| Περίληψη |
Σε αντίθεση με την οργάνωση της φυσικής δομής των πρωτεϊνών, που η γνωστή ιεραρχία με τα τριτοταγή (δομικές ενότητες) και δευτεροταγή στοιχεία (α-έλικες και β-πτυχωτά φύλλα) την κάνει απλή και κατανοητή, η γνώση που αφορά -πιθανές- σχέσεις της με την αμινοξική αλληλουχία είναι ελλειπής. Τέτοια γνώση αποκτά μεγαλύτερη αξία καθώς, την ίδια στιγμή που οι τεχνικές σε επίπεδο DNA παράγουν μαζικά αλληλουχίες, ο πειραματικός προσδιορισμός της φυσικής δομής μιας πρωτεΐνης παραμένει χρονοβόρος, ενώ η πρόβλεψή της, με ενεργειακούς υπολογισμούς στο ατομικό επίπεδο, είναι εξαιρετικά δυσχερής αν όχι αδύνατη. Άλλωστε η ειδικότητα των αλληλεπιδράσεων στην τελική δομή δεν καθορίζεται στο επίπεδο αυτό. Όμως στο τριτοταγές επίπεδο οι πρωτεΐνες οργανώνονται με βάση (λίγα) δομικά πρότυπα, που δεν αναφέρονται στις λεπτομέρειες κάθε πρωτεΐνης, αλλά περιγράφουν τρόπους, με τους οποίους τα δευτεροταγή στοιχεία μπορούν να διευθετηθούν σε θερμοδυναμικά σταθερές και λειτουργικά χρήσιμες διατάξεις. Τοπολογικά διακριτές θέσεις κλειδιά, που μπορούν να οριστούν στις διατάξεις αυτές, έχουν συγκεκριμένους περιορισμούς -κυρίως λόγω αλληλεπιδράσεων με θέσεις γειτονικές στο χώρο- και αναμένεται να είναι συμβατές με λίγους μόνο από τους αμινοξικούς τύπους. Καθώς οι πρωτεϊνικές οικογένειες, που ακολουθούν κάθε πρότυπο, δεν έχουν άλλη ομοιότητα εκτός από τη δομική, ένα σύνολο (πιθανών) προτιμήσεων τέτοιου είδους εκφράζει τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει μια αλληλουχία, ώστε να είναι συμβατή με το πρότυπο, και είναι ανεξάρτητο από την λειτουργία και εξελικτική προέλευση των οικογενειών. Σε μια προσπάθεια να διερευνηθούν τα παραπάνω, καταστρώθηκε μια σχετική ανάλυση για ένα απλό δομικό πρότυπο, το δεμάτι που αποτελείται από τέσσερις α-ελικες πακεταρισμένες αντι-παράλληλα, με αριστερή συστροφή, που η απλότητά του το έχει κάνει συνήθη πλατφόρμα σε πειράματα ανάλυσης και σχεδιασμού. Οι α-έλικες που το αποτελούν είναι αμφιπαθικές και μπορούν να περιγραφούν σαν μια επανάληψη επτά θέσεων (abcdefg)n, από τις οποίες οι a και d είναι υδρόφοβες, οι b, c και f εκτεθειμένες στο διαλύτη, και οι e και g στα όρια του υδρόφοβου πυρήνα με τον εξωτερικό χώρο. Αν και το δείγμα αποτελούταν από πρωτεϊνικές οικογένειες ποικίλης λειτουργίας και προέλευσης (εξελικτικά), τα αποτελέσματα ήσαν σαφή: δεν πρόκειται "απλά" για την αναμενόμενη κατανομή, με τα υδρόφοβα κατάλοιπα κρυμμένα στο εσωτερικό και τα υδρόφιλα έξω, αλλά για μια έντονη ανακατανομή στα πλαίσια αυτά. Μάλιστα, κάθε θέση καταλαμβάνεται σε ποσοστό μεγαλύτερο από 50% από όχι περισσότερους από πέντε αμινοξικούς τύπους, ενώ το 40% των θέσεων a και d από μόλις δύο: λευκίνη και αλανίνη. Ενώ όμως η κατανομή της αλανίνης είναι πιο ομοιόμορφη στις επτά θέσεις, εκείνη της λευκίνης -αντίθετα- είναι έντονα ανομοιόμορφη. Η αίσθηση της ανακατανομής εσωτερικά (στο πλαίσιο του δεματιού) ενισχύεται από το γεγονός, ότι η σύσταση του δεματιού