प्रोटीन संरचना: आईटी लोगों के लिए एक परिचय

यह देखना अच्छा है कि हैबरचियन नियमित रूप से अन्य विषय क्षेत्रों में रुचि रखते हैं - उदाहरण के लिए, जीव विज्ञान (विशेष रूप से, जैविक मैक्रोमोलेक्यूल्स की संरचना और कार्य)। हालांकि, कुछ पोस्ट (उदाहरण के लिए, यह एक ) पूरी तरह से जंगली तथ्यात्मक त्रुटियों की प्रचुरता के कारण विशेषज्ञ को केवल शारीरिक दर्द का कारण बनता है। इस पोस्ट में मैं प्रोटीन की संरचना और कार्य के बारे में बात करना चाहता हूं। इस बारे में कि हम क्या जानते हैं और क्या नहीं जानते हैं, साथ ही इस क्षेत्र में उपलब्ध कम्प्यूटेशनल समस्याओं के बारे में जिन्हें समाधान की आवश्यकता है और आईटी विशेषज्ञों के लिए दिलचस्प हैं। मैं एक संक्षिप्त और थीसिस तरीके से बताने की कोशिश करूंगा, ताकि अधिक जानकारी और कम पानी हो। मैं हर किसी को प्रोटीन की संरचना में दिलचस्पी लेने के लिए कहता हूं, बहुत सारे पत्र हैं।

1. प्रोटीन क्यों महत्वपूर्ण हैं?

जैसा कि फ्रेडरिक एंगेल्स ने कहा, "जीवन प्रोटीन निकायों के अस्तित्व का एक तरीका है।" 19 वीं शताब्दी में, वे अभी भी आनुवंशिक जानकारी के उत्तराधिकार में डीएनए की भूमिका के बारे में नहीं जानते थे, लेकिन अंकल फ्रेडरिक का कथन अभी भी काफी हद तक सही है - यह प्रोटीन है जो हमारी कोशिकाओं में मुख्य कार्य करते हैं। इसमें संरचना (कोशिकाओं का आकार), और रासायनिक कटैलिसीस, और मोटर फ़ंक्शन (उदाहरण के लिए, मांसपेशी संकुचन), और परिवहन को बनाए रखना शामिल है (कहते हैं, हीमोग्लोबिन प्रोटीन फेफड़ों से ऊतकों तक और विपरीत दिशा में कार्बन डाइऑक्साइड और ऑक्सीजन को बनाए रखने के लिए जटिल नियामक कार्यों का संचालन करता है) आंतरिक वातावरण (कहते हैं, प्रोटीन हार्मोन और इंट्रासेल्युलर नियामक प्रणाली के सभी प्रकार) और कई अन्य। एक शब्द में, अगर हमारे शरीर में कुछ होता है, तो प्रोटीन आवश्यक रूप से इसमें शामिल होता है (हालांकि केवल वे नहीं)।

2. प्रोटीन क्या है?

रासायनिक दृष्टिकोण से, एक प्रोटीन एक रेखीय (गैर-शाखायुक्त) बहुलक है, जिसमें "मुख्य श्रृंखला" के समान ब्लॉकों को एक समान रूप से दोहराते हुए विभिन्न प्रकार के "साइड ग्रुप" जुड़े होते हैं। चूंकि मुख्य श्रृंखला के ब्लॉक असममित हैं, प्रोटीन की पूरी पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला में एक दिशा है, पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के एन- और सी-टर्मिनस प्रतिष्ठित हैं।

श्रृंखला की लंबाई 70 से 1000 से अधिक मोनोमर्स (अमीनो एसिड अवशेष) है, उच्च जीवों के लिए औसत लंबाई लगभग 500-600 एमिनो एसिड अवशेष है, बैक्टीरिया के लिए यह मान कम होगा, बल्कि 300-400 अवशेष। कुल में, प्रकृति में 20 मानक अमीनो एसिड होते हैं जो बैक्टीरिया और मनुष्यों के लिए समान होते हैं, अर्थात, 20 विभिन्न पक्ष समूह मुख्य श्रृंखला से बाहर रह सकते हैं।

(यहां एक सुधार संभव है - प्रोटीन संश्लेषण के बाद कुछ रासायनिक समूहों को संशोधित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, फॉस्फोराइलेटेड। हालांकि, यह एक और एमिनो एसिड के रूप में नहीं माना जाता है, लेकिन मूल एक के संशोधन के उत्पाद के रूप में माना जाता है। इसके अलावा, उच्च जीवों में दो गैर-कैनन अमीनो एसिड शामिल हो सकते हैं, लेकिन यह एक दुर्लभ घटना है। यही है, सख्ती से बोलना, 22 अलग-अलग अमीनो एसिड हैं, जिनमें से 20 मूल हैं और 2 दुर्लभ हैं, और कुछ पक्ष समूहों को समय-समय पर रासायनिक रूप से संशोधित किया जा सकता है)।

पीढ़ी से पीढ़ी तक, आनुवंशिक जानकारी डीएनए के रूप में प्रसारित होती है, इसमें तथाकथित "प्रोटीन-कोडिंग क्षेत्र" होते हैं। इन स्थानों में, डीएनए असंदिग्ध रूप से (nerds के लिए, वैकल्पिक स्पाइसिंग और RNA संपादन के लिए सटीक है), इस प्रोटीन के संश्लेषण के लिए अमीनो एसिड के रैखिक अनुक्रम पर जानकारी एन्कोडेड है, साथ ही सेल में संबंधित मशीनें हैं जो प्रोटीन को मूल रूप से डीएनए में एन्कोडेड जानकारी से संश्लेषित कर सकती हैं।

चूंकि प्रोटीन 20 मानक मोनोमर्स से इकट्ठे एक रैखिक बहुलक है, इसलिए इसकी तथाकथित "प्राथमिक संरचना" को आसानी से एक स्ट्रिंग के रूप में दर्शाया जा सकता है, उदाहरण के लिए इस तरह:

