Download - Bioinformatyka W10 2012 - SGGW
1
Bioinformatyka – wykład 10, 11.XII.2012
Białkowabioinformatyka strukturalna
– c.d.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
2
F = U – TSPrawdopodobieństwo stanu ~ exp(-F/kBT)
Struktura natywna– minimum energii swobodnej
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
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."
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
4
• Chaperoniny…• Folding upon binding …
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
5
Efekt hydrofobowy
Entropia!
węglowodór fosforan
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
6
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
7
Plan wykładu
• proces zwijania się białek• minimalizacja energii• symulacje dynamiki molekularnej
• biblioteki struktur białkowych
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
8
Droga zwijania (folding)
”zapadanie hydrofobowe” hydrophobic collapseczyproces hierarchiczny
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
9
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?
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
10
Nukleacja
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
11
Stopiona globuła – molten globule
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
12
Stopiona globuła – molten globule
lejek funnelYou created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
13
równowaga – energia i entropia
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
14
Plan wykładu
• proces zwijania się białek• minimalizacja energii• symulacje dynamiki molekularnej
• biblioteki struktur białkowych
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
15
Plan wykładu
• proces zwijania się białek• minimalizacja energii• symulacje dynamiki molekularnej
• biblioteki struktur białkowych
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
16
Newtonowskie równania ruchu
Siła = -gradient energii potencjalnej = masa * przyspieszenie
F: wektor siłX: wektor położeńV: wektor prędkości
kropka: pochodna względem czasu
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
17
symulacje dynamiki molekularnej
Znając początkowy rozkład położeń X i prędkości V można symulować (np. przez czas rzędu mikrosekund
„protein motions observed in molecular simulations are related to biochemical activities, although the computed time scales do not necessarily match those of the experimentally observed processes”Proteins. 2011 doi: 10.1002/prot.23225.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
18
symulacje dynamiki molekularnej
• Mechanizmy katalizy• Efekty mutacji• Mechanizmy wiązania
ligandów / inhibitorów / leków
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
19
Symulacja zwijania białka
Uproszczony model: pracownia A. Kolińskiego, UW
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
20
Plan wykładu
• proces zwijania się białek• minimalizacja energii• symulacje dynamiki molekularnej
• biblioteki struktur białkowych
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
21
http://www.rcsb.org/Protein Data Bank
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
22
Różne klasy metod przewidywania struktur
comparativemodelling
fold recognition
ab initio / de novomethods.
twilightzone
Knowledge basedmethods
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
23
Modelowanie struktur ”oparte na wiedzy”
Czy istnieją dobrze scharakteryzowanebiałka podobne do mojego?
Jaka jest dokładna struktura 3D?
Jaką aktywność ma białko?
Rozpoznanie
Funkcja
Modelowanie
DopasowanieJak dopasować sekwencjetarget/template?
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
24
Struktura przez analogię
75
50
25
0
Łatwe - BLAST, FASTA – silne podobieństwo sekwencji, oczywiste Analogie funkcji
Trudne - PSI-BLAST - podobieństwosekwencji - twilight zone,zróżnicowanie funkcji
Trudniejsze –brak wyraźnego podobieństwa sekwencji, duża dywergencja funkcji – fold recognition
Identycznośćsekwencji100
Rozpoznanie
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
25
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”)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
26
Budowa modelu
mechanika molekularnawięzy z dopasowania do struktury –
szablonu (template)ew. więzy z eksperymentu
Modelowanie
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
27
Modelowanie porównawczew różnych rolach
tradycyjnie
białko-szablon homologiczne
oczywista analogia funkcji
zwykle jednozacznedopasowanie
modelowanie dokowanie ligandów,
szczegółowa analiza miejsca aktywnego, ...etc. etc.
Odległe podobieństwo
Nie zawsze białko-szablon homologiczne
funkcja nieoczywista dopasowanie może
być niejednozacznemodelowanie analiza modelu
w celu określenia funkcji
Funkcja
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
28
Example: mechanism of action of an anti cancer drug (STI-571)
Cancer Fighter's Modus Operandi RevealedJean MarxScience (2000), 289, 1121-2
Funkcja
STI-571 binds to the Abl protein (left), however doesn't bind to Src, a similar oncogenic kinase (right)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
29
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
30
De novo
• Zredukowane modele siatkowe• Rosetta
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
31
PREDICTION FROM
PHYSICS:
PROTEIN CHAINFOLDS
SPONTANEOUSLY SEQUENCE HAS
ALL INFO TOPREDICT: 2O STRUCTURE,
3D STRUCTURE,SIDE CHAIN ROTAMERS,S-S BONDS, etc.
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
32
Przykład zredukowanej reprezentacji struktury białka
• uwzgędnia się tylko kilka quasi-atomów na resztę aminokwasową -np. CC
• ograniczona liczba możliwych położeń quasi-atomów
• specjalne potencjały dla quasi-atomów
• problem przejścia od reprezentacji zredukowanej do pełnej, atomowej
• metody często łączone z elementami rozpoznawania kształtw
grupa Andrzeja Kolińskiegobiocomp.chem.uw.edu.pl
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
33
Idea Rosetty
David Baker, UW
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
34
Rosetta
• łańcuch główny – uproszczony model CC: uwzględnienie preferencji konformacyjnych krótkich fragmentów wg. bibliotek struktur
• następnie udoskonalenie modelu(refinement) z wykorzystaniem potencjałówfizykochemicznych, opartych na analizie znanych struktur
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
35
Rosetta
Low resolution
all-atom
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
36
Rosetta - przykład
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)