2009-01-08

1

Bioinformatyka

– wykład 8

2.XII.2008

białkowa

bioinformatyka

strukturalna

[e-mail]

2009-01-08

2

Lecture

outline, Dec. 6th

•

protein structures

–

why?

•

protein structures

–

geometry and

physics

•

covalent

modifications

•

globular

proteins

vs

transmembrane and

fibrous

proteins

•

protein topology, disordered

regions, structural

domains

2009-01-08

3

Plan wykładu

•

struktury

białek

–

dlaczego?

•

struktury

białek

–

geometria i fizyka

•

modyfikacje kowalencyjne

•

białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste

•

regiony nieuporządkowane

2009-01-08

4

Struktury białek –

dlaczego

warto je znać

i rozumieć

a

zrozumienie lub przewidywanie funkcji

a

planowanie modulowania funkcji

– np. projektowanie leków (drug design)

a

projektowanie modyfikacji struktury bądź funkcji

(inżynieria białkowa - protein engineering

)

a

niektórzy uważają, że białka są ładne i ciekawe

2009-01-08

5

Thornton

Nat Struct

Biol. 2000; 7 Suppl:991-4.

2009-01-08

6

Plan wykładu

•

struktury

białek

–

dlaczego?

•

struktury

białek

–

geometria i fizyka

•

modyfikacje kowalencyjne

•

białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste

•

regiony nieuporządkowane

2009-01-08

7

Christian Anfinsen:

w danym środowisku struktura

trójwymiarowa białka jest w pełni

zdeterminowana przez jego sekwencję

aminokwasową

i odpowiada minimum

energii swobodnej

Anfinsen, C.B.,

Principles that govern

the folding of protein chains.

Science, 1973. 181: p. 223-30.

2009-01-08

8

Łańcuch

białkowy

:

Regularny

łańcuch główny (main

chain),

Kodowane przez geny łańcuchy boczne

(side chains)

~ 20

100

sekwencji

~ 3

100

konformacji

2009-01-08

9

Protein chain

Covalent bond

lengths:

0.9 –

1.8 Å

Covalent bond

angles:

109

o

– 120

o

Atom radii:

1 –

2 Å

Peptide

bond

2009-01-08

10

Protein chain

Covalent bond

lengths:

0.9 –

1.8 Å

Covalent bond

angles:

109

o

– 120

o

Atom radii:

1 –

2 Å

Amino-acid

residue

2009-01-08

11

Wykres Ramachandrana

dozwolone obszary kątów

φ, ψ

2009-01-08

12

ALA, etc. GLY

ALA, etc. GLY

2009-01-08

13

Zapis struktury białka:

Współrzędne wewnętrzne -

reszty

aminokwasowe
φ1, ψ1

φ2, ψ2

φ3, ψ3

...

Współrzędne kartezjańskie –

atomy

x1, y1, z1

x2, y2, z2

…

2009-01-08

14

Wiązania wodorowe

•

„likelihood

of

finding

an

unsatisfied

hydrogen

bond

in

a protein is

insignificant„

Protein Sci. 2005;14:1911

•

Problem definicji
–

wykrywania wiązania wodorowego

w znanych strukturach

2009-01-08

15

cząsteczka wody

Wiązania wodorowe

Oddziaływanie dipol-dipol
Energia wiązania wodorowego w białku
– rzędu 2

kcal/mol

(w wodzie

5 kcal/mol

)

wiązania białko-białko oraz białko-woda

2009-01-08

16

Wiązania wodorowe

•

Donor: H w grupach OH, NH, NH2

(NH -

łańcuch główny)

•

Akceptor: O, N (wolne pary elektronowe).

(CO -

łańcuch główny)

•

Łańcuchy boczne –

np. Ser, Tyr

(często

mogą

być

akceptorami oraz donorami

•

WODA

2009-01-08

17

2009-01-08

18

2009-01-08

19

Struktury

drugorzędowe:

α

helisa

(

α

helix) -

stabilizowana

wiązaniami

wodorowymi

w helisie

Struktury

drugorzędowe

β

struktura

(

β

sheet) -

stabilizowana

wiązaniami

wodorowymi

z

inną

β

strukturą; układy

równoległe

i antyrównoległe

zwój

(coil, random coil) -

pozostałe struktury

zwrot

β

(

β

turn, reverse turn, harpin

bend)

pętla

(loop) -

łączy

inne

struktury

2009-01-08

20

Łańcuch
białkowy

2009-01-08

21

Plan wykładu

•

struktury

białek

–

dlaczego?

•

struktury

białek

–

geometria i fizyka

•

modyfikacje kowalencyjne

•

białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste

•

regiony nieuporządkowane

2009-01-08

22

Modyfikacje posttranslacyjne

•

Cięcia łańcucha białkowego (proteoliza)

•

Glikozylacja, ...

•

Modyfikacje końców (acetylacja, ...)

•

Modyfikacje łańcuchów bocznych
(wiązania dwusiarczkowe, fosforylacja, ...)