 
 > छोटे सर्वव्यापी संबंधित संशोधक 3 अग्रदूत [होमो सेपियन्स]
 MSEEKPKEGVKTENDHINLKVAGQDGSVVQFKIKRHTPLSKLMKAYCERQG
 LSMRQIRFRFDGQPINETDTPAQLEMEDEDTIDVFQQQTGGVPESSLAGHSF

यह FASTA प्रारूप में एक छोटे से मानव प्रोटीन का एमिनो एसिड अनुक्रम है, ">" से शुरू होने वाली पहली पंक्ति इसके नाम का वर्णन करती है, इसके बाद मानक कोडिंग (उदाहरण के लिए, एम - मेथियोनी, एस - सेरीन, आदि) के अनुसार मानक के केवल 20 अक्षर हैं। एक अक्षर कोड), बाईं ओर प्रोटीन का एन-टर्मिनस है, दाईं ओर इसका सी-टर्मिनस है। विभिन्न प्रोटीनों के लिए, रेखा की लंबाई स्पष्ट रूप से भिन्न होगी, क्योंकि प्रोटीन की लंबाई अलग होती है। सभी ज्ञात प्रोटीनों के अनुक्रम यहां सार्वजनिक डोमेन में पाए जा सकते हैं: www.ncbi.nlm.nih.gov

3. प्रोटीन संरचना

ठीक है, वे प्राथमिक संरचना को समझते थे, लेकिन क्या प्रोटीन विस्तारित रैखिक रूप में काम करता है? बिल्कुल नहीं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि संरचनात्मक दृष्टिकोण से प्रोटीन के विभिन्न वर्ग हैं: गोलाकार, झिल्ली और तंतुमय। नाम के रूप में झिल्ली प्रोटीन, केवल कोशिका झिल्ली में रहते हैं, उनकी संरचना को स्थिर करने के लिए एक विशेष वातावरण की आवश्यकता होती है; हम इस समीक्षा में उन पर विचार नहीं करेंगे। फाइब्रिलर प्रोटीन में एक सरल नियमित संरचना होती है, लम्बी तंतुओं के समान, वे पानी में अघुलनशील होते हैं और संरचनात्मक कार्य करते हैं (उदाहरण के लिए, बालों में केराटिन होते हैं, प्राकृतिक रेशम प्रोटीन फाइब्रिलर प्रोटीन को संदर्भित करता है)। हाल ही में, अव्यवस्थित प्रोटीन के एक वर्ग को बाहर निकाल दिया गया है - ऐसे प्रोटीन जिनमें लगातार तीन आयामी संरचना नहीं होती है, या इसे केवल थोड़े समय के लिए प्राप्त करते हैं जब अन्य प्रोटीन के साथ बातचीत करते हैं। व्यावहारिक दृष्टिकोण से सबसे दिलचस्प, प्रोटीन का वर्ग जिसे हम विचार करेंगे - गोलाकार पानी में घुलनशील प्रोटीन, अधिकांश प्रोटीन इस वर्ग के हैं।

पानी में एक रैखिक पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला एक जटिल त्रि-आयामी संरचना (ग्लोबुल) में सहज रूप से तह करने में सक्षम है, और केवल इस तह रूप में प्रोटीन रासायनिक उत्प्रेरक और अन्य दिलचस्प काम कर सकते हैं। इसलिए, प्रोटीन के तीन आयामी तह को जानना हमारे लिए मौलिक रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि केवल इस स्तर पर यह स्पष्ट हो जाता है कि प्रोटीन कैसे काम करता है।

प्रश्न : कितने त्रि-आयामी संरचनाएं एक विशेष प्रोटीन के अनुरूप हैं?
उत्तर : एक, छोटी "अव्यवस्थित" छोरों की एक छोटी गतिशीलता तक। वास्तव में एक अपवाद ज्ञात है, जब 2 पर्याप्त रूप से अलग-अलग संरचनाएं एक अनुक्रम से मेल खाती हैं, ये प्रियन हैं ।

प्रश्न : प्रोटीन में केवल एक त्रि-आयामी संरचना क्यों होती है?
उत्तर : रासायनिक कटैलिसीस के लिए, हमें अंतरिक्ष में कड़ाई से परिभाषित तरीके से संबंधित रासायनिक समूहों को व्यवस्थित करने की आवश्यकता है। इसके लिए कठोर संरचना की आवश्यकता होती है। यही है, सही जगह पर सक्रिय केंद्र के अमीनो एसिड के रासायनिक समूहों को बनाए रखने के लिए पूरे प्रोटीन को कठोर होना चाहिए (वास्तव में, कई प्रोटीनों में दो या दो से अधिक कठोर भाग होते हैं जो एक दूसरे के सापेक्ष स्थानांतरित हो सकते हैं, यह प्रोटीन गतिविधि के विनियमन ( ऑलोस्टेरिक विनियमन ) के लिए आवश्यक है, ताकि एक निश्चित संकेत प्रोटीन-एंजाइम की रासायनिक गतिविधि को चालू और बंद कर सकता है)। संरचना को कठोर और स्थिर बनाने के लिए, प्रकृति ने सुनिश्चित किया कि प्रत्येक प्रोटीन की संरचना किसी दिए गए सिस्टम की परमाणुओं की ऊर्जा से मेल खाती है और यह न्यूनतम इतनी गहरी थी कि प्रोटीन उसमें से "कूद" नहीं पाया। अन्य सभी परजीवी संरचनाओं में अधिक ऊर्जा होती है और प्रोटीन अभी भी मूल संरचना के अनुरूप न्यूनतम ऊर्जा में गिरता है।


