
Structural biology deals with the study of three dimensional (3D) structures of macromolecules (including proteins and nucleic acids) at atomic levels. It provides detailed information about the structure of biomolecule, its functions, dynamics and interaction with ligands and other macromolecules.
7.1 — Applications of Structural Biology. Structural biology has a wide range of applications especially in the field of medical research. Some of these are discussed here:
1- Determining the Active sites and Domains. Structural biologists can determine the three-dimensional (3D) structures of macromolecules such as proteins and nucleic acids. The 3D structures reveal the exact location, shape, and environment of the active sites and different domains (distinct structural units with independent functions) of macromolecules. For example, structural studies of the enzyme HIV-1 reverse transcriptase have identified its polymerase domain (which synthesizes DNA) and RNase H domain (which breaks down the RNA strand of RNA-DNA hybrids). Knowing the location and structure of these domains has helped in the design of antiviral drugs that specifically target them. Similarly, the structure of serine protease reveals its well-defined active site, which is responsible for breaking down peptide bonds.
2- Identifying Drug Targets. Structural biology helps scientists find the right place on a disease-causing molecule where a drug can work. These places are usually proteins and are called drug targets. By studying the 3D shape of these proteins, scientists can find specific spots where a drug can attach and stop the protein from working. For example, in COVID-19, scientists used structural biology to study the spike protein of the coronavirus (SARS-CoV-2). This protein helps the virus to enter human cells. By knowing its 3D structure, scientists identified it as a drug target. Thus, they design vaccines and medicines that block the spike protein, preventing the virus from infecting more cells.
3- Identifying Host-Pathogen Interactions. Structural biology also helps in understanding how pathogens (like viruses or bacteria) interact with the host's body cells. This is called host-pathogen interaction. By studying the 3D structures of both the pathogen and the host cell proteins, scientists can see how the pathogen attaches to and enters the host cell, and which molecules are involved in the process. For example, structural biologists studied the spike protein of coronavirus, which sticks out from the surface of the virus. They also look at a protein on human cells that acts as receptor of virus spike protein. So, the scientists discover exactly how the virus enters human cells. This information is vital in developing the drugs that can bind with receptor proteins. Such drug inhibits the interaction of the virus with the host cells and consequently blocks the entry of virus into the host cells.
4- Identifying Protein Misfolding. The functionality of proteins depends on the correct folding into three dimensional shapes. Several diseases (including cystic fibrosis, Parkinson's, Alzheimer's) originate due to incorrect folding of proteins. Structural biology provides understanding of intricate folding pathways and how misfolding leads to the diseases.
سٹرکچرل بائیولوجی میکرو مالیکیولز (پروٹینز اور نیوکلک ایسڈز سمیت) کی ایٹمی سطح پر تھری ڈائمینشنل (3D) سٹرکچرز کے مطالعے سے متعلق ہے۔ یہ بائیو مالیکیول کی سٹرکچر، اس کے افعال، حرکیات اور لیگنڈز اور دوسرے میکرو مالیکیولز کے ساتھ تعامل کے بارے میں تفصیلی معلومات فراہم کرتی ہے۔
7.1 — سٹرکچرل بائیولوجی کے اطلاقات۔ سٹرکچرل بائیولوجی کے اطلاقات کی وسیع رینج ہے خاص طور پر میڈیکل ریسرچ کے میدان میں۔ ان میں سے بعض یہاں زیر بحث ہیں:
1- ایکٹو سائٹس اور ڈومینز کا تعین۔ سٹرکچرل بائیولوجسٹ پروٹینز اور نیوکلک ایسڈز جیسے میکرو مالیکیولز کی تھری ڈائمینشنل (3D) سٹرکچرز معلوم کر سکتے ہیں۔ 3D سٹرکچرز میکرو مالیکیولز کے ایکٹو سائٹس اور مختلف ڈومینز (آزاد افعال والی ممتاز سٹرکچرل اکائیاں) کی درست جگہ، شکل اور ماحول ظاہر کرتی ہیں۔ مثال کے طور پر، انزائم HIV-1 ریورس ٹرانسکرپٹیز کے سٹرکچرل مطالعات نے اس کے پولیمریز ڈومین (جو DNA بناتا ہے) اور RNase H ڈومین (جو RNA-DNA ہائبرڈز کی RNA سٹرینڈ کو توڑتا ہے) کی شناخت کی ہے۔ ان ڈومینز کی جگہ اور سٹرکچر جاننے سے ایسی اینٹی وائرل ادویات بنانے میں مدد ملی ہے جو خاص طور پر انہیں نشانہ بناتی ہیں۔ اسی طرح، سیرین پروٹیز کی سٹرکچر اس کی اچھی طرح متعین ایکٹو سائٹ ظاہر کرتی ہے، جو پیپٹائڈ بانڈز توڑنے کی ذمہ دار ہے۔
