Bioinformatyka. z sylabusu... (wykład monograficzny) wykład 1. E. Banachowicz. Wykład monograficzny Bioinformatyka.

Transkrypt

1 Bioinformatyka (wykład monograficzny) wykład 1. E. Banachowicz Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM z sylabusu... Wykład 1,

2 Co to jest Bioinformatyka? Zastosowanie technologii informacji do Biologii Analiza ogromnego zbioru informacji dotyczącego makrocząsteczek biologicznych Analiza sekwencji (i struktury) genów i białek Ogromny zbiór informacji? Zapis genomu człowieka, to stos pudełek z CD o wysokości 750 m. ( płyt = ok. 50 TB) Świat Nauki Październik 2000 Wykład 1,

3 Bioinformatyka pływanie w morzu informacji GenBank (Bank Genów) zgromadził dotąd zapisy sekwencji kwasów nukleinowych zawierających ponad nukleotydów i co roku podwaja tą liczbę Science(2001)209 Centralny dogmat Biologii Molekularnej informacja genetyczna przechowywana jest w sekwencji zasad polimeru DNA trójki (tryplety) zasad DNA kodują 20 naturalnych aminokwasów sekwencja aminokwasów w białku determinuje jego strukturę sekwencja i struktura determinują funkcję Wykład 1,

4 Dwa paradygmaty? Biologia molekularna DNA RNA białko Bioinformatyka sekwencja struktura funkcja Wykład 1,

5 Prekursor mrna mrna (1) Sekwencja białka determinuje jego strukturę przestrzenną mrna (2) Sekwencja aminokwasowa (1) Sekwencja aminokwasowa (2) Budowa aminokwasów i białek Wykład 1,

6 Ogólna budowa aminokwasów α w neutralnym p α N 2 C α COO N 3 + C α R COO - R grupa aminowa - N 2 grupa karboksylowa - COO Ogólna budowa aminokwasów - glicyna α N 2 C α COO R = Gly, G Wykład 1,

7 Ogólna budowa aminokwasów - alanina α N 2 C α COO C 3 R = C 3 alfa- amiokwasy L - aminokwasy Ala, A L-aminokwasy - centrum asymetrii N 3 + R N 3 + C α C α COO - L D COO - Wykład 1,

8 Reguła CORN R N 3 + C α L lewoskrętny (COO-R-N) COO - 20 aminokwasów białkowych kod 1- i 3- literowy alanina A, Ala arginina R, Arg asparagina N, Asn kw.asparaginowy D, Asp cysteina C, Cys glutamina Q, Gln kw.glutaminowy E, Glu glicyna G, Gly histydyna, is izoleucyna I, Ile leucyna L, Leu lizyna K, Lys metionina M, Met fenyloalanina F, Phe prolina P, Pro seryna S, Ser treonona T, Thr tryptofan W, Trp tyrozyna Y, Tyr walina V, Val Wykład 1,

9 aminokwasy hydrofobowe/niepolarne A V L I P Y F W M C Ala Val Leu Ile Pro aromatyczne alifatyczne Tyr Phe Trp Cys Met zawierające siarkę aminokwasy hydrofilowe/polarne N Q S T K R D E N, Asn Q, Gln S, Ser T, Thr K, Lys naładowane (+) R, Arg, is D, Asp E, Glu naładowane (-) Wykład 1,

10 Diagram Venn a b. małe Małe P Prolina Alifatyczne ydrofobowe I V L M Aromatyczne C S-S F Y W A G S N C S- T D E K R Q dodatnie Naładowane ujemne Polarne Specyficzne własności reszt aminokwasowych decydują o strukturze i aktywności biologicznej białek. cechy/kryteria: hydrofobowe/hydrofilowe alifatyczne aromatyczne, oddziaływujące warstwowo polarne-neutralne polarne naładowane dodatnio/ujemnie kwasowe, zasadowe C-β rozgałęzione małe/duże zawierające siarkę tworzące wiązania wodorowe wzmacniacze/łamacze struktur Wykład 1,