प्रश्न : प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना किस पर आधारित है?
उत्तर : संक्षेप में, मुख्य रूप से गैर-सहसंयोजक बातचीत की एक बड़ी संख्या पर। सिद्धांत रूप में, एक प्रोटीन के रासायनिक समूह बन सकते हैं: (1) एक हाइड्रोजन बंधन, ये समूह मुख्य श्रृंखला और कुछ पक्ष समूहों में मौजूद हैं, (2) एक आयनिक बंधन विपरीत चार्ज किए गए पक्ष समूहों के बीच एक इलेक्ट्रोस्टैटिक बातचीत है, (3) वैन डेर वाल्स बातचीत और (4) हाइड्रोफोबिक प्रभाव जिस पर प्रोटीन की सामान्य संरचना टिकी हुई है। लब्बोलुआब यह है कि प्रोटीन में हमेशा हाइड्रोफोबिक एरोमैटिक अवशेष होते हैं, यह ध्रुवीय पानी के अणुओं से संपर्क करने के लिए उनके लिए ऊर्जावान है, और यह एक दूसरे के साथ "छड़ी" करने के लिए फायदेमंद है। इस प्रकार, प्रोटीन तह के दौरान, हाइड्रोफोबिक समूहों को पानी के वातावरण से बाहर निकाल दिया जाता है, "हाइड्रॉफोबिक कोर" बनाने के लिए "एक साथ चिपके हुए", जबकि ध्रुवीय और चार्ज किए गए समूह, इसके विपरीत, पानी के वातावरण में प्रवेश करते हैं, प्रोटीन ग्लोब्यूल की सतह बनाते हैं। इसके अलावा (5) दो सिस्टीन अवशेषों के पक्ष समूह आपस में एक डाइसल्फ़ाइड पुल बना सकते हैं - एक पूर्ण सहसंयोजक बंधन जो कठोरता से प्रोटीन को ठीक करता है।

तदनुसार, सभी अमीनो एसिड को हाइड्रोफोबिक, ध्रुवीय (हाइड्रोफिलिक) में विभाजित किया जाता है, सकारात्मक और नकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है। प्लस सिस्टीन जो एक दूसरे के साथ एक सहसंयोजक बंधन बना सकते हैं। ग्लाइसिन में विशेष गुण होते हैं - इसका एक पक्ष समूह नहीं होता है जो गंभीर रूप से अन्य अवशेषों की संचलन संबंधी गतिशीलता को सीमित करता है, इसलिए यह "बहुत" झुक सकता है और उन जगहों पर स्थित होता है जहां प्रोटीन श्रृंखला को तैनात करने की आवश्यकता होती है। प्रोलिन में, इसके विपरीत, पक्ष समूह एक अंगूठी बनाता है जो मुख्य रूप से मुख्य श्रृंखला से जुड़ा होता है, सख्ती से उसके विरूपण को ठीक करता है। प्रोटीन श्रृंखला को कठोर और असंतुलित बनाने के लिए आवश्यक है, जहां प्रोलिन पाया जा सकता है। कई रोग ग्लाइसीन के लिए एक उत्परिवर्तन म्यूटेशन के साथ जुड़े हुए हैं, जिसके कारण प्रोटीन संरचना थोड़ा "तैरता है"।

प्रश्न : हम एक प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचनाओं के बारे में कैसे जानते हैं?
उत्तर : प्रयोग से, यह बिल्कुल विश्वसनीय डेटा है।
अब प्रोटीन संरचना के प्रयोगात्मक निर्धारण के 3 तरीके हैं: परमाणु चुंबकीय अनुनाद (NMR), क्रायो-ईएम (इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी) और प्रोटीन क्रिस्टल का एक्स-रे विश्लेषण।

एनएमआर आपको समाधान में प्रोटीन की संरचना का निर्धारण करने की अनुमति देता है, लेकिन यह केवल बहुत छोटे प्रोटीन के लिए काम करता है (बड़े के लिए यह डिकोन्यूलेशन करना असंभव है)।

यह विधि सामान्य प्रमाण के लिए महत्वपूर्ण थी कि प्रोटीन में केवल एक त्रि-आयामी संरचना होती है और क्रिस्टल में प्रोटीन की संरचना समाधान में संरचना के समान होती है। यह एक बहुत महंगी विधि है, क्योंकि इसे आइसोटोपिक लेबल के साथ प्रोटीन प्राप्त करना आवश्यक है।

क्रायो-ईएम में प्रोटीन समाधान और माइक्रोस्कोपी की एक सरल ठंड होती है। विधि का ऋण कम रिज़ॉल्यूशन है (केवल अणु का सामान्य आकार दिखाई देता है, लेकिन यह दिखाई नहीं देता है कि यह अंदर कैसे व्यवस्थित होता है), साथ ही प्रोटीन घनत्व पानी / विलायक के घनत्व के करीब है, इसलिए संकेत एक उच्च शोर स्तर में डूब जाता है। इस पद्धति में, चित्रों और आँकड़ों के साथ काम करने के लिए कंप्यूटर प्रौद्योगिकियों को सक्रिय रूप से शोर से संकेत प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है।

प्रोटीन अणुओं के लाखों चित्रों का चयन किया जाता है, वर्गों को सब्सट्रेट के सापेक्ष अणु के अभिविन्यास के अनुसार विभाजित किया जाता है, वर्ग औसत, eigenimages की पीढ़ी, औसत का एक नया दौर, और इसी तरह, जब तक यह परिवर्तित नहीं हो जाता। फिर, विभिन्न वर्गों की जानकारी से, आप कम रिज़ॉल्यूशन के साथ अणु के तीन-आयामी स्वरूप को पुनर्स्थापित कर सकते हैं। यदि कणों की आंतरिक समरूपता है (उदाहरण के लिए, क्रायो-ईएम वायरस विश्लेषण के दौरान), तो प्रत्येक कण को ​​समरूपता ऑपरेटरों के अनुसार औसत भी किया जा सकता है - फिर संकल्प भी बेहतर होगा, लेकिन एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण के मामले में इससे भी बदतर।

एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण प्रोटीन संरचनाओं को निर्धारित करने का मुख्य तरीका है। मुख्य प्लस यह है कि कई दसियों प्रोटीन से बहुत बड़े कॉम्प्लेक्स के क्रिस्टल प्राप्त करना संभव है (उदाहरण के लिए, यह राइबोसोम की संरचना कैसे निर्धारित किया गया था - 2009 नोबेल पुरस्कार)। विधि का माइनस - पहले आपको एक प्रोटीन क्रिस्टल प्राप्त करने की आवश्यकता है, लेकिन हर प्रोटीन क्रिस्टलीकरण नहीं करना चाहता है।

