Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng...

46
Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (http://www.icm.edu.pl/~lesyng/) oraz European Centre of Excellence for Multiscale Biomolecular Modelling, Bioinformatics and Applications (http://www.icm.edu.pl/mamba) Warsztaty z bioinformatyki- SGGW 3/06/2005

Transcript of Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng...

Page 1: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ?

Bogdan LesyngICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet

Warszawski (http://www.icm.edu.pl/~lesyng/)oraz

European Centre of Excellence forMultiscale Biomolecular Modelling,

Bioinformatics and Applications(http://www.icm.edu.pl/mamba)

Warsztaty z bioinformatyki-SGGW

3/06/2005

Page 2: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Dynamics, classical and/or quantum one in

the real molecular environment

Sequences at the protein & nucleic acids levels

3D & electronicstructure

Function

Metabolic pathways & signalling

Sub-cellular

structures & processes

Cell(s), structure(s) & functions

1 RPDFCLEPPY 10 11 TGPCKARIIR 20 21 YFYNAKAGLC 30 31 QTFVYGGCRA 40 41 KRNNFKSAED 50

51 CMRTCGGA 58

Page 3: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)
Page 4: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Active site(quantum subsystem)

Classical molecular scaffold (real molecular environment)

Solvent (real thermal bath)

Interacting quantum and classical subsytsems.Enzymes, special case of much more general

problem.

Page 5: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Quantum-classical dynamics in simulations of enzymatic processes (phospholipase A2 – a case study)

Page 6: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Multi-scale modeling. Classes of models

Microscopic models

Mesoscopic models

Page 7: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Fields are equally important as structures !

Page 8: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

..int repvdisppolel VVVVV

termcrossnpfieldmean

el GGGG int

PBel

fieldmeanel GG

• Microscopic (quantum) description of intermolecular interactions:

• Mesoscopic description of intermolecular interactions (free energies)

Electrostatic Poisson-Boltzmann energy

Interaction potentials

meanVdWcavnp GGG

0 termcrossG

See eg. E.Gallicchio and R.M.Levy, J.Comput.Chem.,25,479-499(2004)

Page 9: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Microscopic generators of the potential energy function

• AVB – (quantum)• AVB/GROMOS - (quantum-classical)

• SCC-DFTB - (quantum)• SCC-DFTB/GROMOS - (quantum-classical)• SCC-DFTB/CHARMM - (quantum -classical)• ....

Dynamics

• MD (classical)• QD (quantum)• QCMD (quantum-classical)• ....

Mesoscopic potential energy functions

•Poisson-Boltzmann (PB)•Generalized Born (GB)•....

Page 10: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)
Page 11: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)
Page 12: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

O

O

O

R’

OH

OR''

OH

OHOCH3

ABCD

O

X

CH3

YH

H

H

R” : H, R’ : H, OHX : H, OH, NH2

Y : H, OH, NH2

W.R.Rudnicki et al., Acta Biochim. Polon., 47, 1-9(2000)

Page 13: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

G = 0.191 x E - 0.41

r2=0.947

5

6

7

8

9

10

30 35 40 45 50 55 60

E [kcal/mol]

G [k

cal/m

ol]

Page 14: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Determination of biomolecular structures

X-ray and neutrondiffraction data

NMR

Molecular quantum mechanics.Minimization of the B.-O.

energy

Homology analysisand structure prediction

”Ab intio” methods

Minimization of the MM-energy or free energy

Experimental and ”data-mining” approaches

0

RE

EHBO

BOel

0

RF MM

eFF

eFzyx

lkhi

lkhlkh

lkh

lzkyhxi

lkhV

,,

,,,,

,,

)(2

,,

1,,

R ,

Page 15: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Chapter 4.5,page 72

Page 16: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

W.Saenger & K.H.Sheit, J.Mol.Biol., 50, 153-169(1970)

B.Lesyng & W.Saenger, Z.Naturforsch. C,36, 956-960(1981)

Crystallized from water

Crystallized from butyric acid !

Page 17: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Formy DNA

B A Z

Page 18: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

B A Z

Widok wzdłuż osi helisB A Z

Formy DNA - widok z góry

Page 19: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

(PrpC)Normalne białko prionowe

(PrpSc) Forma powodująca chorobę

Page 20: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Towards global minimum of the free energy(Gibbs & Boltzmann – equilibrium properties,

Kramers & Eyring - kinetics)

Page 21: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Symplektyczne algorytmy dynamiki molekularnej

Page 22: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)
Page 23: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)
Page 24: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)
Page 25: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Optimal sequence alignment, followed by a 3D structure alignment, results in predictionof a correct, 3D-hierarchical biomolecular structure.

”Optimal” – consistent withcurrent evolutionary concepts.

