Oqsillarning strukturasi va xususiyatlarini in silico sharoitida o‘rganish

Oqsillarning strukturasi va xususiyatlarini in silico sharoitida o‘rganish.
Оқсил структурасини олдиндан айтиш ва ўрганиш бўйича замонавий ёндашувлар. Рамачандра хариталари. Барқарорлик ва оқсиллар фолдинги. Гидрофоблик профилининг таҳлили. Структуравий текисланишлар. Оқсил структураларини моделлаштириш ва олдиндан айтиш. Геномларда оқсил структураларини аниқлаш. Эволюцияда оқсил функциясининг дивергенцияси.
Proteomikaning asosiy tushunchalari
Proteomika yaqin yillarda paydo bo‘lgan yosh fanlardan biri hisoblanadi. XX asrning ikkinchi yarmida biokimyo, molekulyar biologiya va xisoblash texnikasi jadal sur'atlar bilan rivojlandi. Shunga bog‘liq ravishda DNK taxlili bilan bog‘liq fanlar ham rivojlangan, aynan mana shu davrda 2 ta yangi biologiya fanlari vujudga keldi: 1987 yilda ilmiy nashrda “genomika” atamasi ilk bor qo‘llanilgan bo‘lsa, 1993 yilda esa “bioinformatika” atamasi paydo bo‘lgan.
Xar bir biologik turda genomning bir qismi aminokislotalar ketma –ketligini kodlovchi gen soxalaridan iborat bo‘ladi. Bir qarashda, butun genom va genetik kod haqida bilimga ega bo‘lib, translyasiya yo‘li bilan oqsil strukturasi xaqida barcha ma'lumotlarga ega bo‘lsa bo‘ladi. Ammo barchasi u qadar oddiy emas. Organizmning hujayra tizmlari tadqiq etilganda mRNK to‘plami bilan oqsillar o‘rtasida korrelyasiyaning yo‘qligi ma'lum bo‘lgan. Bundan tashqari nukleotid ketma –ketligiga mos ravishda ribasomalarda sintezlangan ko‘plab oqsillar sintezdan so‘ng ko‘plab kimyoviy modifikasiyalarga duchor bo‘ladi va organizmda ham o‘zgargan ham o‘zgarmagan holatda mavjud bo‘lishi mumkin. Oqsillar turli fazoviy strukturalarga ega bo‘lib, nuklein kislota yoki aminokislota ketma –ketligi yordamida bu jararayonni aniqlashning iloji yo‘q. Shuning uchun, barcha funksional oqsillarni to‘g‘ridan to‘g‘ri ajratib olib ularning strukturasini aniqlash hozirgi kunda ham dolzarb vazifalardan hisoblanadi (hozirda insondagi oqsillarning tahminan 10% to‘liq o‘rganilgan). Shu tariqa genomikaga qo‘shimcha ravishda “proteomika” atamasi paydo bo‘lgan. Ilmiy nashrda proteomika atamasi 1995 yildan boshlab paydo bo‘la boshlagan.
Organizmning hayot faoliyatida oligopeptid yoki shunchaki peptidlar deb nomlanuvchi kichik molekulali oqsil tabiatiga ega bo‘lgan fermentlar muxim o‘rin egallaydi. So‘ngi paytlarda proteome va proteomika terminlari bilan bir qatorda “peptidomika” atamasi ham paydo bo‘lmoqda.
Demak, yangi paydo bo‘lgan fanlarning o‘zoro bog‘liqligini quyidagicha ko‘rish mumkin.