लेकिन क्रिस्टल प्राप्त होने के बाद, एक्स-रे विवर्तन द्वारा प्रोटीन अणु में सभी (ऑर्डर किए गए) परमाणुओं की स्थिति को स्पष्ट रूप से निर्धारित करना संभव है, यह विधि उच्चतम रिज़ॉल्यूशन देती है और आपको सर्वश्रेष्ठ मामलों में व्यक्तिगत परमाणुओं की स्थिति को देखने की अनुमति देती है। यह साबित हुआ कि क्रिस्टल में प्रोटीन की संरचना विशिष्ट रूप से समाधान में संरचना से मेल खाती है।

अब अधिवेशन प्रभाव में है - यदि आपने किसी भी प्रयोगात्मक भौतिक विधियों का उपयोग करके प्रोटीन संरचना का निर्धारण किया है, तो संरचना को प्रोटीन संरचना डेटाबेस (प्रोटीन डेटा बैंक - पीडीबी, www.pdb.org ) में सार्वजनिक डोमेन में रखा जाना चाहिए, वर्तमान में वहाँ 90,000 से अधिक संरचनाएँ हैं (हालांकि, उनमें से कई को दोहराया जाता है, उदाहरण के लिए, विभिन्न प्रोटीन जैसे कि छोटे अणु, जैसे ड्रग्स)। पीडीबी में, सभी संरचनाएं एक मानक प्रारूप में हैं, जिसे अचानक, पीडीबी कहा जाता है। यह एक पाठ प्रारूप है जिसमें संरचना का प्रत्येक परमाणु एक रेखा से मेल खाता है, जो संरचना में परमाणु की संख्या, परमाणु (कार्बन, नाइट्रोजन, आदि) का नाम बताता है, अमीनो एसिड का नाम जो परमाणु है, प्रोटीन श्रृंखला (ए, बी, सी, आदि) का नाम है। यदि यह कई प्रोटीनों के परिसर का एक क्रिस्टल है), श्रृंखला में अमीनो एसिड संख्या और मूल के सापेक्ष एंगस्ट्रॉम में तीन आयामी परमाणु निर्देशांक, साथ ही तथाकथित तापमान कारक और जनसंख्या (ये विशुद्ध रूप से स्फटिक मापदंडों हैं)।

 ATOM 1 N HIS A 17 -12.690 8.753 5.446 1.00 29.32 N  
 ATOM 2 CA HIS A 17 -11.570 8.953 6.350 1.00 21.61 C  
 ATOM 3 C HIS A 17 -10.274 8.970 5.544 1.00 22.01 C  
 ATOM 4 O HIS A 17 -10.193 8.315 4.491 1.00 29.95 O  
 ATOM 5 CB HIS A 17 -11.462 7.820 7.380 1.00 23.64 C  
 ATOM 6 CG HIS A 17 -12.551 7.811 8.421 1.00 21.18 C  
 ATOM 7 ND1 HIS A 17 -13.731 7.137 8.194 1.00 28.94 N  
 ATOM 8 CD2 HIS A 17 -12.634 8.384 9.644 1.00 21.69 C  
 ATOM 9 CE1 HIS A 17-14.492 7.301 9.267 1.00 27.01 C  
 ATOM 10 NE2 HIS A 17 -13.869 8.058 10.168 1.00 22.66 N  
 ATOM 11 N ILE A 18 -9.269 9.660 6.089 1.00 19.45 N  
 ATOM 12 CA ILE A 18 -7.910 9.377 5.605 1.00 18.67 C  
 ATOM 13 C ILE A 18 -7.122 8.759 6.749 1.00 16.24 C  
 ATOM 14 O ILE A 18 -7.425 8.919 7.929 1.00 18.80 हे  
 ATOM 15 CB ILE A 18 -7.228 10.640 5.088 1.00 20.22 C  
 ATOM 16 CG1 ILE A 18 -7.062 11.686 6.183 1.00 18.52 C  
 ATOM 17 CG2 ILE A 18 -7.981 11.176 3.889 1.00 24.61 C  
 ATOM 18 CD1 ILE A 18 -6.161 12.824 5.749 1.00 28.21 C  
 एटीओएम 19 एन एएसएन ए 19 -6.121 8.023 6.349 1.00 15.46 एन  
 ATOM 20 CA ASN A 19 -5.239 7.306 7.243 1.00 14.34 C  
 ATOM 21 C ASN A 19 -4.012 8.178 7.507 1.00 14.83 C  
 एटम 22 ओ एएसएन ए 19 -3.431 8.715 6.575 1.00 18.03 ओ  
 एटीओएम 23 सीबी एएसएन ए 19 -4.825 6.003 6.573 1.00 17.71 सी  
 ATOM 24 CG ASN A 19 -6.062 5.099 6.413 1.00 21.26 C  
 ATOM 25 OD1 ASN A 19 -6.606 4.651 7.400 1.00 26.18 हे  
 ATOM 26 ND2 ASN A 19 -6.320 4.899 5.151 1.00 31.73 N  

इसके अलावा, ऐसे विशेष कार्यक्रम हैं जो इस पाठ फ़ाइल के डेटा के अनुसार, रेखांकन में प्रोटीन अणु की एक सुंदर त्रि-आयामी संरचना प्रदर्शित कर सकते हैं, जिसे मॉनिटर स्क्रीन पर घुमाया जा सकता है और जैसा कि गाइ डोडसन ने कहा, "अपने माउस से अणु को स्पर्श करें" (उदाहरण के लिए, PyMol , CCP4mg , पुराना RasMol ) । यही है, प्रोटीन संरचनाओं को देखना सरल है - आप कार्यक्रम डालते हैं, पीडीबी से वांछित संरचना लोड करते हैं और प्रकृति की सुंदरता का आनंद लेते हैं।

