Кіраўніцтва па метадах і праграмным забеспячэнні прагназавання структуры бялку

Каб ажыццявіць свае біялагічныя функцыі, вавёркі складаюцца ў адну або некалькі канкрэтных формаў, прадыктаваныя складанымі і зварачальнымі невалентнымі ўзаемадзеяннямі. Вызначэнне структуры бялку можа быць дасягнута працаёмкімі і адносна дарагімі метадамі, такімі як крышталаграфія, ядзерна-магнітна-рэзанансная спектраскапія і падвойная палярызацыйная інтэрфераметрыя. Праграмнае забеспячэнне для біяінфарматыкі было распрацавана для вылічэння і прагназавання бялковых структур на аснове іх паслядоўнасці амінакіслот.

Кароткае апісанне структуры бялку

Як альтэрнатыва эксперыментальнай тэхніцы, аналіз структуры і інструменты прагназавання дапамагаюць прагназаваць структуру бялку ў адпаведнасці з іх амінакіслотнай паслядоўнасцю. Рашэнне структуры дадзенага бялку вельмі важна ў медыцыне (напрыклад, у распрацоўцы лекаў) і біятэхналогіі (напрыклад, у распрацоўцы новых ферментаў). Такім чынам, поле вылічальнага прагназавання бялку развіваецца пастаянна пасля павелічэння вылічальнай магутнасці машын і распрацоўкі інтэлектуальных алгарытмаў.

Існуе чатыры ўзроўні структуры бялку (малюнак 1). У прагназаванні структуры бялку першасная структура выкарыстоўваецца для прагназавання другасных і троесных структур.

Другасныя структуры бялкоў лакалізуюцца, складваючыся ў поліпептыднай ланцугу, якая стабілізуецца вадароднымі сувязямі. Самыя распаўсюджаныя структуры другасных бялкоў - гэта альфа-спіралі і бэта-лісты.

Трэцяя структура - гэта канчатковая форма бялку, калі ўсе розныя другасныя структуры складаюцца ў 3D-структуру. Гэтая канчатковая форма фармуецца і трымаецца разам праз іённую ўзаемадзеянне, дысульфідныя масты і сілы Ван дэ Ваальса.

Чатыры ўзроўні структуры бялку. Выява з сайта Khanacademy.org.

Метады і праграмнае забеспячэнне прагназавання структуры бялку

Вялікая колькасць праграмнага забеспячэння для прагназавання структуры распрацавана для адмысловых функцый і асаблівасцей бялку, такіх як прагназаванне парушэнняў, прагназаванне дынамікі, прагназаванне захавання структуры і г.д. прагназаванне сігнальнага пептыда.

Выбар правільнага метаду заўсёды пачынаецца з выкарыстання асноўнай паслядоўнасці невядомага бялку і пошуку базы дадзеных бялку для гамолагаў (малюнак 2).

Схема прыняцця рашэнняў для метаду прагназавання структуры бялку.

Вось некалькі падрабязных метадаў прагназавання структуры бялку:

  • Інструменты прагназавання другаснай структуры

Гэтыя сродкі прадказваюць мясцовыя другасныя структуры, заснаваныя толькі на амінакіслотнай паслядоўнасці бялку. Прагназуемыя структуры потым параўноўваюць з балам DSSP, які разлічваецца на аснове крышталаграфічнай структуры бялку (больш падрабязна пра ацэнку DSSP тут).

Метады прагназавання для другаснай структуры ў асноўным абапіраюцца на базы вядомых бялковых структур і сучасныя метады машыннага навучання, такія як нейронныя сеткі і машыны падтрымкі вектару.

Вось некалькі выдатных інструментаў для прагназавання другаснай структуры.

  • Трэцяя структура

Інструменты прагназавання троеснай (або 3-D) структуры падпадаюць на два асноўныя метады: Ab initio і параўнальнае мадэляванне бялку.

Метады прагназавання бялковай структуры Ab initio (або de novo) спрабуюць прадказваць троесныя структуры з паслядоўнасцей на аснове агульных прынцыпаў, якія рэгулююць энергію згортвання бялку і / або статыстычныя тэндэнцыі канформацыйных асаблівасцей, якія набываюць уласныя структуры, без выкарыстання відавочных шаблонаў.

Уся інфармацыя пра троесную структуру бялку зашыфравана ў яго асноўнай структуры (то ёсць паслядоўнасці амінакіслот). Аднак велізарная колькасць з іх можна прадбачыць, сярод якіх толькі адзін мае мінімальную свабодную энергію і стабільнасць, неабходную для правільнага складання. Такім чынам, прагназаванне структуры бялку Ab initio патрабуе велізарнай колькасці вылічальнай магутнасці і часу для вырашэння ўласнай канфармацыі бялку і застаецца адной з галоўных задач сучаснай навукі.

Найбольш папулярныя серверы ўключаюць Robetta (з выкарыстаннем праграмнага пакета Rosetta), SWISS-MODEL, PEPstr, QUARK. Праглядзіце тут вычарпальны спіс.

Калі бялок вядомай троеснай структуры падзяляе па меншай меры 30% сваёй паслядоўнасці з патэнцыйным гамолагам нявызначанай структуры, параўнальныя метады, якія перакрываюць магчымую невядомую структуру, могуць быць выкарыстаны для прагназавання верагоднай структуры невядомасці. Гомалагічнае мадэляванне і ўвядзенне бялку - дзве асноўныя стратэгіі, якія выкарыстоўваюць папярэднюю інфармацыю пра іншы аналагічны бялок, каб прапанаваць прадказанне невядомага бялку на аснове яго паслядоўнасці.

Праграмнае забеспячэнне для мадэлявання гамалогіі і ўвядзення бялку ўключае RaptorX, FoldX, HHpred, I-TASSER і многае іншае.

Літаратура

Прагназаванне структуры бялку De novo. Вікіпедыя.

Прагназаванне структуры бялку. Вікіпедыя