2- ڈرگ ٹارگٹس کی شناخت۔ سٹرکچرل بائیولوجی سائنسدانوں کو بیماری پیدا کرنے والے مالیکیول پر وہ درست جگہ تلاش کرنے میں مدد دیتی ہے جہاں دوا کام کر سکتی ہے۔ یہ جگہیں عام طور پر پروٹینز ہوتی ہیں اور انہیں ڈرگ ٹارگٹس کہتے ہیں۔ ان پروٹینز کی 3D شکل کا مطالعہ کر کے سائنسدان مخصوص مقامات تلاش کر سکتے ہیں جہاں دوا جڑ کر پروٹین کو کام کرنے سے روک سکتی ہے۔ مثال کے طور پر، COVID-19 میں سائنسدانوں نے کورونا وائرس (SARS-CoV-2) کے اسپائک پروٹین کا مطالعہ کرنے کے لیے سٹرکچرل بائیولوجی استعمال کی۔ یہ پروٹین وائرس کو انسانی خلیوں میں داخل ہونے میں مدد دیتا ہے۔ اس کی 3D سٹرکچر جان کر سائنسدانوں نے اسے ڈرگ ٹارگٹ کے طور پر پہچانا۔ اس طرح وہ ویکسینز اور ادویات بناتے ہیں جو اسپائک پروٹین کو بلاک کرتی ہیں، جس سے وائرس مزید خلیوں کو متاثر نہیں کر پاتا۔
3- ہوسٹ-پیتھوجن تعاملات کی شناخت۔ سٹرکچرل بائیولوجی یہ سمجھنے میں بھی مدد دیتی ہے کہ پیتھوجنز (جیسے وائرس یا بیکٹیریا) میزبان کے جسمانی خلیوں کے ساتھ کیسے تعامل کرتے ہیں۔ اسے ہوسٹ-پیتھوجن تعامل کہتے ہیں۔ پیتھوجن اور میزبان خلیے کے پروٹینز دونوں کی 3D سٹرکچرز کا مطالعہ کر کے سائنسدان دیکھ سکتے ہیں کہ پیتھوجن میزبان خلیے سے کیسے جڑتا اور اس میں داخل ہوتا ہے، اور اس عمل میں کون سے مالیکیولز شامل ہیں۔ مثال کے طور پر، سٹرکچرل بائیولوجسٹوں نے کورونا وائرس کے اسپائک پروٹین کا مطالعہ کیا، جو وائرس کی سطح سے باہر نکلا ہوتا ہے۔ انہوں نے انسانی خلیوں پر موجود اس پروٹین کو بھی دیکھا جو وائرس اسپائک پروٹین کے ریسیپٹر کے طور پر کام کرتا ہے۔ چنانچہ سائنسدان بالکل درست طور پر دریافت کرتے ہیں کہ وائرس انسانی خلیوں میں کیسے داخل ہوتا ہے۔ یہ معلومات ایسی ادویات بنانے میں نہایت اہم ہیں جو ریسیپٹر پروٹینز سے جڑ سکیں۔ ایسی دوا وائرس اور میزبان خلیوں کے تعامل کو روکتی ہے اور نتیجتاً وائرس کے میزبان خلیوں میں داخلے کو بلاک کر دیتی ہے۔
4- پروٹین مس فولڈنگ کی شناخت۔ پروٹینز کا کام ان کی تھری ڈائمینشنل شکلوں میں درست فولڈنگ پر منحصر ہے۔ کئی بیماریاں (جن میں سسٹک فائبروسز، پارکنسنز، الزائمر شامل ہیں) پروٹینز کی غلط فولڈنگ کی وجہ سے پیدا ہوتی ہیں۔ سٹرکچرل بائیولوجی فولڈنگ کے پیچیدہ راستوں اور مس فولڈنگ سے بیماریاں پیدا ہونے کے طریقے کی سمجھ فراہم کرتی ہے۔
X-ray crystallography was developed in 1912 by William Henry Bragg and William Lawrence Bragg. They were awarded 1915 Nobel Prize in Physics for their work. Since then it has been used to analyze the diverse substances including minerals, salts, metals, proteins, carbohydrates, nucleic acids and vitamins. In this technique, x-rays beam strikes a crystals and atoms and molecules in the crystals diffract the x-rays beam in specific directions. From the angles and intensities of diffracted beams, a 3D picture of electron density within the crystals are produced. The electron density is exploited to create 3D structure of the molecule.
In order to understand the working of X-ray crystallography, let us take the example of protein structure determination. The method can be divided into following steps:
(i) Protein crystallization: Protein crystallization means turning a purified protein into a solid crystal form. Crystals are needed because they arrange protein molecules in a regular, repeating pattern, which is important for getting a clear image during the X-ray process. To make crystals, scientists slowly mix the protein with special solutions that cause the protein molecules to stick together in an orderly way. This process can take hours, days, or even weeks. It often requires careful control of temperature, pH, and salt concentration. Once a clear and stable protein crystal is formed, it can be used in the next steps.
(ii) Production of a diffraction pattern: Once a good quality crystal is formed, it is mounted on the x-ray machine. The x-rays beam is bombarded at the crystal at various angles. The atoms in the crystal diffract the x-rays beam and a diffraction pattern (which is a series of spots) is created on the detectors.
(iii) Creating density map: The angles and intensities of these spots contain information about the arrangement of atoms in the crystal. Diffraction pattern is used to make a density map.
(iv) Determination of protein structure: Then the data is analyzed mathematically by using computational programs. These calculations transform data into the 3D structure of protein.