Wrong sequence alignmenttypically results in a wrong structure.

Page 26: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Homology analysisand

structure prediction.

Making use of molecular evolution conceptsand Darwinian-type

approach.

Page 27: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)
Page 28: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

P.Setny, J.Leluk,..

Page 29: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

29

Protonation equilibria in proteins

Page 30: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Protonation equilibria - microstates

,..0,1,1,0,1,1,0aix

Tk

aiaiB

aixGe

Z xx1

Page 31: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

)( rnqri

iiext

kT

rqnrn

)(exp)( 0

kTIe

rrrrrqrrk

kk

22

2

2

P o i s s o n - B o l t z m a n n ( P B ) m e t h o d

i n t h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m

s o l v i n g o n a g r i d , o rw i t h fi n a l e l e m e n t s

e x t e r n a l i o n i c d e n s i t y

r i q i

D e b y e - H u c k e l s c r e e n i n g p a r a m e t e r , I - i o n i c s t r e n g t h

Page 32: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

The model group – a reference state

GGGG HinoHiiiipHpH

,,mod,

This differenceassumed to bepurely electrostatic

Page 33: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Ensamble -role of a reference state (”model group”)

Z

ZGH

noHRT ln GGGG HnoHpHpH

mod

Page 34: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Phosphotyrosine in phospholipase C-

SH2 domain of phospholipase C-1

(pdb: 2PLE)

S.M.Pascal,A.U.Singer,G.Gish,T.YamazkiS.E.Shoelson, T.Pawson, L.E.Kay, J.D.Forman-Kay, Nuclear Magnetic Resonance Structure Of An Sh2 2ple Domain Of Phospholipase C-Gamma1 Complexed With A High Affinity Binding Peptide, Cell, 77,461-472(1994)

phosphotyrosine

Page 35: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

phosphoglucomutase(pdb: 3PMG)

W.J.Ray, Junior, Y.Liu, S.Baranidharan,Structure of Rabbit Muscle Phosphoglucomutase at 2.4 Angstroms Resolution. Use of Freezing Point Depressant and Reduced Temperature to Enhance Diffractivity, to be published

phosphoserine

Phosphoserine in phosphoglucomutase

Page 36: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Typical results for phosphorylated proteins

molecule prediction experimental

phopsphotyrosine

tetrapeptide 1 5.36 5.9

dodecapeptide 5.66 6.1

phospholipase C-1 3.71 4.0

phosphoserine

tetrapeptide 2 5.7 6.1

phosphoglucomutase   <4

phosphothreonine

tetrapeptide 3 6.1 6.1

Page 37: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Open and close forms of PKA

Page 38: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

.Multiscale modelling methods, the approach to refine structures

and to understend functioning of complex biomolecular systems and processes

• Virtual titration- J. Antosiewicz, E. Błachut-Okrasińska, T. Grycuk, J. Briggs, S. Włodek, B.

Lesyng, J.A. McCammon, Prediction of pKas of Titratable Residues in Proteins Using a Poisson-Boltzman Model of the Solute-Solvent System, in “Computational Molecular Dynamics: Challenges, Methods, Ideas”, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, vol. 4, Eds. P.Deuflhard et al, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, pp. 176-196,1999

– J.Antosiewicz, E. Błachut-Okrasińska, T. Grycuk and B. Lesyng,A Correlation Between Protonation Equilibria in Biomolecular Systems and their Shapes: Studies using a Poisson-Boltzmann model., in GAKUTO International Series, ”Mathematical Science and Applications”. Kenmochi, N., editor, vol. 14, 11-17, Tokyo, GAKKOTOSHO CO, pp.11-17, 2000.

- M. Wojciechowski, T. Grycuk, J. Antosiewicz, B.Lesyng, Prediction of Secondary Ionization of the Phosphate Group in Phosphotyrosine Peptides, Biophys.J, 84, 750-756 (2003)

• Quantum forces and dynamics in complex biomolecular systems.– P. Bala, P. Grochowski, B. Lesyng, J.A. McCammon, Quantum Mechanical

Simulation Methods for Studying Biological System, in: ”Quantum-Classical Molecular Dynamics. Models and Applications”, Springer-Verlag, 119-156 (1995)

– Grochowski, B. Lesyng, Extended Hellmann-Feynman Forces, Canonical Representations, and Exponential Propagators in the Mixed Quantum-Classical Molecular Dynamics, J.Chem.Phys, 119, 11541-11555(2003)

Page 39: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

G e n e r a l i z e d B o r n ( G B )

