Przewidywanie struktur białek



Podobne dokumenty
października 2013: Elementarz biologii molekularnej. Wykład nr 2 BIOINFORMATYKA rok II

Kombinatoryczna analiza widm 2D-NOESY w spektroskopii Magnetycznego Rezonansu Jądrowego cząsteczek RNA. Marta Szachniuk

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2015/16

Moduły kształcenia. Efekty kształcenia dla programu kształcenia (kierunku) MK_06 Krystalochemia. MK_01 Chemia fizyczna i jądrowa

Efekty kształcenia dla kierunku studiów CHEMIA studia pierwszego stopnia profil ogólnoakademicki

Spis treści. Przedmowa... XI. Wprowadzenie i biologiczne bazy danych. 1 Wprowadzenie Wprowadzenie do biologicznych baz danych...

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Projektowanie molekularne i bioinformatyka. 2-letnie studia II stopnia (magisterskie)

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Projektowanie molekularne i bioinformatyka. 3-letnie studia I stopnia (licencjackie)

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2016/2017. Semestr 1M

BIOINFORMATYKA. edycja 2016 / wykład 11 RNA. dr Jacek Śmietański

MINIMALNY ZAKRES PROGRAMU STAŻU

Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Informacje dotyczące pracy kontrolnej

Ćwiczenie nr 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite

Przewodnik dla instruktora dotyczący rozwoju leków. (Informacje o narzędziach) POZNAJ NAJNOWSZE INFORMACJE NA TEMAT BADAŃ NAD ZDROWIEM FINANSOWANIE:

PROGRAM STUDIÓW II STOPNIA na kierunku ENERGETYKA I CHEMIA JĄDROWA. prowadzonych na Wydziałach Chemii i Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

PROGRAMU STAŻU. realizowanego w ramach Projektu pt.: CheS Chemik na Staż (Program Operacyjny Wiedza Edukacja Rozwój, Priorytet III, Działanie 3.

na podstawie artykułu: Modeling Complex RNA Tertiary Folds with Rosetta Clarence Yu Cheng, Fang-Chieh Chou, Rhiju Das

Efekty kształcenia dla kierunku studiów CHEMIA studia drugiego stopnia profil ogólnoakademicki

Systemy liczenia. 333= 3*100+3*10+3*1

Podstawy biologiczne - komórki. Podstawy biologiczne - cząsteczki. Model komórki eukariotycznej. Wprowadzenie do Informatyki Biomedycznej


Dokowanie molekularne. Karol Kamel Uniwersytet Warszawski

MultiSETTER: web server for multiple RNA structure comparison. Sandra Sobierajska Uniwersytet Jagielloński

Bioinformatyka wykład 9

Bioinformatyka wykład 3.I.2008

Pobieranie próbek owoców

Laboratorium przedmiotu Technika Cyfrowa

Informatyka w medycynie Punkt widzenia kardiologa

Optymalizacja optymalizacji

Studia doktoranckie w zakresie nauk farmaceutycznych. Moduły kształcenia wraz z zakładanymi efektami kształcenia

Teoria ewolucji. Podstawowe pojęcia. Wspólne pochodzenie.

Metody analizy białek - opis przedmiotu

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

PODSTAWY BIOINFORMATYKI

PROGRAM STUDIÓW II STOPNIA na kierunku ENERGETYKA I CHEMIA JĄDROWA. prowadzonych na Wydziałach Chemii i Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

OGÓLNOPOLSKI SYSTEM OCHRONY ZDROWIA OSOZ STRONA INTERNETOWA APTEKI

Materiały wykładowe (fragmenty)

Biotechnologia i inżynieria genetyczna

Instrukcja warunkowa i złoŝona.

A. B. Co warto wiedzieć o aminokwasach?

BIOLOGIA EGZAMIN KLASYFIKACYJNY 2015/16. KLASA III Gimnazjum. Imię:... Nazwisko:... Data:...

Pamiętając o komplementarności zasad azotowych, dopisz sekwencję nukleotydów brakującej nici DNA. A C C G T G C C A A T C G A...

