спиралевидные участки в цитозоле клетки, в то время как мРНК, кодирующие мембранный белок, были обнаружены по периферии клетки рис. Внутриклеточная локализация молекул мРНК зависит от последующей локализации белков, которые они кодируют.
Биосинтез белка и генетический код: транскрипция и трансляция белка
Именно последовательность нуклеотидов называется генетической информацией, а участок последовательности, в котором хранится информация о первичной структуре белка это и есть ген. Где хранится наследственная информация о первичной структуре белка? Где хранится информация о структуре белка?и где осуществляется его синтез.
Где хранится информация о первичной структуре белка
Информацию о первичной структуре белка можно получить непосредственно из генетической последовательности ДНК или РНК, которая кодирует данный белок. Первичная структура белка представляет собой уникальную последовательность аминокислот, которая определяется его генетической информацией. связях их стабилизирующих. А также видах денатурирующих факторов.
Урок: «Биосинтез белка»
Всего ответов: 1. Хранится в ядре, синтез РНК. Похожие задания. 2. В какой структуре хранится информация о первичной структуре белка? Информация о структуре белка хранится в базах данных и репозиториях, специально созданных для этой цели. Правильный ответ на вопрос«Где хранится информация о структуре белка? и где осуществляется его синтез » по предмету Биология. Развернутая система поиска нашего сайта обязательно приведёт вас к нужной информации.
Где находится информация о первичной структуре белка и как она хранится
Что является мономерами белков: А нуклеотиды; Б моносахариды; В аминокислоты; Г карбоновые кислоты. Какие особые связи образуются между аминокислотами в первичной структуре белка: А пептидные; Б водородные; В дисульфидные; Г сложноэфирные. Какие органические вещества могут ускорять процесс синтеза белка: А гормоны; Б антитела; В гены; Г ферменты. Какую основную функцию выполняют белки в клетке: А энергетическую; Б защитную; В двигательную; Г строительную.
Если Вы не против, я резюмирую изложенное Вами, а Вы оцените степень адекватности моего изложения. Таким образом: 1 Вторичная, третичная, четвертичная структура белков однозначно определяется их первичной структурой. Двух белков с разной пространственной при одинаковой первичной структуре быть не может хотя суть природы прионов мне при этом тезисе неясна. Если все так и есть, то у меня появились еще дополнительные вопросы по биосинтезу белка, которые, наверное, стоит вынести в отдельные ветки форума.
Символьные коды аминокислот: для обозначения каждой аминокислоты используется специальный символ или код. Например, код «A» обозначает аланин, «R» — аргинин и т. Эти коды образуют последовательность символов, представляющую первичную структуру белка.
Белковые базы данных: в таких базах данных хранятся последовательности аминокислот, включая информацию о первичной структуре белка. Каждая запись в базе данных содержит уникальный идентификатор, сведения о белке и его организме-источнике, а также ссылки на дополнительные данные и источники. В файле формата FASTA первая строка обычно содержит идентификатор белка, а последующие строки — его последовательность. Данные о первичной структуре белка могут быть представлены в таком формате и использоваться для анализа и аннотирования белковых последовательностей. Инструменты анализа белков: с помощью специализированных программ и онлайн-ресурсов можно проводить анализ и исследование первичной структуры белка. Такие инструменты позволяют искать гомологичные белки, определять консервативные участки, прогнозировать вторичную и третичную структуры и многое другое. Все эти типы информации о первичной структуре белка важны и помогают исследователям в изучении свойств и функций белков, а также в разработке новых методов лечения и диагностики различных заболеваний. Цель хранения информации о первичной структуре белка Хранение такой информации имеет ряд важных целей: Анализ и сравнение белков: Зная первичную структуру, можно сравнивать различные белки и искать сходства и различия между ними. Это позволяет ученым выявлять семейства белков, определять их родственные связи, а также понимать общие принципы их функционирования. Поиск новых белков и функций: Информация о первичной структуре белка может быть использована для поиска и идентификации новых белков.
Это позволяет находить новые функции и потенциальные цели для лекарственных препаратов. Предсказание структуры и функции белка: На основе информации о первичной структуре можно предсказывать вторичную и третичную структуры белка. Это важно для понимания его функций и взаимодействий с другими молекулами.
