Выпуск 1467 2024-11-17 Лаборатория Наномир Когда реальность открывает тайны, уходят в тень и  меркнут чудеса ... Пикотехнология белков Издание второе. Исправленное и дополненное. С представлениями Виктории Соколик можно ознакомиться в первом издании, а во втором издании - с представлениями Александра Кушелева, которые развивались с 1991-го года в т.ч. благодаря авторам, перечисленным в списке литературы.  Глава 4. Структура белка Введение 141 Кодирование вторичной структуры белка 142 Кодирование альфа-спиралей 155 Кодирование поворотов 162 Кодирование β-слоёв 164 Механизм трансляции 169 Изоакцепторные тРНК 172 Программы 184 Заключение 194 Литература к главе 4 195 Введение В четвёртой главе приведены результаты исследования наиболее интересной, на наш взгляд, проблемы данной монографии – механизм трансляции. Особое внимание уделено эволюции представлений авторов о существовании 3D генетического кода, по триплетам которого можно определить ротамеры образующейся пептидной связи. Периодическое повторение ротамеров вторичной структуры белка приводит к образованию соответствующей спирали. На случайной выборке из 100 белков базы экспериментальных данных PDB проведен анализ статистической зависимости (P-тест Фишера и четырехпольные таблицы) между реализованными конформерами вторичной структуры белка и  триплетами кодонов. Будут рассмотрены особенности пространственной структуры изоакцепторных тРНК и сигнальная система рибосомы. В данной главе обсуждается вариабельных петель в структуре изоакцепторных тРНК, задающих начальный угол фи. Будет рассмотрен механизм поворота аминокислотного остатка вместе с тРНК, т.е. процесс формирования того или иного ротамера пептидной связи. А также, каким способом эта информация считывается в процессе кодон-антикодонового взаимодействия, по сравнению с общепринятой вобблеровской гипотезой Crick F. В заключение обсуждается преодоление парадокса Левинталя в программах определения 3D-структур белков по детерминирующим их нуклеотидным последовательностям и дается сравнительная характеристика программ Пикотех, Молекулярный конструктор и Binary_SS в определении пространственной структуры белка in silico. Кодирование вторичной структуры белка В предыдущей главе мы познакомились со способом организации вторичных структур белка вследствие неслучайной последовательности ротамеров пептидной связи между смежными аминокислотными остатками в полипептиде. Как же кодируется эта неслучайность в геноме? В 1991 году А.Ю. Кушелевым была сформулирована идея композиционного, 3D генетического кода [1, 2], которая в работах Соколик В.В. была интерепретирована несколько иначе [3-5]. В таблице композиционного генетического кода Кушелева А.Ю. каждому триплету, соответствует значение угла фи, под которым в ходе матричного синтеза происходит присоединение очередного аминокислотного остатка к растущей полипептидной цепи (табл. 4.1 и 4.2). Таблица 3D генетического кода    Современная таблица будет доступна после публикации научной статьи 3D Genetic Code  Таблица углов для программы "Пикотехнология"   Чем отличается генетический код структурного шаблона белка (табл. 4.3) Соколик В.В. от 3D генетического кода (табл. 4.1) Кушелева А.Ю., можно прочесть в первом издании книги.     Пикотехнологическая модель альфа-спирали. Подробнее     Схема вторичной структуры этого белка, выведенная программой Binary_SS. Подробнее    Расшифровка цветного кода вторичной структуры.     3D модель фрактальной спирали Кушелева, которая строится по коду n*(ggcggt)   Cхема вторичной структуры этого белка, выведенная программой Binary_SS. Подробнее   Оригинальный размер  Программа Binary_SS может определять около 600 000 структур белка за один рабочий день. Подробнее Как работает алгоритм программы, мы рассматривать не будем, т.к. это простая таблицая функция. Интереснее понять, как этот алгоритм реализован механизмом трансляции, т.е. как конкретно рибосома формирует вторичную структуру белка по триплетному коду.    