G e lG B = G e l

0 + G e ls o l

ji ijin

jioel r

qqG

21

ji ij

ji

ex

f

in

solel f

qqeG

i j

,

121

G e l – T o t a l e l e c t r o s t a t i c e n e r g y

C o u l o m b i c i n t e r a c t i o n e n e r g yb e t w e e n a t o m s

E l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n e n e r g y ( s o l v a t i o n e n e r g y ) o f t h e m o l e c u l a r s y s t e mw i t h d i e l e c t r i c e n v i r o n m e n t ( e g . w a t e r ) .

r i j – d i s t a n c e b e t w e e n a t o m s

– D e b y e - H u c k e l p a r a m e t e r

R i – B o r n r a d i u s i – V a n d e r W a a l s r a d i u s

ji

ijjiijij RR

rRRrf

4exp

22

w h e r e :

Page 40: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

The same atoms are characterized by diff erent Bornradii. Their values depend on geometry of themolecular system, and on localization of the atoms inthe system (geometrical property). The Born radii are large inside, and are close to VdW radii on the surface.

Born radiiand

Van der Waals radii

Molecular area

Page 41: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

PBelG GB

elG ”GB” – Generalized Born

rdconstVGex

kk

repmeanVdW

rr3

6

1

k

kcav AkG Ak - van der Waals surface area of atom k

k - surface tension parameter assigned to

atom k

First papers on Born models:

•M.Born, Z.Phys., 1,45(1920)•R.Constanciel and R.Contreas, Theor.Chim.Acta, 65,111(1984)•W.C.Still, A.Tempczyk,R.C.Hawlely,T.Hendrikson, J.Am.Chem.Soc.,112,6127(1990)•D.Bashford, D.Case, Annu.Rev.Phys.Chem., 51,129(2000)

Page 42: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

E x p r e s s i o n s f o r B o r n r a d i i

rdrR solventi

34

1

4

11

3

1

36

1

4

31

rd

rR solventi

3

1

314

31

n

solventn

i

rdr

nR

3.0

033

32.4

solv

solute

n

A . O n u f r i e v , D . B a s h f o r d , D . C a s e , J . P h y s . C h e m . B , 1 0 4 , 3 7 1 2 - 3 7 2 0 ( 2 0 0 0 )

T . G r y c u k , J . C h e m . P h y s , 1 1 9 , 4 8 1 7 - 4 8 2 6 ( 2 0 0 3 )

M . W o j c i e c h o w s k i , B . L e s y n g , J . P h y s C h e m B , 1 0 8 , 1 8 3 6 8 -1 8 3 7 6 ( 2 0 0 4 )

1

233

1

714

ex

inex

exo

i

ED

ACAC

R

4

1

3747

141

41

rd

rRA

inVdW

M.Feig, W.Im, C.L.Brooks, J.Chem.Phys.,120,903-911(2004)

(I)

(II)

(III)

(IV)

Coulomb Field appr.

Kirkwood Model

Page 43: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Ratio of the GB solvation enery to the Kirkwood solvation energy

Page 44: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Acknowledgements

PhD students:Marta HallayJarek KalinowskiPiotr KmiećMagda GruzielMichał WojciechowskiŁukasz WalewskiFranek RakowskiJanek Iwaszkiewicz

Coworkers:Dr hab. J.AntosiewiczDr hab. P.BałaDr hab. M.GellerDr P.GrochowskiDr J.Trylska

Collaboration:Prof. J.A.McCammonProf. W.Saenger

Studies are supported by”European CoE for Multiscale Biomolecular

Modelling, Bioinformatics and Applications” and

Polish State Committee for Scientific Research.

Page 45: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Conclusions• I n general, experimental structures

should be refi ned, which in particular, requires application of virtual titrationprocedures.

• Knowledge of intra- and intermolecular fi elds (electrostatic, hydrophobic, etc.) are required f or better understanding ofmolecular and f unctional properties. I nfl uence of the real molecular environment can be modelled by such fi elds.

• Development and applications of multiscalemolecular modelling methods (f romquantum to mezoscopic ones) allow to much better describe biomolecular mechanisms and logic of their f unctioning(a f ew ongoing projects in my group).

• Development and applications of a variety of mathematical models and theories makes such studies to be not boaring !

Page 46: Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (lesyng/)

Structures in the crystalline state can be interpreted in terms of packing forces, properties of hydrogen bonds, a kind of consensus between the intramolecular energy and the intermolecular interaction energy, etc.

B.Lesyng, G.A.Jeffrey, H.A.Maluszynska, A Model for the Hydrogen-bond-length Probability Distributions in the Crystal Structures of Small-molecule Components of the Nucleic Acids, Acta Crystallog., B44, 193-8(1988)

However, this problem can also be seen in a different, more abstract way, namely as minimization of the

free energy of a selected molecular system in its real molecular environment – in this particular case this is

the environment formed by surrounding molecules with imposed constraints resulting from the

symmetry.

Towards generalization of experimentally observedstructural changes