Программа Rosetta генерирует ансамбль моделей, получающихся после «сборки» структурно-консервативных фрагментов молекулы в специализированном силовом поле. Короткие 4—10 аминокислотных остатков фрагменты последовательности моделируемого белка выступают «зародышами» структуры будущей модели причём в разных моделях они различаются и «перекрываются» , а конформацию этим фрагментам «назначают», используя конформации гомологичных фрагментов из белков с уже известной структурой.
В этом смысле, de novo не является моделированием «заново» в полном смысле слова, но «заимствование» локальных структурных фрагментов такой небольшой длины в данном случае не считается использованием структуры белков-гомологов целиком. Сверху на рисунке показаны наложенные экспериментальная структура белка Hox-B1 красным и соответствующая низкоэнергетическая структура, предсказанная программой Rosetta синим. Видно практически идеальное совпадение конформаций ароматических остатков в центральной области белка. Внизу показана зависимость энергий моделей из полученного в расчёте ансамбля от среднеквадратичного отклонения СКО моделей от нативной структуры. Синим цветом показаны модели, сгенерированные из нативной структуры в качестве «контроля» и естественно получившиеся очень близкими к ней по значению СКО , чёрным — модели, созданные в процессе предсказания.
Красной стрелкой отмечена модель, структура которой дана сверху. Этот факт иллюстрирует не очень высокую надёжность предсказаний в практических применениях — потому что в реальных задачах, когда предсказываемая структура действительно неизвестна, сравнивать СКО модели будет уже не с чем — руководствоваться придётся только значениями энергии. Разрабатываемая ими программа Rosetta уже неоднократно показывала себя с хорошей стороны в предсказании структуры белков небольшой длины рис. Похожий подход используется в программе TASSER [15] , где короткие структурные фрагменты «собираются» в специализированном силовом поле, а результат модель, предположительно близкая к нативной выбирается из ансамбля предсказаний с помощью идентификации наиболее плотного структурного кластера — являющегося, по мнению исследователей, «гнездом» физически реалистичных моделей. Конечно, все эти мощности пошли не только на предсказание одной структуры — в исследование был включен не один белок.
Эта ресурсоёмкость лишний раз подчёркивает, что понимание механизмов фолдинга находится не на высоте: способ направленно двигаться в сторону нативной структуры, не перебирая множества нереалистичных вариантов, пока не найден. Да и функции оценки потенциальной энергии часто дают промашки: ведь на одно удачное предсказание, становящееся поводом к публикации в одном из ведущих журналов [13—17] , приходится множество неудачных попыток!.. Но и для предсказаний с не очень высокой точностью находится своё применение: ведь упомянутые алгоритмы могут не только предсказывать структуру «с нуля», но и оптимизировать модель, если в качестве отправной точки задать экспериментальную структуру, требующую уточнения — например, ЯМР-модель или данные из криоэлектронной микроскопии. Кроме того, предсказание структуры всех белков подряд из какого-нибудь организма может помочь идентифицировать белки с ещё неизвестным типом укладки — чтобы экспериментаторы могли сконцентрироваться именно на них и «расшифровать» строение ещё одного структурного семейства. Итак, методики de novo фолдинга для небольших белков уже достигли определённой зрелости [17] , а возможность создать белок с не встречающимся в природе типом укладки «с нуля» [18] дополнительно подчёркивает потенциал этой области — ведь свернуться способна далеко не каждая последовательность!
И тут на помощь приходит сама Природа — ведь белки не независимы друг от друга, и между ними есть «родственные» отношения! Предсказание структуры белков, использующее эти отношения, называется сопоставительным моделированием, или моделированием на основании гомологии. Сопоставительное моделирование «Вселенная» белков велика как уже было сказано, на сегодняшний день известно уже более пяти миллионов белков, идентифицированных в геномах множества организмов , но не безгранична. Многие белки имеют типичные мотивы пространственной организации — то есть, принадлежат к различным семействам, образуя «родственные» группы. И, хотя «новый» белок приобретает другую функцию, а его последовательность понемногу эволюционирует и меняется, пространственная структура его остаётся до какого-то момента достаточно консервативной [20]!
Эти наблюдения и являются основой методики предсказания пространственной структуры, называемой моделированием на основании гомологии. Моделирование на основании гомологии На настоящий момент моделирование по гомологии позволяет установить структуру более половины белков, чьё строение ещё неизвестно. Процесс моделирования по гомологии [22] , [23] включает несколько шагов рис. Решающим фактором, определяющим качество получаемых моделей, является степень гомологии или идентичности последовательностей моделируемого белка и шаблона. Высокая идентичность обозначает, что эволюционное расхождение обоих белков от общего «предка» произошло не настолько давно, чтобы эти белки утратили структурную общность.
