Pateicoties matemātikai, proteīnu formas mērīšana kļuva vienkāršāka

Olbaltumvielu struktūra Olbaltumvielu serdeņu analīzes atklāj būtiskas atšķirības starp šķīdumu un kristālu struktūrām

Olbaltumvielas ir dzīvības pamatelementi. Tās ir garas aminoskābju ķēdes, kas pašas saliekas ārkārtīgi sarežģītās molekulārās mašīnās. Šīs mašīnas cita starpā ietver skaitļošanas ierīces, ko sauc par ribosomām, sastatņu skeletus, ko sauc par mikrotubuliem, un kājām līdzīgas staigāšanas iekārtas, ko sauc par kinesīnu.

Šis pašmontāžas process ir viens no lielākajiem mūsdienu zinātnes brīnumiem — gandrīz tā, it kā Lego kluču ķēde pēkšņi saliktu robotā. Neviens nav īsti pārliecināts, kā tas notiek, taču zinātnieki zina, ka iegūtās struktūras forma nosaka proteīna darbību un to, kā tā mijiedarbojas ar citiem proteīniem.

Tāpēc olbaltumvielu formas mērīšana ir izšķirošs uzdevums. Visizplatītākā metode ir veidot kristālus no olbaltumvielām un pēc tam izmantot rentgena kristalogrāfiju, lai noteiktu proteīna struktūru.

Tā ir problēma, jo lielākā daļa olbaltumvielu neveido kristālus. Un pat tad, ja tas notiek, proteīna molekulas var nebūt vienādas formas, kad tās tiek iepakotas, tādējādi radot neprecizitātes.

Cits paņēmiens, ko sauc par kodolmagnētisko rezonansi, rada proteīnu attēlus šķīdumā, bet prasa, lai tie būtu cieši iesaiņoti saišķos. Atkal, tikai daži proteīni var to izdarīt.

Tomēr ar abām metodēm var attēlot nelielu olbaltumvielu daļu. Tas ir ērti, jo tas ļauj molekulārajiem biologiem salīdzināt katras tehnikas radītās struktūras.

Un izrādās, ka ar katru tehniku ​​atrastās struktūras būtiski atšķiras. Taču nav skaidrs, kas tieši izraisa atšķirības un kā tās interpretēt.

Šodien tas vismaz daļēji mainās, pateicoties Zhe Mei un kolēģu darbam Jēlas universitātē Ņūheivenā. Šī komanda ir izmērījusi atšķirības proteīna struktūrā, kas noteikta ar rentgena kristalogrāfiju un KMR. Viņi ir noskaidrojuši, kāpēc rodas atšķirība un kā to labot.

Komanda sāka, apkopojot proteīnu datu bāzi ar struktūrām, kas noteiktas ar abām metodēm augstā izšķirtspējā. Tas izrādās salīdzinoši neliels saraksts — tikai 16 proteīni atbilst rēķinam.

Pētnieki arī izveidoja datu bāzi par rentgena kristalogrāfijas proteīnu struktūrām, kuras dažādās temperatūrās nosaka vairākas dažādas grupas. Tas ļāva komandai izpētīt, kā temperatūra ietekmē struktūru.

Pēc tam viņi izveidoja matemātisko modeli, kā olbaltumvielas tiek iesaiņotas kopā, veidojot cietus kristālus vai saišķus KMR šķīdumā.

Izrādās, ka iepakojuma blīvums var precīzi izskaidrot abu metožu struktūras atšķirību, jo šķīdumā esošajiem saišķiem ir lielāks blīvums nekā kristāliem. Mēs identificējam šo atšķirību fizisko pamatu, modelējot olbaltumvielu serdeņus kā iestrēgušus aminoskābes formas daļiņu iepakojumus, saka pētnieki.

Viņi var arī precīzi noregulēt savu matemātisko modeli, mainot siltumenerģiju, kas tiek izmantota iepakojumu ģenerēšanai. Patiešām, olbaltumvielu iepakojumam, ko neietekmē temperatūra, ir aptuveni tāds pats blīvums kā struktūrām, kas noteiktas ar rentgena kristalogrāfiju.

Tas liek domāt, ka temperatūrai ir svarīga loma olbaltumvielu iesaiņojuma struktūrā, jo KMR noteiktās struktūras ir blīvākas. Šie rezultāti liecina, ka termiskās sistēmas var iepakot blīvāk nekā atermālās sistēmas, kas liecina par fizisko pamatu strukturālajām atšķirībām starp proteīnu struktūrām, kas atrisinātas ar KMR un rentgenstaru kristalogrāfiju, saka Mei un co.

Tomēr temperatūra nav viss stāsts. Olbaltumvielas kristāla struktūrās ir spiestas iegūt noteiktu formu, un tas samazina termisko kropļojumu apjomu, ko molekula var izjust.

Tātad Mei un co rezultāts rada interesantu jautājumu: cik lielā mērā proteīna struktūra ir temperatūras vai kristāla iesaiņojuma rezultāts?

Ar to būs jāgaida turpmākais darbs.

Atsauce: arxiv.org/abs/1907.08233 : Olbaltumvielu serdeņu analīzes atklāj būtiskas atšķirības starp šķīdumu un kristālu struktūrām

paslēpties