4. संरचना का विश्लेषण करें

इसलिए, हमने मुख्य विचार को समझा: एक प्रोटीन एक रैखिक बहुलक है जो किसी दिए गए प्रोटीन के लिए एक स्थिर और अद्वितीय तीन-आयामी संरचना में कई कमजोर इंटरैक्शन के प्रभाव के तहत एक जलीय घोल में जमा होता है, और इस रूप में अपने कार्य को पूरा करने में सक्षम है। प्रोटीन संरचनाओं के संगठन के कई स्तर हैं। ऊपर, हम पहले से ही प्राथमिक संरचना से परिचित हो गए - अमीनो एसिड का एक रैखिक अनुक्रम जिसे एक पंक्ति में नीचे लिखा जा सकता है।


प्रोटीन की माध्यमिक संरचना प्रोटीन की मुख्य श्रृंखला के परमाणुओं के परस्पर क्रिया से निर्धारित होती है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, एक प्रोटीन की मुख्य श्रृंखला में हाइड्रोजन बांड के दाता और स्वीकर्ता शामिल हैं, इसलिए मुख्य श्रृंखला कुछ संरचना प्राप्त कर सकती है। अधिक सटीक रूप से, कई अलग-अलग संरचनाएं (विवरण फिर भी अलग-अलग समूहों पर निर्भर करते हैं), क्योंकि मुख्य श्रृंखला के समूहों के बीच अलग-अलग वैकल्पिक हाइड्रोजन बांड का गठन संभव है। संरचनाएं हैं: अल्फा-सर्पिल, बीटा-शीट (कई बीटा-स्ट्रैंड्स से मिलकर), जो समानांतर और विरोधी-समानांतर, बीटा रोटेशन हैं। इसके अलावा, श्रृंखला के भाग में एक स्पष्ट संरचना नहीं हो सकती है, उदाहरण के लिए, प्रोटीन लूप के रोटेशन के क्षेत्र में। इस प्रकार की संरचनाओं में अपनी अच्छी तरह से स्थापित योजनाबद्ध पदनाम हैं - अल्फा-सर्पिल एक सर्पिल या सिलेंडर के रूप में, चौड़े तीर के रूप में बीटा-स्ट्रैंड्स। माध्यमिक संरचना को प्राथमिक रूप से प्राथमिक रूप से अनुमानित रूप से अनुमानित किया जा सकता है ( JPred मानक है ), अल्फा-सर्पिल की भविष्यवाणी सबसे सटीक रूप से की जाती है, बीटा-स्ट्रैंड के साथ ओवरले होते हैं।

प्रोटीन की तृतीयक संरचना अमीनो एसिड अवशेषों के पक्ष समूहों की बातचीत से निर्धारित होती है, यह प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना है। कोई कल्पना कर सकता है कि द्वितीयक संरचना बन गई है और अब ये सर्पिल और बीटा-स्ट्रैड सभी को एक कॉम्पैक्ट त्रि-आयामी संरचना में एक साथ फिट करना चाहते हैं ताकि सभी हाइड्रोफोबिक पक्ष समूह चुपचाप "एक साथ छड़ी" प्रोटीन ग्लोब में गहरा हो, एक हाइड्रोबोबिक कोर और ध्रुवीय और चार्ज किए गए अवशेषों को चिपका दें। पानी में बाहर, प्रोटीन की सतह का गठन और माध्यमिक संरचना के तत्वों के बीच संपर्कों को स्थिर करना। तृतीयक संरचना को कई तरीकों से योजनाबद्ध रूप से दर्शाया गया है। यदि हम बस सभी परमाणुओं को आकर्षित करते हैं, तो हम दलिया प्राप्त करते हैं (हालांकि जब हम प्रोटीन के सक्रिय केंद्र का विश्लेषण करते हैं, तो हम सक्रिय अवशेषों के सभी परमाणुओं को देखना चाहते हैं)।

यदि हम यह देखना चाहते हैं कि पूरे प्रोटीन को सामान्य रूप से कैसे संरचित किया जाए, तो हम इसके पाठ्यक्रम को देखने के लिए मुख्य श्रृंखला के केवल कुछ परमाणुओं को प्रदर्शित कर सकते हैं। वैकल्पिक रूप से, आप एक सुंदर योजना बना सकते हैं, जहां परमाणुओं की वास्तविक व्यवस्था के शीर्ष पर, माध्यमिक संरचना के तत्व योजनाबद्ध रूप से खींचे जाते हैं - इसलिए पहली नज़र में आप प्रोटीन की तह देख सकते हैं। एक सामान्य, योजनाबद्ध रूप में पूरी संरचना का अध्ययन करने के बाद, आप सक्रिय केंद्र के रासायनिक समूहों को प्रदर्शित कर सकते हैं और पहले से ही उन पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। प्रोटीन की तृतीयक संरचना की भविष्यवाणी करने का कार्य गैर-तुच्छ है और सामान्य मामले में हल नहीं किया जाता है, हालांकि इसे विशेष मामलों में हल किया जा सकता है। अधिक जानकारी - नीचे।

प्रोटीन की चतुर्धातुक संरचना - हां, एक है, हालांकि सभी प्रोटीनों में सच्चाई नहीं है। कई प्रोटीन अपने दम पर काम करते हैं (मोनोमर्स, इस मामले में, मोनोमर का अर्थ है एकल मुड़ा हुआ पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला, यानी संपूर्ण प्रोटीन), फिर उनकी चतुर्धातुक संरचना तृतीयक है। हालांकि, बहुत सारे प्रोटीन केवल कई पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं (सबयूनिट्स या मोनोमर्स - डिमर, ट्रिमर, टेट्रामर्स, मल्टीमर्स) से मिलकर एक जटिल में काम करते हैं, फिर कई अलग-अलग श्रृंखलाओं की ऐसी विधानसभा को एक चतुर्धातुक संरचना कहा जाता है। सबसे आम उदाहरण है हीमोग्लोबिन जिसमें 4 सबयूनिट्स शामिल हैं , मेरी राय में सबसे सुंदर उदाहरण बैक्टीरिया प्रोटीन TRAP है जिसमें 11 समान सबयूनिट शामिल हैं।