Рисунок 2. Парное выравнивание служит «инструкцией» программам, осуществляющим моделирование. Множественное выравнивание может быть полезно для выявления консервативных остатков во всём семействе показаны звёздочкой или отдельных подсемействах белков три верхних последовательности — рецепторы мелатонина. Множественное выравнивание и профили последовательностей позволяют идентифицировать более слабые гомологии, чем «обыкновенное» парное выравнивание. Выравнивание проводят с помощью сервера CLUSTALW или его аналогов ; Построение модели заключается, главным образом, в «натягивании» последовательности моделируемого белка рецептора мелатонина MT1 на «остов» шаблона зрительного родопсина согласно выравниванию.
В первом трансмембранном сегменте наложенных структур модели и шаблона показаны боковые цепи остатков, «подсвеченных» на выравнивании. Моделирование проводят с помощью программы Modeller и аналогичных ей или сервера Swiss-Model и ему подобных. В онлайн-базах ModBase и Swiss-Model Repository содержатся автоматически построенные модели для всех белков из базы Swiss-Prot, для которых удаётся найти структурный шаблон; Оценка качества, оптимизация и использование модели. Самый сложный этап моделирования по гомологии — оптимизировать модель с учётом всей доступной биологической информации по моделируемому белку. Вообще, моделирование структуры по гомологии с белком, выполняющим отличную функцию, не способно автоматически дать модель, пригодную для практически важных задач.
Обязательно требуется аккуратная оптимизация, превращающая «заготовку» которой, по сути, является модель «нулевого приближения» в рабочий инструмент, — задача, зависящая скорее от интуиции и опыта исследователя, чем от конкретных компьютерных методик. Если же гомология низка, то накопившиеся структурные отличия, скорее всего, уже слишком велики для аккуратного моделирования, или — больше того — реальной гомологии между двумя белками нет никакой, а наблюдаемый уровень идентичности последовательностей является лишь случайным событием. Рисунок 3. Качество и сфера пригодности компьютерных моделей белков, основанных на различной степени гомологии.
Биосинтез белка. Генетический код
Генетические последовательности Информацию о первичной структуре белка можно получить непосредственно из генетической последовательности ДНК или РНК, которая кодирует данный белок. С помощью методов молекулярной биологии и биоинформатики можно извлечь соответствующую информацию о последовательности аминокислот. Использование различных образцов для анализа первичной структуры белка позволяет получить ценные данные о его составе и устройстве. Эти данные могут быть использованы для изучения функций белка, в разработке лекарственных препаратов и в других областях биологии и медицины. Методы анализа первичной структуры белка Анализ первичной структуры белка включает в себя изучение порядка аминокислотных остатков в цепи белка. Для этого существуют различные методы и техники: Метод Описание Секвенирование Секвенирование дает информацию о последовательности аминокислот в белке. Существуют различные методы секвенирования, такие как Sanger-секвенирование и метод масс-спектрометрии. Картирование пептидов Картирование пептидов позволяет определить, какие аминокислоты присутствуют в белке и в каком порядке.
Этот метод основан на химической разрезке белка и последующем анализе образовавшихся пептидов. Методы масс-спектрометрии Масс-спектрометрия позволяет определить массу и состав аминокислотных остатков в белке.
Запишите цифры 1-3 в порядке, соответствующем буквам. А транспортирует аминокислоты В участвует в процессе транскрипции Г образуют полисомы Ответ 31122 1. Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны. Ответ 235 2.