•

Wiązanie kofaktorów, jonów, …

•

Efektywnie alfabet aminokwasowy

się

powiększa

20 N

2009-01-08

23

Side

Side

chains

chains

2009-01-08

24

Przewidywanie glikozylacji

–

sieci neuronowe, www.cbs.dtu.dk

2009-01-08

25

Przewidywanie fosforylacji

–

sieci neuronowe, www.cbs.dtu.dk

2009-01-08

26

Sieci

neuronowe

-

sekwencja

jest analizowana

zachodzącymi

oknami

(13-17

aminokwasów); na

wejściu

podawana

jest sekwencja

w oknie; przewidywana

jest

struktura

dla

aminokwasu

centralnego; uwzględniane

są

oddziaływania

aminokwasów

na

siebie

przy

określaniu

struktury

-

analiza

w kontekście; sieć

jest

uczona

na

sekwencjach

o znanej

strukturze, podczas

uczenia

określane

są

wagi,

które

są

później

nadawane

sygnałom; przewiduje

struktury

2D i regiony

hydrofobowe

L

S

W

T

K

C

Y
A
V
S

G

A
P

0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

α

β

coil

1

0

0

warstwa

ukryta

warstwa

wyjściowa

przewidywana

struktura

α

warstwa

wejściowa

-

1 jedn. wej. dla

każdego

aa

w oknie; informacje

o innych

aa, właściwości, profil

sekw

encj

a

w

ej

ści

owa

w

okni

e

2009-01-08

27

•

Istota działania
sztucznego neuronu:

Sumowanie sygnałów wejściowych z

odpowiednią

wagą

i poddanie sumy funkcji

aktywacji

)

(

1

j

N

j

ij

i

x

W

f

y

∑

=

=

Xj

–

sygnał

wejściowy

Wij –

współczynniki wagowe

–

wagi synaptyczne przy

ujemnych wagach neuron
przekazuje sygnał

gaszący,

przy dodatnich -

pobudzający

2009-01-08

28

Modyfikacje lokalne

a długozasięgowe

•

Przewidywanie oddziaływań

długozasięgowych

znacznie trudniejsze

•

Parowanie struktur beta

•

Parowanie cystein

w mostkach

dwusiarczkowych

2009-01-08

29

Modyfikacje sekwencyjnie

specyficzne a niespecyficzne

•

Rzadsze modyfikacje,
np. glutationylacja

bądź

nitrozylacja

cystein,

mogą

być

trudniejsze do przewidzenia

na podstawie lokalnej sekwencji

2009-01-08

30

Plan wykładu

•

struktury

białek

–

dlaczego?

•

struktury

białek

–

geometria i fizyka

•

modyfikacje kowalencyjne

•

białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste

•

regiony nieuporządkowane

2009-01-08

31

Białka
globularne

Białka włókniste

Białka
transmembranowe

2009-01-08

32

Białka wielodomenowe

•

Znaczna część

białek u eukariontów

to białka wielodomenowe, niekiedy
zawierające regiony transmembranowe

oraz domeny globularne

2009-01-08

33

Białka transmembranowe

•

Kanały jonowe

•

Transportery

•

Receptory (7TM, RTK, …)

•

Proteazy

2009-01-08

34

Białka transmembranowe

2009-01-08

35

przewidywanie topologii

transmembranowej

ludzki receptor dopaminy

–

HMM, www.cbs.dtu.dk

2009-01-08

36

przewidywanie topologii

transmembranowej

ludzki receptor dopaminy

–

HMM, www.cbs.dtu.dk

2009-01-08

37

Pamiętajmy o błędach!

2009-01-08

38

Pamiętajmy o błędach!

2009-01-08

39

Plan wykładu

•

struktury

białek

–

dlaczego?

•

struktury

białek

–

geometria i fizyka

•

modyfikacje kowalencyjne

•

białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste

•

regiony nieuporządkowane

2009-01-08

40

Regiony nieuporządkowane –

disordered

regions

•

trudna definicja

•

trudne do przewidzenia

•

nie zawsze tożsame z pętlami

•

nie zawsze tożsame z regionami o niskiej

specyficzności

•

ważne biologicznie

•

sprzężenie zwijania białka i wiązania

•

duże znaczenie praktyczne

2009-01-08

41

Regiony nieuporządkowane –

gdzie?

•

pętle / zwoje

•

”gorące pętle”

(wg czynników temperatury ze struktur
krystalograficznych)

•

obszary o brakujących współrzędnych
(w strukturach krystalograficznych i NMR)

przewidywanie –

np. sieci neuronowe

2009-01-08

42

Kalcyneuryna

•

extremely sensitive to protease digestion:

a disordered ensemble;

•

confirmed in X-ray diffraction structure by missing coordinates

•

disorder likely to be essential to provide calmodulin

(right) with space needed

to completely surround its target helix

...the existence and commonness of proteins with intrinsic disorder

call for

a reassessment of the structure-function paradigm...

(Wright and Dyson )

2009-01-08

43

Nieporządek –

przewidywarka

komercyjna

2009-01-08

44

Nieporządek –

przewidywarka

http://dis.embl.de

2009-01-08

45

Nieporządek w kalmodulinie

2009-01-08

46

Granice dokładności

przewidywań

strukturalnych

•

Ograniczone zestawy danych do „uczenia”

algorytmów

•

Niejednoznaczność

definicji przedmiotu

przewidywań

–

np. struktura II-rzędowa

•

Warto łączyć

różne przewidywania –

pamiętać

o kontekście. Np. fosforylacja-

wewnątrz komórki; glikozylacja

–

na

zewnątrz

•

Interpretacja