ایکس رے کرسٹلوگرافی 1912 میں ولیم ہنری بریگ اور ولیم لارنس بریگ نے تیار کی۔ انہیں اس کام پر 1915 کا فزکس کا نوبل انعام دیا گیا۔ تب سے یہ منرلز، نمکیات، دھاتوں، پروٹینز، کاربوہائیڈریٹس، نیوکلک ایسڈز اور وٹامنز سمیت متنوع مادوں کے تجزیے کے لیے استعمال ہو رہی ہے۔ اس تکنیک میں ایکس ریز کی شعاع کرسٹلز سے ٹکراتی ہے اور کرسٹلز میں موجود ایٹمز اور مالیکیولز ایکس ریز کی شعاع کو مخصوص سمتوں میں ڈفریکٹ کرتے ہیں۔ ڈفریکٹ شدہ شعاعوں کے زاویوں اور شدتوں سے کرسٹلز کے اندر الیکٹران ڈینسٹی کی 3D تصویر بنتی ہے۔ الیکٹران ڈینسٹی کو مالیکیول کی 3D سٹرکچر بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
ایکس رے کرسٹلوگرافی کے کام کو سمجھنے کے لیے آئیے پروٹین سٹرکچر کے تعین کی مثال لیں۔ اس طریقے کو درج ذیل مراحل میں تقسیم کیا جا سکتا ہے:
(i) پروٹین کرسٹلائزیشن: پروٹین کرسٹلائزیشن کا مطلب ہے خالص پروٹین کو ٹھوس کرسٹل شکل میں بدلنا۔ کرسٹلز اس لیے ضروری ہیں کہ وہ پروٹین مالیکیولز کو باقاعدہ، دہرائے جانے والے پیٹرن میں ترتیب دیتے ہیں، جو ایکس رے کے عمل کے دوران واضح تصویر حاصل کرنے کے لیے اہم ہے۔ کرسٹلز بنانے کے لیے سائنسدان پروٹین کو آہستہ آہستہ مخصوص محلولوں کے ساتھ ملاتے ہیں جس سے پروٹین مالیکیولز منظم طریقے سے آپس میں جڑ جاتے ہیں۔ اس عمل میں گھنٹے، دن یا ہفتے بھی لگ سکتے ہیں۔ اس میں اکثر درجہ حرارت، pH اور نمک کی مقدار کا محتاط کنٹرول درکار ہوتا ہے۔ ایک بار واضح اور مستحکم پروٹین کرسٹل بن جائے تو اسے اگلے مراحل میں استعمال کیا جا سکتا ہے۔
(ii) ڈفریکشن پیٹرن کی تیاری: ایک بار اچھی کوالٹی کا کرسٹل بن جائے تو اسے ایکس رے مشین پر لگایا جاتا ہے۔ ایکس ریز کی شعاع مختلف زاویوں سے کرسٹل پر برسائی جاتی ہے۔ کرسٹل میں موجود ایٹمز ایکس ریز کی شعاع کو ڈفریکٹ کرتے ہیں اور ڈیٹیکٹرز پر ایک ڈفریکشن پیٹرن (جو دھبوں کی ایک سیریز ہے) بن جاتا ہے۔
(iii) ڈینسٹی میپ بنانا: ان دھبوں کے زاویے اور شدتیں کرسٹل میں ایٹمز کی ترتیب کے بارے میں معلومات رکھتی ہیں۔ ڈفریکشن پیٹرن کو ڈینسٹی میپ بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
(iv) پروٹین سٹرکچر کا تعین: پھر ڈیٹا کا کمپیوٹیشنل پروگراموں کے ذریعے ریاضیاتی تجزیہ کیا جاتا ہے۔ یہ حسابات ڈیٹا کو پروٹین کی 3D سٹرکچر میں بدل دیتے ہیں۔
Computational biology is an interdisciplinary field that uses computational techniques and tools to solve biological problems. It integrates knowledge from biology, computer science, mathematics, and statistics to analyze and interpret biological data. The importance of computational biology lies in its ability to handle large datasets, uncover hidden patterns, and generate predictive models that can lead to new biological insights and applications. Major areas in the computational biology include:
(i) Genomics is the study of genomes, which are the complete set of DNA within a single cell of an organism. Genomics involves sequencing, assembling, and analyzing the function and structure of genomes. It helps in understanding genetic variations, gene function, and evolutionary relationships.
(ii) Proteomics is the large-scale study of proteins, including their structures and functions. Proteins are essential molecules that perform many functions within organisms. Proteomics aims to map the entire set of proteins (the proteome) produced by an organism and understand their interactions and roles in cellular processes.
(iii) Bioinformatics is the application of computer technology to manage and analyze biological data. Bioinformatics tools and techniques are used to store, retrieve, and analyze DNA, RNA, and protein sequences.
Applications of Computational Biology. Though computational biology has vast application, some of these are discussed here.
(i) Drug Discovery: Computational biology helps in identifying potential drug targets and simulating the effects of drugs on biological systems. It accelerates the drug discovery process by predicting how drugs interact with proteins and other molecules.
(ii) Genetic Research: By analyzing DNA sequences, computational biology helps identify genetic variations associated with diseases. It aids in understanding the genetic basis of diseases and can lead to the development of personalized medicine.
(iii) Evolutionary Biology: Computational tools are used to compare genetic information across different species, helping to reconstruct evolutionary relationships and understand the process of evolution.
کمپیوٹیشنل بائیولوجی ایک بین الشعبہ جاتی میدان ہے جو حیاتیاتی مسائل حل کرنے کے لیے کمپیوٹیشنل تکنیکوں اور آلات کا استعمال کرتا ہے۔ یہ حیاتیاتی ڈیٹا کا تجزیہ اور تشریح کرنے کے لیے بائیولوجی، کمپیوٹر سائنس، ریاضی اور شماریات کے علم کو یکجا کرتا ہے۔ کمپیوٹیشنل بائیولوجی کی اہمیت اس کی بڑے ڈیٹا سیٹس کو سنبھالنے، پوشیدہ پیٹرنز دریافت کرنے اور پیش گوئی والے ماڈلز بنانے کی صلاحیت میں ہے جو نئی حیاتیاتی بصیرتوں اور اطلاقات کا باعث بن سکتے ہیں۔ کمپیوٹیشنل بائیولوجی کے اہم شعبے یہ ہیں:
(i) جینومکس جینومز کا مطالعہ ہے، جو کسی جاندار کے ایک خلیے کے اندر DNA کا مکمل سیٹ ہوتے ہیں۔ جینومکس میں جینومز کی سیکوئنسنگ، اسمبلنگ اور ان کے کام اور سٹرکچر کا تجزیہ شامل ہے۔ یہ جینیاتی تغیرات، جین کے کام اور ارتقائی تعلقات کو سمجھنے میں مدد دیتی ہے۔
(ii) پروٹیومکس پروٹینز کا بڑے پیمانے پر مطالعہ ہے، جن میں ان کی سٹرکچرز اور افعال شامل ہیں۔ پروٹینز ضروری مالیکیولز ہیں جو جانداروں کے اندر بہت سے کام انجام دیتے ہیں۔ پروٹیومکس کا مقصد کسی جاندار کے تیار کردہ پروٹینز کا پورا سیٹ (پروٹیوم) نقشے پر لانا اور سیلولر عمل میں ان کے تعاملات اور کردار کو سمجھنا ہے۔
