Кіріспе

Аминқышқылының молекуладағы атомдардың үш өлшемді орналасуы – ақуыз құрылымы. Ақуыздар – полимерлер, нақтырақ айтқанда, полипептидтер, олар аминқышқылдарының тізбектерінен құралады, ал аминқышқылдары полимердің мономерлері болып табылады. Жеке аминқышқылының мономерін "қалдық" деп те атайды, ол полимердің қайталанатын бірлігін көрсетеді. Ақуыздар аминқышқылдарының конденсациялық реакциялары арқылы түзіледі, онда аминқышқылдары бір-біріне пептидтік байланыс арқылы қосылу үшін әр реакцияда бір су молекуласын жоғалтады. 30-дан кем аминқышқылынан тұратын тізбектер көбінесе ақуыз емес, пептидтер деп аталады. Өздерінің биологиялық функцияларын орындау үшін ақуыздар сутекті байланыс, иондық өзара әсер, Ван-дер-Ваальс күштері және гидрофобтық жиналу сияқты ковалентті емес өзара әсерлермен басқарылатын бір немесе бірнеше нақты кеңістіктік конформацияларға жиырылады. Ақуыздардың молекулалық деңгейдегі функцияларын түсіну үшін олардың үш өлшемді құрылымын анықтау қажет. Бұл – ақуыздардың құрылымын анықтау үшін рентгендік кристаллография, ЯМР спектроскопиясы, криоэлектрондық микроскопия (криоЭМ) және қос поляризациялық интерферометрия сияқты әдістерді қолданатын құрылымдық биология ғылымының саласы. Ақуыз құрылымдарының мөлшері ондағаннан бірнеше мың аминқышқылына дейін жетеді. Физикалық мөлшері бойынша ақуыздар 1-100 нм аралығындағы нанобөлшектер класына жатады. Ақуыз суббірліктерінен өте үлкен ақуыз кешендері құрылуы мүмкін. Мысалы, микрофиламент құрамында мыңдаған актин молекулалары болады. Ақуыз өзінің биологиялық функциясын орындағанда әдетте қайтымды құрылымдық өзгерістерге ұшырайды. Бір ақуыздың баламалы құрылымдары әртүрлі конформациялар деп аталады, ал олардың арасындағы өтулер конформациялық өзгерістер деп аталады.

Белок құрылымының деңгейлері

Белоктың құрылымының төрт ерекше деңгейі бар.

Негізгі құрылым

Белоктың біріншілік құрылымы – полипептидтік тізбектегі аминқышқылдарының реттілігін көрсетеді. Біріншілік құрылым белок биосинтезі процесінде түзілетін пептидтік байланыстармен ұсталып тұрады. Полипептидтік тізбектің екі ұшы, әр шетіндегі бос топтың сипатына қарай, карбоксилдік ұшы (C ұшы) және аминдық ұшы (N ұшы) деп аталады. Қалдықтарды санау әрқашан N ұшынан (NH2 тобынан) басталады, ол пептидтік байланысқа қатыспайтын амин тобының орналасқан жері. Белоктың біріншілік құрылымы сол белокқа сәйкес келетін ген арқылы анықталады. ДНК-дағы нуклеотидтердің белгілі бір реттілігі мРНҚ-ға транскрипцияланады, ал рибосома оны трансляция деп аталатын процесте оқиды. Фредерик Сангер инсулиндегі аминқышқылдарының реттілігін анықтағанда, ақуыздардың белгілі бір аминқышқылдық реттілігі болатынын көрсетті. Белоктың реттілігі тек сол белокқа ғана тән және оның құрылымын және қызметін анықтайды. Белоктың реттілігін Эдманның ыдырауы немесе тандемдік массалық спектрометрия сияқты әдістермен анықтауға болады. Бірақ көбінесе ол генетикалық кодты пайдалана отырып, геннің тізбегінен тікелей оқылады. Ақуыздар туралы сөз қозғалғанда "аминқышқыл қалдықтары" терминін қолдану қатаң ұсынылады, себебі пептидтік байланыс пайда болғанда су молекуласы жоғалады, сондықтан ақуыздар аминқышқыл қалдықтарынан тұрады. Фосфорилирлеу және гликозилдау сияқты трансляциядан кейінгі модификациялар да біріншілік құрылымның бөлігі деп есептеледі және оларды геннен оқуға болмайды. Мысалы, инсулин екі тізбектен тұрады және 51 аминқышқылынан құралған. Бір тізбекте 31 аминқышқылы, ал екіншісінде 20 аминқышқылы бар.