Механизм трансляции был смоделирован после того, как была построена пикотехнологическая модель ДНК/РНК   Пикотехнологическая модель двухцепочечной ДНК     Упрощённая (многогранная) модель одноцепочечной ДНК    Упрощённая модель тРНК     Упрощённая (многогранная) модель АСС-конца тРНК (слева) и пикотехнологическая (кольцегранная) модель, построенная в 1992г из пластмассовых колец. Как происходит процесс трансляции? тРНК с аминокислотой движется к рибосоме. Рибосома формирует акустический сигнал, который действует на резонансную систему рулевого управления тРНК. В результате нужная тРНК поворачивает к сайту сборки белка. При своём движении тРНК вращается вокруг оси симметрии.   Попадая на сайт сборки белка тРНК срезает инозином триплет информационной РНК и продолжает вращаться по инерции, пока срезанный триплет информационной РНК не встретит комплементарное основание в структуре рибосомы. Это позволяет остановить вращение тРНК с нужным значением будущего угла фи. После остановки вращения тРНК происходит образование пептидной связи с закодированным углом фи. Затем механизм рибосомы поворачивает тРНК в первоначальное положение. Срезанный триплет информационной РНК возвращается на место, тРНК удаляется с сайта сборки, иРНК продвигается в рибосоме на один триплет, и цикл трансляции повторяется.   Таблица 4.4. Список анализируемых белков эукариот из базы данных PDB (всего 1079).    Подробнее Виктория Соколик: У прокариот и органелл эукариот (митохондрии, хлоропласты) третий нуклеотид кодонов в генах небольших полипептидов ещё не является информационным, поэтому на нём и наблюдается воблирование по описанному Crick F. механизму [9]. Далее см. в первом издании. Александр Кушелев:  Таблица митохондриального 3D генетического кода.    Подробнее Заключение В данной главе представлена и статистически обоснована таблица 3D генетического кода. Корреляция данных программы Binary_SS и данных из PDB превышает 96%, начиная с выборки 70 белков. Определение пространственной структуры белков по кодирующим их нуклеотидным последовательностям возможно несмотря на неопределённость парадокса Левинталя. В следующей главе будет рассмотрен механизм посттрансляционного фолдинга белков in vivo и in vitro, а также его моделирование in silico. Литература к главе 4 1. Кушелев А., Полищук С., Писаржевский С. Формы, механизмы, энергия наномира: Доступна ли энергия эфира для космических полётов? // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2002. – № 6. – С.72–76. 2. Кушелев А.Ю., Полищук С.Е., Неделько Е.В. и др. Построение масштабной модели структуры белка // Актуальные проблемы современной науки. – 2002. – № 2. – С. 236–243. 3. Sokolik V.V. Protein is coded in genome and synthesized in ribosomes as a structural template of a rotameric version sequence of peptide bound configuration // The International Moscow Conference on Computational Molecular Biology, МССМВ-11, Moscow. – 2011. – P. 347–348. 4. Sokolik V.V. Modeling of the individual structural template of protein on determining it nucleotide sequences // VII Международная конференция по биоинформатике, регуляции и структуры геномов и системной биологии. BGRS\SB-2010, Новосибирск. – 2010. – С. 275. 5. Sokolik V.V. Algorithm of protein structural template decoding according to its determined nucleotide sequence // Fist International Conference “Fundamental medicine: From scalpel toward Genome, Proteome and Lipidome”, Pax Grid Virtual Conferences, Kazan. – 2011. – P. 117–119. 6. Кушелев А.Ю., Соколик В.В. Пикотехнология – новый подход в моделировании пространственной структуры белка // Заочная Международная научно-практическая конференция «Современная наука: тенденции развития» (24 января 2012), Краснодар: НИЦ Априори. – 2012. – С.203-207. 7. Fink A.L. Natively unfolded proteins // Curr. Opin. Struct. Biol. – 2005. – V.14, № 1. – P. 35-41. 8. Соколик В.