Само собой, парадокс Левинталя — кажущийся. Решение его заключается в том, что молекула, конечно, никогда не принимает подавляющего большинства теоретически возможных конформаций. Кооперативные эффекты фолдинга — одновременное формирование «зародышей» вторичной структуры, являющихся энергетически стабильными и уже не изменяющимися в процессе дальнейшего сворачивания — приводят к тому, что молекула белка находит «кратчайший путь» на воображаемой гиперплоскости потенциальной энергии к точке, соответствующей нативной конформации белка. Нативная конформация при этом отделена заметным «энергетическим промежутком» potential energy gap от подавляющего числа несвёрнутых форм, а ближайшая её «окрестность» очень «узкая», впрочем определяет естественную конформационную подвижность молекулы. Ограниченность понимания механизмов фолдинга связана ещё и с тем, что его сложно наблюдать экспериментально: это достаточно быстрый динамический процесс, «разглядывать» который нужно на уровне отдельных молекул! И хотя сейчас уже проводят изучение сворачивания а точнее, разворачивания на отдельных молекулах [10] , это не пока не привело к принципиально новому уровню понимания механизма фолдинга — а ведь такое понимание могло бы дать эффективный алгоритм теоретического моделирования этого процесса. Биологические молекулы моделируют чаще всего с применением подхода эмпирических силовых полей [11] , позволяющего, в отличие от «абсолютно корректного» квантово-химического подхода см. Однако такое радикальное ускорение времени расчётов не может даваться даром: хотя многие компьютерные эксперименты в эмпирических силовых полях и дают реалистичные результаты, некоторые важнейшие для фолдинга кооперативные взаимодействия — такие как гидрофобный эффект или влияние молекул растворителя — не сводятся к парным взаимодействиям между отдельными атомами и не могут быть корректно учтены в этом подходе. Существует два основных препятствия тому, чтобы запустить моделирование молекулярной динамики МД какого-нибудь белка в необходимом окружении и «в кремнии» пронаблюдать фолдинг, получив в конце процесса желанную структуру. Во-первых, характерные времена сворачивания всё же находятся на уровне миллисекунд, а максимально достижимое время моделирования на данном этапе развития вычислительной техники редко превышает одну микросекунду. Но, даже если представить, что мы не ограничены в мощностях компьютеров, всё равно остаются сомнения в возможности современных энергетических функций эффективно справиться с фолдингом — точность этих функций, управляющих эволюцией молекулы внутри компьютера, может оказаться недостаточной для того, чтобы направить сворачивание в нужном направлении. Кроме того, алгоритм, моделирующий подвижность, может навсегда «зациклить» молекулу в локальном энергетическом минимуме, чего никогда не случается в реальном процессе сворачивания. Однако определённые успехи в моделировании фолдинга с помощью молекулярной динамики всё же есть: небольшие белки — вроде 36-аминокислотного фрагмента виллина — удаётся свернуть в МД длительностью около микросекунды, запуская расчёты на суперкомпьютере или в распределённой вычислительной сети [12]. Итак, использование метода молекулярной динамики как средства моделирования процесса фолдинга пока что нецелесообразно и практически не достижимо. Однако существует возможность предсказать результат фолдинга — то есть, трёхмерную структуру белка. Теоретические подходы, служащие этой цели, делятся на две большие группы: ab initio или de novo фолдинг — методики, не использующие в явном виде данных о структуре других белков, — и сопоставительное моделирование или моделирование на основании гомологии. Квантовая химия в расчётах свойств белковых молекул Как известно, уравнение Шрёдингера — «плоть и кровь» квантовых физики и химии — наиболее точный на сегодняшний день способ описать строение и динамику молекул. Однако точное аналитическое решение возможно получить лишь для крайне простых систем — например, атома гелия. Во всех более сложных случаях прибегают к численному решению приближений этого уравнения — так называемым полуэмпирическим методам квантовой химии. Методы эмпирических силовых полей такие как молекулярная динамика [11] не имеют никакого отношения к квантовой химии и «обращаются» с атомами моделируемых молекул в частности, белков как с классическими упругими частицами, связанными системой парных взаимодействий. Параметры этих взаимодействий очень простых, надо отметить как раз и называются силовым полем и определяют поведение системы при моделировании. Электронные эффекты, такие как поляризуемость атомов, перенос электрона, образование и разрыв химических связей, а также кооперативные гидрофобные взаимодействия смоделированы в этом подходе быть не могут. Фолдинг «из первых принципов» Необходимо сразу отметить, что термин «ab initio фолдинг», часто применяемый для обозначения методов компьютерного предсказания структуры белка без использования структурных данных о других