5. कम्प्यूटिंग कार्य

प्रोटीन हजारों परमाणुओं की एक जटिल प्रणाली है, इसलिए प्रोटीन की संरचना में कंप्यूटर का उपयोग किए बिना समझा नहीं जा सकता है।कई समस्याएं हैं, दोनों को एक स्वीकार्य स्तर पर हल किया गया है, और बिल्कुल भी हल नहीं किया गया है। मैं सबसे अधिक प्रासंगिक सूची दूंगा:

प्राथमिक संरचना के स्तर पर , समान अमीनो एसिड अनुक्रम वाले प्रोटीन की खोज, उनसे विकासवादी पेड़ों का निर्माण, आदि जैव सूचना विज्ञान के क्लासिक कार्य हैं। मुख्य केंद्र NCBI - द नेशनल सेंटर फॉर बायोटेक्नोलॉजी इन्फॉर्मेशन, www.ncbi.nlm.nih.gov है । BLAST को समान अनुक्रम वाले प्रोटीन की खोज करने के लिए मानक रूप से उपयोग किया जाता है: ब्लास्ट। ncbi.nlm.nih.gov/blast.cgi

प्रोटीन घुलनशीलता भविष्यवाणी। मुद्दा यह है कि यदि हम किसी जानवर के जीनोम को पढ़ते हैं, तो उसमें से प्रोटीन के अनुक्रम को निर्धारित करते हैं, इन जीनों को एस्चेरिचिया कोलाई या बैकोलोवायरस अभिव्यक्ति प्रणाली में स्थानांतरित करते हैं, यह पता चलता है कि जब इन प्रणालियों में व्यक्त किया जाता है, तो लगभग एक तिहाई प्रोटीन सही संरचना में नहीं मोड़ेंगे। , और, परिणामस्वरूप, अघुलनशील होगा। यह पता चलता है कि बड़े प्रोटीन वास्तव में अलग-अलग "डोमेन" से युक्त होते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक प्रोटीन का एक स्वायत्त, कार्यात्मक भाग (इसके कार्यों में से एक) का प्रतिनिधित्व करता है और अक्सर एक जीन से एक अलग डोमेन "कटिंग" करता है, यह घुलनशील प्रोटीन प्राप्त करना और इसकी संरचना निर्धारित करना संभव है। और उसके साथ प्रयोग करें। लोग प्रोटीन की घुलनशीलता की भविष्यवाणी करने के लिए मशीन लर्निंग (तंत्रिका नेटवर्क, एसवीएम और अन्य क्लासिफायरिफायर) का उपयोग करने की कोशिश कर रहे हैं,हालाँकि, यह काफी खराब तरीके से काम करता है (Google "प्रोटीन घुलनशीलता भविष्यवाणी" के अनुरोध पर बहुत सी चीजें दिखाएगा - कई सर्वर हैं, लेकिन मेरे अनुभव में वे सभी मेरे प्रोटीन पर घृणित रूप से काम करते हैं)। आदर्श रूप से, मैं एक ऐसी सेवा देखना चाहूंगा जो मज़बूती से कहे कि जहां वे बहुत घुलनशील डोमेन प्रोटीन में स्थित हैं ताकि उन्हें काटकर काम किया जा सके - ऐसी कोई सेवा नहीं है।

द्वितीयक संरचना स्तर पर - प्राथमिक ( JPred ) द्वारा उस द्वितीयक संरचना की भविष्यवाणी

तृतीयक संरचना स्तर पर - समान त्रि-आयामी संरचनाओं ( DALI , en.wikipedia.org/wiki/Structural_almentment ) के साथ प्रोटीन की खोज ,
एक दिए गए उप-संरचना द्वारा संरचनाओं की खोज करें। उदाहरण के लिए, मेरे पास अंतरिक्ष में एक सक्रिय केंद्र के तीन अमीनो एसिड की व्यवस्था है। मैं ऐसी संरचनाएं खोजना चाहता हूं जिनमें समान रिश्तेदार स्थिति में तीन अमीनो एसिड होते हैं, या प्रोटीन संरचनाओं को खोजने के लिए जिनके उत्परिवर्तन से सही तरीके से वांछित अमीनो एसिड की व्यवस्था करना संभव हो जाएगा। (Google "प्रोटीन सबस्ट्रक्चर सर्च")
एक तीन आयामी संरचना की संभावित गतिशीलता की भविष्यवाणी, संभव परिवर्तनकारी परिवर्तन - सामान्य मोड विश्लेषण, एलनेमो ।

चतुर्धातुक संरचना के स्तर पर - मान लीजिए, दो प्रोटीन की संरचनाएं ज्ञात हैं। यह ज्ञात है कि वे एक जटिल बनाते हैं। कॉम्प्लेक्स की संरचना की भविष्यवाणी करें (यह निर्धारित करें कि ये दोनों प्रोटीन आकार मिलान के माध्यम से कैसे बातचीत करेंगे, उदाहरण के लिए)। Google "प्रोटीन-प्रोटीन डॉकिंग"

6. प्रोटीन संरचना की भविष्यवाणी

मैंने एक अलग खंड में इस कम्प्यूटेशनल समस्या को सुलझाया, क्योंकि यह महान है, मौलिक है और सामान्य मामले में हल नहीं किया जा सकता है।