В. Предсказание пространственной структуры белка in silico на основе информации генома и геометрического алгоритма – альтернатива квантово-механическому подходу // Материалы Международной научной конференции «Математическое и компьютерное моделирование 196 в биологии и химии. Перспективы развития» (28-30 мая 2012), Казань. – 2012. – С.155-158 9. Crick F.H.C. The Origin of the Genetic Code // J. Mol. Biol. –1968. –V. 38. – P.367–379. 10.Соколик В.В. Загадка изоакцепторных тРНК // II Всероссийская Интернет-Конференция «Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии», Казань. – 2011. – С. 11-15. 11.Maizels N., Weiner A.M. Phylogeny from function: Evidence from the molecular fossil record that tRNA originated in replication, not translation. // Proc.Nat.Acad.Sci.USA. – 1994. –V. 91, № 15. – P. 6729–6734. 12.Crick F. Codon-anticodon pairing: the wobble hypothesis // J. Mol. Biol. – 1966. – Т.19. – Р.548-555. 13.Miller J. A short course in bacterial genetics handbook. Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, 1992. 14.Saunders R., DeaneC. Synonymous codon usage influences the local protein structure observed // Nucleic Acids Reseaech. – 2010. – V. 8. – P. 1-10. 15. Johnson M.S., Srinivasan N., Sowdhamini R., Blundell T.L. Knowledgebased protein modeling // Critical reviews in biochemistry and molecular biology. – 1994. – V. 29. – P. 193-316. 16. Sali A., Overington J.P., Johnson M.S., Blundell T.L. From comparisons of protein sequences and structures to protein modeling and design // Trends in biochemical sciences. – 1990. – V. 15. – P. 235-240. 17. Jones T.A., Thirup S. Using known substructures in protein model building and crystallography // EMBO Journal. – 1986. – V. 5. – P. 819-822. 18. Dudek M.J., Scheraga H.A. Protein structure prediction uses a combination of sequence homology and global energy minimization // Jornal of computational chemistry. – 1990. – V. 11. – P. 121-151. 19. Thornton J.M., Gardner S.P. Protein motifs and database searching // Trends in biochemical sciences. – 1989. – V. 14. – P. 300-304. 197 20. Orengo C.A., Brown N.P., Taylor W.R. Fast structure alignment for protein databank searching // Protein structure function and genetics. – 1992. – V. 14. – P. 139-146. 21. Pearson W.R. Rapid and sensitive sequence comparison with FASTP and FASTA // Methods in enzymology. – 1990. – V. 183. – P. 63-98. 22.Altschul S.F., Madden T.L., Scaffer A.A. et al. Gapped BLAST and PSIBLAST: a new generation of protein database search programs // Nucleic acids research. – 1997. – V. 25. – P. 3389-3402. 23. HOMOLOGY and MODELLER, Accelrys, San Diego. http://www.accelrys.com. 24.Sah A., Blundell T.L. Comparative protein modeling by satisfaction of spatial restraints // Journal of molecular biology. – 1993. – V. 234. – P. 779-815. 25. SYBYL BIOPOLYMER, Tripos Associates, St. Louis. http://www.tripos.com. 26. Vriend G. What if: a molecular modeling and drug design program // Journal of molecular graphics – 1990. – V. 8. – P. 52-56. 27. Thompson J.D., Higgins D.G., Gibson T.J. CLUSTAL-W-improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice // Nucleic acids research. – 1994. – V. 22. – P. 4673-4680. 28.Chamary J.V., Parmley J.L., Hurst L.D. Hearing silence: non-neutral evolution at synonymous sites in mammals // Nat. Rev. Genet. – 2006. – 7. – Р.98–108. 29.Saunders R., Deane Ch.M. Synonymous codon usage influences the local protein structure observed // Nucleic Acids Res. – 2010. – 38. –Р. 6719–6728. 30.Plotkin1 J.B., Kudla G. Synonymous but not the same: the causes and consequences of codon bias //Nat. Rev. Genet. – 2011. –12. – Р.32–42. 31.Biro J.C. Correlation between nucleotide composition and folding energy of coding sequences with special attention to wobble bases //Theor. Biol. Med. Model. – 2008. – 5. – Р. 14. 32.Angov E. Codon usage: Nature's roadmap to expression and folding of proteins //Biotechnol J. – 2011. – 6. – P. 650–659. 198 33.Zull J.E., Smith S.K. Is genetic code redundancy related to retention of structural information in both DNA strands? // Trends Biochem. Sci. – 1990. – 15. – Р.257–261. 