Tyrinėjimai
Tyrinėjimai
Kompiuteriai padeda pažinti sudėtingą baltymų pasaulį Dr. Justas Dapkūnas, dokt. Kliment Olechnovič, Gyvybės mokslų centro Biotechnologijos institutas
Baltymai – didelės biologinės molekulės. Savo funkcijas gyvuose organizmuose jie atlieka sudarydami erdvines struktūras, kurias dažniausiai tyrinėja chemikai ir biologai. Tačiau struktūrinės biologijos tyrimams būtinos ne tik šių disciplinų, bet ir matematikos bei informatikos žinios.
Baltymai, jų funkcijos ir struktūros Molekulinė biologija ir biochemija tiria molekules, kurios veikia gyvuose organizmuose. Dažniausiai tyrinėjamos didžiosios biologinės molekulės, dar vadinamos biologinėmis makromolekulėmis: nukleorūgštys ir baltymai. DNR (deoksiribonukleorūgštys) ląstelėse saugo genetinę informaciją. Iš jų yra nuskaitomos ribonukleorūgštys (RNR), pagal kurias sintetinami baltymai. Galima drąsiai teigti, kad baltymai yra vienos iš svarbiausių molekulių Žemėje: jie yra gyvų organizmų statybinė medžiaga, katalizuoja chemines reakcijas, ląstelių viduje ir tarp ląstelių perneša įvairias medžiagas, perduoda signalus. Šias funkcijas baltymai atlieka sudarydami sudėtingas erdvines struktūras. Be to, neteisingų baltymų struktūrų susiformavimas yra daugelio ligų – Alzheimerio ligos, kempinligės, cistinės fibrozės, pjautuvinės anemijos, vėžio ir kitų – priežastis. 10
Baltymų erdvinių struktūrų susiformavimo principų išsiaiškinimas yra vienas svarbiausių neištirtų mokslo klausimų. Norint suprasti, kaip veikia baltymai, arba bandant ligos atveju pakeisti jų veiklą, būtina žinoti
jų struktūras. Deja, baltymų struktūrų nustatymas yra daug sudėtingesnis nei mažų cheminių junginių. Baltymų struktūros paprastai nustatomos kristalografijos arba branduolių magnetinio rezonanso (BMR) spektroskopijos
metodais. Šiuo metu sparčiai populiarėja naujas metodas – krioelektroninė mikroskopija. Visi šie eksperimentai sudėtingi, brangūs ir ne visada rezultatyvūs. Pavyzdžiui, BMR spektroskopijos metodais galima nustatyti tik mažų baltymų struktūras. Krioelektronine mikroskopija, atvirkščiai, nustatomos didelių baltymų kompleksų struktūros, tačiau jų skiriamoji geba paprastai žemesnė. Populiariausias baltymų struktūrų nustatymo metodas šiuo metu yra kristalografija, o ją riboja tai, kad reikia gauti baltymo kristalus. Baltymai nelinkę lengvai kristalizuotis, ypač dideli baltymų kompleksai ar membraniniai baltymai, kurių struktūros dabar yra įdomiausios. Nepaisant eksperimentinių sunkumų, Baltymų duomenų banke (angl. Protein Data Bank) šiuo metu publikuota per šimtą tūkstančių baltymų struktūrų. Kita vertus, didėjant DNR sekoskaitos populiarumui nuskaitoma vis daugiau genomų, o iš jų nesudėtingai sužinomos koduojamų baltymų aminorūgščių sekos. Baltymų sekų dabar žinoma beveik 80 milijonų, ir šis skaičius vis didėja. Todėl net ir patobulėjus ir supaprastėjus baltymų struktūrų nustatymo metodams mažai tikėtina, kad bus nustatytos visų baltymų erdvinės struktūros. Kadangi struktūrinė informacija dažnai reikalinga norint tirti ir suprasti baltymus, iškyla klausimas: ar apie erdvinės struktūros ypatybes būtų galima ką nors pasakyti žinant tik baltymo aminorūgščių seką?
Baltymų struktūrų tyrimai ir modeliavimai kompiuteriniais metodais Baltymo molekulė sudaryta iš tarpusavyje susijungusių mažų aminorūgščių molekulių, kurių susijungimo tvarka yra užkoduota ląstelių genome ir vadinama baltymo aminorūgščių seka arba pirmine baltymo struktūra (kairėje). Aminorūgštims sudarant nekovalentinius ryšius su kitomis aminorūgštimis, formuojasi erdvinės struktūros, vadinamos antrinėmis ir tretinėmis baltymų struktūromis (viduryje). Kai kurie baltymai jungdamiesi su kitais baltymais sudaro dar ir ketvirtines struktūras (dešinėje)
Dar 1961 m. Christianas Anfinsenas parodė, kad baltymas ribonukleazė A sugeba spontaniškai sudaryti savo trimatę struktūrą, ir iškėlė hipotezę, kad baltymo struktūra priklauso nuo jo aminorūgščių sekos. Vadinasi, žinodami baltymo seką galėtume prognozuoti jo struktūrą. Kita vertus, baltymų molekulės yra labai didelės,
Baltymai sudaro labai įvairias trimates struktūras 11