<![CDATA[
مقدمة إلى دسب
في عالم البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية، تلعب البروتينات دورًا حاسمًا في تنفيذ مجموعة واسعة من الوظائف الخلوية. من الإنزيمات التي تحفز التفاعلات الكيميائية إلى البروتينات الهيكلية التي تحافظ على شكل الخلية، فإن البروتينات ضرورية للحياة. لفهم وظيفة البروتين بشكل كامل، من الضروري تحديد هيكله ثلاثي الأبعاد. ومع ذلك، فإن تحديد البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين يمكن أن يكون مهمة صعبة وتستغرق وقتًا طويلاً. لهذا السبب، تم تطوير العديد من الخوارزميات لتوقع البنية الثانوية للبروتينات بناءً على تسلسل الأحماض الأمينية الخاص بها. واحدة من هذه الخوارزميات هي دسب (DSSP).
دسب هي خوارزمية مستخدمة على نطاق واسع لتحديد البنية الثانوية للبروتينات. تم تطويره في الأصل في عام 1983 من قبل كابش و ساندر، وأصبح منذ ذلك الحين أداة قياسية في مجال المعلوماتية الحيوية. تأخذ الخوارزمية ملف إحداثيات البروتين كمدخل وتعين لكل بقايا حمض أميني بنية ثانوية بناءً على نمط الروابط الهيدروجينية الخاصة بها. ثم يتم استخدام هذه المعلومات للتنبؤ بالبنية ثلاثية الأبعاد الشاملة للبروتين.
آلية عمل دسب
تعتمد خوارزمية دسب على مفهوم الروابط الهيدروجينية بين ذرات العمود الفقري للبروتين. الروابط الهيدروجينية هي قوى جذب ضعيفة تحدث بين ذرة الهيدروجين وذرة كهربية سالبة، مثل الأكسجين أو النيتروجين. في البروتينات، تتشكل الروابط الهيدروجينية بين ذرات الأكسجين والكربونيل وذرات النيتروجين والأميد في العمود الفقري. يمكن أن تساعد هذه الروابط الهيدروجينية في استقرار البنية الثانوية للبروتين.
تدرس خوارزمية دسب نمط الروابط الهيدروجينية لكل بقايا حمض أميني في البروتين لتعيين بنية ثانوية. تقوم الخوارزمية أولاً بحساب المسافة والطاقة بين جميع أزواج الذرات في العمود الفقري للبروتين. ثم يستخدم هذه المعلومات لتحديد ما إذا كانت بقايا حمض أميني معينة تشكل رابطة هيدروجينية مع بقايا أخرى. بناءً على نمط الروابط الهيدروجينية، تقوم الخوارزمية بتعيين بنية ثانوية لكل بقايا حمض أميني.
تحدد دسب ثمانية أنواع من البنية الثانوية:
- حلزون ألفا (Alpha Helix): هيكل حلزوني يتميز بالروابط الهيدروجينية بين بقايا الأحماض الأمينية على بعد أربعة مخلفات عن بعضها البعض.
- صفيحة بيتا (Beta Sheet): هيكل مطوي يتكون من خيوط متوازية أو مضادة للتوازي مرتبطة ببعضها البعض عن طريق الروابط الهيدروجينية.
- منعطف بيتا (Beta Turn): انعطاف ضيق في سلسلة البروتين يتكون من أربعة بقايا أحماض أمينية.
- ملف (Coil): أي جزء من سلسلة البروتين ليس حلزون ألفا أو صفيحة بيتا أو منعطف بيتا.
- منحنى (Turn): جزء من سلسلة البروتين يغير اتجاهه.
- جسر (Bridge): رابطة هيدروجينية واحدة بين سلسلتين متجاورتين.
- بنية 3-10 الحلزونية (3-10 Helix): حلزون ضيق يتميز بالروابط الهيدروجينية بين بقايا الأحماض الأمينية على بعد ثلاثة مخلفات عن بعضها البعض.
- الحلزون باي (Pi Helix): حلزون أوسع يتميز بالروابط الهيدروجينية بين بقايا الأحماض الأمينية على بعد خمسة مخلفات عن بعضها البعض.
بالإضافة إلى هذه الأنواع الثمانية من البنية الثانوية، يمكن لـ دسب أيضًا تعيين حالات إضافية بناءً على خصائص أخرى للبروتين، مثل تعرضه للمذيبات أو وجود روابط ثاني كبريتيد.
تطبيقات دسب
تستخدم خوارزمية دسب على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من التطبيقات في مجال المعلوماتية الحيوية. تتضمن بعض التطبيقات الأكثر شيوعًا ما يلي:
- التنبؤ بالبنية الثانوية للبروتين: يمكن استخدام دسب للتنبؤ بالبنية الثانوية للبروتين بناءً على تسلسل الأحماض الأمينية الخاص به. يمكن أن تكون هذه المعلومات مفيدة لتحديد البنية ثلاثية الأبعاد الشاملة للبروتين.
- تصنيف هياكل البروتين: يمكن استخدام دسب لتصنيف هياكل البروتين بناءً على محتوى البنية الثانوية الخاص بها. يمكن أن تكون هذه المعلومات مفيدة لفهم العلاقات التطورية بين البروتينات المختلفة.
- تحليل تفاعلات البروتين-البروتين: يمكن استخدام دسب لتحليل تفاعلات البروتين-البروتين. من خلال تحديد البنية الثانوية للبروتينات المتفاعلة، من الممكن تحديد المناطق المهمة للتفاعل.