34.Marin M. Folding at the rhythm of the rare codon beat // Biotechnol J. – 2008. – 3. –Р.1047–1057. 35.Spencer P.S., Barral J.M. Genetic code redundancy and its influence on the encoded polypeptides // Computational and Structural Biotechnology J. – 2012. – 1. – Р. 1–8. 36.Grosjean H., de Crecy-Lagard V., Marck C. Deciphering synonymous codons in the three domains of life: co-evolution with specific tRNA modification enzymes // FEBS Lett. – 2010. – 584. – P. 252–264. 37.Zhang, G., Hubalewska, M., Ignatova, Z. Transient ribosomal attenuation coordinates protein synthesis and co-translational folding // Nat. Struct. Mol. Biol. – 2009. –16. – Р. 274 –280. 38.Соколик В.В. Предсказание пространственной структуры белка in silico на основе информации генома и геометрического алгоритма – альтернатива квантово-механическому подходу / 1-я Международная интернетконференция «Математическое и компьютерное моделирование в биологии и химии. Перспективы развития». 2012. Казань. Россия. Сборник трудов. С. 155–158. Тезис 44. 39.Спирин А.С. Молекулярная биология: рибосомы и биосинтез белка. – М.: «Академия», 2011. – 496 с. 40.Spirin A.S. Ribosome as a molecular machine. // FEBS Letters. – 2002. –514. – P. 2–10. 41.Ramakrishnan V. Ribosome structure and the mechanism of translation. // Cell. – 2002. –108. – P. 557–572. 42.CrickF.H., Barnett L., Brenner S., Watts-Tobin R.J. General nature of the genetic code for proteins // Nature. – 1961. –192. – P. 1227-1232. 43.Азимов А. Генетический код. От теории эволюции до расшифровки ДНК. – 2006. – М.: Центрполиграф. – 300 c. 199 44.Hopfield J.J. Kinetic proof reading: A new mechanism for reducing gerrorsin biosynthetic processes requiring ghigh specificity // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1974. – 71. – P. 4135-4139. 45.Rodnina M.V., Frike R., Wintermeyer W. Kinetic fluorescence study on EFTu-dependent binding of Phe-tRNAPhe to the ribosomal A site. In: The Translational Apparatus (eds. Nierhaus K.N., Francheschi F., Subramanian A.R., Erdmann V.A., Wittmann-Liebold B.), pp. 317-326. Plenum Press, New York. 46.Levinthal C. Are there pathways for protein folding // J. Chim. Phys. –1968. – 65. – Р. 44–45. 200  Продолжение следует... Приглашение ксотрудничеству На базе научного открытия нами создан онлайн-сервис по определению структуры белковых молекул. Теперь мы сможем зарабатывать вместе. По старой технологии определение одной структуры белка обходится примерно в 10 000 евро, а ждать нужно от 2 месяцев до 3 лет. По новой технологии структура определяется в 1000 раз точнее и в миллиард раз быстрее. 80% от найденного Вами заказа принадлежат Вам, как менеджеру. Наш лозунг: "В 1000 раз лучше, в 1000^3 быстрее и в 1000 раз дешевле!" Ваша задача заключается в размещении рекламы на онлайн-сервис белковых структур. Рынок этих структур очень большой и продолжает стремительно расти. Ежедневно кто-то оплачивает до 60 структур по средней цене 10 000 евро за штуку. Новая технология позволила на одном персональном компьютере за неделю определить структуры всех 115 000 белков человека, для которых известна нуклеотидная кодирующая последовательность. При этом качество результата, полученного по новой технологии в 1000 раз выше по точности, в миллиард раз по быстродействию и в 30 раз шире по номенклатуре белковых молекул. Единственное, что нам сегодня не хватает - рекламы. Как получить Вашу первую зарплату менеджера? Найти заказчика белковых структур  и убедить его заказать за счёт лаборатории Наномир пробный заказ. Когда заказчик распробует новую технологию, он начнёт делать коммерческие заказы. С первого коммерческого заказа менеджер получает 80%. С последующих заказов процент будет постепенно уменьшаться, но с первого заказа другого заказчика менеджер снова получит 80%. Зарплата менеджера может достичь миллиона евро в день. И это не предел.     