Uchta yangi bioligik fanni o‘zoro bog‘liqligi.
Genomika va bioinformatika xaqida yuqorida to‘xtalib o‘tgan edik. Proteomika –oqsillar va ularning tirik organizmdagi o‘zoro ta'sirini o‘rganuvchi fan hisoblanadi (proteom -organizmdagi barcha oqsillarning yig‘indisi) . Proteomika quyidagi bo‘limlarga bo‘lib o‘rganiladi: strukturaviy proteomika, funksional proteomika va amaliy proteomika.
Strukturaviy proteomika. Turlarning xilma-hilligi biologiyaning o‘ziga xos tomonlaridan biri xisoblanadi. U biologiyaning barcha tuzilmalarida ham ko‘zga tashlanadi (biologik turlar, morfologiya, molekulalarning kimyoviy strukturasi, boshqaruv jarayonlar tarmog‘i va h.k.). Bu tushunchani oqsillarga nisbatan to‘liq qo‘llasa bo‘ladi. Ularning tuzilishi qay darajada turli bo‘lishi xozirgi kungacha to‘liq o‘rganilmagan. Bitta oqsil molekulasidagi aminokislotalar soni 2 tadan bir necha o‘n minggacha bo‘lishi mumkin. Proteom haqida ma'lumotga ega bo‘lish uchun avval ularni ajratib, boshqa moddalardan tozalab olish kerak. Butun organizmdagi oqsillar soni katta bo‘lgani uchun odatda organizmning ma'lum qismi (organ yoki to‘qima) olinadi va turli usullar bilan oqsil komponenti ajratib olinadi. 200 yillik tarix mobaynida oqsillarni ajratishning turli tuman usullari ishlab chiqilgan –oddiy tuz yordamida cho‘ktirishdan tortib, bu moddalarning fizik –kimyoviy xususiyatlarni inobatga oluvchi zamonaviy usullargacha. Individual oqsilning toza fraksiyasi ajratib olinganidan keyin ularning kimyoviy strukturasi o‘rganiladi.
Strukturaviy proteomikada bir yo‘la bir nechta strukturalar aniqlanadi. Bu ishni amalga oshirish uchun maxsus jarayonlar sikli va unga mos qurilmalar ishlab chiqilgan (Proteomik tajribalar uchun qurilmalarning to‘liq yig‘ilmasi taxminan bir million dollarni tashkil etadi).
Proteomika instrumentlari namuna tayyorlashdan tortib strukturani aniqlashgacha bo‘lgan laboratoriya siklini o‘z ichiga oladi. Ajratib, tozalangandan keyin ikki o‘lchamli elektroforez yordamida oqsillar ajratiladi. Bunda ajralish ikki yo‘nalishda amalga oshadi: birinchisida turli molekulyar og‘irlikka ega bo‘lgan oqsillar ajratilsa, boshqasida –elektr zaryadiga qarab ajraladi. Natijada maxsus tashuvchida bir xil guruxga kiruvchi molekulalar jamlanadi va mikroskopik dog‘lar vujudga keladi, bunda har bir dog‘da faqat bir xil molekulalar bo‘ladi. Dog‘larning soni bir necha mingni tashkil etishi mumkin, ularni tadqiq etish uchun avtomatik qurilmalardan foydalaniladi. So‘ngra dog‘lar tanlab olinib, ularda joylashgan moddalar murakkab fizik qurilma –mass-spektrometrga joylashtirib, uni yordamida har bir oqsilning birlamchi strukturasi aniqlanadi.
Oqsilning birlamchi strukturasini genomika va bioinformatika usullarini qo‘llagan xolda ham aniqlash mumkin. Zardob albuminining to‘liq gen ketma –ketligi 610 ta aminokislota qoldig‘ini kodlovchi 1830 azot asoslaridan tashkil topgan. Ushbu gen barcha qolgan genlar singari ATG kodonidan boshlanadi. Bu kodon metioninni sintezlaydi va birorta stop-kodon bilan yakunlanadi, yuqoridagi xolatda TAA. Shu tariqa 609 ta qoldiqdan iborat struktura kodlanadi. Ammo bu strukturani to‘liq albumin molekulasi deb bo‘lmaydi. Undagi boshlang‘ich 24 aminokislota qoldig‘i signal peptidlari deb yuritilib, molekulaning yadrodan sitoplazmaga chiqishida uzilib tushadi, shundan keyin albumin strukturasi shakllanadi. Natijada mazkur molekula 385 aminokislota qoldig‘idan iborat bo‘lib qoladi.
I
nsondagi zardob albuminining fazoviy (uchlamchi) strukturasi

Ammo aminokislota ketma –ketligi fazoviy struktura xaqida ma'lumot bermaydi. Termodinamika nuqtai nazaridan, cho‘zilgan chiziqli struktura maqsadga muvofiq emas va ular har bir ketma –ketlik uchuk spesifik bo‘lgan tarzda o‘ziga xos fazoviy strukturani hosil qiladi, uni ikki xil fizik usul yordamida aniqlasa bo‘ladi – rengenostruktur taxlil va yadro magnit rezonansi usuli (YaMR-spekroskopiya). Rengenostruktur analiz usuli yordamida bir necha ming oqsillarning strukturasi aniqlangan, jumladan zardob albumini ham. Rasmda uchlamchi struktura keltirilgan bo‘lib, unda ikkilamchi strukturani namoyish etuvchi spiral uchastkalar ko‘rinadi.

