Panduan kaedah dan perisian ramalan struktur protein

Untuk menjalankan fungsi biologi mereka, protein dilipat menjadi satu atau lebih konformasi spesifik, yang ditentukan oleh interaksi bukan kovalen yang kompleks dan terbalik. Menentukan struktur protein dapat dicapai dengan teknik yang memakan masa dan agak mahal seperti kristalografi, spektroskopi resonans magnetik nuklear, dan interferometri polarisasi ganda. Perisian bioinformatik telah dikembangkan untuk mengira dan meramalkan struktur protein berdasarkan urutan asid amino mereka.

Ringkasan struktur protein

Sebagai alternatif kepada teknik eksperimen, analisis struktur dan alat ramalan membantu meramalkan struktur protein mengikut urutan asid amino mereka. Menyelesaikan struktur protein yang diberikan sangat penting dalam perubatan (contohnya, dalam reka bentuk ubat) dan bioteknologi (misalnya, dalam reka bentuk enzim baru). Bidang ramalan protein komputasi dengan demikian terus berkembang, berikutan peningkatan kekuatan komputer dan pengembangan algoritma pintar.

Terdapat empat tahap struktur protein (gambar 1). Dalam ramalan struktur protein, struktur primer digunakan untuk meramalkan struktur sekunder dan tersier.

Struktur protein sekunder dilipat di dalam rantai polipeptida yang distabilkan oleh ikatan hidrogen. Struktur protein sekunder yang paling biasa adalah heliks alfa dan helaian beta.

Struktur tersier adalah bentuk akhir protein apabila struktur sekunder yang berlainan semuanya dilipat menjadi struktur 3D. Bentuk akhir ini terbentuk dan disatukan melalui interaksi ionik, jambatan disulfida dan daya van de Waals.

Empat tahap struktur protein. Imej dari Khanacademy.org.

Kaedah dan perisian ramalan struktur protein

Sebilangan besar perisian ramalan struktur dikembangkan untuk ciri dan kekhususan protein khusus, seperti ramalan gangguan, ramalan dinamik, ramalan pemuliharaan struktur, dll. Pendekatan merangkumi pemodelan homologi, threading protein, kaedah ab initio, ramalan struktur sekunder, dan heliks transmembran dan ramalan peptida isyarat.

Memilih kaedah yang betul selalu bermula dengan menggunakan urutan utama protein yang tidak diketahui dan mencari pangkalan data protein untuk homolog (gambar 2).

Carta membuat keputusan untuk kaedah ramalan struktur protein.

Berikut adalah beberapa kaedah terperinci untuk ramalan struktur protein:

  • Alat ramalan struktur sekunder

Alat ini meramalkan struktur sekunder tempatan hanya berdasarkan urutan asid amino protein. Struktur yang diramalkan kemudian dibandingkan dengan skor DSSP, yang dikira berdasarkan struktur kristalografi protein (lebih banyak lagi pada skor DSSP di sini).

Kaedah ramalan untuk struktur sekunder terutamanya bergantung pada pangkalan data struktur protein yang diketahui dan kaedah pembelajaran mesin moden seperti jaring neural dan mesin vektor sokongan.

Berikut adalah beberapa alat yang bagus untuk ramalan struktur sekunder.

  • Struktur tersier

Alat ramalan struktur tersier (atau 3-D) merangkumi dua kaedah utama: Ab initio, dan pemodelan protein perbandingan.

Kaedah ramalan struktur protein Ab initio (atau de novo) berupaya meramalkan struktur tersier dari urutan berdasarkan prinsip umum yang mengatur energetik lipatan protein dan / atau kecenderungan statistik ciri konformasi yang diperoleh struktur asli, tanpa menggunakan templat eksplisit.

Semua maklumat mengenai struktur tersier protein dikodkan dalam struktur utamanya (iaitu urutan asid amino). Walau bagaimanapun, sejumlah besar jumlahnya dapat diramalkan, di antaranya hanya satu yang mempunyai tenaga dan kestabilan bebas minimum yang diperlukan untuk dilipat dengan betul. Oleh itu, ramalan struktur protein in inio memerlukan banyak kekuatan dan masa pengiraan untuk menyelesaikan penyesuaian protein asli, dan tetap menjadi salah satu cabaran utama bagi sains moden.

Pelayan yang paling popular termasuk Robetta (menggunakan pakej perisian Rosetta), SWISS-MODEL, PEPstr, QUARK. Lihat senarai lengkap di sini.

Sekiranya protein struktur tersier yang diketahui berkongsi sekurang-kurangnya 30% urutannya dengan potensi homolog struktur yang belum ditentukan, kaedah perbandingan yang menutup struktur dugaan tidak diketahui dengan yang diketahui dapat digunakan untuk meramalkan kemungkinan struktur yang tidak diketahui. Pemodelan homologi dan pemutaran protein adalah dua strategi utama yang menggunakan maklumat sebelumnya mengenai protein lain yang serupa untuk mengemukakan ramalan protein yang tidak diketahui, berdasarkan urutannya.

Perisian model homologi dan pemutaran protein merangkumi RaptorX, FoldX, HHpred, I-TASSER, dan banyak lagi.

Rujukan

Ramalan struktur protein de novo. Wikipedia.

Ramalan struktur protein. Wikipedia