Lista ikonek stosowanych do oznaczenia róŝnych nośników:

Potencjał społeczności lokalnej-podstawowe informacje

Projektowanie systemu sprzedaŝy ubezpieczeń dla T. U. Generali zgodnie z metodyką User-Centered Design

Bioinformatyka wykład 10

Bioinformatyka II Modelowanie struktury białek

ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) / z dnia r.

Warsztaty przygotowujące osoby bezrobotne do prowadzenia własnego

Laboratorium Programowanie Obrabiarek CNC. Nr H04

Definicje. Najprostszy schemat blokowy. Schemat dokładniejszy

Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin

Proteomika: umożliwia badanie zestawu wszystkich lub prawie wszystkich białek komórkowych

Bioinformatyka wykład 10.I.2008

Dane mikromacierzowe. Mateusz Markowicz Marta Stańska

Podstawy projektowania leków wykład 1

Jak Polacy korzystają z kart bankowych Raport Money.pl. Autor: Bartosz Chochołowski, Money.pl

Najprostszy schemat blokowy

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Biofizyka molekularna. 3-letnie studia I stopnia (licencjackie)

INSTRUKCJA PROGRAMOWANIA DZWONKA KAKADU.

etyloamina Aminy mają właściwości zasadowe i w roztworach kwaśnych tworzą jon alkinowy

Załącznik numer 1. PROGRAM STUDIÓW II STOPNIA na kierunku ENERGETYKA I CHEMIA JĄDROWA

Wprowadzenie do bioinformatyki

PRZEBIEG EGZAMINU LICENCJACKIEGO DLA KIERUNKU ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE

Przyspieszenie obróbki CNC z edytorem ścieżki. narzędzia w ZW3D. ZW3D CAD/CAM Biała księga

XII. Warunek wielokrotnego wyboru switch... case

Wzorcowe efekty kształcenia dla kierunku studiów biotechnologia studia pierwszego stopnia profil ogólnoakademicki

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

Elementy planowania zajęć akademickich w Internecie

PROJEKT CZĘŚCIOWO FINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ. Opis działania raportów w ClearQuest

Bioinformatyka wykład 11, 11.I.2011 Białkowa bioinformatyka strukturalna c.d.

STUDIA I STOPNIA NA KIERUNKU ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE. specjalność Biofizyka molekularna

INSTRUKCJA oceny ryzyka zawodowego na stanowiskach pracy oraz wynikające z niej działania w Starostwie Powiatowym w Gryfinie

Chemia bionieorganiczna / Rosette M. Roat-Malone ; red. nauk. Barbara Becker. Warszawa, Spis treści

Podział i oznakowanie substancji rakotwórczych i mutagennych zgodnie z rozporządzeniem (WE) nr 1272/2008 (CLP)

Projektowanie Wirtualne bloki tematyczne PW I

1. Wprowadzanie danych w module POZ

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego - wprowadzenie

Sylabus - Identyfikacja Związków Organicznych

Rachunek prawdopodobieństwa projekt Ilustracja metody Monte Carlo obliczania całek oznaczonych

Jak złowić klienta? Analiza sieci społecznych jako nowe narzędzie badań marketingowych

SPEKTROSKOPIA NMR. No. 0

Modelowanie jako sposób opisu rzeczywistości. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechnika Łódzka

Porównywanie i dopasowywanie sekwencji

FIZYKOCHEMICZNE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH. Witold Danikiewicz

SCENARIUSZ ZAJĘĆ PROWADZONYCH METODĄ PRZEWODNIEGO TEKSTU

Projektowanie zorientowane na uŝytkownika

Dostawa leków dla potrzeb Szpitala Pediatrycznego w Bielsku-Białej Numer ogłoszenia: ;

Nowoczesne systemy ekspresji genów

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

ĆWICZENIE NR 5 ANALIZA NMR PRODUKTÓW FERMENTACJI ALKOHOLOWEJ

Bioinformatyka II Modelowanie struktury białek

STRATEGICZNA KARTA WYNIKÓW W KOMPUTEROWYM SYMULATORZE DZIAŁANIA PRZEDSIĘBIORSTWA

1,2 1,2. WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI 1. Brak

Obszar całego kraju jest podzielony na 5 stref odwzorowawczych (rys. 1).

