Bioinformatyka

Bioinformatyka
– wykład 9
14.XII.2010
białkowa
bioinformatyka strukturalna
2011-01-17
[email protected]
1
Plan wykładu
•
•
•
•
struktury białek – dlaczego?
struktury białek – geometria i fizyka
modyfikacje kowalencyjne
białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste
2011-01-17
2
Thornton
Nat Struct Biol. 2000; 7 Suppl:991-4.
2011-01-17
3
Łańcuch białkowy:
Regularny łańcuch główny (main chain),
Kodowane przez geny łańcuchy boczne
(side chains)
2011-01-17
~ 20100 sekwencji
~ 3 100 konformacji
4
Protein chain
Covalent bond
lengths:
0.9 – 1.8 Å
Covalent bond
angles:
109o – 120o
Atom radii:
2011-01-17
1–2Å
Peptide
bond
Amino-acid
residue
5
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
2011-01-17
6
Wiązania wodorowe
cząsteczka wody
Oddziaływanie dipol-dipol
Energia wiązania wodorowego w białku
– rzędu 2 kcal/mol (w wodzie 5 kcal/mol )
wiązania białko-białko oraz białko-woda
2011-01-17
7
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
2011-01-17
8
2011-01-17
9
2011-01-17
10
Struktury drugorzędowe
Struktury drugorzędowe:
α helisa (α helix) - stabilizowana wiązaniami wodorowymi w helisie
β struktura (β sheet) - stabilizowana wiązaniami wodorowymi z
inną β strukturą; układy równoległe i antyrównoległe
zwrot β (β turn, reverse turn, harpin bend)
pętla (loop) - łączy inne struktury
zwój (coil, random coil) - pozostałe struktury
2011-01-17
11
Łańcuch
białkowy
2011-01-17
12
Plan wykładu
•
•
•
•
struktury białek – dlaczego?
struktury białek – geometria i fizyka
modyfikacje kowalencyjne
białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste
• regiony nieuporządkowane
2011-01-17
13
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
2011-01-17
14
Side
chains
2011-01-17
15
Przewidywanie glikozylacji
– sieci neuronowe, www.cbs.dtu.dk
2011-01-17
16
Przewidywanie fosforylacji
– sieci neuronowe, www.cbs.dtu.dk
2011-01-17
17
sekwencja wejściowa w oknie
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
warstwa ukryta
przewidywana struktura
α
1
β
0
coil
0
α
warstwa wyjściowa
2011-01-17
18
warstwa wejściowa - 1 jedn. wej. dla każdego aa w oknie; informacje o innych aa, właściwości, profil
• Istota działania
sztucznego neuronu:
Sumowanie sygnałów wejściowych z
odpowiednią wagą i poddanie sumy funkcji
aktywacji
N
yi = f (∑ Wij x j )
j =1
2011-01-17
Xj – sygnał wejściowy
Wij – współczynniki wagowe
– wagi synaptyczne przy
ujemnych wagach neuron
przekazuje sygnał gaszący,
przy dodatnich pobudzający
19
Modyfikacje lokalne
a długozasięgowe
• Przewidywanie oddziaływań
długozasięgowych znacznie trudniejsze
• Parowanie struktur beta
• Parowanie cystein w mostkach
dwusiarczkowych
2011-01-17
20
Modyfikacje sekwencyjnie
specyficzne a niespecyficzne
• Rzadsze modyfikacje,
np. glutationylacja bądź nitrozylacja cystein,
mogą być trudniejsze do przewidzenia
na podstawie lokalnej sekwencji
2011-01-17
21
Plan wykładu
•
•
•
•
struktury białek – dlaczego?
struktury białek – geometria i fizyka
modyfikacje kowalencyjne
białka globularne a białka
transmembranowe i włókniste
• regiony nieuporządkowane
2011-01-17
22
Białka
globularne
Białka
transmembranowe
Białka włókniste
2011-01-17
23
Białka wielodomenowe
• Znaczna część białek u eukariontów
to białka wielodomenowe, niekiedy
zawierające regiony transmembranowe
oraz domeny globularne
2011-01-17
24
Białka transmembranowe
•
•
•
•
Kanały jonowe
Transportery
Receptory (7TM, RTK, …)
Proteazy
2011-01-17
25
Białka transmembranowe
2011-01-17
26
ludzki receptor dopaminy - hydrofobowość
2011-01-17
27
przewidywanie topologii
transmembranowej
ludzki receptor dopaminy
– HMM, www.cbs.dtu.dk
2011-01-17
28
Pamiętajmy o błędach!
2011-01-17
29