👨🏼‍🎤 👩🏽‍🏭 🏨 तो यह सब क्या है, "प्रोटीन फोल्डिंग"? 🚵🏾 🏅 🏔️

वर्तमान COVID-19 महामारी में, कई समस्याएं थीं जो हैकर्स ने ख़ुशी से हमला किया। एक 3 डी प्रिंटर और होम-मेड मेडिकल मास्क पर मुद्रित फेसप्लेट से एक पूर्ण यांत्रिक वेंटीलेटर के प्रतिस्थापन तक, विचारों की इस धारा ने आत्मा को प्रेरित और प्रसन्न किया। उसी समय, एक और क्षेत्र में आगे बढ़ने का प्रयास किया गया था: स्वयं वायरस का मुकाबला करने के उद्देश्य से अध्ययन में।

जाहिर है, समस्या के बहुत स्रोत तक पहुंचने की कोशिश करने की क्षमता में वर्तमान महामारी को रोकने और बाद के सभी लोगों से आगे निकलने की सबसे बड़ी क्षमता है। "अपने शत्रु को पहचानो" की श्रेणी से यह दृष्टिकोण कंप्यूटिंग प्रोजेक्ट फोल्डिंग @ होम को दर्शाता है। परियोजना में पंजीकृत लाखों लोग और अपने प्रोसेसर और जीपीयू की कंप्यूटिंग शक्ति का हिस्सा दान करते हैं, इस प्रकार यह इतिहास में सबसे बड़ा [वितरित] सुपर कंप्यूटर बनाता है।

लेकिन क्या वास्तव में इन सभी exaflops के लिए उपयोग किया जाता है? प्रोटीन के तह [स्टैकिंग] पर ऐसी कम्प्यूटेशनल शक्ति फेंकना क्यों आवश्यक है ? यहां जैव रसायन क्या काम करता है, प्रोटीन को ढेर करने की आवश्यकता क्यों है? यहां प्रोटीन फोल्डिंग का त्वरित अवलोकन है: यह क्या है, यह कैसे होता है, और इसका महत्व क्या है।

सबसे पहले, सबसे महत्वपूर्ण बात: आपको प्रोटीन की आवश्यकता क्यों है?

प्रोटीन महत्वपूर्ण संरचनाएं हैं। वे न केवल कोशिकाओं के लिए निर्माण सामग्री प्रदान करते हैं, बल्कि लगभग सभी जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए एंजाइम-उत्प्रेरक के रूप में भी काम करते हैं। प्रोटीन, चाहे संरचनात्मक या एंजाइमेटिक , एक विशिष्ट अनुक्रम में व्यवस्थित अमीनो एसिड की लंबी श्रृंखलाएं हैं । प्रोटीन के कार्य इस बात से निर्धारित होते हैं कि अमीनो एसिड प्रोटीन के कुछ स्थानों पर क्या स्थित हैं। यदि, उदाहरण के लिए, एक प्रोटीन को एक सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए अणु को बांधने की जरूरत है, तो जंक्शन को नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए अमीनो एसिड से भरा होना चाहिए।

यह समझने के लिए कि प्रोटीन को कैसे संरचना मिलती है जो उनके कार्य को निर्धारित करती है, आपको आणविक जीव विज्ञान की मूल बातें और सेल में सूचना प्रवाह पर जाने की आवश्यकता है।

प्रोटीन उत्पादन या अभिव्यक्ति प्रतिलेखन प्रक्रिया के साथ शुरू होता है । प्रतिलेखन के दौरान, डीएनए के दोहरे हेलिक्स, जिसमें कोशिका की आनुवंशिक जानकारी होती है, आंशिक रूप से अनइंड्स होती है, जिससे डीएनए के नाइट्रोजन आधारों को आरएनए पोलीमरेज़ नामक एंजाइम तक पहुंच मिलती है । RNA पोलीमरेज़ का कार्य जीन की RNA प्रति या प्रतिलेखन बनाना है। मैट्रिक्स आरएनए (एमआरएनए) नामक एक जीन की यह प्रतिलिपि एक एकल अणु है, जो इंट्रासेल्युलर प्रोटीन कारखानों, राइबोसोम का प्रबंधन करने या प्रोटीन का अनुवाद करने के लिए आदर्श है।