(iii) بائیو انفارمیٹکس حیاتیاتی ڈیٹا کو سنبھالنے اور تجزیہ کرنے کے لیے کمپیوٹر ٹیکنالوجی کا اطلاق ہے۔ بائیو انفارمیٹکس کے آلات اور تکنیکیں DNA، RNA اور پروٹین سیکوئنسز کو محفوظ کرنے، حاصل کرنے اور تجزیہ کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہیں۔
کمپیوٹیشنل بائیولوجی کے اطلاقات۔ اگرچہ کمپیوٹیشنل بائیولوجی کے وسیع اطلاقات ہیں، ان میں سے بعض یہاں زیر بحث ہیں۔
(i) ڈرگ ڈسکوری: کمپیوٹیشنل بائیولوجی ممکنہ ڈرگ ٹارگٹس کی شناخت اور حیاتیاتی نظاموں پر ادویات کے اثرات کی نقالی میں مدد دیتی ہے۔ یہ پیش گوئی کر کے کہ ادویات پروٹینز اور دوسرے مالیکیولز کے ساتھ کیسے تعامل کرتی ہیں، ڈرگ ڈسکوری کے عمل کو تیز کرتی ہے۔
(ii) جینیاتی تحقیق: DNA سیکوئنسز کا تجزیہ کر کے کمپیوٹیشنل بائیولوجی بیماریوں سے وابستہ جینیاتی تغیرات کی شناخت میں مدد دیتی ہے۔ یہ بیماریوں کی جینیاتی بنیاد کو سمجھنے میں مدد دیتی ہے اور پرسنلائزڈ میڈیسن کی تیاری کا باعث بن سکتی ہے۔
(iii) ارتقائی بائیولوجی: کمپیوٹیشنل آلات مختلف انواع میں جینیاتی معلومات کا موازنہ کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں، جس سے ارتقائی تعلقات کی تعمیر نو اور ارتقاء کے عمل کو سمجھنے میں مدد ملتی ہے۔
Key Databases: Here are some of the key databases used to analyze nucleic acid and proteins.
GenBank: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/ — It is a comprehensive public database of nucleotide sequences and supporting bibliographic and biological annotations. It provides access to a vast repository of DNA sequences from various organisms, facilitating genetic research and comparative genomics.
Protein Data Bank (PDB). This database provides 3D structural data of large biological molecules, such as proteins and nucleic acids. It is important for studying the structures of macromolecules, understanding their functions, and designing drugs that target specific protein structures.
Ensembl. It is a genome browser providing information on genome sequences, gene models, and comparative genomics for various species. Ensembl helps to access and visualize genomic data, supporting studies in genomics and evolutionary biology.
Key Algorithms. In addition to above mentioned databases, some algorithms being used in data analysis are discussed below.
BLAST (Basic Local Alignment Search Tool): It is used for comparing primary biological sequence information, such as the amino-acid sequences of proteins or the nucleotides of DNA sequences. It helps identify homologous sequences, predict functions of unknown genes, and study evolutionary relationships.
FASTA: It is a sequence alignment tool that compares a query sequence to a database of sequences to find regions of similarity. It is used for searching protein and nucleotide databases, identifying sequence homology, and analyzing sequence alignments.
اہم ڈیٹا بیسز: نیوکلک ایسڈ اور پروٹینز کا تجزیہ کرنے کے لیے استعمال ہونے والے بعض اہم ڈیٹا بیسز یہ ہیں۔
جین بینک: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/ — یہ نیوکلیوٹائیڈ سیکوئنسز اور معاون ببلیوگرافک اور حیاتیاتی تشریحات کا ایک جامع عوامی ڈیٹا بیس ہے۔ یہ مختلف جانداروں سے DNA سیکوئنسز کے وسیع ذخیرے تک رسائی فراہم کرتا ہے، جس سے جینیاتی تحقیق اور تقابلی جینومکس میں سہولت ہوتی ہے۔
پروٹین ڈیٹا بینک (PDB)۔ یہ ڈیٹا بیس بڑے حیاتیاتی مالیکیولز، جیسے پروٹینز اور نیوکلک ایسڈز، کا 3D سٹرکچرل ڈیٹا فراہم کرتا ہے۔ یہ میکرو مالیکیولز کی سٹرکچرز کا مطالعہ کرنے، ان کے افعال کو سمجھنے اور مخصوص پروٹین سٹرکچرز کو نشانہ بنانے والی ادویات بنانے کے لیے اہم ہے۔
اینسمبل۔ یہ ایک جینوم براؤزر ہے جو مختلف انواع کے لیے جینوم سیکوئنسز، جین ماڈلز اور تقابلی جینومکس کے بارے میں معلومات فراہم کرتا ہے۔ اینسمبل جینومک ڈیٹا تک رسائی اور اسے دیکھنے میں مدد دیتا ہے، جس سے جینومکس اور ارتقائی بائیولوجی کے مطالعات میں مدد ملتی ہے۔
اہم الگورتھمز۔ اوپر بیان کردہ ڈیٹا بیسز کے علاوہ، ڈیٹا کے تجزیے میں استعمال ہونے والے بعض الگورتھمز ذیل میں زیر بحث ہیں۔
بلاسٹ (Basic Local Alignment Search Tool): یہ بنیادی حیاتیاتی سیکوئنس کی معلومات کا موازنہ کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے، جیسے پروٹینز کے امائنو ایسڈ سیکوئنسز یا DNA سیکوئنسز کے نیوکلیوٹائیڈز۔ یہ ہومولوگس سیکوئنسز کی شناخت، نامعلوم جینز کے افعال کی پیش گوئی اور ارتقائی تعلقات کا مطالعہ کرنے میں مدد دیتا ہے۔
فاسٹا: یہ ایک سیکوئنس الائنمنٹ ٹول ہے جو مماثلت کے علاقے تلاش کرنے کے لیے کسی استفساری سیکوئنس کا سیکوئنسز کے ڈیٹا بیس سے موازنہ کرتا ہے۔ یہ پروٹین اور نیوکلیوٹائیڈ ڈیٹا بیسز تلاش کرنے، سیکوئنس ہومولوجی کی شناخت اور سیکوئنس الائنمنٹس کا تجزیہ کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔
7.4- Sequence Homology. Sequence homology refers to the similarity between DNA, RNA, or protein sequences due to shared ancestry. Homologous sequences have evolved from a common ancestral sequence and can be categorized into two main types: (i) Orthologs: Sequences in different species that originated from a common ancestral gene during speciation. Orthologs often retain the same function across species. (ii) Paralogs: Sequences within the same species that originated from gene duplication. Paralogs can evolve new functions even if they originally arise from the same ancestral gene.