11 Łańcuch polipeptydowy - struktura pierwszorzędowa struktura I-rzędowa: kolejność, sekwencja aminokwasów w łańcuchu (skład i kolejność kolejność decydują strukturze i funkcji) Ala Gly Thr Ile Val N 2 - AlaValGlySerThrLeuIle - COO Ser Leu N 2 - AVGSTLI - COO Wiązanie peptydowe wiązanie peptydowe + 3N C α C O O N C α C O O + 2O O + 3N C α C N C α C O O + Wykład 1,

12 a) Kierunkowość łańcucha, nazewnictwo b) R 1 + 3N C α C N C α O C N R 3 C α C N C α C O O R 2 O R 4 O + N- koniec C- koniec a) 4-Alanina lub tetra-alanina, b) tetrapeptyd o sekwencji R 1 R 2 R 3 R 4 Łańcuch aminokwasów: 2-10 oligopeptyd, polipeptyd, powyżej 100 reszt aminokwasowych białko. Wiązanie peptydowe kąty walencyjne i długości wiązań R 2 O 1.23 Å N o C o o C α C α o N o o C R o 1.0 Å O Wykład 1,

13 Wiązanie peptydowe kąt torsyjny ω i konformacja Trans R 2 ω=180 o O N 3 + C C α C α N C R 1 O 0 o 180 o 90 o Wykład 1,

14 Struktura drugorzędowa Przestrzenne ułożenie łańcucha opisane za pomocą kątów torsyjnychφ i ψ. ψ φ ω Elementy struktury II-rzędowej helisy: prawoskrętna α helisa 3 10 helisa π helisa helisa φ ψ ω reszt na skręt przesunięcie na resztę wiązania wodorowe α helisa ,6 1,5 i helisa ,0 2,0 i+3 π helisa ,4 1,2 i+5 Wykład 1,

15 α - helisa α - helisa helisa π - helisa 22-reszty aminokwasowe Wykład 1,

16 Elementy struktury II-rzędowej beta-harmonijki, (β-kartki, struktury pofałdowanej kartki): równoległe antyrównoległe mieszane harmonijka φ ψ ω reszt na skręt przesunięcie na resztę równoległa ,2 antyrównoległa ,4 β-harmonijki Wykład 1,

17 Wykres Ramachandrana (Biochemistry, Jeremy Berg, John Tymoczko, Lubert Stryer. 5th ed,pwn 2005). Wykres Ramachandrana (Biochemistry, J.Berg, J.Tymoczko, L.Stryer.,PWN 2005). Wykład 1,

18 Wykres Ramachandrana dla białka β-równoległa β-antyrównoległa α - helisa helisa π - helisa φ ψ Łamacze i wzmacniacze Wzmacniacze Łamacze α - helisa M L E C A P G Y T S β - harmonijka równoległa V I F M L Y P G D E A N S K β - harmonijka antyrównoległa Q T R W C kłębek, zwrot G P D N S Y, naładowane Wykład 1,

19 Wiązanie wodorowe δ - C O akceptor oddz. elektrostatyczne między dwoma względnie elektroujemnymi atomami energia: 4-13 kj/mol (energia wiązań kowalencyjnych: 418 kj/mol) δ + N donor δ -- δ + + δ -- N N N N O O O N N O O O Wiązania wodorowe dla β - harmonijki struktura równoległa struktura anty-równoległa Wykład 1,

20 Wiązania wodorowe dlaα - helisy i i+4 Wiązania wodorowe dla zwrotu (skrętu) Wykład 1,

21 Wiązanie wodorowe białko ligand Wiązanie wodorowe Wykład 1,

22 Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę oddziaływania wodorowe oddziaływania hydrofobowe oddziaływania van der Waalsa mostki dwu-siarczkowe mostki solne Oddziaływania hydrofobowe Zasady termodynamiki: układ ciepło otoczenie I. Energia otoczenia i układu jest stała II. W procesach spontanicznych entropia rośnie ( S>0) S - entropia - miara przypadkowości i nieuporządkowania - entalpia - zawartość ciepła w układzie(zwiększenie = wzrost entropii) S otoczenia = - układu /T G - energia swobodna (Gibbsa) G = układu -T S układu < 0 Reakcja zajdzie spontanicznie jeśli G < 0 Wykład 1,