Demak, strukturaviy genomikaning asosiy vazifasi tirik organizmlardagi barcha oqsillarni ajratish, tozalash, strukturalarini tahlil etishdan iborat bo‘lib, bunda ikki o‘lchamli elektroforez, mass-spektrometriya va bioinformatika usullaridan foydalaniladi.
Oqsillar bioinformatikasi. Katta miqdordagi turli–tuman oqsillarning majud bo‘lishi ularni o‘ziga tegishli barcha ma'lumotlar bilan birga saqlash imkonini beruvchi ma'lumotlar bazasini yaralishiga turtki bo‘ldi. Internet sayti orqali ko‘plab umumiy va maxsus ma'lumotlar bazalarini topsa bo‘ladi. Umumiy ma'lumot bazalarida ma'lum bo‘lgan barcha oqsillarga doir ma'lumotlar saqlanib,uni butun tiriklikning global proteomi deb atasa ham bo‘ladi. Bu kabi ma'lumotlar bazasiga SwissProt-TrEMBL (shveysariya –germaniya)ni misol qilib keltirish mumkin, unda analitik usullar yordamida anniqlangan 200 000dan ortiq va yana 2 mln.ga yaqin nuklein kislotalar translyasiyasi yordamida aniqlangan oqsil ketma –ketliklari to‘g‘risida ma'lumotlar saqlanadi.
Global proteomda joylashgan molekulalarning asosiy qismini funksional faollikning spesifik spektoriga ega bo‘lgan, o‘rtacha 50 ta aminokislotalardan tashkil topgan, u qadar yirik bo‘lmagan harakatchan oqsillar tashkil etadi. Ular oligopeptidlar yoki shunchaki peptidlar deb nomlanadi. Global peptidomlar uchun EROP (Endogenous Regulatory Oligo Peptides (endogen boshqariluvchi oligopeptidlar
14.Genomlarda oqsil strukturalarini aniqlash. Evolyusiyada oqsil funksiyasining divergensiyasi.
Funksional proteomika. Organizmda qandaydir oqsilning mavjudligi ma'lum vazifani bajara olish qobiliyati xaqida fikr yuritishga asos bo‘ladi. Butun proteom organizmning to‘liq xayot faoliyatini amalga oshirish uchun xizmat qiladi. Funksional proteomika proteomning funksional xossalarini aniqlash bilan shug‘ullanadi va u hal qiladigan vazifalar oqsil strukturani aniqlashga nisbatan ancha murakkabdir.
Proteomning biror vazifani amalga oshirishi muxitda qand, lipid, prostoglandinlar, turli ionlar va boshqa qo‘shimcha moddalarning bo‘lishini talab etadi. Oqsil molekulalari atrofdagi va boshqa moddalar bilan ta'sirlashib, avval molekulyar so‘ngra makromolekulyar darajada funksional reaksiyalarning amalga oshishiga olib keladi. Ular qatoriga fermentni substrat bilan, antiteloni antigen bilan, peptidlarni reseptor, toksinlarni ion kanallari bilan o‘zor ta'sirini keltirish mumkin. Bu kabi jarayonlar mexanizmini aniqlashda individual uchastkalarning eksperimental tajribalaridan tashqari, bioinformasion vositalar yordamida tizimli yondashuvlardan ham foydalaniladi.
Quyidagi rasmda inson peptidomasi vakillari – oshqozon–ichak yo‘lida lokalizasiyalangan turli gastrinlar va xolesistokininlar ko‘rsatilgan (aminokislotalarni ifodalashda standart bir xarfli koddan foydalanilgan).
Insondagi peptidoma vakillari birlamchi strukturasini bulutlarning bitta peptid bilan taqqoslanishi

