מדריך לשיטות חיזוי ומבנה של חלבון ותוכנה

כדי להפעיל את תפקידיהם הביולוגיים, חלבונים מתקפלים להתאמה ספציפית אחת או יותר, המוכתבת על ידי אינטראקציות מורכבות ובלתי הפיכות. קביעת מבנה חלבון יכולה להיות מושגת על ידי טכניקות גוזלות זמן ויקרות יחסית כמו קריסטלוגרפיה, ספקטרוסקופיה גרעינית-מגנטית גרעינית, ואינטרפרומטריה קיטוב כפול. תוכנה לביואינפורמטיקה פותחה כדי לחשב ולחזות מבני חלבון על בסיס רצפי חומצות האמינו שלהם.

סקירה כללית על מבנה החלבון

כחלופה לטכניקה ניסיונית, כלי ניתוח וחיזוי מבנים עוזרים לחזות את מבנה החלבון על פי רצפי חומצות האמינו שלהם. פתרון מבנה של חלבון נתון הוא חשוב ביותר ברפואה (למשל בתכנון תרופות) ובביוטכנולוגיה (למשל, בעיצוב אנזימים חדשים). תחום חיזוי החלבון החישובי מתפתח אפוא ללא הפסקה, בעקבות העלייה בכוח החישובי של מכונות ופיתוח אלגוריתמים חכמים.

יש ארבע רמות של מבנה חלבון (איור 1). בחיזוי מבנה חלבון, המבנה הראשוני משמש לחיזוי מבנים משניים ושלשוניים.

מבנים משניים של חלבונים מקופלים בתוך שרשרת הפוליפפטיד המייצבת על ידי קשרי מימן. מבני החלבון המשניים הנפוצים ביותר הם מסניפי אלפא וגיליונות בטא.

מבנה שלישוני הוא הצורה הסופית של החלבון ברגע שהמבנים המשניים השונים מתקפלים כולם למבנה תלת-ממדי. צורה סופית זו יוצרת ונמצאת יחד באמצעות אינטראקציה יונית, גשרי דיסולפיד וכוחות ואן דה וואלס.

ארבע רמות של מבנה חלבון. תמונה מ- Khanacademy.org.

שיטות ניבוי ותוכנה של מבנה חלבון

מספר רב של תוכנות לחיזוי מבנים מפותחות עבור תכונות ייעודיות לחלבון וייחודיות, כמו חיזוי הפרעות, חיזוי דינמיקה, חיזוי מבנים וכו '. גישות כוללות דוגמנות הומולוגיה, השחלת חלבונים, שיטות ab initio, חיזוי מבנה משני, סליל טרנסמברניום ו- חיזוי פפטיד אות.

בחירת השיטה הנכונה מתחילה תמיד בשימוש ברצף הראשוני של החלבון הלא ידוע ובחיפוש במאגר החלבונים אחר הומולוגים (איור 2).

תרשים קבלת החלטות לשיטת חיזוי מבנה חלבון.

להלן כמה שיטות מפורטות לחיזוי מבנה חלבון:

  • כלי חיזוי מבנה משני

כלים אלה חוזים מבנים משניים מקומיים המבוססים רק על רצף חומצות האמינו של החלבון. לאחר מכן משווים מבנים חזויים לציון ה- DSSP, המחושב על בסיס המבנה הקריסטלוגרפי של החלבון (יותר על ציון DSSP כאן).

שיטות חיזוי למבנה משני נשענות בעיקר על בסיסי נתונים של מבני חלבון ידועים ושיטות למידת מכונות מודרניות כמו רשתות עצביות ומכונות וקטוריות תומכות.

להלן כמה כלי נהדר לחיזוי מבנה משני.

  • מבנה שלישוני

כלי חיזוי מבנה שלישוני (או תלת מימדי) מתחלקים לשתי שיטות עיקריות: Ab initio, ומודלים של חלבון השוואתי.

שיטות ניבוי של מבנה חלבון של Ab initio (או de novo) מנסות לחזות מבנים שלישוניים מרצפים המבוססים על עקרונות כלליים השולטים באנרגטיקה מתקפלת חלבון ו / או נטיות סטטיסטיות של תכונות קונפורמציה שמבנים ילידים רוכשים, ללא שימוש בתבניות מפורשות.

כל המידע אודות המבנה השלשוני של חלבון מקודד במבנה הראשוני שלו (כלומר רצף חומצות האמינו שלו). עם זאת, ניתן לחזות מספר עצום מהם, ביניהם רק לאחד יש את האנרגיה החופשית המינימלית ויציבות הנדרשת לקיפול כראוי. חיזוי מבנה חלבון Ab initio מחייב אפוא כמות עצומה של כוח וחישוב זמן חישובי כדי לפתור את הקונפורמציה המקורית של חלבון, ונשאר אחד האתגרים המובילים במדע המודרני.

השרתים הפופולריים ביותר כוללים רובטה (באמצעות חבילת התוכנה Rosetta), SWISS-MODEL, PEPstr, QUARK. עיין ברשימה ממצה כאן.

אם חלבון בעל מבנה שלישוני ידוע חולק לפחות 30% מהרצף שלו עם הומולוג פוטנציאלי של מבנה בלתי מוגדר, ניתן להשתמש בשיטות השוואה המכסות את המבנה הלא ידוע המשוער עם הידוע כדי לחזות את המבנה הסביר של הלא נודע. דוגמנות הומולוגיה וחוטרי חלבון הן שתי אסטרטגיות עיקריות המשתמשות במידע קודם על חלבון דומה אחר כדי להציע חיזוי של חלבון לא ידוע, על סמך רצף זה.

תוכנות דוגמנות להומולוגיה והשרשת חלבון כוללות RaptorX, FoldX, HHpred, I-TASSER, ועוד.

הפניות

תחזית מבנה חלבון דה נובו. ויקיפדיה.

חיזוי מבנה חלבון. ויקיפדיה