TEST Z CYTOLOGII GRUPA II

Transkrypt:

Łukasz Ołdziejewski Wydział Chemii UW Przewidywanie struktur białek czyli droga do projektowania indywidualnych leków Sprawozdanie studenckie 2007/2008 1

Indywidualność jednostki KaŜdy człowiek jest indywidualnym zestawem genów odziedziczonych po naszych przodkach. Determinują one wiele naszych cech: wygląd, podatność na choroby, ale równieŝ to jak organizm reaguje na leki. Potwierdzają to badania przeprowadzane w trakcie wprowadzania leków na rynek, które stwierdzają Ŝe będzie on skuteczny w przypadku pewnego procentu populacji, dla innych działanie moŝe być zmniejszone albo w ogóle nie zaistnieć. Dzieje się tak, dlatego Ŝe farmaceutyki działają na białka, łącząc się z nimi na centrach aktywnych, wywołując tym samym odpowiednią reakcję całego organizmu. Ewolucja powoduje ciągłe róŝnicowanie i wprowadzanie modyfikacji do materiału genetycznego, który determinuje sekwencje białek. Ciągłe zmiany wpływają na strukturę białek czyli ułoŝenie w przestrzeni nukleotydów ( aminokwasów ). Nawet nieznaczne modyfikacje mogą sprawić, Ŝe lek nie będzie mógł połączyć się z centrum aktywnym, a tym samym stanie się nieskuteczny. Problemy ze zróŝnicowanym działaniem leków na ludzi doprowadziły do powstania idei projektowania leków specjalnie dla danej jednostki. Narzędzia Rozwój chemii w zakresie syntezy organicznej pozwala syntetyzować cząsteczki o praktycznie dowolnych kształtach. Wystarczy wspomnieć o całej rodzince związków stworzonych dla zabawy Nanoputians. Dzięki symulacjom chemii kwantowej juŝ na poziomie projektowania moŝna przewidzieć właściwości cząsteczki oraz jej strukturę. Dodatkowo rozwój zastosowań wirtualnej rzeczywistości w chemii pozwala eksplorować kaŝdą cząsteczkę z dowolnego I punktu widzenia. Zastosowanie lustracja 1: http://jheer.org/blog/archives/000143.html specjalistycznego oprogramowania i urządzeń daje niesamowite moŝliwości interakcji z molekułami, np.: Wirtualne rękawice pozwalają łapać poszczególne atomy, rozciągać wiązania i odczuć fizycznie ich siłę. Wydaje się zatem, Ŝe dysponujemy wszystkimi narzędziami, do tego aby ideę projektowania leków zacząć stosować z poŝytkiem dla całej ludzkości. Niestety, jeden drobny szczegół uniemoŝliwia natychmiastowe zastosowanie nowego sposobu leczenia... Ilustracja 2: Wirtualny dotyk Sprawozdanie studenckie 2007/2008 2

