Rosetta@home - Tajomstvo bielkovín

Bielkoviny, jeden zo štyroch základných bioelementov bunky, bielkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy a tuky. Bielkoviny plnia v organizme mnohoraké úlohy a to vďaka premyslenému systému kódovania, z ktorého vyplýva, že existuje množstvo bielkovín skladajúcich sa z 20 aminokyselín a odlišujúcich sa primárnou, sekundárnou, terciárnou a kvartérnou štruktúrou. To má za následok mnohoraké funkcie. Pochopeniu funkcii vyplývajúcich z štruktúry nám pomôže poodhaliť, okrem iného, príčiny a spôsoby liečby niektorých ochorení.

Úvodom do biochémie

Bielkoviny sú kódované tripletmi (kodónmi, sekvencia 3 nukleotidov) nachádzajúce sa na informačnej mRNA, ktorá vzniká v procese transkripcie z DNA. V procese translácie sa na ribozómoch syntetizuje bielkovina z α-aminokyselín (ďalej AK). Na informačnú mRNA sa komplementárne naviaže transportná tRNA s antikodónom (komplementárne zapadá do kodónu mRNA), nesúca určitú AK do polymerizačnej reakcie vznikajúceho proteínu. Deje sa to na ribozómoch pričom sa AK spájajú peptidovými väzbami. V princípe triplety determinujú konkrétne AK a tým stoja za vznikom genetického kódu. Na ňom zase stojí a padá genetika. Preto len malá zmena v triplete môže do bielkoviny zaradiť inú AK a tým spôsobiť ochorenie, napríklad kosáčikovitú anémiu.

Poradie AK v bielkovine tvorí primárnu štruktúru, ktorá z funkčného hľadiska determinuje ďalšie konformácie a tým aj konečný tvar, funkciu v bunke a jej celkovú stabilizáciu. Kým primárna štruktúra je postavená na pevných kovalentných väzbách, v ostatných zohrávajú dôležitú úlohu energeticky slabé interakcie ako vodíkové mostíky, Van der Waalsové a disulfidové väzby, hydrofóbne a hydrofilné interakcie. Tieto interakcie poskytujú hlavne postranné reťazce AK, tie sú nositeľmi určitých elektrochemických vlastností každej AK. Postranné reťazce môžu byť kyslé, bázické, alifatické, aromatické, obsahujúce –OH alebo –SH skupinu. Tieto postranné skupiny sú dôležité až pri terciárnej štruktúre, ktorú opíšem neskôr. Chrbticu bielkovín tvoria práve vodíkové mostíky a nie medzi postrannými reťazcami ale medzi karbonylovým kyslíkom a vodíkom aminoskupiny obsiahnutých v peptidovej väzbe.

Tá chrbtica je prvá dôležitá stabilizácia bielkoviny ako priestorové usporiadanie primárneho poradia AK do priestorovej štruktúry: α-helix, β-skladaný list a β-ohyb, tj. sekundárna štruktúra. Pri tomto usporiadaní postranné reťazce vytŕčajú do priestoru, kolmo na os helixu. Konkrétne, α-helix je pravotočivá špirála vznikajúca vodíkovým spojením karbonylovej skupiny jednej AK a aminovej skupiny s vodíkom predchádzajúcej štvrtej AK v jednej časti reťazca. Tieto mostíky sú rovnobežné s osou helixu. Ak sa v sekvencii nachádzajú AK prolín, glycín a tyronín nastáva porušenie helixu, tieto AK sa nedokážu zaradiť do závitnice. β-ohyb vzniká vodikovým mostíkom medzi karbonylovým uhlíkom jednej AK a amidovým vodíkom tretej AK. Je to vlastne otočenie bielkovinového reťazca o 180°. Dosiahnu sa tak dva paralelné časti reťazca, ktoré sa zase môžu navzájom spojiť medzi kyslíkom a vodíkom obdobne ako pri predchádzajúcich štruktúrach. Takto sa vytvára štruktúra β-skladaného listu. Tieto usporiadania výrazne stabilizujú bielkovinu, pretože vodíkové mostíky patria medzi najsilnejšie slabé interakcie. 