- تصميم البروتين: يمكن استخدام دسب لتصميم بروتينات جديدة ذات خصائص محددة. من خلال تحديد البنية الثانوية المطلوبة للبروتين، من الممكن تصميم تسلسل الأحماض الأمينية الذي من المرجح أن يتبنى هذا الهيكل.
- اكتشاف الأدوية: يمكن استخدام دسب في اكتشاف الأدوية لتحديد الأهداف المحتملة للأدوية. من خلال تحديد البنية الثانوية لبروتين معين، من الممكن تصميم جزيئات صغيرة من المرجح أن ترتبط بالبروتين وتعدل نشاطه.
مزايا وعيوب دسب
مثل أي خوارزمية، فإن دسب لديها مزايا وعيوب. تشمل بعض المزايا ما يلي:
- الدقة: دسب هي خوارزمية دقيقة لتحديد البنية الثانوية للبروتينات. لقد ثبت أنه يحقق دقة تزيد عن 80٪ في التنبؤ بالبنية الثانوية.
- السرعة: دسب هي خوارزمية سريعة يمكنها تحليل هياكل البروتين الكبيرة في غضون ثوانٍ.
- سهولة الاستخدام: دسب هي خوارزمية سهلة الاستخدام يمكن الوصول إليها من خلال مجموعة متنوعة من الأدوات والبرامج عبر الإنترنت.
تشمل بعض العيوب ما يلي:
- الحساسية للخطأ: دسب حساسة للخطأ في ملف إحداثيات البروتين. إذا كان ملف الإحداثيات غير دقيق، فقد تقوم الخوارزمية بتعيين بنى ثانوية غير صحيحة.
- القيود المفروضة على البروتينات غير المنظمة: دسب محدودة في قدرتها على التنبؤ بالبنية الثانوية للبروتينات غير المنظمة. هذه البروتينات ليس لها بنية ثابتة ويمكن أن تكون صعبة التحليل.
دسب والتقنيات الأخرى
توجد العديد من الخوارزميات والتقنيات الأخرى المستخدمة في تحديد البنية الثانوية للبروتينات. تتضمن بعض الخوارزميات الأكثر شيوعًا سترايد (STRIDE) و ديموس (DSSPcont). ستريد هي خوارزمية مماثلة لـ دسب تستخدم أيضًا الروابط الهيدروجينية لتحديد البنية الثانوية. ديموس هو إصدار مُحسَّن من دسب يقدم تصنيفات أكثر تفصيلاً للبنية الثانوية.
بالإضافة إلى الخوارزميات، هناك أيضًا العديد من التقنيات التجريبية التي يمكن استخدامها لتحديد البنية الثانوية للبروتينات. تتضمن هذه التقنيات:
- علم البلورات بالأشعة السينية: علم البلورات بالأشعة السينية هي تقنية تستخدم لتحديد البنية ثلاثية الأبعاد للبلورة. يتم توجيه حزمة من الأشعة السينية عبر البلورة، ويتم تحليل نمط الانعراج لتحديد موضع الذرات داخل البلورة.
- الرنين المغناطيسي النووي (NMR): الرنين المغناطيسي النووي هي تقنية تستخدم لتحديد بنية وديناميكيات الجزيئات. تتضمن هذه التقنية تعريض العينة لمجال مغناطيسي قوي ثم قياس امتصاص الموجات الراديوية.
- المجهر الإلكتروني المبرد (Cryo-EM): المجهر الإلكتروني المبرد هي تقنية تستخدم لتحديد بنية الجزيئات المجمدة في محلول. تتضمن هذه التقنية تصوير العينة باستخدام شعاع من الإلكترونات ثم استخدام الخوارزميات الحسابية لإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد للجزيء.
غالبًا ما يتم استخدام هذه التقنيات التجريبية جنبًا إلى جنب مع الخوارزميات مثل دسب لتحديد بنية البروتينات. يمكن أن توفر التقنيات التجريبية معلومات مفصلة حول البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين، بينما يمكن للخوارزميات المساعدة في تحليل وتفسير البيانات.
تطور دسب
منذ تطويره في عام 1983، خضع دسب للعديد من التحديثات والتحسينات. تضمنت النسخة الأصلية من دسب ثمانية تصنيفات للبنية الثانوية، ولكن تم توسيعها لاحقًا لتشمل تصنيفات إضافية بناءً على خصائص أخرى للبروتين. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير إصدارات جديدة من دسب تعمل على تحسين دقة وسرعة الخوارزمية.
أحد التطورات الحديثة في دسب هو تطوير دسبcont. دسبcont هو إصدار مُحسَّن من دسب يوفر تصنيفات أكثر تفصيلاً للبنية الثانوية. على وجه الخصوص، يحلل دسبcont الروابط الهيدروجينية بشكل مستمر، بدلاً من تحليلها بشكل منفصل، مما يتيح تمييزًا أدق بين أنواع البنية الثانوية المختلفة.
خاتمة
تعتبر دسب أداة قوية لتحديد وتحليل البنية الثانوية للبروتينات. على الرغم من وجود خوارزميات وتقنيات أخرى متاحة، إلا أن دسب تظل خيارًا شائعًا نظرًا لدقتها وسرعتها وسهولة استخدامها. من خلال فهم مبادئ دسب وتطبيقاتها، يمكن للباحثين الحصول على رؤى قيمة حول بنية ووظيفة البروتينات.