Bioinformatyka wykład 8

Transkrypt

1 Bioinformatyka wykład 8 2.XII.2008 białkowa bioinformatyka strukturalna krzysztof_pawlowski@sggw.pl

2 Lecture outline, Dec. 6th protein structures why? protein structures geometry and physics covalent modifications globular proteins vs transmembrane and fibrous proteins protein topology, disordered regions, structural domains

3 Plan wykładu struktury białek dlaczego? struktury białek geometria i fizyka modyfikacje kowalencyjne białka globularne a białka transmembranowe i włókniste regiony nieuporządkowane

4 Struktury białek dlaczego warto je znać i rozumieć zrozumienie lub przewidywanie funkcji planowanie modulowania funkcji np. projektowanie leków (drug design) projektowanie modyfikacji struktury bądź funkcji (inżynieria białkowa - protein engineering) niektórzy uważają, że białka są ładne i ciekawe

5 Thornton Nat Struct Biol. 2000; 7 Suppl:

6 Plan wykładu struktury białek dlaczego? struktury białek geometria i fizyka modyfikacje kowalencyjne białka globularne a białka transmembranowe i włókniste regiony nieuporządkowane

7 Christian Anfinsen: w danym środowisku struktura trójwymiarowa białka jest w pełni zdeterminowana przez jego sekwencję aminokwasową i odpowiada minimum energii swobodnej Anfinsen, C.B., Principles that govern the folding of protein chains. Science, : p

8 Łańcuch białkowy: Regularny łańcuch główny (main chain), Kodowane przez geny łańcuchy boczne (side chains) ~ sekwencji ~ konformacji

9 Protein chain Covalent bond lengths: Å Peptide bond Covalent bond angles: 109 o 120 o Atom radii: 1 2 Å

10 Protein chain Covalent bond lengths: Å Covalent bond angles: 109 o 120 o Amino-acid residue Atom radii: 1 2 Å

11 Wykres Ramachandrana dozwolone obszary kątów φ, ψ

12 ALA, etc. GLY

13 Zapis struktury białka: Współrzędne wewnętrzne - reszty aminokwasowe φ1, ψ1 φ2, ψ2 φ3, ψ3... Współrzędne kartezjańskie atomy x1, y1, z1 x2, y2, z

14 Wiązania wodorowe likelihood of finding an unsatisfied hydrogen bond in a protein is insignificant Protein Sci. 2005;14:1911 Problem definicji wykrywania wiązania wodorowego w znanych strukturach

15 Wiązania wodorowe cząsteczka wody Oddziaływanie dipol-dipol Energia wiązania wodorowego w białku rzędu 2 kcal/mol (w wodzie 5 kcal/mol ) wiązania białko-białko oraz białko-woda

16 Wiązania wodorowe Donor: H w grupach OH, NH, NH2 (NH - łańcuch główny) Akceptor: O, N (wolne pary elektronowe). (CO - łańcuch główny) Łańcuchy boczne np. Ser, Tyr (często mogą być akceptorami oraz donorami WODA

17

18

19 Struktury drugorzędowe Struktury drugorzędowe: α helisa (α helix) - stabilizowana wiązaniami wodorowymi w helisie β struktura (β sheet) - stabilizowana wiązaniami wodorowymi z inną β strukturą; układy równoległe i antyrównoległe zwrot β (β turn, reverse turn, harpin bend) pętla (loop) - łączy inne struktury zwój (coil, random coil) - pozostałe struktury

20 Łańcuch białkowy

21 Plan wykładu struktury białek dlaczego? struktury białek geometria i fizyka modyfikacje kowalencyjne białka globularne a białka transmembranowe i włókniste regiony nieuporządkowane

22 Modyfikacje posttranslacyjne Cięcia łańcucha białkowego (proteoliza) Glikozylacja,... Modyfikacje końców (acetylacja,...) Modyfikacje łańcuchów bocznych (wiązania dwusiarczkowe, fosforylacja,...) Wiązanie kofaktorów, jonów, Efektywnie alfabet aminokwasowy się powiększa 20 N

