Bioinformatyka wykład 3.I.2008

Transkrypt

1 Bioinformatyka wykład 3.I.2008 Białkowa bioinformatyka strukturalna c.d

2 Plan wykładu analiza i porównywanie struktur białek. doświadczalne metody badania struktur białkowych: krystalografia, NMR, inne oddziaływania decydujące o strukturze białka

3 Plan wykładu analiza i porównywanie struktur białek. doświadczalne metody badania struktur białkowych: krystalografia, NMR, inne oddziaływania decydujące o strukturze białka

4 Porównywanie struktur Porównanie dwóch modeli tej samej struktury Porównanie dwóch bliskich homologów Porównanie białek o podobieństwie odległym (w najlepszym razie) a) dopasowanie sekwencji oczywiste b) dopasowanie sekwencji niejednoznaczne

5 Dopasowanie struktur białkowych Dopasowanie (alignment) strukturalne - struktura 3D domeny jednego białka jest nakładana na strukturę domeny drugiego białka tak, aby średnia odległość między odpowiednimi atomami struktur była możliwie jak najmniejsza; Podobieństwo strukturalne mogą wykazywać białka, które nie wykazują podobieństwa sekwencji. Podobieństwo strukturalne może, ale nie musi świadczyć o związkach ewolucyjnych. Podobieństwo strukturalne może, ale nie musi świadczyć o podobieństwie funkcji

6 Dopasowanie strukturalne (alignment) odległość: d ij = (x i -x J ) 2 + (y i -y J ) 2 + (z i -z J ) 2 ε c e f d α b β γ δ ζ Root mean square deviation - zwykle Cα

7 podobnie jak identyczność sekwencji, RMSD ma sens tylko dla określonego dopasowani i regionu sekwencji

8 Macierz odległości / macierz kontaktów Macierz kontaktów uproszczona (0 albo 1) macierz odległosci. reszty pozostajace w kontakcie (np. < 5 A). białka posiadają podobną strukturę -> macierze są podobne a a b c b c

9 porównanie struktur - programy VAST - Vector alignment Search Tool; alignment wektorowy; wektory opisujące struktury drugorzędowe DALI - Distance Alignment Tool; macierz odległości FATCAT - (Flexible Alignment allowing Twists) LGA lokalna i globalna optymalizacja RMSD (longest continuous segments & global distance test) Wybór metody porównania struktur zależy od problemu

10 Plan wykładu analiza i porównywanie struktur białek. doświadczalne metody badania struktur białkowych: krystalografia, NMR, inne oddziaływania decydujące o strukturze białka

11 Krystalografia promieni X oddziaływania promieni X z elektronami

12 Informacje gęstość elektronowa krystalografia

13 Informacje gęstość elektronowa krystalografia

14 NMR magnetyczny rezonans jądrowy oddziaływania momentów magnetycznych jąder atomowych z zewnętrznym polem magnetycznym wykorzystuje się protony, C13, N

15 NMR magnetyczny rezonans jądrowy Ze sprzężeń spin-spin -> informacje: kąty torsyjne i więzy na odległości Otrzymuje się ensembl struktur spełniających więzy

16 krystalografia promieni X NMR najwięcej rozwiązanych struktur krystalizacja! białka w roztworze, ale ograniczenia wielkości białek, kosztowne znakowanie izotopowe mikroskopia elektronowa duże struktury, np. kompleksy, zwykle z użyciem struktur krystalogr. elementów krystalografia neutronowa protony są widoczne wszystkie doświadczalne metody wyznaczania struktur obejmują elementy modelowania struktur

17 Typical steps in experimental structure determination (X-ray) Cloning and expression Purification Crystallization X-ray data collection X-ray data processing, model building and refinement We get the real thing, however: In the past the whole process could take a few years Problems in any step can halt the structure solving process Recently: substantial progress in speeding up and automation of structure solving The structure - sequence gap: millions of sequences in NCBI, protein structures in the PDB (as of Christmas 2007)

18 Plan wykładu analiza i porównywanie struktur białek. doświadczalne metody badania struktur białkowych: krystalografia, NMR, inne oddziaływania decydujące o strukturze białka

19 Oddziaływania decydujące o strukturze białka

20 Oddziaływania decydujące o strukturze białka lokalne długozasięgowe

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

22 Wiązania kowalencyjne

23 Oddziaływania elektrostatyczme Electrostatics in uniform media: potential ϕ 1 = q 1 /εr Interaction of two charges: U = ϕ 1 q 2 = ϕ 2 q 1 = q 1 q 2 /εr Protein/water interface In non-uniform media: ε =? At atomic distances: ε =? ε = 1 vacuum ε 3 protein ε 80 water

24 Oddziaływania van der Waalsa Oddziaływanie elektrostatyczne dipol-dipol (uśrednione) Oddziaływanie indukcyjne (dipol-dipol indukowany) Oddziaływanie dyspersyjne (dipol indukowany - dipol indukowany) ~ 1/r

25 Siły odpychania walencyjnego zakaz Pauliego (na jednym orbitalu molekularnym nie mogą się znajdować więcej niż dwa elektrony). E ~ exp(-r), często przybliżana E ~ 1/r

26

27 następne wykłady I.2008 pole siłowe - opis energetyczny struktur białka proces zwijania się białek symulacje dynamiki molekularnej przewidywanie struktury białka, modelowanie struktur 17.I przewidywanie funkcji białka na podstawie struktury analiza danych wielkoskalowych (high-throughput biology). bazy danych ekspresji genów biologia systemowa 24.I... egzamin - zaliczenie