O‘zoro juda o‘xshash bo‘lgan o‘ng soxalar bu peptid molekulalarining funksional qismlari hisoblanadi. Ammo oqsillar to‘g‘ri va teskari xossalarga ega bo‘ladi: gastrinlar organizmda ochlik hissini paydo qilsa, xolesistokininlar faoliyati tufayli to‘qlik hissi paydo bo‘ladi. Xolesistokininlarning birlamchi ketma –ketliklarida tirozin Y qoldig‘ining xolati gastrinlarga nisbatan bir qadamga siljigan. Quyidagi rasmda sodda xordalilar vakillaridan Siona intestinalisdan olingan sionin peptidining birlamchi strukturasi keltirilgan. Uninng strukturasi gastrin va xolissistokinin bilan gomologik bo‘lib, bu ikkala ko‘rsatilgan peptidlardagi kabi xolatda joylashuvchi ikkita tirozin qoldig‘I bilan tavsiflanadi. Lekin funksional hususiyatlari xali to‘liq o‘rganilmagan. To‘g‘ri tashkil etilgan tajriba yordamida butun kimyoviy struktura va tirozin qoldig‘ining fiziologik effektlarni kelib chiqishidagi o‘rni haqida to‘htalsa bo‘lar edi.

Shimoliy dengizda uchrovchi Siona intestinalis buluti

Yana bir misol, sutemizuvchilar endotelinlari va ilon toksinlarining strukturaviy gomologik oilasi. Strukturalari bir biriga o‘xshash bo‘lishiga qaramasdan ularning funksional hossalari bir biridan farq qiladi: biri qon –tomir aylanishining foydali boshqaruvchilari bo‘lsa, ikkinchisi hayot uchun xavflidir. Bundan birlamchi struktura moddaning hususiyatlari to‘g‘risida to‘liq ma'lumotlarni saqlamasligi ma'lum bo‘ladi. Shuning uchun moddalarning fazoviy strukturasini to‘liqroq o‘rganish maqsadga muvofiq bo‘ladi.

Endotelin/toksinlar struktur-gomologik oqsillarining birlamchi strukturalari

Quyida YaMR-spektroskopiya usuli yordamida aniqlangan, mazkur oila vakillari –endotelin-1 va sarafotoksin S6.ning fazoviy strukturasi keltirilgan. Rasmda ular shunday qayrilganki, bunda fazoviy gomologiyaga maksimal yaqinlashtiriladi. Ammo har qancha aylantirib ko‘rilsa ham ularning to‘liq gomologiyasiga erishib bo‘lmaydi. Birlmchi strukturasi deyarli bir xil bo‘lishiga qaramay, ta'sirlanish xar hil reseptor strukturalari tomonidan amalga oshiriladi, shu orqali turli hil fiziologik effektalra ham ega bo‘ladi.

Bu kabi sodda misollar yordamida funksional proteomikani to‘liq tavsiflab bo‘lmaydi. Organizmda oqsil va boshqa moddalarning o‘zoro ta'sirlanish tarmog‘i to‘g‘risidagi tushunchalarni yaratish katta mexnat kuchi va barcha zamonaviy bioinformasion vositalarni jalb etishni talab qiladi. Bu kabi tushunchalarni yaratish ustida ishlar boshlangan va yildan yilga boyitib borilmoqda.

Karbon kislotalar metabolizmi haritasining umumiy konturlari

Karbon kislotalar metabolizmi xaritasining yaralishi bu soxada qo‘lga kiritilgan dastlabki yutuqlardan biri sanaladi. U Rossiya fanlar akademiyasi qoshidagi A.N. Bax nomidagi biokimyo institutida yaratilgan. Bu xarita doimiy davriy tuzilishdagi reaksiyalar tarmog‘ini namoyon etadi. Xaritada vertikal bo‘ylab bir xil sondagi uglerod atomlarini (1dan 10 tagacha) tutuvchi birikmalar, gorizontal chiziqda esa funksional analogik metabolitlarni namoyon etadi. Xaritadagi kimyoviy strukturalar ko‘plab ko‘rsatmaga ega strelkalar (mos kinyoviy jarayonlarda ishtirok etuvchi fermentlar(oqsillar)) bilan bog‘langan. Buni D.I.Mendeleevning davriy sistemasiga qiyoslasa bo‘ladi. Mendeleev davriy sistemasi singari mazkur xarita bashorat qilish kuchiga ega. Uni yordami bilan bir qator yangi fermentlar bashorat qilingan, keyinchalik esa ushbu fermentlar tadqiqotlar natijasida kashf qilingan. Bu kabi sxemalar boshqa metabolitik yo‘llar (uglevod, aminokislota), biokimyoviy reaksiyalarining metabolitlari uchun ham tarqalishi mumkin.