23 Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ nieuporządkowany --duża entropia (S) (S) Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ układ nieuporządkowany: --grupy grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody wody --spadek entropii grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe Wykład 1,

24 Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ układ uporządkowany (niższa entropia?): --grupy grupy hydrofobowe połączone --uwolnione cząsteczki wody wody są są nieuporządkowane --wzrost entropii grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ układ uporządkowany (niższa entropia?): --grupy grupy hydrofobowe połączone --uwolnione cząsteczki wody wody są są nieuporządkowane --wzrost entropii S wody = - białka /T wzrost entropii wody kompensuje jej spadek związany ze zwijaniem białek! G = białka -T S białka < 0 grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe Wykład 1,

25 Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę oddziaływania wodorowe oddziaływania hydrofobowe oddziaływania van der Waalsa mostki dwu-siarczkowe mostki solne Oddziaływania van der Waalsa ładunek - dipol dipol - dipol dyspersja (indukowane dipole) δ - δ + N + O C δ + δ - δ + C O C O δ + δ - δ + δ - C 3 3 C Wykład 1,

26 Mostek dwu-siarczkowy --C 2 -S-S-C2-- sekwencja insuliny wołowej Struktura trzeciorzędowa przestrzenne ułożenie elementów struktury II-rzędowej pojedynczego łańcucha Wykład 1,

27 Domeny, motywy, rodziny, superrodziny domeny - odrębne strukturalnie fragmenty białek domena wiążąca palca cynkowego Domeny, motywy, rodziny, superrodziny motywy strukturalne - struktury naddrugorzędowe:motyw all-α elisa -zwrot -helisa białka wiążące RNA 1rop.pdb 4 helisy (uteroglobin 1ccd.pdb) Wykład 1,

28 Domeny, motywy, rodziny, superrodziny motywy strukturalne - struktury naddrugorzędowe:motyw all-β topologie beta-beczka (barrel) 1ifb.pdb Domeny, motywy, rodziny, superrodziny beta-helisa 2pec.pdb Wykład 1,

29 Domeny, motywy, rodziny, superrodziny motywy strukturalne - struktury naddrugorzędowe:motywα-β-α-β α-β -beczka Rodziny, superrodziny czas Drzewo ewolucyjne globin. homologi: ortologi -różne gatunki, taka taka sama sama funkcja paralogi-podobna funkcja, ale ale ewoluowały niezależnie (ten (ten sam sam organizm) analogi: różne różne sekwencje, różne różne motywy, ale ale identyczna orientacja ważnych aminokwasów prymitywna, pierwotna globina wiążąca tlen Molecular Cell Biology,4ed. Lodish, Berk, Matsudaira, Kaiser, Krieger, Scott, Zipursky, and Darnell Wykład 1,

30 krowa Rodzina - homologi Rybonukleaza wołowa (enzym trawienny) człowiek Rybonukleaza ludzka (enzym trawienny) angiogenina ludzka (stymuluje wzrost naczyń krwionośnych) (Biochemistry, J.Berg, J.Tymoczko, L.Stryer.,PWN 2005). Rodziny Wykład 1,

31 Struktura czwartorzędowa Przestrzenne ułożenie dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych tworzących natywną cząsteczkę białka białko Cro z bacteriofaga λ, jest dimerem złożonym z identycznych podjednostek Struktura VI-rzędowa dimer αβ hemoglobiny tetramer α 2 β 2 hemoglobiny (1G0B.pdb) Wykład 1,

32 Struktura IV-rzędowa Ferytyna - 24mer (1BG7.pdb) Insulina (1AP.pdb) Oddziaływanie białek z ligandami Jądrowy receptor hormonu Grupy prostetyczne to często kofaktory Apoproteina - białko bez grupy prostetycznej Wykład 1,

33 Wykład 1,