23 Side chains

24 Przewidywanie glikozylacji sieci neuronowe,

25 Przewidywanie fosforylacji sieci neuronowe,

26 Sieci neuronowe - sekwencja jest analizowana zachodzącymi oknami (13-17 aminokwasów); na wejściu podawana jest sekwencja w oknie; przewidywana jest struktura dla aminokwasu centralnego; uwzględniane są oddziaływania aminokwasów na siebie przy określaniu struktury - analiza w kontekście; sieć jest uczona na sekwencjach o znanej strukturze, podczas uczenia określane są wagi, które są później nadawane sygnałom; przewiduje struktury 2D i regiony hydrofobowe sekwencja wejściowa w oknie L S W T K C Y A V S G A P warstwa ukryta α β coil warstwa wyjściowa przewidywana struktura warstwa wejściowa - 1 jedn. wej. dla każdego aa w oknie; informacje o innych aa, właściwości, profil α

27 Istota działania sztucznego neuronu: Sumowanie sygnałów wejściowych z odpowiednią wagą i poddanie sumy funkcji aktywacji y i = f ( N j= 1 W ij x j ) Xj sygnał wejściowy Wij współczynniki wagowe wagi synaptyczne przy ujemnych wagach neuron przekazuje sygnał gaszący, przy dodatnich - pobudzający

28 Modyfikacje lokalne a długozasięgowe Przewidywanie oddziaływań długozasięgowych znacznie trudniejsze Parowanie struktur beta Parowanie cystein w mostkach dwusiarczkowych

29 Modyfikacje sekwencyjnie specyficzne a niespecyficzne Rzadsze modyfikacje, np. glutationylacja bądź nitrozylacja cystein, mogą być trudniejsze do przewidzenia na podstawie lokalnej sekwencji

30 Plan wykładu struktury białek dlaczego? struktury białek geometria i fizyka modyfikacje kowalencyjne białka globularne a białka transmembranowe i włókniste regiony nieuporządkowane

31 Białka globularne Białka transmembranowe Białka włókniste

32 Białka wielodomenowe Znaczna część białek u eukariontów to białka wielodomenowe, niekiedy zawierające regiony transmembranowe oraz domeny globularne

33 Białka transmembranowe Kanały jonowe Transportery Receptory (7TM, RTK, ) Proteazy

34 Białka transmembranowe

35 przewidywanie topologii transmembranowej ludzki receptor dopaminy HMM,

36 przewidywanie topologii transmembranowej ludzki receptor dopaminy HMM,

37 Pamiętajmy o błędach!

38 Pamiętajmy o błędach!

39 Plan wykładu struktury białek dlaczego? struktury białek geometria i fizyka modyfikacje kowalencyjne białka globularne a białka transmembranowe i włókniste regiony nieuporządkowane

40 Regiony nieuporządkowane disordered regions trudna definicja trudne do przewidzenia nie zawsze tożsame z pętlami nie zawsze tożsame z regionami o niskiej specyficzności ważne biologicznie sprzężenie zwijania białka i wiązania duże znaczenie praktyczne

41 Regiony nieuporządkowane pętle / zwoje gdzie? gorące pętle (wg czynników temperatury ze struktur krystalograficznych) obszary o brakujących współrzędnych (w strukturach krystalograficznych i NMR) przewidywanie np. sieci neuronowe

42 Kalcyneuryna extremely sensitive to protease digestion: a disordered ensemble; confirmed in X-ray diffraction structure by missing coordinates disorder likely to be essential to provide calmodulin (right) with space needed to completely surround its target helix...the existence and commonness of proteins with intrinsic disorder call for a reassessment of the structure-function paradigm... (Wright and Dyson )

43 Nieporządek przewidywarka komercyjna

44 Nieporządek przewidywarka

45 Nieporządek w kalmodulinie

46 Granice dokładności przewidywań strukturalnych Ograniczone zestawy danych do uczenia algorytmów Niejednoznaczność definicji przedmiotu przewidywań np. struktura II-rzędowa Warto łączyć różne przewidywania pamiętać o kontekście. Np. fosforylacjawewnątrz komórki; glikozylacja na zewnątrz Interpretacja