Tajemnica białek Wspaniały postęp nauki w dziedzinach chemii kwantowej i modelowania molekularnego pozwala na opracowywanie nieduŝych cząsteczek ( takich jak leki ), lecz ogrom informacji jakich wymaga ocena struktury białka sprawia, Ŝe zastosowanie wymienionych technik jest praktycznie niemoŝliwe. Głównymi narzędziami wykorzystywanymi w analizie struktury są rentgenografia ( analiza kryształów za pomocą dyfrakcji promieniowania X na atomach ) oraz NMR ( Rezonans Magnetyczny Jąder ). Niestety są one mocno ograniczone. Rentgenografia wymaga, aby próbka była w postaci kryształów, co jest bardzo duŝym zawęŝeniem moŝliwych struktur do opracowania, gdyŝ krystalizacja jest w tym przypadku bardzo trudnym, a często czasochłonnym procesem. Najczęściej białka występują nie w postaci stałej, ale w roztworach, co takŝe moŝe wpływać na ułoŝenie nukleotydów. NMR w prawdzie nie jest ograniczony co do stanu skupienia, ale takŝe nie jest metodą doskonałą, gdyŝ ogromna ilość nakładających się na siebie sygnałów od atomów, często uniemoŝliwia skuteczne określenie struktury. Zautomatyzowany proces sekwencjonowania białek pozwala na analizę kolejności ułoŝenia aminokwasów, jednak nic nie mówi o strukturze. Aby jeszcze bardziej przybliŝyć ogrom problemu zamieszczam ilustrację przykładowego białka ( Lucyferazy ), oraz przytaczam liczby: Znane jest 52,016,762 sekwencji nukleotydów ( dane: GenBank 2005 r. ) z czego znanych struktur jest juŝ tylko 48,235 ( dane: RCSB PDB Styczeń 2008 ). Ilustracja 3: Lucyferaza Odkryć tajemnicę Poszukiwania tańszych, szybszych i przy tym skutecznych metod przewidywania struktur białek zaowocowały powstaniem szeregu metod wykorzystujących statystyczne podejście do problemu. Oparte są one na przekonaniu, Ŝe jeŝeli w opracowanym juŝ białku dana sekwencja układa się w pewien sposób, to być moŝe w innym zachowa się podobnie. Zostały opracowane specjalne algorytmy, które dzieląc białka na mniejsze fragmenty przeszukują bazy danych próbując dopasować części cząsteczki, a następnie poskładać molekułę w całość. Dodatkowo powstały równieŝ tzw. Metaserwery, które wysyłają i zbierają wyniki obliczeń z róŝnych serwerów na których udostępniane są programy do przewidywania ułoŝenia białka w przestrzeni. Sprawozdanie studenckie 2007/2008 3

Prawdziwym wyzwaniem dla naukowców, jak równieŝ weryfikacją metod jest konkurs organizowany pod nazwą CAPS ( Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction ). Uczestnicy otrzymywali sekwencje nukleotydów, dla białek których struktury były juŝ znane, ale jeszcze nie opublikowane. KaŜda edycja ( ostatnia, siódma edycja odbyła się w roku 2006. Wzięło w niej udział 207 grup ) pokazywała duŝe postępy jakie dokonywały się na polu dopasowywania struktur. Obecnie najlepsi potrafią uzyskać około 80% zgodność z rzeczywistością, co jeszcze nie jest wystarczającą wartością do zastąpienia metod eksperymentalnych, ale daje duŝe nadzieje na przyszły rozwój. Praca nad przewidzeniem struktury, zaczyna się od analizy moŝliwej struktury drugorzędowej białka, czyli wyznaczenia pocięcia na sekwencje i zidentyfikowanie charakterystycznych fragmentów: helisy czy beta kartki. ( Na ilustracji 4: helisy - kolor czerwony; beta kartki - Ŝółty, czarny prosty łańcuch. Litery są symbolami poszczególnych nukleotydów ) Ilustracja 4: Sekwencja i struktura II rzdowa lucyferazy Sprawozdanie studenckie 2007/2008 4

Kolejnym krokiem jest dopasowanie i poskładanie rozpoznanych części w całość na podstawie róŝnych kryteriów. Wykorzystywana jest tu wiedza na temat oddziaływań pomiędzy atomami lub grupami atomów przybliŝana np. przez zastosowanie funkcji potencjału. W rezultacie otrzymywany jest model trójwymiarowy białka, prezentujący przewidywaną strukturę. Wątpliwości pozostają Aktualnie nauka jest juŝ bardzo blisko wprowadzenia indywidualnego projektowania leków do medycyny. Pozostaje zrobienie jeszcze jednego kroku, jakim jest opracowanie tanich metod przewidywania struktur białek na podstawie sekwencji nukleotydów. Jednak pomimo bliskości rozwiązania problemu i duŝych postępów w dziedzinie bioinformatyki trudno nie mieć wraŝenia Ŝe tego ostatniego kroku jeszcze długo nie postawimy. Sprawozdanie studenckie 2007/2008 5