Екіншілік құрылым

Екіншілік құрылым – полипептидтің негізгі тірек тізбегіндегі жоғары реттелген жергілікті құрылымдарды білдіреді. 1951 жылы Линус Паулинг α спираль және β жіп немесе β табақтары деп аталатын екіншілік құрылымның екі негізгі түрін ұсынды. Бұл екіншілік құрылымдар негізгі тізбектегі пептидтік топтар арасындағы сутекті байланыстардың белгілі бір үлгілерімен сипатталады. Олардың геометриясы тұрақты, және Рамачандран диаграммасындағы ψ және φ диэдрлік бұрыштарының нақты мәндерімен шектеледі. α спираль және β табақтары пептидтік тірекшедегі барлық сутекті байланыс доноры мен акцепторын қанықтырудың бір жолын ұсынады. Протеиннің кейбір бөліктері реттелген, бірақ ешқандай тұрақты құрылымға ие болмайды. Оларды үш өлшемді құрылымы жоқ, жазылған полипептидтік тізбек – кездейсоқ орамамен шатастырмау керек. Бірнеше реттік екіншілік құрылымдар "супер екіншілік бірліктерді" құрауы мүмкін.

Үшінші деңгейлі құрылым

Үшіншілік құрылым – бір ақуыз молекуласы (бір полипептидтік тізбек) құратын үш өлшемді құрылым. Ол бір немесе бірнеше доменді қамтуы мүмкін. α спиральдері мен β-жиырылған қабаттар ықшам, шар тәрізді құрылымға бүктеледі. Бұл бүктелуге гидрофобтық әрекеттесулер, судағы гидрофобтық қалдықтарды жасыру түрткіс береді, бірақ құрылым тек ақуыз доменінің бөліктері тұздық көпірлер, сутектік байланыстар, тізбек қабырғаларының тығыз орналасуы және дисульфидтік байланыстар сияқты нақты үшіншілік өзара әрекеттесулермен бекітілгенде ғана тұрақты болады. Цитозол (клеткаішілік сұйықтық) көбінесе тотығуға қарсы орта болғандықтан, цитозолдық ақуыздарда дисульфидтік байланыстар өте сирек кездеседі.

Төртіншілік құрылым

Төртіншілік құрылым – екі немесе одан көп жеке полипептидтік тізбектердің (кішібірліктер) жиналуынан құралған үш өлшемді құрылым, олар бір функционалдық бірлік (мультимер) ретінде жұмыс істейді. Пайда болған мультимер үшіншілік құрылымдағыдай ковалентті емес өзара әрекеттесулер мен дисульфидтік байланыстар арқылы тұрақтандырылады. Төртіншілік құрылымның көптеген мүмкін ұйымдасқан түрлері бар. Екі немесе одан көп полипептидтен тұратын кешендер (яғни, бірнеше кішібірліктер) мультимерлер деп аталады. Егер ол екі кішібірліктен тұрса, онда димер, үш кішібірліктен тұрса – тример, төрт кішібірліктен тұрса – тетрамер, бес кішібірліктен тұрса – пентамер және т.с.с. деп аталады. Кішібірліктер көбінесе симметрия операциялары арқылы бір-бірімен байланысты болады, мысалы, димердегі 2 еселік ось. Бірдей кішібірліктерден тұратын мультимерлер "гомо" префиксімен, ал әртүрлі кішібірліктерден тұратын мультимерлер "гетеро" префиксімен аталады, мысалы, гетеротетрамер, гемоглобиннің екі альфа және екі бета тізбегі сияқты.

Белок құрылымындағы домендер, мотивтер және бүгілулер

Белоктар көбінесе бірнеше құрылымдық бірліктерден тұрады деп сипатталады. Бұл бірліктерге домендер, мотивтер және бүктемелер жатады. Эукариоттық жүйелерде шамамен 100 000 түрлі белок экспрессияланса да, әр түрлі домендердің, құрылымдық мотивтердің және бүктемелердің саны одан әлдеқайда аз.

Құрылымдық сала

Құрылымдық домен – ақуыздың жалпы құрылымының өзін-өзі тұрақтандырып, көбінесе ақуыз тізбегінің қалған бөлігінен тәуелсіз бүгілетін элементі. Көптеген домендер бір геннің немесе бір ген отбасының ақуыз өнімдеріне ғана тән емес, олар түрлі ақуыздарда кездеседі. Домендер көбінесе аталады және бөлініп қарастырылады, себебі олар тиесілі ақуыздың биологиялық функциясында маңызды рөл атқарады; мысалы, "кальмодулиннің кальций байланыстыру домені". Олар тәуелсіз тұрақты болғандықтан, домендерді генетикалық инженерия арқылы бір ақуыз бен екіншісін "ауыстырып" химералық ақуыздар жасауға болады. Әртүрлі ақуыздарда кездесетін бірнеше домендердің консервативті комбинациясы, мысалы, белоктың тирозин фосфатаза домені мен C2 доменінің жұбы, "супердомен" деп аталады, ол бірлік ретінде эволюциялай алады.