हम प्रयोगात्मक रूप से जानते हैं कि यदि आप प्रोटीन लेते हैं, तो इसे पूरी तरह से तैनात करें और इसे पानी में फेंक दें, यह कुछ सेकंड के लिए मिलीसेकंड के मामले में अपनी मूल स्थिति में वापस कर्ल कर देगा (यह कथन कम से कम छोटे गोलाकार प्रोटीन के लिए बिना किसी विकृति के सच है)। इसका मतलब यह है कि प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना को निर्धारित करने के लिए आवश्यक सभी जानकारी निहित रूप से इसके प्राथमिक अनुक्रम में निहित हैं, इसलिए मैं सीखना चाहता हूं कि सिलिको में अमीनो एसिड अनुक्रम से प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना की भविष्यवाणी कैसे करें! हालांकि, सामान्य मामले में यह समस्या अब तक हल नहीं हुई है। मामला क्या है? तथ्य यह है कि प्राथमिक अनुक्रम में संरचना के निर्माण के लिए कोई स्पष्ट जानकारी की आवश्यकता नहीं है। सबसे पहले, मुख्य श्रृंखला के विरूपण के बारे में कोई जानकारी नहीं है - लेकिन इसमें काफी गतिशीलता है, हालांकि कुछ हद तक स्टेरिक कारणों से सीमित है। साथ ही, प्रत्येक अमीनो एसिड की प्रत्येक श्रृंखला अलग-अलग अनुरूपताओं में हो सकती है, लंबे समय तक समूहों जैसे कि आर्गिनिन के लिए, यह एक दर्जन से अधिक अनुरूप हो सकती है।

क्या करें?हैबरचियन के लिए जाना जाने वाला एक सामान्य दृष्टिकोण है, जिसे "आणविक गतिशीलता" कहा जाता है और किसी भी अणु और प्रणालियों के लिए उपयुक्त है। हम अनफोल्डेड प्रोटीन लेते हैं, सभी परमाणुओं को यादृच्छिक गति प्रदान करते हैं, परमाणुओं के बीच बातचीत पर विचार करते हैं, और तब तक दोहराते हैं जब तक सिस्टम मुड़े हुए प्रोटीन के अनुरूप एक स्थिर स्थिति में नहीं आता है। यह काम क्यों नहीं कर रहा है?क्योंकि आधुनिक कंप्यूटिंग शक्ति हमें क्लस्टर के संचालन के महीनों में हजारों परमाणुओं की एक प्रणाली के लिए दसियों नैनोसेकंड की गणना करने की अनुमति देती है, जो पानी में रखा गया प्रोटीन है। प्रोटीन फोल्डिंग का समय मिलीसेकंड या उससे अधिक है, अर्थात् पर्याप्त कंप्यूटिंग शक्ति नहीं है, अंतर परिमाण के कई आदेश हैं। हालांकि, कुछ साल पहले, अमेरिकियों ने एक सफलता बनाई। वे वेक्टर कंप्यूटिंग के लिए विशेष हार्डवेयर का उपयोग करते थे और हार्डवेयर के स्तर पर अनुकूलन के बाद, मशीन के संचालन के महीनों में, वे बहुत छोटे प्रोटीन के लिए मिलीसेकेंड की गतिशीलता की गणना करने में कामयाब रहे और प्रोटीन ऊपर नीचे हो गया, संरचना प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित ( http://en.wikipedia.org/wiki) के अनुरूप थी। / एंटोन_ (कंप्यूटर))! हालांकि, जीत का जश्न मनाना जल्दबाजी होगी। उन्होंने बहुत छोटा एक लिया (इसका आकार औसत प्रोटीन से 5-10 गुना छोटा है) और सबसे तेज़-तह प्रोटीन में से एक, क्लासिक मॉडल प्रोटीन जिस पर तह का अध्ययन किया गया था। बड़े प्रोटीनों के लिए, गणना का समय नॉनलाइन रूप से बढ़ता है और इसमें कई साल लगेंगे, यानी अभी भी काम करना बाकी है। रोसेटा

में एक और दृष्टिकोण लागू किया गया। वे प्रोटीन अनुक्रम को बहुत कम (3-9 अवशेष) टुकड़ों में तोड़ देते हैं और देखते हैं कि पीडीबी में इन टुकड़ों के लिए क्या अनुरूपताएं मौजूद हैं, जिसके बाद वे सभी मामलों में मोंटे कार्लो को लॉन्च करते हैं और देखते हैं कि क्या होता है। कभी-कभी यह कुछ अच्छा हो जाता है, लेकिन मेरे मामलों में, क्लस्टर के संचालन के कुछ दिनों के बाद, आपको एक ऐसा डोनट मिलता है जो एक गूंगा सवाल उठता है: "किसने उनके मूल्यांकन कार्य को लिखा, जो इस ज़गुलिना पर कुछ अच्छा निशान रखता है?"

मैनुअल मॉडलिंग के लिए उपकरण भी हैं - आप माध्यमिक संरचना की भविष्यवाणी कर सकते हैं और इसे सबसे अच्छा स्टाइल खोजने के लिए मैन्युअल रूप से मोड़ने की कोशिश कर सकते हैं। कुछ शानदार लोगों ने एक खिलौना फोल्डिट भी जारी कियाप्रोटीन का प्रतिनिधित्व करते हुए योजनाबद्ध तरीके से और आपको इसे ढेर करने की अनुमति देता है, जैसे कि एक पहेली को इकट्ठा करना (संरचना में रुचि रखने वालों के लिए - मैं सलाह देता हूं!)। CASP नामक प्रोटीन भविष्यवाणियों के लिए एक आधिकारिक प्रतियोगिता है । लब्बोलुआब यह है कि जब प्रयोगकर्ता एक नई प्रोटीन संरचना का निर्धारण करते हैं, जिसका पीडीबी में कोई एनालॉग नहीं है, तो वे इसे तुरंत पीडीबी पर अपलोड नहीं कर सकते हैं, लेकिन इस प्रोटीन के अनुक्रम को CASP भविष्यवाणी प्रतियोगिता में जमा करते हैं । कुछ समय बाद, जब सभी ने अपने पूर्वानुमान मॉडल को पूरा कर लिया, तो प्रयोगकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित प्रोटीन संरचना को बाहर रखा और देखा कि भविष्यवक्ताओं ने कितनी अच्छी तरह काम किया है। सबसे दिलचस्प बात यह है कि वैज्ञानिक होने के नाते फोल्ड इट के खिलाड़ियों ने किसी तरह CASP जीतापेशेवरों ने प्रोटीन संरचनाओं की मॉडलिंग की और प्रोटीन की संरचना का अधिक सटीक अनुमान लगाया। हालांकि, यहां तक ​​कि ये सफलताएं हमें यह बताने की अनुमति नहीं देती हैं कि प्रोटीन संरचना की भविष्यवाणी करने की समस्या हल हो रही है - बहुत बार मॉडल वास्तविक संरचना से बहुत दूर है।

