Bioinformatyka W10 2012 - SGGWagrobiol.sggw.waw.pl/biometria/media//pawlowski/w_2012_2013/W10... ·...

1

Bioinformatyka – wykład 10, 11.XII.2012

Białkowabioinformatyka strukturalna

– c.d.

[email protected]

You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com

2

F = U – TSPrawdopodobieństwo stanu ~ exp(-F/kBT)

Struktura natywna– minimum energii swobodnej



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

• Chaperoniny…• Folding upon binding …



5

Efekt hydrofobowy

Entropia!

węglowodór fosforan



6



7

Plan wykładu

• proces zwijania się białek• minimalizacja energii• symulacje dynamiki molekularnej

• biblioteki struktur białkowych



8

Droga zwijania (folding)

”zapadanie hydrofobowe” hydrophobic collapseczyproces hierarchiczny



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?



10

Nukleacja



11

Stopiona globuła – molten globule



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



14

Plan wykładu





15

Plan wykładu





16

Newtonowskie równania ruchu

Siła = -gradient energii potencjalnej = masa * przyspieszenie

F: wektor siłX: wektor położeńV: wektor prędkości

kropka: pochodna względem czasu



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.



18

symulacje dynamiki molekularnej

• Mechanizmy katalizy• Efekty mutacji• Mechanizmy wiązania

ligandów / inhibitorów / leków



19

Symulacja zwijania białka

Uproszczony model: pracownia A. Kolińskiego, UW



20

Plan wykładu





21

http://www.rcsb.org/Protein Data Bank



22

Różne klasy metod przewidywania struktur

comparativemodelling

fold recognition

ab initio / de novomethods.

twilightzone

Knowledge basedmethods



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?



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



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”)



26

Budowa modelu

mechanika molekularnawięzy z dopasowania do struktury –

szablonu (template)ew. więzy z eksperymentu

Modelowanie



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



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)



29



30

De novo

• Zredukowane modele siatkowe• Rosetta



31

PREDICTION FROM

PHYSICS:

PROTEIN CHAINFOLDS

SPONTANEOUSLY SEQUENCE HAS

ALL INFO TOPREDICT: 2O STRUCTURE,

3D STRUCTURE,SIDE CHAIN ROTAMERS,S-S BONDS, etc.



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



33

Idea Rosetty

David Baker, UW



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



35

Rosetta

Low resolution

all-atom



36

Rosetta - przykład



Bioinformatyka W10 2012 - SGGWagrobiol.sggw.waw.pl/biometria/media//pawlowski/w_2012_2013/W10... ·...

Documents

Transcript of Bioinformatyka W10 2012 - SGGWagrobiol.sggw.waw.pl/biometria/media//pawlowski/w_2012_2013/W10... ·...