Жоғары екіншілік құрылым

Үшінші дәрежелі белок құрылымдары бір полипептид тізбегінде бірнеше екінші дәрежелі элементтерді қамтуы мүмкін. Жоғары екіншілік құрылым – бұл β α β бірліктері немесе спиральді бұрылыс спиральді мотиві сияқты екінші дәрежелі құрылым элементтерінің нақты комбинациясы. Олардың кейбіреулерін құрылымдық мотивтер деп те атайды.

Белсенді қатпар

Ақуыздың бүгілуі – ақуыздың жалпы архитектурасын білдіреді, мысалы, спиральді шоғыр, β-цилиндр, Россманн бүгілуі немесе Ақуыздардың құрылымдық жіктелуі дерекқорында ұсынылған әртүрлі "бүгілулер". Ақуыз топологиясы осымен байланысты ұғым.

Белок динамикасы және конформациялық жиынтықтар

Белдіктер статикалық объектілер емес, керісінше конформациялық күйлердің жиынтығын құрайды. Бұл күйлер арасындағы ауысулар әдетте наноөлшемдерде жүреді және аллостериялық сигнализация және фермент катализі сияқты функционалдық маңызды құбылыстармен байланысты. Белдіктердің динамикасы мен конформациялық өзгерістері белдіктерге жасушалар ішінде наномасштабты биологиялық машиналар ретінде, көбінесе көп белдікті кешендер түрінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Мысал ретінде миозин сияқты қозғалтқыш белдіктерін қарастыруға болады, ол бұлшық еттің жиырылуына жауапты, кинезин – микротүтікшелер арқылы жасушалар ішіндегі жүкті ядродан алыстатады, ал динеин – жасушалар ішіндегі жүкті ядроға қарай жылжытады және қозғалмалы кірпікшелер мен қамшылардың аксонемалық соғуына себеп болады. "[I]n effect, [motile cilium] – молекулалық кешендердегі 600-ден астам белдіктен тұратын наномашина, олардың көпшілігі наномашина ретінде тәуелсіз жұмыс істейді. Икемді байланыстырғыштар олармен байланысқан мобильді белдік домендеріне байланысу серіктестерін тартуға және белдік домендерінің динамикасы арқылы ұзақ аралықтағы аллостерияны тудыруға мүмкіндік береді." [[Файл:Энсамбльді модельдеудің екі негізгі тәсілінің схемалық көрінісі.jpg|thumb|right|500px|Энсамбльді модельдеудің екі негізгі тәсілінің схемалық көрінісі. Белдік ансамбль файлдары – икемді құрылымы бар деп есептелетін белдіктің бейнесі. Бұл файлдарды құру үшін теориялық тұрғыдан мүмкін әртүрлі белдік конформацияларының қайсысы нақты бар екенін анықтау қажет. Бір тәсіл – белдік деректеріне есептеу алгоритмдерін қолданып, ансамбль файлы үшін конформациялардың ең ықтимал жиынтығын анықтауға тырысу. Белдіктер жиынтығының деректер қорына деректерді дайындаудың бірнеше әдістері бар, олар екі жалпы әдістемеге жатады – бассейн және молекулалық динамика (MD) тәсілдері (сызбада көрсетілген). Бассейн тәсілі кездейсоқ конформациялардың үлкен жиынтығын құру үшін белдіктің аминқышқылдар тізбесін пайдаланады. Бұл бассейн одан әрі есептеу процестеріне ұшырайды, бұл құрылымға негізделген әрбір конформация үшін теориялық параметрлер жиынтығын жасайды. Бұл жиынтықтан орташа теориялық параметрлері осы белдік үшін белгілі эксперименттік деректерге жақын сәйкес келетін қосалқы жиынтықтар таңдалады. Ал, молекулалық динамиканың баламалы әдісі бір уақытта бірнеше кездейсоқ конформацияларды алып, олардың барлығын эксперименттік деректерге бағындырады. Бұл жерде эксперименттік деректер конформацияларға (мысалы, атомдар арасындағы белгілі қашықтықтарға) қойылатын шектеулер ретінде қызмет етеді. Тек тәжірибелік деректерде белгіленген шектерде қала алатын конформациялар ғана қабылданады. Бұл тәсіл көбінесе конформацияларға үлкен көлемде тәжірибелік деректерді қолданады, бұл өте есептеуді талап ететін міндет. p15 PAF, MKK7, Бета-синуклеин және P27

Белоктардың бүлінуі

Полипептидтер рибосомадан көбінесе кездейсоқ түйіршік түрінде шығып, туа табиғатына сай құрылымға жиналады. Ақуыз тізбегінің соңғы құрылымы, әдетте, оның аминқышқылдарының тізбегімен анықталады (Анфинсен догмасы).