राइबोसोम विधानसभा उपकरणों की तरह व्यवहार करते हैं - वे एमआरएनए टेम्पलेट को कैप्चर करते हैं और इसे आरएनए के अन्य छोटे टुकड़ों में मैप करते हैं, आरएनए (टीआरएनए) परिवहन करते हैं । प्रत्येक tRNA के दो सक्रिय क्षेत्र होते हैं - एक तीन-आधार खंड जिसे एक एंटिकोडॉन कहा जाता है , जिसे संबंधित mRNA कोडों के साथ मेल खाना चाहिए, और उस कोडन के लिए विशिष्ट अमीनो एसिड के बंधन के लिए एक साइट । अनुवाद के दौरान, राइबोसोम में टीआरएनए अणु अनियंत्रित रूप से एमआरएनए का उपयोग करके बांधने की कोशिश करते हैं। यदि सफल होता है, तो tRNA अणु अपने एमिनो एसिड को पिछले एक में जोड़ता है, एमिनो एसिड द्वारा एन्कोडेड एमिनो एसिड श्रृंखला में अगला लिंक बनाता है।

अमीनो एसिड का यह क्रम प्रोटीन के संरचनात्मक पदानुक्रम का पहला स्तर है, और इसलिए इसे कहा जाता हैप्राथमिक संरचना । प्रोटीन और इसके कार्यों की पूरी त्रि-आयामी संरचना सीधे प्राथमिक संरचना से निकलती है, और अमीनो एसिड के प्रत्येक के विभिन्न गुणों और एक दूसरे के साथ उनकी बातचीत पर निर्भर करती है। क्या यह इन रासायनिक गुणों और अमीनो एसिड के इंटरैक्शन के लिए नहीं थे, पॉलीपेप्टाइड्स त्रि-आयामी संरचना के बिना रैखिक अनुक्रम बने रहेंगे। यह हर बार पकाते समय देखा जा सकता है - इस प्रक्रिया में, प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना थर्मली रूप से बदनाम होती है ।

प्रोटीन के कुछ हिस्सों की लंबी दूरी के बंधन

तीन-आयामी संरचना का अगला स्तर, जो प्राथमिक से परे जाता है, को द्वितीयक संरचना का सरल नाम दिया गया था । इसमें अपेक्षाकृत करीबी कार्रवाई के अमीनो एसिड के बीच हाइड्रोजन बांड शामिल हैं। इन स्थिर इंटरैक्शन का मुख्य बिंदु दो चीजों के लिए नीचे आता है: एक अल्फा हेलिक्स और एक बीटा शीट । अल्फा हेलिक्स पॉलीपेप्टाइड के एक कसकर मुड़ भाग बनाता है, और बीटा शीट एक चिकनी और चौड़ा क्षेत्र बनाता है। दोनों संरचनाओं में उनके घटक अमीनो एसिड की विशेषताओं के आधार पर संरचनात्मक और कार्यात्मक दोनों गुण हैं। उदाहरण के लिए, यदि अल्फा हेलिक्स मुख्य रूप से हाइड्रोफिलिक एमिनो एसिड से बना होता है, जैसे आर्गिनिन या लाइसिन , तो यह जलीय प्रतिक्रियाओं में भाग लेने की संभावना है।

अल्फा सर्पिल और प्रोटीन में बीटा शीट। हाइड्रोजन बंध प्रोटीन अभिव्यक्ति के दौरान बनते हैं।

