2009-01-08

1

Bioinformatyka

– wykład 10, 16.XII.2008

Białkowa

bioinformatyka strukturalna

–

c.d.

[e-mail]

2009-01-08

2

Popularne systemy klasyfikacji

struktur białkowych

•

SCOP -

visual

inspection

& automated

methods, A. Murzin

http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/

•

CATH -

semi-automatic,

http://www.cathdb.info

•

FSSP –

automated

(DALI)

http://ekhidna.biocenter.helsinki.fi/dali

2009-01-08

3

Dopasowanie strukturalne (alignment)

d

iJ

=

odległość:

(x

i

- x

J

)

2

+ (y

i

- y

J

)

2

+ (z

i

- z

J

)

2

b

c

d

e

f

α

β

γ

δ

ε

ζ

Root mean square deviation

-

zwykle C

α

2009-01-08

4

podobnie jak identyczność

sekwencji,

RMSD ma sens tylko dla określonego

dopasowania i regionu sekwencji

2009-01-08

5

porównanie struktur -

programy

DALI

-

Distance Alignment Tool; dopasowanie macierzy

odległości

VAST

-

Vector alignment Search Tool; dopasowanie

wektorowe; wektory

opisujące

struktury

drugorzędowe

FATCAT

-

Flexible Alignment allowing Twists

LGA

–

lokalna i globalna optymalizacja RMSD

(longest

continuous

segments

& global

distance

test)

Wybór metody porównania struktur zależy od problemu

2009-01-08

6

Plan wykładu

•

doświadczalne metody badania struktur
białkowych: krystalografia, NMR, inne

•

oddziaływania decydujące o strukturze

białka

•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur

białka

2009-01-08

7

Plan wykładu

•

doświadczalne metody badania struktur
białkowych: krystalografia, NMR, inne

•

oddziaływania decydujące o strukturze

białka

•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur

białka

2009-01-08

8

Krystalografia
promieni X

oddziaływania
promieni X z elektronami

2009-01-08

9

krystalografia

Informacje –

gęstość

elektronowa

2009-01-08

10

krystalografia

Informacje –

gęstość

elektronowa

2009-01-08

11

NMR –

magnetyczny

rezonans jądrowy

oddziaływania
momentów magnetycznych jąder atomowych
z zewnętrznym polem magnetycznym
wykorzystuje się

protony, C13, N15

2009-01-08

12

Ze sprzężeń

spin-spin ->

informacje: kąty torsyjne

i więzy na odległości

Otrzymuje się

ensembl

struktur spełniających więzy

NMR –

magnetyczny

rezonans jądrowy

2009-01-08

13

a

krystalografia promieni X

ƒ

najwięcej rozwiązanych struktur

ƒ

krystalizacja!

a

NMR

ƒ

białka w roztworze, ale ograniczenia wielkości białek, kosztowne

znakowanie izotopowe

a

mikroskopia elektronowa

ƒ

duże struktury, np. kompleksy, zwykle z użyciem struktur krystalogr.

elementów

a

krystalografia neutronowa

ƒ

protony są widoczne

wszystkie doświadczalne metody wyznaczania struktur

obejmują

elementy modelowania struktur

2009-01-08

14

Typical steps in experimental

structure determination (X-ray)

•

Cloning and expression

•

Purification

•

Crystallization

•

X-ray data collection

•

X-ray data processing, model building and refinement

We get “the real thing”, however:
In the past the whole process could take a few years
Problems in any step can halt the structure solving process
Recently: substantial progress in speeding up and automation of structure

solving

The structure -

sequence gap: millions

of

sequences in NCBI,

54000+ protein structures in the PDB

(as of

mid

Dec 2008)

2009-01-08

15

Plan wykładu

•

doświadczalne metody badania struktur
białkowych: krystalografia, NMR, inne

•

oddziaływania decydujące o strukturze

białka

•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur

białka

2009-01-08

16

Oddziaływania decydujące

o strukturze białka

2009-01-08

17

Oddziaływania decydujące

o strukturze białka

lokalne

długozasięgowe

2009-01-08

18

F = U –

TS

Prawdopodobieństwo

stanu ~ exp(-F/k

B

T)

Struktura natywna

–

minimum energii swobodnej

2009-01-08

19

Wiązania kowalencyjne

2009-01-08

20

Electrostatics in uniform media:
potential

ϕ

1

= q

1

/

εr

Interaction of two charges

:

U =

ϕ

1

q

2

=

ϕ

2

q

1

= q

1

q

2

/

εr

ε

= 1 vacuum

ε ≈ 3 protein

ε ≈ 80 water

Protein/water interface
In non-uniform media:

ε

= ?

At atomic distances:

ε

= ?

Oddziaływania elektrostatyczme

2009-01-08

21

Oddziaływania van

der Waalsa

•

Oddziaływanie elektrostatyczne dipol-dipol
(uśrednione)

•

Oddziaływanie indukcyjne (dipol-dipol indukowany)

•

Oddziaływanie dyspersyjne (dipol indukowany -

dipol

indukowany)

~ 1/r

6

2009-01-08

22

Siły

odpychania

walencyjnego

•

zakaz Pauliego

(na jednym orbitalu

molekularnym

nie mogą

się

znajdować

więcej niż

dwa

elektrony).

•

E ~ exp(-r), często przybliżana E ~ 1/r

12

2009-01-08

23

oddziaływania van

der Waalsa

oraz siły

odpychania

walencyjnego

2009-01-08

24

Efekt hydrofobowy

2009-01-08

25

Efekt hydrofobowy

Entropia!

węglowodór

fosforan

2009-01-08

26

Plan wykładu

•

doświadczalne metody badania struktur
białkowych: krystalografia, NMR, inne

•

oddziaływania decydujące o strukturze

białka

•

”pole siłowe”

-

opis energetyczny struktur

białka

2009-01-08

27

Opis energetyczny struktury białka

Przyzwoity opis

układu molekularnego –

równanie falowe Schrödingera

...ale dla większości zastosowań

wystarczy

klasyczny model białka

2009-01-08

28

2009-01-08

29

Wesołych Świąt!

...następny wykład 6.I.2009