Белок тұрақтылығы

Белоктардың термодинамикалық тұрақтылығы – бұл бүктелген және бүктелмеген белок күйлері арасындағы еркін энергия айырмашылығын көрсетеді. Бұл еркін энергия айырмашылығы температураға өте сезімтал, сондықтан температураның өзгеруі белоктың ашылуына немесе денатурациялануына алып келуі мүмкін. Белоктың денатурациялануы функциясының жоғалуымен және оның табиғи күйінің жойылуымен қоса келеді. Ерігіш, шар тәрізді белоктардың тұрақтандыру еркін энергиясы көбінесе 50 кДж/моль-ден аспайды. Екіншілік құрылымдарды тұрақтандыруға қатысатын көптеген сутекті байланыстарды, сондай-ақ гидрофобтық өзара әрекеттесулер арқылы ішкі ядроны тұрақтандыруды ескере отырып, тұрақтандырудың еркін энергиясы – үлкен шамалар арасындағы шағын айырмашылық болып көрінеді.

Белок құрылымы туралы деректер базасы

Белок құрылымы дерекқоры – әр түрлі тәжірибелік жолмен анықталған белок құрылымдары негізінде құрылған дерекқор. Көптеген белок құрылымы дерекқорларының мақсаты – белок құрылымдарын ұйымдастырып, түсіндіру арқылы биологиялық қауымдастыққа тәжірибелік деректерге қолжетімділік беру. Белок құрылымы дерекқорына енгізілетін деректерге көбінесе 3D координаттар, сондай-ақ эксперименттік ақпарат, мысалы, рентгендік кристаллография арқылы анықталған құрылымдар үшін бірлік жасушаның өлшемдері мен бұрыштары кіреді. Көп жағдайда, бұл белоктар немесе белок құрылымының нақтылы анықтамасы, сонымен қатар тізбектік ақпаратты қамтиды, ал кейбір дерекқорлар тізбекке негізделген сұраныстарды жүзеге асыруға мүмкіндік беретін құралдарды ұсынады. Дегенмен, құрылым дерекқорының басты ерекшелігі – құрылымдық ақпарат, ал тізбектік дерекқорлар тізбектік ақпаратқа баса назар аударады және көптеген жазбаларында құрылымдық ақпарат жоқ. Белок құрылымы дерекқоры, есептеу биологиясының көптеген салалары үшін өте маңызды, мысалы, құрылымға негізделген дәрі-дәрмектерді жобалау, соның ішінде қолданылатын есептеу әдістерін жетілдіру және кейбір әдістердің белоктың функциясы туралы түсінік беру үшін пайдаланатын үлкен тәжірибелік деректер жиынтығын ұсыну.

Белоктардың құрылымдық жіктелуі

Ақуыз құрылымдарын олардың құрылымдық ұқсастығына, топологиялық класына немесе ортақ эволюциялық тегіне қарай топтастыруға болады. Ақуыз құрылымдарының жіктелуі дерекқоры және CATH дерекқоры ақуыздардың екі түрлі құрылымдық жіктелуін ұсынады. Егер құрылымдық ұқсастық жоғары болса, екі ақуыздың ортақ атадан тараған болуы мүмкін, ал ақуыздар арасындағы ортақ құрылым гомологияның куәсі саналады. Құрылымдық ұқсастықты пайдаланып ақуыздарды ақуыз суперайылына біріктіруге болады. Егер ортақ құрылым маңызды болса, бірақ ортақ бөлігі шағын болса, ортақ фрагмент көлденең гендер алмасу сияқты күрделі эволюциялық оқиғаның нәтижесі болуы мүмкін, сондықтан осы фрагменттерді бөлісетін ақуыздарды ақуыз суперайылына қосу қажеттілігі тумайды. Ақуыздың топологиясы да ақуыздарды жіктеу үшін қолданылуы мүмкін. Тораптық теория және контурлық топология – бұл тізбектердің өзара қиылысуы мен тізбек ішіндегі байланыстар негізінде ақуыз бүктелімдерін жіктеу үшін жасалған екі топологиялық тәсіл.

Белок құрылымының есептеулік болжамы

Белоктың аминқышқылдық тізбегін жасау, белок құрылымын анықтаудан әлдеқайда оңай. Дегенмен, белоктың құрылымы, оның тізбегінен гөрі, оның функциясы туралы көбірек түсінік береді. Сондықтан, белоктың тізбегінен оның құрылымын есептеу арқылы болжауға арналған бірнеше әдіс әзірленді. Ab initio болжау әдістері тек белоктың тізбегін пайдаланады. Тақырыптау және гомологиялық модельдеу әдістері, эволюциялық байланысты белоктар отбасы деп аталатын белоктардың эксперименталдық құрылымдарынан белгісіз құрылымы бар белоктың 3D моделін құра алады.