Sequence homology provides an insight into the evolutionary relationships between organisms. By comparing homologous sequences, scientists can infer the evolutionary history and divergence of species. Furthermore, sequence homology provides a clue about the function of an unknown gene or protein. If an unknown gene/protein is homologous to a gene/protein with a known function, it is likely to have a similar function. Additionally, identifying homologous genes involved in diseases across different species helps in understanding disease mechanisms and developing treatments. Homologous genes in model organisms can be studied to gain insights into human diseases.
Structural Homology. Structural homology refers to the similarity in the three-dimensional structures of proteins or other macromolecules due to shared ancestry. Proteins with similar structures often perform similar functions, even if their sequences are not highly similar. The three-dimensional structure of a protein provides critical information about its function. Understanding structural homology helps in predicting the function of newly discovered proteins. Furthermore, structural homology is crucial in drug design, as drugs are often designed to interact with specific protein structures. Understanding the structural relationships between proteins can help in designing more effective drugs. Also studying the structural homology of proteins helps in understanding the evolutionary processes that shape protein functions and interactions.
7.4- سیکوئنس ہومولوجی۔ سیکوئنس ہومولوجی سے مراد مشترکہ آبا کی وجہ سے DNA، RNA یا پروٹین سیکوئنسز کے درمیان مماثلت ہے۔ ہومولوگس سیکوئنسز ایک مشترکہ آبائی سیکوئنس سے ارتقاء پذیر ہوئی ہیں اور انہیں دو اہم اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: (i) آرتھولوگز: مختلف انواع میں وہ سیکوئنسز جو سپیسی ایشن کے دوران ایک مشترکہ آبائی جین سے پیدا ہوئیں۔ آرتھولوگز اکثر انواع میں ایک ہی کام برقرار رکھتے ہیں۔ (ii) پیرالوگز: ایک ہی نوع کے اندر وہ سیکوئنسز جو جین ڈپلیکیشن سے پیدا ہوئیں۔ پیرالوگز نئے افعال ارتقاء پذیر کر سکتے ہیں چاہے وہ اصل میں ایک ہی آبائی جین سے پیدا ہوئے ہوں۔
سیکوئنس ہومولوجی جانداروں کے درمیان ارتقائی تعلقات کے بارے میں بصیرت فراہم کرتی ہے۔ ہومولوگس سیکوئنسز کا موازنہ کر کے سائنسدان انواع کی ارتقائی تاریخ اور انحراف کا اندازہ لگا سکتے ہیں۔ مزید برآں، سیکوئنس ہومولوجی کسی نامعلوم جین یا پروٹین کے کام کے بارے میں سراغ دیتی ہے۔ اگر کوئی نامعلوم جین/پروٹین معلوم کام والے جین/پروٹین سے ہومولوگس ہے تو اس کا کام بھی ملتا جلتا ہونے کا امکان ہے۔ اس کے علاوہ، مختلف انواع میں بیماریوں میں ملوث ہومولوگس جینز کی شناخت بیماری کے میکانزم کو سمجھنے اور علاج تیار کرنے میں مدد دیتی ہے۔ ماڈل جانداروں میں ہومولوگس جینز کا مطالعہ انسانی بیماریوں کے بارے میں بصیرت حاصل کرنے کے لیے کیا جا سکتا ہے۔
سٹرکچرل ہومولوجی۔ سٹرکچرل ہومولوجی سے مراد مشترکہ آبا کی وجہ سے پروٹینز یا دوسرے میکرو مالیکیولز کی تھری ڈائمینشنل سٹرکچرز میں مماثلت ہے۔ ملتی جلتی سٹرکچرز والے پروٹینز اکثر ملتے جلتے افعال انجام دیتے ہیں، چاہے ان کی سیکوئنسز زیادہ ملتی جلتی نہ ہوں۔ کسی پروٹین کی تھری ڈائمینشنل سٹرکچر اس کے کام کے بارے میں اہم معلومات فراہم کرتی ہے۔ سٹرکچرل ہومولوجی کو سمجھنے سے نئے دریافت شدہ پروٹینز کے کام کی پیش گوئی میں مدد ملتی ہے۔ مزید برآں، سٹرکچرل ہومولوجی ڈرگ ڈیزائن میں نہایت اہم ہے، کیونکہ ادویات اکثر مخصوص پروٹین سٹرکچرز کے ساتھ تعامل کے لیے بنائی جاتی ہیں۔ پروٹینز کے درمیان سٹرکچرل تعلقات کو سمجھنے سے زیادہ مؤثر ادویات بنانے میں مدد مل سکتی ہے۔ نیز پروٹینز کی سٹرکچرل ہومولوجی کا مطالعہ ان ارتقائی عمل کو سمجھنے میں مدد دیتا ہے جو پروٹین افعال اور تعاملات کو شکل دیتے ہیں۔
یہ exercise کتاب کے printed pages 175–176 سے لی گئی ہے — تمام سوال کتاب کے اپنے ہیں, جواب کے ساتھ.