Pri vyššom stupni usporiadanosti hrajú dôležitú úlohu už spomínané postranné reťazce AK. Základný reťazec pozostávajúci z α a β štruktúr sa ďalej v priestore formuje a vytvára konečnú fibrilárnu (vláknitú) alebo globulárnu (klbkovitú) formu bielkoviny nazývaná ako terciárna štruktúra. Postranné reťazce sa vo vodnom prostredí na základe elektrochemických silových pôsobení interagujú s cieľom vytvoriť nízkoenergetickú a stabilnú formu. To znamená použitie čo najväčšieho množstva energie na denaturáciu, rozrušenie, bielkoviny. Pritom druhé výrazné zníženie vnútornej energie predstavuje natočenie hydrofóbnych častí proteínu "dovnútra" a hydrofilnych častí "vonku" do vodného prostredia. Posledná priestorová organizácia bielkoviny je, že sa jednotlivé reťazce môžu spájať ako podjednotky do zložitejších komplexov dvoch a viacerých proteínov, takzvanej kvartérnej štruktúry. Napríklad inzulín pozostáva z A-reťazca (21 AK) a B-reťazca (30 AK) alebo hemoglobín sa skladá z dvoch α a dvoch β podjednotiek.

Tieto popísané štruktúry determinujú určité funkčné vlastnosti bielkoviny na základe fyzikálnych a chemických vlastností priestorového usporiadania reťazca. Medzi fyzikálne patrí napríklad aj rozpustnosť. Fibrilárne bielkoviny sú vo vode nerozpustné a plnia najmä mechanickú funkciu, keratín (nechty, vlasy), kolagén (chrupavky, šľachy), fibrín (hemokoagulácia), aktín, myozín a tropomyozín (svaly). Globulárne bielkoviny sú vo vode rozpustné a preto sú aj dôležité pri energetickom metabolizme bunky ako enzýmy (70% objemu tela tvorí vodné prostredie). Iné funkcie proteínov: transportná (hemoglobín) stavebná a transportná (membránové bielkoviny) signálna (hormóny a receptory) obranná (globulíny) osmotická (albumíny), katalytická (enzýmy) funkcia, atď. Chemické vlastnosti určujú takzvané aktívne miesta (miesto) proteínu, vpodstate určuje spôsob interakcie s inými molekulami a iónmi. Toto miesto sa vyskytuje pri enzýmoch. Je to špecifické poradie AK, odhalené miesto ostatnými časťami bielkoviny aby bol možný prístup, napríklad, substrátu. Určité sekvencie AK môžu viazať ióny alebo nízkomolekulové látky (napr. vitamíny) ako kofaktory enzýmov alebo pre iný špecifický účel. Napríklad v hemoglobíne je naviazaný ión Fe²⁺, alebo relaxačná bielkovina torponín má aktívne miesto pre Ca²⁺ a následnou zmenou konformácie tropomyozínu umožní sťah svalu.

Medzi najdôležitejšie proteíny patria práve enzýmy. Majú úlohu takzvaných biokatalyzátorov. To znamená, že urýchľujú chemické reakcie v bunke, ktoré by za normálnych okolnosti buď neprebiehali vôbec alebo veľmi pomaly, pričom z reakcie vychádzajú v nezmenenej forme. Môžu pôsobiť pri katabolických procesoch (rozkladných, štiepenie polymérov a jednoduchých molekúl pri uvoľnení energie) alebo anabolicky (tvorba polymérov a jednoduchých molekúl za dodanie energie). Umožňujú normálny chod bunky od reparačných mechanizmov, tvorby bunečných štruktúr, až po uvoľňovanie energie pri metabolizme a rozklad štruktúr v bunke. Na ich správnom fungovaní závisí životaschopnosť bunky. Práve poznanie funkčných vlastností enzýmov a poznanie ich "pohybovej" aktivity, teda poznanie postupnosti chemických reakcii krok po kroku (reparácia DNA) nám uľahčí objavenie liekov na mnohé choroby. Umožní nám to vytvoriť liek na mieru. Musíme byť schopný určiť funkciu a spôsob fungovania na základe poznania poradia aminokyselín v reťazci.