Amaliy proteomika. Bitta organizmdagi barcha oqsil va peptidlarning o‘zoro ta'sir mexanizmlarini aniqlash proteomikaning asosiy vazifalaridan biri hisoblanadi. Bu kabi amaliy ishlardan ijobiy natijalarni qo‘lga kiritishdan farmakologiya va tibbiyot xodimlari manfaatdordirlar. Chunki, insondagi patologik holatlarning yuzaga chiqishi organizmdagi ba'zi oqsillar tarkibi o‘zgarishi bilan birga kechadi. Shuning uchun proteomika soxasida qo‘lga kiritilgan yutuqlar yangi dori vositalarini ishlab chiqish va ko‘p asrlar davomida davosi topilmay kelayotgan kasalliklarni davolash usullarini ishlab chiqishda qo‘llanib kelinmoqda. Bugungi kunda qo‘llanilayotgan dori vositalarining 95% oqsil moddalariga ta'sir etadi. Proteomika tizimli yondashuv orqali yangi oqsillarni paydo bo‘lishini identifikasiyalash va zarurlik darajasini effektiv baholash va shunga bog‘liq ravishda yangi diagnostik va terepevtik vositalarni ishlab chiqish tezligini oshirishi mumkin.
Proteomga bog‘liq bo‘lgan izlanishlar proteomika fanining paydo bo‘lishidan oldin, XX asrda insulinning qandli diabet kasalligini davolashdagi o‘rni kashf qilingan davrdayoq boshlangan edi. Insulin preparatlarining yaratilishi esa millionlab insonlarning xayotini saqlab qolgan.
Xozirgi kunda proteomika genomika va bioinformatika bilan birga yangi dori vositalarini ishlab chiqishga e'tibor qaratmoqda. Bunda oqsil moddalari molekulyar nishon vazifasini bajaradi. Dori vositalarining ta'siri uchun yangi nishonlarni topish bioinformatika usullari yordamida xal etiladi, bunda genom tahlil ob'ekti bo‘lib sanaladi.
Ammo, genom tahlilidan keyin mazkur oqsil intensiv ekspressiyalanishi va hujayrada ish qobiliyatini saqlashi xaqida isbotlarga ega bo‘lish kerak. Bu masalani proteomika xal etadi. Shu tariqa dori vositasi uchun molekulyar genetik nishon aniqlanadi.
Proteomika o‘zi mustaqil ravishda nishonlarni izlash muammosini xal qilishi mumkin. Agar normal va potologik to‘qimaning proteom xaritalariga ega bo‘lsak, ular orasidagi farqqa asoslanib, u yoki bu patologik xolatni rivojlanishida qaysi oqsil axamiyatga ega ekanligi hususida tushunchaga ega bo‘lish va ulardan nishon sifatida foydalanish yoki bu bilimlarni diagnostikada qo‘llash mumkin bo‘ladi. Kelajakda oddiy qon analizi qatoriga qonning proteom haritalarini tuzish ham qo‘shilishi mumkin. Buning uchun poliklinikalarda davolanuvchilardan davriy ravishda qon olib turishga yordam beradigan maxsus qurilmalarni qo‘llash talab etiladi. Kasallik holati yuzaga kelganida esa bemorning proteome haritasi uning sog‘lom vaqtdagi proteom haritasi bilan solishtirish kerak bo‘ladi va qonning oqsil tarkibida yuzaga kelgan o‘zgarishlar va kasallik sababini aniqlash mumkin bo‘ladi. O‘sma va normal hujayralar, ma'lum bir faktorlar (fizik, kimyoviy) ta'siridan keyin hujayralarning holatini batafsil taqqoslash, diagnostika maqsadida biologic suyuqliklardan foydalanish –bularning barchasi katta qiziqish uyg‘otadi va tibbiyot, veterenariya, farmakologiya, oziq-ovqat sanoati kabi soxalarda yangi istiqbollarni ochadi. Buning uchun ulkan va qiziqarli ishlarni amalga oshirish kerak bo‘ladi.