1. Generally, the function of a protein depends on its:
Answer: (c) Three-dimensional structure — Protein کا کام اس کی 3D shape پر منحصر ہے; صحیح folding ہی active site اور function بناتی ہے. پروٹین کا کام اس کی تھری ڈائمینشنل شکل پر منحصر ہے۔
2. The protein domains are:
Answer: (a) Functional and structural units within protein — Domain protein کی ایک ایسی distinct unit ہے جو اپنا آزاد کام رکھتی ہے, جیسے HIV reverse transcriptase کا polymerase domain. ڈومین پروٹین کی ایک ممتاز اکائی ہے جو اپنا آزاد کام رکھتی ہے۔
3. The first step in x-ray crystallography experiment is:
Answer: (d) Grow a crystal — پہلا مرحلہ protein crystallization ہے: خالص protein کو solid crystal بنایا جاتا ہے, پھر اس پر X-rays ڈالی جاتی ہیں. پہلا مرحلہ پروٹین کرسٹلائزیشن ہے۔
4. What is primary role of computational biology?
Answer: (a) Using computer algorithms to analyze data — Computational biology کا بنیادی کام computer techniques سے بڑا biological data analyze اور interpret کرنا ہے. کمپیوٹیشنل بائیولوجی کا بنیادی کام کمپیوٹر سے حیاتیاتی ڈیٹا کا تجزیہ ہے۔
5. Which computational approach is used to predict protein structure based on amino acid sequence?
Answer: (b) Homology modelling — اگر protein کی sequence کسی معلوم protein سے ملتی ہے تو اس کا 3D model اس template کی نقل سے بنایا جاتا ہے; اسی کو homology modelling کہتے ہیں. ہومولوجی ماڈلنگ میں معلوم پروٹین کی نقل سے نامعلوم پروٹین کا ماڈل بنایا جاتا ہے۔
Domains are distinct structural units of a protein with independent functions. A protein's 3D structure reveals the exact location, shape and environment of its domains — for example, HIV-1 reverse transcriptase has a polymerase domain (synthesizes DNA) and an RNase H domain (breaks down the RNA strand of RNA-DNA hybrids).
The coronavirus spike protein sticks out from the surface of the virus and binds to a receptor protein on the human cell (ACE2). This binding lets the virus attach to and enter the host cell. Drugs that bind the receptor proteins can block this interaction and prevent the virus from entering the host cells.
Genomics is the study of genomes — the complete set of DNA within a single cell of an organism. It involves sequencing, assembling, and analyzing the function and structure of genomes, and helps in understanding genetic variations, gene function, and evolutionary relationships.
Genomics is the study of genomes (the complete set of DNA in a cell) — sequencing, assembling and analyzing DNA. Proteomics is the large-scale study of proteins, including their structures and functions — mapping the entire set of proteins (proteome) produced by an organism and understanding their interactions and roles in cellular processes. In short: genomics studies the DNA blueprint, proteomics studies the protein products made from it.
GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/) is a comprehensive public database of nucleotide sequences and supporting bibliographic and biological annotations. It provides access to a vast repository of DNA sequences from various organisms, facilitating genetic research and comparative genomics.
The Protein Data Bank (PDB) is a database that provides 3D structural data of large biological molecules, such as proteins and nucleic acids. It is important for studying the structures of macromolecules, understanding their functions, and designing drugs that target specific protein structures.
Structural biology has a wide range of applications, especially in medical research: (1) Determining active sites and domains — 3D structures reveal the exact location, shape and environment of active sites and domains (distinct structural units with independent functions). E.g. HIV-1 reverse transcriptase: polymerase domain (synthesizes DNA) and RNase H domain (breaks RNA strand of RNA-DNA hybrids) — knowing them helped design antiviral drugs targeting them; serine protease's active site breaks peptide bonds. (2) Identifying drug targets — the right place on a disease-causing molecule (usually a protein) where a drug can attach and stop it; e.g. COVID-19 spike protein of SARS-CoV-2 was identified as a drug target, and vaccines/medicines block it. (3) Identifying host-pathogen interactions — 3D structures of pathogen and host cell proteins show how the pathogen attaches/enters; e.g. coronavirus spike binds the human cell receptor, and drugs binding receptor proteins block virus entry. (4) Identifying protein misfolding — protein function depends on correct 3D folding; diseases like cystic fibrosis, Parkinson's and Alzheimer's arise from incorrect folding, and structural biology explains the folding pathways and how misfolding causes disease.
Principle: X-ray crystallography (developed 1912 by William Henry Bragg and William Lawrence Bragg; 1915 Nobel Prize in Physics) is based on diffraction: when an x-ray beam strikes a crystal, the atoms and molecules in the crystal diffract the beam in specific directions. From the angles and intensities of the diffracted beams, a 3D picture of electron density within the crystal is produced, and the electron density is used to create the 3D structure of the molecule. It is used for minerals, salts, metals, proteins, carbohydrates, nucleic acids and vitamins. Working (protein structure determination) — 4 steps: (i) Protein crystallization: purified protein is turned into a solid crystal (regular, repeating arrangement) by slowly mixing it with special solutions; takes hours, days or weeks with careful control of temperature, pH and salt concentration. (ii) Production of diffraction pattern: the crystal is mounted on the x-ray machine and bombarded with x-rays at various angles; atoms diffract the beam and a pattern (series of spots) is created on detectors. (iii) Creating density map: the angles and intensities of the spots give the arrangement of atoms, used to make a density map. (iv) Determination of protein structure: data is analyzed mathematically by computational programs which transform it into the 3D structure of the protein.
GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/) is a comprehensive public database of nucleotide sequences with supporting bibliographic and biological annotations — a vast repository of DNA sequences from various organisms, facilitating genetic research and comparative genomics. Protein Data Bank (PDB) provides 3D structural data of large biological molecules (proteins, nucleic acids) — important for studying macromolecule structures, understanding their functions, and designing drugs that target specific protein structures. Ensembl is a genome browser providing genome sequences, gene models and comparative genomics for various species — it helps access and visualize genomic data, supporting genomics and evolutionary biology studies. Along with these databases, key algorithms are used: BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) compares primary biological sequences (amino acids or nucleotides) to identify homologous sequences, predict functions of unknown genes and study evolutionary relationships; FASTA compares a query sequence to a database to find regions of similarity, used for searching protein/nucleotide databases and analyzing sequence alignments.
