Page 100 - Perdih, Andrej, Katja Lakota, Alja Prah. 2020. Strukture bioloških molekul. Univerzitetni učbenik z recenzijo in navodila za vaje. Koper: Založba Univerze na Primorskem.
P. 100
andrej perdih, katja lakota, alja prah
Velikokrat omejitve dostopnih eksperimentalnih metod proteinske kristalografije in NMR
spektroskopije ne omogočajo, da bi enostavno določili tridimenzionalno strukturo izbranega
proteina. Takrat se lahko poslužimo računskih in teoretičnih metod, s pomočjo katerih lahko s
poznavanjem primarne strukture (tj. zaporedja aminokislin) napovemo sekundarno in 3D
strukturo tarčnega proteina, kot to prikazuje Slika 1.
Slika 1. Osnovna ideja napovedovanja tridimenzionalnih struktur proteinov. Na osnovi
poznavanja primarnega zaporedja z različnimi teoretičnimi pristopi napovemo 3D strukturo
proteina.
Napovedovanje tridimenzionalne strukture proteinov je pomemben del raziskav v
bioinformatiki in računski biokemiji, saj so rezultati, napovedane 3D strukture proteinov,
uporabni v biomedicinskih raziskavah (npr. pri načrtovanju zdravilnih učinkovin) ter v
biotehnologiji (npr. pri načrtovanju novih učinkovitejših encimov za industrijsko proizvodnjo).
Pristopi napovedovanja 3D struktur proteinov so pomembni tudi zato, ker obstaja precejšnja
vrzel med eksperimentalno določenimi strukturami in znanimi protenskimi primarnimi
zaporedji. Le okoli 1 % znanih primarnih zaporedij proteinov ima že eksperimentalno določeno
tudi tridimenzionalno strukturo.
Metode napovedovanja struktur proteinov so navkljub kompleksnim pristopom in
intenzivnemu razvoju področja še vedno precej omejene in trenutno nobena metoda ne
ponudi popolne rešitve in v vseh okoliščinah omogoča zanesljivo določitev 3D strukture tarčne
biomolekule. Prav tako obstajajo določeni razredi proteinov, na primer transmembranski
proteini, ki so pomembni pri mnogih bioloških procesih. Izpostavimo lahko družino receptorjev
sklopljenih z G-proteinom. Določitev 3D strukture teh pomembnih transmembranskih
proteinov je še vedno precejšen izziv.
V principu bi morala metoda napovedovanja 3D strukture raziskati celoten konformacijski
prostor vseh možnih struktur proteina in jih rangirati po energijski stabilnosti, da bi izbrala tisto
konformacijo, ki najbolje predstavlja strukturo. Ta naj bi predstavljala globalni minimum
obravnavanega sistema. Žal je konformacijski prostor izredno velik in ga tudi z najmodernejšimi
superračunalniki ne moremo raziskati niti za organske molekule ali manjše proteine. Dodaten
problem prestavlja tudi ustrezno računanje energije posamezne napovedane konformacije in
s tem učinkovito rangiranje. Pomembno vlogo pri določitvi končne biomolekule ima tudi topilo
in učinki solvatacije na končno konformacijo.
100
Velikokrat omejitve dostopnih eksperimentalnih metod proteinske kristalografije in NMR
spektroskopije ne omogočajo, da bi enostavno določili tridimenzionalno strukturo izbranega
proteina. Takrat se lahko poslužimo računskih in teoretičnih metod, s pomočjo katerih lahko s
poznavanjem primarne strukture (tj. zaporedja aminokislin) napovemo sekundarno in 3D
strukturo tarčnega proteina, kot to prikazuje Slika 1.
Slika 1. Osnovna ideja napovedovanja tridimenzionalnih struktur proteinov. Na osnovi
poznavanja primarnega zaporedja z različnimi teoretičnimi pristopi napovemo 3D strukturo
proteina.
Napovedovanje tridimenzionalne strukture proteinov je pomemben del raziskav v
bioinformatiki in računski biokemiji, saj so rezultati, napovedane 3D strukture proteinov,
uporabni v biomedicinskih raziskavah (npr. pri načrtovanju zdravilnih učinkovin) ter v
biotehnologiji (npr. pri načrtovanju novih učinkovitejših encimov za industrijsko proizvodnjo).
Pristopi napovedovanja 3D struktur proteinov so pomembni tudi zato, ker obstaja precejšnja
vrzel med eksperimentalno določenimi strukturami in znanimi protenskimi primarnimi
zaporedji. Le okoli 1 % znanih primarnih zaporedij proteinov ima že eksperimentalno določeno
tudi tridimenzionalno strukturo.
Metode napovedovanja struktur proteinov so navkljub kompleksnim pristopom in
intenzivnemu razvoju področja še vedno precej omejene in trenutno nobena metoda ne
ponudi popolne rešitve in v vseh okoliščinah omogoča zanesljivo določitev 3D strukture tarčne
biomolekule. Prav tako obstajajo določeni razredi proteinov, na primer transmembranski
proteini, ki so pomembni pri mnogih bioloških procesih. Izpostavimo lahko družino receptorjev
sklopljenih z G-proteinom. Določitev 3D strukture teh pomembnih transmembranskih
proteinov je še vedno precejšen izziv.
V principu bi morala metoda napovedovanja 3D strukture raziskati celoten konformacijski
prostor vseh možnih struktur proteina in jih rangirati po energijski stabilnosti, da bi izbrala tisto
konformacijo, ki najbolje predstavlja strukturo. Ta naj bi predstavljala globalni minimum
obravnavanega sistema. Žal je konformacijski prostor izredno velik in ga tudi z najmodernejšimi
superračunalniki ne moremo raziskati niti za organske molekule ali manjše proteine. Dodaten
problem prestavlja tudi ustrezno računanje energije posamezne napovedane konformacije in
s tem učinkovito rangiranje. Pomembno vlogo pri določitvi končne biomolekule ima tudi topilo
in učinki solvatacije na končno konformacijo.
100