ये दो संरचनाएं और उनके संयोजन प्रोटीन संरचना का अगला स्तर बनाते हैं - तृतीयक संरचना । एक माध्यमिक संरचना के सरल टुकड़ों के विपरीत, तृतीयक संरचना मुख्य रूप से हाइड्रोफोबिसिटी से प्रभावित होती है। अधिकांश प्रोटीनों के केंद्रों में अत्यधिक हाइड्रोफोबिक अमीनो एसिड होते हैं जैसे कि ऐलेनिन या मेथिओनिन, और पानी को कट्टरपंथी की "चिकना" प्रकृति के कारण वहां से बाहर रखा गया है। ये संरचनाएं अक्सर डबल लिपिड झिल्ली के आसपास के कोशिकाओं में एम्बेडेड ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटीन में दिखाई देती हैं। प्रोटीन के हाइड्रोफोबिक अनुभाग झिल्ली के फैटी हिस्से के अंदर थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर रहते हैं, और प्रोटीन के हाइड्रोफिलिक अनुभाग दोनों पक्षों से जलीय वातावरण के संपर्क में होते हैं।

तृतीयक संरचनाओं की स्थिरता भी एमिनो एसिड के बीच लंबी दूरी के बांड द्वारा प्रदान की जाती है। एक डाइसल्फ़ाइड पुल ऐसे बॉन्ड्स के क्लासिक उदाहरण के रूप में कार्य करता है।अक्सर दो सिस्टीन रेडिकल के बीच उत्पन्न होती हैं। यदि हेयरड्रेसर में कुछ क्लाइंट के स्थायी बाल कर्लिंग प्रक्रिया के दौरान आप सड़े हुए अंडे की तरह गंध करते हैं, तो यह बालों में निहित केरातिन की तृतीयक संरचना का आंशिक विकृतीकरण था, सल्फर युक्त थैली मिश्रण का उपयोग करते हुए डिस्साइड बॉन्ड की कमी से गुजर रहा था ।

तृतीयक संरचना को हाइड्रोफोबिसिटी या डाइसल्फ़ाइड बॉन्ड्स जैसे लंबी दूरी की बातचीत द्वारा स्थिर किया जाता है। एक ही पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला में सिस्टीन रेडिकल के बीच या अलग-अलग अलग-अलग श्रृंखलाओं से सिस्टीन के बीच

डाइसल्फ़ाइड बांड हो सकते हैं । विभिन्न श्रृंखलाओं के बीच सहभागिता एक चतुर्भुज बनाती हैप्रोटीन संरचना का स्तर। चतुर्धातुक संरचना का एक शानदार उदाहरण आपके रक्त में हीमोग्लोबिन है। प्रत्येक हीमोग्लोबिन अणु में चार समान ग्लोबिन होते हैं, एक प्रोटीन के कुछ हिस्से, जिनमें से प्रत्येक को पॉलीपेप्टाइड के अंदर एक निश्चित स्थिति में डाइसल्फ़ाइड पुलों द्वारा आयोजित किया जाता है, और एक हीम अणु से युक्त होता है। सभी चार ग्लोबिन्स इंटरमॉलिक्युलर डाइसल्फ़ाइड पुलों द्वारा जुड़े हुए हैं, और पूरा अणु एक साथ कई वायु अणुओं को पूरी तरह से बांधता है, चार तक, और उन्हें आवश्यक रूप से जारी करने में सक्षम है।

बीमारी के लिए एक इलाज की तलाश में मॉडलिंग संरचनाएं

पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएं अनुवाद के दौरान अंतिम रूप में फिट होने लगती हैं, जब बढ़ती श्रृंखला राइबोसोम छोड़ देती है - लगभग एक मिश्र धातु से तार का एक टुकड़ा जो स्मृति प्रभाव के साथ गर्म होने पर जटिल रूप ले सकता है। हालांकि, हमेशा की तरह जीव विज्ञान में, सब कुछ इतना सरल नहीं है।

कई कोशिकाओं में, ट्रांसलेट किए गए जीन अनुवाद से पहले गंभीर संपादन से गुजरते हैं, जीन के शुद्ध अनुक्रम की तुलना में प्रोटीन की बुनियादी संरचना को महत्वपूर्ण रूप से बदलते हैं। इसी समय, अनुवाद तंत्र को अक्सर आणविक के साथ प्रोटीन के उपयोग द्वारा सूचीबद्ध किया जाता है, जो अस्थायी रूप से नवजात पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला से बंधे होते हैं और इसे किसी भी मध्यवर्ती रूप को लेने की अनुमति नहीं देते हैं, जिससे वे तब अंतिम एक तक आगे बढ़ने में असमर्थ होंगे।