سٹرکچرل بائیولوجی کے اطلاقات کی وسیع رینج ہے، خاص طور پر میڈیکل ریسرچ میں: (1) ایکٹو سائٹس اور ڈومینز کا تعین — 3D سٹرکچرز ایکٹو سائٹس اور ڈومینز (آزاد افعال والی ممتاز سٹرکچرل اکائیاں) کی درست جگہ، شکل اور ماحول ظاہر کرتی ہیں۔ مثال: HIV-1 ریورس ٹرانسکرپٹیز کا پولیمریز ڈومین (DNA بناتا ہے) اور RNase H ڈومین (RNA-DNA ہائبرڈز کی RNA سٹرینڈ توڑتا ہے) — انہیں جاننے سے ایسی اینٹی وائرل ادویات بنانے میں مدد ملی جو انہیں نشانہ بناتی ہیں؛ سیرین پروٹیز کی ایکٹو سائٹ پیپٹائڈ بانڈز توڑتی ہے۔ (2) ڈرگ ٹارگٹس کی شناخت — بیماری پیدا کرنے والے مالیکیول (عام طور پر پروٹین) پر وہ درست جگہ جہاں دوا جڑ کر اسے روک سکے؛ مثال: COVID-19 کے SARS-CoV-2 کے اسپائک پروٹین کو ڈرگ ٹارگٹ پہچانا گیا اور ویکسینز/ادویات اسے بلاک کرتی ہیں۔ (3) ہوسٹ-پیتھوجن تعاملات کی شناخت — پیتھوجن اور میزبان خلیے کے پروٹینز کی 3D سٹرکچرز بتاتی ہیں کہ پیتھوجن کیسے جڑتا اور داخل ہوتا ہے؛ مثال: کورونا وائرس اسپائک انسانی خلیے کے ریسیپٹر سے جڑتا ہے، اور ریسیپٹر پروٹینز سے جڑنے والی ادویات وائرس کے داخلے کو بلاک کرتی ہیں۔ (4) پروٹین مس فولڈنگ کی شناخت — پروٹین کا کام درست 3D فولڈنگ پر منحصر ہے؛ سسٹک فائبروسز، پارکنسنز اور الزائمر جیسی بیماریاں غلط فولڈنگ سے پیدا ہوتی ہیں، اور سٹرکچرل بائیولوجی فولڈنگ کے راستوں اور مس فولڈنگ سے بیماری پیدا ہونے کے طریقے کی وضاحت کرتی ہے۔
اصول: ایکس رے کرسٹلوگرافی (1912 میں ولیم ہنری بریگ اور ولیم لارنس بریگ نے تیار کی؛ 1915 کا فزکس کا نوبل انعام) ڈفریکشن پر مبنی ہے: جب ایکس رے کی شعاع کرسٹل سے ٹکراتی ہے تو کرسٹل میں موجود ایٹمز اور مالیکیولز شعاع کو مخصوص سمتوں میں ڈفریکٹ کرتے ہیں۔ ڈفریکٹ شدہ شعاعوں کے زاویوں اور شدتوں سے کرسٹل کے اندر الیکٹران ڈینسٹی کی 3D تصویر بنتی ہے، اور الیکٹران ڈینسٹی سے مالیکیول کی 3D سٹرکچر بنائی جاتی ہے۔ یہ منرلز، نمکیات، دھاتوں، پروٹینز، کاربوہائیڈریٹس، نیوکلک ایسڈز اور وٹامنز کے لیے استعمال ہوتی ہے۔ کام (پروٹین سٹرکچر کا تعین) — 4 مراحل: (i) پروٹین کرسٹلائزیشن: خالص پروٹین کو مخصوص محلولوں کے ساتھ آہستہ آہستہ ملا کر ٹھوس کرسٹل (باقاعدہ، دہرائے جانے والا انتظام) بنایا جاتا ہے؛ اس میں گھنٹے، دن یا ہفتے لگ سکتے ہیں اور درجہ حرارت، pH اور نمک کی مقدار کا محتاط کنٹرول درکار ہوتا ہے۔ (ii) ڈفریکشن پیٹرن کی تیاری: کرسٹل کو ایکس رے مشین پر لگا کر مختلف زاویوں سے ایکس ریز برسائی جاتی ہیں؛ ایٹمز شعاع کو ڈفریکٹ کرتے ہیں اور ڈیٹیکٹرز پر دھبوں کا پیٹرن بن جاتا ہے۔ (iii) ڈینسٹی میپ بنانا: دھبوں کے زاویے اور شدتیں ایٹمز کی ترتیب بتاتی ہیں، جن سے ڈینسٹی میپ بنایا جاتا ہے۔ (iv) پروٹین سٹرکچر کا تعین: ڈیٹا کا کمپیوٹیشنل پروگراموں سے ریاضیاتی تجزیہ کیا جاتا ہے جو اسے پروٹین کی 3D سٹرکچر میں بدل دیتا ہے۔
جین بینک (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/) نیوکلیوٹائیڈ سیکوئنسز اور معاون ببلیوگرافک اور حیاتیاتی تشریحات کا ایک جامع عوامی ڈیٹا بیس ہے — مختلف جانداروں سے DNA سیکوئنسز کا وسیع ذخیرہ، جو جینیاتی تحقیق اور تقابلی جینومکس میں سہولت دیتا ہے۔ پروٹین ڈیٹا بینک (PDB) بڑے حیاتیاتی مالیکیولز (پروٹینز، نیوکلک ایسڈز) کا 3D سٹرکچرل ڈیٹا فراہم کرتا ہے — میکرو مالیکیولز کی سٹرکچرز کا مطالعہ، ان کے افعال کو سمجھنا اور مخصوص پروٹین سٹرکچرز کو نشانہ بنانے والی ادویات بنانے کے لیے اہم ہے۔ اینسمبل ایک جینوم براؤزر ہے جو مختلف انواع کے لیے جینوم سیکوئنسز، جین ماڈلز اور تقابلی جینومکس فراہم کرتا ہے — جینومک ڈیٹا تک رسائی اور اسے دیکھنے میں مدد دیتا ہے، جس سے جینومکس اور ارتقائی بائیولوجی کے مطالعات میں مدد ملتی ہے۔ ان ڈیٹا بیسز کے ساتھ اہم الگورتھمز بھی استعمال ہوتے ہیں: بلاسٹ (Basic Local Alignment Search Tool) بنیادی حیاتیاتی سیکوئنسز (امائنو ایسڈز یا نیوکلیوٹائیڈز) کا موازنہ کر کے ہومولوگس سیکوئنسز کی شناخت، نامعلوم جینز کے افعال کی پیش گوئی اور ارتقائی تعلقات کا مطالعہ کرتا ہے؛ فاسٹا کسی استفساری سیکوئنس کا ڈیٹا بیس سے موازنہ کر کے مماثلت کے علاقے تلاش کرتا ہے، جو پروٹین/نیوکلیوٹائیڈ ڈیٹا بیسز تلاش کرنے اور سیکوئنس الائنمنٹس کا تجزیہ کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔
Structural biology can determine the 3D structure of the new virus — especially its surface proteins (like the spike protein) that it uses to enter human cells. By knowing the exact shape of these proteins, scientists can: (1) identify them as drug targets and design vaccines and medicines that block them, preventing the virus from infecting more cells; (2) study how the virus interacts with host cell receptors, so drugs can be designed to bind the receptors and block entry; (3) compare the virus with known members of family X — if its proteins are homologous to known viruses, their known functions and weaknesses can guide the response quickly. In short, structure reveals the virus's weak points before it spreads further.