σε αμινοξικούς τύπους δεν διαφέρει πολύ από εκείνη των πρωτεϊνών που αποτελούνται αποκλειστικά από α-έλικες· και πάντως διαφέρει πολύ λιγότερο, απ'ότι διαφέρει -αντίστοιχα- της κάθε θέσης χωριστά. Τα τμήματα, που συνδέουν τις α-έλικες μεταξύ τους, είναι συνήθως μικρά σε μήκος και άρα έχουν περιορισμένο ρεπερτόριο διαμορφώσεων: συνδετικά τμήματα που παρεμβάλλουν δύο ή τρία κατάλοιπα μεταξύ των α-ελίκων, προτιμούν (ή ίσως απαιτούν) συγκεκριμένες διαμορφώσεις, ανεξάρτητες από το αν στρέφουν την κύρια αλυσίδα δεξιά ή αριστερά σε σχέση με τον υδρόφοβο πυρήνα (κάτι που -όμως- οδηγεί σε κάποια πρότυπα αμινοξικών τύπων κατά μήκος τους). Από την άλλη, οι α-έλικες του δεματιού δείχνουν μια σαφή προτίμηση να ξεκινούν και να τελειώνουν σε συγκεκριμένες θέσεις a-g. Συγκεκριμένα, οι τέσσερις θέσεις που ακολουθούν το Ν-άκρο προτιμούν να είναι θέσεις a-b-c-d ή b-c-d-e, ενώ οι τελευταίες πριν το C-άκρο (αντίστοιχα) g-a-b-c ή a-b-c-d. Αυτές οι αντιστοιχίσεις διευκολύνουν την -τυχόν- σύνδεση των ελίκων με μικρού μήκους συνδετικά τμήματα, όμως και άκρα που συνδέονται με μακρύτερα συνδετικά τμήματα έχουν τις ίδιες προτιμήσεις. Μέσα από ένα ιδιαίτερο ταίριασμα, οι ίδιοι αμινοξικοί τύποι που είναι συμβατοί με αυτές τις αντιστοιχίες, ικανοποιούν και τις προτιμήσεις που -όπως είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία- έχουν οι ακραίες στροφές των ελίκων για συγκεκριμένους αμινοξικούς τύπους. Το σύνολο των παραπάνω δεδομένων (κατανομές ακτινικά και κατά μήκος των ελίκων, συμπεριφορά των συνδετικών τμημάτων) αποτελεί μέρος εξειδικευμένης γνώσης για το συγκεκριμένο πρότυπο. Γνώση του είδους μπορεί να διευκολύνει όλο το φάσμα των διαδικασιών σχεδιασμού σε πρωτεΐνες, από την αποτίμηση αποτελεσμάτων που έχουν μικρές εντοπισμένες αλλαγές, μέχρι το σχεδιασμό ενός ολόκληρου πρωτεϊνικού μορίου από το μηδέν. Προκειμένου να δειχτεί αυτό, περιγράφεται σε λεπτομέρεια ένα παράδειγμα, όπου χρησιμοποιείται το σύνολο των πινάκων των προηγουμένων κεφαλαίων. Με βάση τέτοια πληροφορία, δεν χρειάζεται να αναλωθούν ώρες λεπτομερούς εργασίας μπροστά από την οθόνη των γραφικών μόνο και μόνο για να οργανωθεί το γενικό πλαίσιο της δομής του μορίου· το τελευταίο σχεδιάζεται ταχύτατα, αφήνοντας για διευκρίνιση, σε επίπεδο αλληλεπίδρασης με τον άνθρωπο ή για συστηματικές συνδυαστικές προσεγγίσεις, μόνο μικρές λεπτομέρειες που δεν εμπίπτουν στο είδος της πληροφορίας των πινάκων. Η μελέτη ολοκληρώνεται με μια εκτενή διερεύνηση, γύρω από τη στατιστική σταθερότητα των συμπερασμάτων, το είδος των προβλέψεων δομής από αλληλουχία στο οποίο συνεισφέρουν και το σχήμα και τις συνθήκες κάτω από τις οποίες μπορεί να επιτευχθεί. Η διερεύνηση αυτή αποκαλύπτει την πραγματική φύση των αποτελεσμάτων, των οποίων η ελαστικότητα βρίσκει μια ιδιαίτερη ερμηνεία και από μια μοριακή εξελικτική σκοπιά.
|
Προδιαγράφοντας τη δομή μιας πρωτεΐνης στην αλληλουχία της(αποτελέσματα που προκύπτουν για ένα απλό δομικό πρότυπο)