यह सब इसलिए है क्योंकि प्रोटीन के अंतिम रूप की भविष्यवाणी करना कोई तुच्छ कार्य नहीं है। दशकों तक, प्रोटीन की संरचना का अध्ययन करने का एकमात्र तरीका एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी जैसे भौतिक तरीकों के साथ था। केवल 1960 के दशक के उत्तरार्ध में, बायोफिजिकल केमिस्ट्स ने प्रोटीन तह के कम्प्यूटेशनल मॉडल का निर्माण करना शुरू कर दिया, जो मुख्य रूप से माध्यमिक संरचना के मॉडलिंग पर केंद्रित था। इन विधियों और उनके वंशजों को प्राथमिक संरचना के अलावा इनपुट डेटा की बड़ी मात्रा की आवश्यकता होती है - उदाहरण के लिए, अमीनो एसिड बांड एंगल टेबल, हाइड्रोफोबिसिटी सूची, चार्ज किए गए राज्य और यहां तक कि संरचना संरक्षण और विकासवादी समय अंतराल पर कार्य - और यह अनुमान लगाने के लिए कि यह कैसे होगा। अंतिम प्रोटीन देखें।

माध्यमिक संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए आज के कम्प्यूटेशनल तरीके, विशेष रूप से, फोल्डिंग @ होम नेटवर्क में, लगभग 80% सटीकता के साथ काम करते हैं - जो कार्य की जटिलता को देखते हुए, बहुत अच्छा है। वायरस के एक भौतिक अध्ययन के डेटा के साथ SARS-CoV-2 स्पाइक प्रोटीन जैसे प्रोटीन के लिए अनुमानित मॉडल द्वारा प्राप्त डेटा की तुलना की जाएगी। नतीजतन, प्रोटीन की सटीक संरचना प्राप्त करना संभव होगा और, संभवतः, यह समझने के लिए कि वायरस श्वसन तंत्र के एंजियोटेंसिन-परिवर्तित एंजाइम 2 के रिसेप्टर्स से कैसे जुड़ता है जो शरीर में अग्रणी होता है। यदि हम इस संरचना को समझ सकते हैं, तो हम संभवतः ऐसी दवाओं को खोजने में सक्षम होंगे जो बंधन को रोकती हैं और संक्रमण को रोकती हैं।

इतने सारे रोगों और संक्रमणों के बारे में हमारी समझ में प्रोटीन फोल्डिंग पर शोध किया गया है कि जब हम यह पता लगाते हैं कि COVID-19 को कैसे हराया जाए, तो हम जिस विस्फोटक वृद्धि का हाल ही में अवलोकन कर रहे हैं, वह फोल्डिंग @ होम नेटवर्क की मदद से, यह नेटवर्क लंबे समय तक निष्क्रिय नहीं रहेगा। काम। यह एक शोध उपकरण है जो प्रोटीन मॉडल का अध्ययन करने के लिए उत्कृष्ट है जो अनुचित प्रोटीन तह के साथ जुड़े दर्जनों रोगों को रेखांकित करता है - उदाहरण के लिए, अल्जाइमर रोग या क्रियुट्ज़फेल्ट-जकोब रोग का एक संस्करण, जिसे अक्सर गलत तरीके से पागल रोग कहा जाता है। और जब एक और वायरस अनिवार्य रूप से प्रकट होता है, तो हम इसके साथ फिर से लड़ाई शुरू करने के लिए तैयार होंगे।

तो यह सब क्या है, "प्रोटीन फोल्डिंग"?

सबसे पहले, सबसे महत्वपूर्ण बात: आपको प्रोटीन की आवश्यकता क्यों है?

प्रोटीन के कुछ हिस्सों की लंबी दूरी के बंधन

बीमारी के लिए एक इलाज की तलाश में मॉडलिंग संरचनाएं

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