First, use sequence-comparison tools like BLAST and FASTA to compare the unknown amino acid sequence with databases (GenBank, PDB). If the sequence matches (is homologous to) a known protein, its function is likely similar — this predicts the function. Then use homology modelling: take the known protein's 3D structure from PDB as a template, align the two sequences, and build a predicted 3D model of the unknown protein by copying the template's fold. The model can then be checked against the template's active sites and domains to predict how the unknown protein works and which drugs might bind it.
Homology models are predictions built by copying the fold of a known template protein whose sequence is similar; experimentally determined structures (by X-ray crystallography, NMR or cryo-EM) are direct measurements of the real molecule. So models are only as good as the template and the alignment: if the sequence similarity is high, the model is usually close to the real structure, but loop regions and side-chain positions may differ, and a model can never be more reliable than the experiment. That is why models are used for guiding research and drug design, but the final confirmation of a structure always comes from an experimental method.
Flow chart (steps in order): 1. Identify the disease target — use structural biology to find the protein (e.g. a viral spike protein or an enzyme active site) that causes the disease. 2. Find candidate drugs — use computational biology to screen molecules and predict which ones bind the target. 3. Test in the laboratory — check the candidates on cells and confirm they block the target. 4. Test in animals — check safety and effectiveness in living organisms. 5. Clinical trials in humans — test safety and dose in volunteers, then in patients. 6. Approval — the drug is approved by the health authorities after successful trials. 7. Prescription — doctors prescribe the approved drug to patients. (Each step depends on the previous one: no step can be skipped, because safety and effectiveness must be proven before the drug reaches patients.)
This chapter, Structural and Computational Biology, is about how scientists work out the 3D shapes of life's molecules and use computers to study them: it explains structural biology and its applications in finding active sites, drug targets, host-pathogen interactions and protein misfolding, X-ray crystallography with the Bragg father-son story and its four steps, computational biology with genomics, proteomics and bioinformatics and their applications, the key databases GenBank, PDB and Ensembl with the BLAST and FASTA algorithms, and sequence and structural homology with orthologs, paralogs and homology modelling — ending with the book's official exercise, solved. ہر موضوع کو اردو ترجمے کے ساتھ سمجھایا گیا ہے تاکہ طالب علم اچھی طرح سمجھ سکے۔
Revision guidance: پہلے English box پڑھو, پھر Urdu box سے concept پکا کرو, پھر ہر section کی pic کو دیکھ کر خود سے سمجھاؤ کے کیا ہو رہا ہے — پھر exercise خود حل کر کے answers سے ملاؤ.
یہ باب، سٹرکچرل اور کمپیوٹیشنل بائیولوجی، اس بارے میں ہے کہ سائنسدان زندگی کے مالیکیولز کی 3D شکلیں کیسے معلوم کرتے ہیں اور کمپیوٹرز سے ان کا مطالعہ کیسے کرتے ہیں: اس میں سٹرکچرل بائیولوجی اور ایکٹو سائٹس، ڈرگ ٹارگٹس، ہوسٹ-پیتھوجن تعاملات اور پروٹین مس فولڈنگ تلاش کرنے میں اس کے اطلاقات، بریگ باپ بیٹے کی کہانی اور اس کے چار مراحل کے ساتھ ایکس رے کرسٹلوگرافی، جینومکس، پروٹیومکس اور بائیو انفارمیٹکس اور ان کے اطلاقات کے ساتھ کمپیوٹیشنل بائیولوجی، بلاسٹ اور فاسٹا الگورتھمز کے ساتھ اہم ڈیٹا بیسز جین بینک، پی ڈی بی اور اینسمبل، اور آرتھولوگز، پیرالوگز اور ہومولوجی ماڈلنگ کے ساتھ سیکوئنس اور سٹرکچرل ہومولوجی — اور آخر میں کتاب کی آفیشل مشق حل شدہ دی گئی ہے۔ ہر ٹاپک کو اردو ترجمے کے ساتھ سمجھایا گیا ہے تاکہ طالب علم اچھی طرح سمجھ سکے۔
نظر ثانی کی رہنمائی: پہلے انگلش باکس پڑھیں، پھر اردو باکس سے تصور پکا کریں، پھر ہر سیکشن کی تصویر کو دیکھ کر خود سے سمجھائیں کہ کیا ہو رہا ہے — پھر مشق خود حل کر کے جوابات سے ملائیں۔
Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:
PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 1 Biology, Chapter 7 (New Book, Session 2026–27) • English + Urdu