Bioinformatyka wykład 12, 18.I.2011 Białkowa bioinformatyka strukturalna c.d.

Transkrypt

1 Bioinformatyka wykład 12, 18.I.2011 Białkowa bioinformatyka strukturalna c.d

2 Struktura natywna minimum energii swobodnej F = U TS Prawdopodobieństwo stanu ~ exp(-f/k B T)

3 Struktura natywna Christian Anfinsen, ok.1962 Thermodynamic hypothesis or Anfinsen's Dogma The native conformation is determined by the totality of interatomic interactions and hence by the amino acid sequence, in a given environment."

4 Efekt hydrofobowy węglowodór fosforan Entropia!

5

6 Plan wykładu proces zwijania się białek minimalizacja energii symulacje dynamiki molekularnej biblioteki struktur białkowych struktura pliku PDB

7 Droga zwijania (folding) zapadanie hydrofobowe hydrophobic collapse czy proces hierarchiczny

8 HOW DOES PROTEIN FOLD? and even more: How CAN protein fold spontaneously? Levinthal paradox (1968): Native protein structure reversibly refolds from various starts, i.e., it is thermodynamically stable But how can protein chain find this unique structure - within seconds - among zillions alternatives?

9 Nukleacja

10 Stopiona globuła molten globule

11 Stopiona globuła molten globule lejek funnel

12 równowaga energia i entropia

13 Plan wykładu proces zwijania się białek minimalizacja energii symulacje dynamiki molekularnej biblioteki struktur białkowych struktura pliku PDB

14 Plan wykładu proces zwijania się białek minimalizacja energii symulacje dynamiki molekularnej biblioteki struktur białkowych struktura pliku PDB

15 Newtonowskie równania ruchu

16 Symulacja zwijania białka Uproszczony model: pracownia A. Kolińskiego, UW

17 Plan wykładu proces zwijania się białek minimalizacja energii symulacje dynamiki molekularnej biblioteki struktur białkowych struktura pliku PDB

18 Protein Data Bank

19 RóŜne klasy metod przewidywania struktur Knowledge based methods comparative modelling twilight zone fold recognition ab initio / de novo methods.

20 Modelowanie struktur oparte na wiedzy Rozpoznanie Czy istnieją dobrze scharakteryzowane białka podobne do mojego? Dopasowanie Jak dopasować sekwencje target/template? Modelowanie Jaka jest dokładna struktura 3D? Funkcja Jaką aktywność ma białko? 20

21 Struktura przez analogię Identyczność sekwencji Rozpoznanie Łatwe - BLAST, FASTA silne podobieństwo sekwencji, oczywiste Analogie funkcji Trudne - PSI-BLAST - podobieństwo sekwencji - twilight zone, zróŝnicowanie funkcji Trudniejsze brak wyraźnego podobieństwa sekwencji, duŝa dywergencja funkcji fold 21 recognition

22 Fold recognition trudne rozpoznawanie podobieństwa do znanych struktur Rozpoznanie Podobieństwo sekwencji (np. metody profilowe, tzn. porównywanie rodzin białek) Podobieństwo struktur dugorzędowych (przewidziane / rzeczywiste) Pasowanie sekwencji do struktur - tzw. potencjały statystyczne ( Threading )

23 Budowa modelu mechanika molekularna więzy z dopasowania do struktury szablonu (template) ew. więzy z eksperymentu Modelowanie

24 Modelowanie porównawcze w róŝnych rolach Funkcja tradycyjnie Odległe podobieństwo białko-szablon Nie zawsze białkoszablon homologiczne oczywista analogia homologiczne funkcji funkcja nieoczywista zwykle jednozaczne dopasowanie moŝe dopasowanie być niejednozaczne modelowanie modelowanie dokowanie ligandów, analiza modelu szczegółowa analiza w celu określenia miejsca aktywnego,... funkcji etc. etc. 24

25 Example: mechanism of action of an anti cancer drug (STI-571) Funkcja STI-571 binds to the Abl protein (left), however doesn't bind to Src, a similar oncogenic kinase (right) Cancer Fighter's Modus Operandi Revealed Jean Marx Science (2000), 289,

26 De novo Zredukowane modele siatkowe Rosetta

27 PREDICTION FROM PHYSICS: PROTEIN CHAIN FOLDS SPONTANEOUSLY SEQUENCE HAS ALL INFO TO PREDICT: 2 O STRUCTURE, 3D STRUCTURE, SIDE CHAIN ROTAMERS, S-S BONDS, etc

28 Przykład zredukowanej reprezentacji struktury białka uwzgędnia się tylko kilka quasiatomów na resztę aminokwasową - np. Cα Cβ ograniczona liczba moŝliwych połoŝeń quasi-atomów specjalne potencjały dla quasiatomów problem przejścia od reprezentacji zredukowanej do pełnej, atomowej metody często łączone z elementami rozpoznawania kształtw grupa Andrzeja Kolińskiego biocomp.chem.uw.edu.pl

29 Idea Rosetty David Baker, UW

30 Rosetta łańcuch główny uproszczony model Cα,Cβ: uwzględnienie preferencji konformacyjnych krótkich fragmentów wg. bibliotek struktur następnie udoskonalenie modelu (refinement) z wykorzystaniem potencjałów fizykochemicznych, opartych na analizie znanych struktur

31 Rosetta Low resolution all-atom

32 Rosetta - przykład