Инвестирование научных проектов Приглашаем инвесторов и меценатов. Как продвинуть цивилизацию на новый уровень своего развития и получить при этом огромные прибыли? - Вложить деньги в научные разработки. Новейшие виды экологически чистых и мощных источников энергии, средство для продления жизни,  высокие технологии. Все это реально создать в ближайший год-два при наличии достаточного финансирования. Готовые коммерческие продукты   1. Online service PROTEIN PICOTECHNOLOGY 2. Сверхдобротные одномодовые диэлектрические резонаторы в т.ч. с большим диапазоном перестройки 3. Станки для производства высокодобротных одномодовых резонаторов  4. Технология изготовления сапфировых линз  5. Магнитный тороидально-сферический конструктор Проекты 01 Ruby Emdrive (Микроволновый двигатель без реактивной струи) 02 Ruby Power Source (Микроволновый источник энергии)  03 Средство продления жизни (Возвращение молодости) 04 Октаэдрический редуктор 05 Шестеренчатая передача Кушелева 06 Магнитный подвес-стыковка-герметизация модулей 07 Ионно-микроволновый фрактальный излучатель 08 Гибкий отражатель из жестких элементов 09 Энциклопедия "Наномир" 10 Экспертиза 11 Конструктивные компьютерные игры 12 Интеллектуальный кодовый замок 13 Очки кругового обзора 14 Тетраэдрический сканер 15 Программируемая архитектура 16 Источник энергии промышленной частоты 17 Источник энергии постоянного тока 18 Монокристаллическая видеокамера 19 Система определения активных участков белка 20 Тераваттный лазер непрерывного действия 21 Бактериальный синтез алмазов 22 Шестеренчатые передачи с тремя степенями свободы 23 Сверхсветовая связь 24 Безосевая шестеренчатая передача 25 Aктивный язык программирования 26 Телевидение миллиметрового и оптического диапазонов 27 Микроволновая архитектура 28 Компьютерный экран из автономных элементов 29 Чтение / запись ДНК 30 Сверхсветовая локация / зрение 31 Нейтрализатор акустического сигнала Коммерческое предложение:  Виктория Соколик: Уважаемые коллеги, Вашему вниманию предоставляется услуга -- моделирование 2D и 3D структуры любого белка без ограничений в его размере и степени изученности с помощью программного обеспечения, базирующемся на принципиально новом подходе декодирования нуклеотидной последовательности, детерминирующей данный белок. Всё, что необходимо от заказчика, это нуклеотидная последовательность мРНК интересующего его белка (или код этой нуклеотидной последовательности в EMBL, или хотя бы код самого белка в PDB). В течение 1-3 суток мы готовы предоставить Вам схему вторичной структуры заказанного белка (2D), модель его пространственной структуры (3D) в виртуальном пространстве, а также файл .pdb с координатами каждого атома белка.  Файл .pdb может быть использован по аналогии с файлами закристаллизованных белков из PDB банка для дальнейшего конформационного анализа белка методами молекулярной динамики с учётом физико-химической специфики микроокружения белка или его взаимодействия с лигандами. Таким образом, Вы сможете максимально быстро удобным для Вас способом (по электронной почте, на сайте либо на электронном носителе) получить информацию о структуре Вашего белка.  Сотрудничество может быть различным: - участие в научных дискуссиях на форуме (конструктивное) - совместное создание коммерческого продукта - поиск инвесторов - выступить менеджером по продаже готовых коммерческих продуктов  - конструктивные предложения по продвижению идей лаборатории Наномир - содействие в проведении экспериментов и т.п. - написание совместных научных статей и т.п. - материальный вклад (денежный или обеспечение оборудованием и материалами)   Пожалуйста, сообщайте о своем вкладе, чтобы мы зачли Вас как партнера лаборатории Наномир. Telegram: https://t.me/nanoworldlab Приглашение в группу: https://t.me/nanoworld_discussion  WhatsApp: +7 926 850-54-22 mail: kushelev20120@yandex.ru О способах финансирования можно спросить по электронной почте и на телеграм-канале.  Огромное спасибо всем за помощь и поддержку!