यह सब initio प्रोटीन मॉडलिंग से संबंधित है।जब संरचना के बारे में कोई पूर्व सूचना नहीं है। हालांकि, बहुत बार ऐसी परिस्थितियां होती हैं जब पहले से ही ज्ञात संरचना के साथ एक दूर के रिश्तेदार एक निश्चित प्रोटीन के लिए पीडीबी में मौजूद होते हैं। रिश्तेदार द्वारा एक समान प्राथमिक अनुक्रम के साथ एक प्रोटीन का मतलब है। यह माना जाता है कि प्राथमिक अनुक्रम में समानता वाले प्रोटीन के लिए 30% से अधिक मुख्य श्रृंखला की एक ही तह (हालांकि प्रोटीन के लिए एक ही तह देखी गई थी जो प्राथमिक अनुक्रम में कोई सांख्यिकीय महत्वपूर्ण समानता नहीं दिखाते हैं)। एक ज्ञात संरचना के साथ एक होमोलॉग (समान प्रोटीन) के मामले में, आप एक "होमोलॉगस मॉडलिंग" कर सकते हैं, अर्थात्, ज्ञात होमोलॉगस संरचना पर अपने प्रोटीन के अनुक्रम को केवल "खींच" और फिर किसी भी तरह मामले को सुलझाने के लिए ऊर्जा न्यूनता पर ड्राइव करें।इस तरह के एक सिमुलेशन बहुत करीबी homologues के साथ अच्छे परिणाम दिखाता है; सजातीय मॉडलिंग के लिए उपकरण -Modeller , SwissModel ।

आप अन्य समस्याओं को हल कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, अनुकरण करने की कोशिश करें कि क्या होगा यदि एक विशेष म्यूटेशन प्रोटीन में पेश किया जाता है। उदाहरण के लिए, यदि आप प्रोटीन की सतह पर हाइड्रोफिलिक एमिनो एसिड को किसी अन्य हाइड्रोफिलिक एमिनो एसिड के साथ बदलते हैं, तो सबसे अधिक संभावना है कि प्रोटीन संरचना बिल्कुल भी नहीं बदलेगी। यदि आप एक हाइड्रोफोबिक कोर से एक अन्य हाइड्रोफोबिक के साथ एक एमिनो एसिड को प्रतिस्थापित करते हैं, लेकिन एक अलग आकार का है, तो सबसे अधिक संभावना है कि प्रोटीन तह एक ही रहेगा, लेकिन एंग्स्ट्रॉम फ्रैक्शन से थोड़ा "हटो"। यदि आप एक आवेशित एक हाइड्रोफोबिक कोर से एक एमिनो एसिड को प्रतिस्थापित करते हैं, तो सबसे अधिक संभावना है कि प्रोटीन बस "विस्फोट" करेगा और जमावट करने में सक्षम नहीं होगा।

ऐसा लग सकता है कि सब कुछ इतना बुरा नहीं है और हमें प्रोटीन फोल्डिंग की अच्छी समझ है। हां, हम कुछ समझते हैं, उदाहरण के लिए, कुछ हद तक, हम सामान्य शारीरिक सिद्धांतों को समझते हैं जो पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के तह को पूरा करते हैं - उन्हें पॉटित्सिन और फिंकेलस्टीन "प्रोटीन भौतिकी" द्वारा अद्भुत पाठ्यपुस्तक में माना जाता है । हालाँकि, यह सामान्य समझ हमें सवालों के जवाब देने की अनुमति नहीं देती है "क्या यह प्रोटीन कर्ल करेगा या कर्ल नहीं करेगा?", "इस प्रोटीन में क्या संरचना होगी?", "वांछित संरचना के साथ प्रोटीन कैसे बनाएं?"।

यहां एक उदाहरण है: हम एक बड़े प्रोटीन के डोमेन में से एक को स्थानीय बनाना चाहते हैं, यह एक मानक कार्य है। हमारे पास एक टुकड़ा है जो जमावट करता है और घुलनशील है, अर्थात यह एक जीवित और स्वस्थ प्रोटीन है। लेकिन हम इसके न्यूनतम हिस्से को ढूंढना चाहते हैं और दोनों हिस्सों से 2-3 अमीनो एसिड को हटाने के लिए जेनेटिक इंजीनियरिंग के तरीकों का इस्तेमाल करना शुरू कर सकते हैं, बैक्टीरिया में इस तरह के फटे प्रोटीन को व्यक्त करते हैं और प्रयोगात्मक रूप से इसके लेप को देखते हैं। हम इस तरह के छोटे विलोपन के साथ दर्जनों निर्माण करते हैं और ऐसी तस्वीर देखते हैं - एक पूरी तरह से घुलनशील और जीवित प्रोटीन एक पूरी तरह से मृत और गैर-तह 3 अमीनो एसिड से अलग है। मैं दोहराता हूं, यह एक उद्देश्यपूर्ण प्रयोगात्मक परिणाम है। समस्या यह है कि अब कोई कम्प्यूटेशनल तरीका नहीं है जो कम से कम हां / ना में प्रोटीन फोल्डिंग की भविष्यवाणी करेगा और मुझे बताएगाफोल्डिंग और नॉन-फोल्डिंग प्रोटीन के बीच की सीमा कहां जाती है, इसलिए हम क्लोन करने के लिए मजबूर हैं और प्रयोगात्मक रूप से दर्जनों विकल्पों का परीक्षण करते हैं। यह इस तथ्य का सिर्फ एक उदाहरण है कि प्रोटीन संरचना के बारे में हमारी समझ एकदम सही है। जैसा कि रिचर्ड फेनमैन ने कहा, "मैं क्या नहीं बना सकता, मैं समझ नहीं पाया।"

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1) « » . , : phys.protres.ru/lectures/protein_physics/index.html ( )
2) , « », II « ». Djvu
3) , , PubMed ( www.pubmed.org ) — «protein engineering» .