белках, не имеет отношения к тому ab initio, которое бытует в квантовой химии. Квантово-химический термин ab initio лат. Однако все вычисления, как правило, производятся в эмпирических силовых полях, описывающих парные взаимодействия в классической системе частиц, представляющей молекулу белка. Сами же эти силовые поля в неявном виде включают данные о структуре молекул не обязательно белковых — такие как парциальные заряды и массу атомов, а также длины и углы валентных связей, — и к квантово-механическим методам отношения не имеют. Поэтому целесообразно будет в дальнейшем использовать термин «de novo фолдинг» лат. Наиболее «физически корректные» подходы из этой группы заключаются в основном в расчётах МД для моделирования процесса и результата фолдинга см. В остальных же случаях — тоже, впрочем, относящихся к маленьким белкам не более 150 аминокислотных остатков , — прибегают к дополнительным приближениям с целью уменьшить вычислительную сложность расчёта. Для увеличения вычислительной эффективности, в de novo подходах часто используются упрощённые модели представления белка — отдельные аминокислотные остатки, присутствующие в модели, представлены не так подробно, как в «полноатомных» подходах: вся боковая цепь моделируется лишь одним-двумя центрами «псевдоатомами». Так, например, боковая цепь триптофана содержит 16 атомов, а в упрощённом виде их может быть всего два-три и только один — для менее объемных остатков. De novo фолдинг проводится в специальном силовом поле также упрощённом по сравнению, например, с используемыми в МД , оценивая огромное количество вариантов укладки сворачиваемой молекулы по значению потенциальной энергии. Идентификация конформации, значительно с «зазором» более «низкой» по потенциальной энергии, чем остальные, может служить признаком конца поиска — аналогично тому, как нативная конформация с некоторым отрывом отстоит от несвёрнутых промежуточных состояний. Конечно, кроме корректной функции потенциальной энергии, требуется преодолеть «комбинаторный взрыв», создаваемый парадоксом Левинталя. Очевидно, что перебрать все конформации, чтобы выбрать самую низкую по энергии, невозможно, а из-за слабого понимания механизмов сворачивания белка повторить тот «кратчайший путь», который ведёт к нативной структуре, на компьютере пока не удаётся. Чтобы как-то приблизиться к природному механизму сворачивания, исследователи пытаются выделить в последовательности моделируемого белка структурно консервативные фрагменты аналогичные тем, что в природе сворачиваются первыми и в дальнейшем уже остаются неизменными и как бы «собирают мозаику» из этих фрагментов. Эта процедура, тоже чрезвычайно ресурсоёмкая всё равно требуется перебрать астрономическое число вариантов! Рисунок 1. De novo фолдинг: предсказание пространственной структуры небольших белков. Программа Rosetta генерирует ансамбль моделей, получающихся после «сборки» структурно-консервативных фрагментов молекулы в специализированном силовом поле. Короткие 4—10 аминокислотных остатков фрагменты последовательности моделируемого белка выступают «зародышами» структуры будущей модели причём в разных моделях они различаются и «перекрываются» , а конформацию этим фрагментам «назначают», используя конформации гомологичных фрагментов из белков с уже известной структурой.
Описание механизма передачи информации Первичная структура белка, также известная как последовательность аминокислот, кодируется в генетической информации ДНК в форме нуклеотидов. Информация о первичной структуре белка хранится в генетическом коде, который состоит из тройных нуклеотидных последовательностей, называемых кодонами. Передача информации о первичной структуре белка происходит по механизму трансляции. Затем мРНК перемещается из ядра клетки в цитоплазму, где осуществляется трансляция. Трансляция происходит на рибосомах — структурах, состоящих из большой и малой субъединиц. В результате, рибосома считывает последовательность кодонов на мРНК и добавляет соответствующие аминокислоты к полипептидной цепи. Трансляция продолжается до достижения стоп-кодона, при котором полипептидная цепь заканчивается и отделяется от рибосомы. Далее, полипептидная цепь может подвергаться посттрансляционным модификациям, таким как свертывание, гликозилирование или фосфорилирование, чтобы приобрести свою конечную функциональную форму. Этот механизм передачи информации обеспечивает создание белков с определенными последовательностями аминокислот, что является основой для их функционирования в клетке. В процессе репликации ДНК образуется две комплементарные цепочки, каждая из которых содержит одну из оригинальных цепочек материнской молекулы ДНК и новую синтезированную цепочку. Важно отметить, что репликация ДНК происходит перед каждым делением клетки, чтобы каждая новая клетка могла получить полный и точный комплект генетической информации от предыдущей клетки. Коды аминокислот и их роль Существует 20 основных аминокислот, которые могут быть закодированы в генетической информации.