Моделирование структуры биомакромолекул презентация

modifier 3 precursor [Homo sapiens]
MSEEKPKEGVKTENDHINLKVAGQDGSVVQFKIKRHTPLSKLMKAYCERQG
LSMRQIRFRFDGQPINETDTPAQLEMEDEDTIDVFQQQTGGVPESSLAGHSF

связей между атомами кислорода и водорода главной цепи.

белка

Реплисома
- копирование ДНК

пространственную структуру.
Аминокислотная последовательность белка одназначно определяет его пространственную структуру [Anfinsen et al., 1960s].
Пространственная структура белка определяет его функцию.

гидрофобности аминокислот

основе информации о его последовательности

- Рентгеноструктурный анализ
- Метод многомерного ЯМР
- Метод криоэлектронной микроскопии

Molecular Conceptor v. 2.11, Synergix ltd., USA

определять степень протонирования а/к остатков в белках
возможность разрешать структуры объектов большого размера (вирусная капсида, рибосома, фотосинтетический реакционный центр, т.д.), состоящих из нескольких десятков тысяч атомов.

Molecular Conceptor v. 2.11, Synergix ltd., USA

человеколет на GroEL

От 0,3 мм

выходом

Высокоэффективная

очистка

Кристаллизация

Отбор кристаллов, Сбор данных

4 крупных и 6 малых центров разрешили за 7 лет более 3000 белковых структур (40% новых структур)
Полуавтоматическое

Разрешение структуры

Валидация стр-ры, Помещение в PDB

Полуавтоматическая

публикация

Новая структура каждые 2 дня!
GroEL за 2 месяца.

Service R.B., Science 319, 1610 (2008)

атомов водорода м.б. определены
информация о динамике
атомов м.б. определена
В бел ках 103 – 104 протонов Метильные и метиленовые группы 0,8-3,5 ppm, ароматические, индольные и иммидазольные кольца 6,5-8 ppm
В ДНК/РНК Н-2/Н-8 пуринов 8,4-
9 ppm, Н-5 пиримидинов 6,3-6,6 ppm, Н-6 8,0-8,5 ppm, метильная группа тимидина 2,3-2,4 ppm.

Molecular Conceptor v. 2.11, Synergix ltd., USA

1 Gigahertz NMR Spectrometer based on unique
23.5 Tesla Standard-Bore, Persistent Superconducting Magnet (12-tonne, 4.5-metre-tall machine)

Dr. Lyndon Emsley, European Centre for High Field NMR (CRMN) in Lyon, France.
Nature 463,605(2010).

€11.7-million (US$16.3-million)
http://www.bruker-biospin.com/av1000-dir.html

< 300 а/к остатков м.б. Определена этим методом, что составляет менее половины известных белковых последовательностей. Известны примеры разрешения структур белков из 700 а/к.
Дороговизна получения образцов с изменѐнным изотопным составом
(13С, 19F, 31P)
Невысокая точность разрешения структуры

Conceptor v. 2.11, Synergix ltd., USA

in D20 at 30'C with a 300 ms mixing time. (A) Strand 1 connectivities. (B) Strand 2 connectivities.
Leontis, N. et al., Biophysical Journal, 68, 251 (1995).

разрешѐнных методом многомерного ЯМР представлено 10-20 структур. Усреднѐнная структура имеет наибольшую достоверность.

этого метода 3-5 Å не позволяет определять координаты атомов.

Образцы в замороженном состоянии, что предотвращает радиационные повреждения и удерживает их в нативном состоянии.


Molecular Conceptor v. 2.11, Synergix ltd., USA

свой идентификатор (4 символа) и ей соответствует
файл, в котором приведены координаты тяжѐлых атомов.

Структура PDB файла. (Brookhaven Protein Data Bank)

дополнительной информации о структурах схожих белков.
Предсказание на основе гомологии (homology modeling) -
моделирование на основе известных структур схожих белков.
Тридинг (Threading) - моделирование на основе слабой гомологии.

Предсказание пространственной структуры белка

аминокислотами


Поиск в пространстве всевозможных конформаций
Модель на основе “решетки”
Молекулярная динамика
Использование библиотек известных 3D фрагментов

Предсказание вторичной структуры

наиболее важные.
Не существует эффективных алгоритмов
Плохо отражает реальность

методом Монте Карло
Полученные структуры кластеризуются и в качестве результата выдаются наилучшие структуры для каждого кластера

ROSETTA

известной 3D структурой (обычно >30% сходства)
Наложение моделируемой последовательности на известную структуру согласно выравниванию
Локальное улучшение полученной пространственной структуры

Число уникальных укладок (фолдов), наблюдающихся в белках, ограничено
(несколько тысяч)
90% помещаемых в PDB структур имеют уже известные укладки (фолды)

отличие от моделирования по гомологии - поиск наилучшей структуры осуществляется с помощью выравнивания последовательности со структурой, а не с последовательностью. При этом используется специальным образом определенная весовая функция.

структурой
алгоритм нахождения наилучшего выравнивания

Prediction, CASP

 FoldIt

белков методом моделирования по гомологиям:

Определения круга гомологичных белков;
Нахождение структурно-консервативных элементов в структуре гомологов (SCRs);
Выравнивание последовательности модельного белка с последовательностями гомологов, с учѐтом наличия SCR;
Присвоение координат атомов остатков, входящих в SCR, соответствующим атомам модельного белка согласно выравниванию;
Предсказание конформации петель, соединяющих SCR, а также N- и С-концов пептидной цепи белка;
Поиск оптимальной конформации боковых остатков аминокислот модельного
белка, отличающихся от остатков опорного белка;
Использование методов регуляризации структуры (энергетическая минимизация и молекулярная динамика) для уточнения молекулярной структуры с целью устранения стерических напряжений созданных при построении моделей.

координаты атомам боковых цепей. Благоприятный случай, когда аминокислота модельного белка совпадает с соответствующей кислотой белка- гомолога. В этом случае конформация боковой цепи остаѐтся неизменной. Если боковая цепь аминокислоты модельного белка короче, чем соответствующая цепь аминокислоты гомолога, более короткая цепь повторяет насколько это возможно более длинную (торсионные углы одинаковы). Если же аминокислота модельного белка более длинная, то начальный ход повторяет ход боковой цепи в белке-гомологе, а последующие атомы цепи помещаются в развѐрнутую (extended) конформацию,
вероятно вызывая сильные напряжения в структуре модельного белка.

мы имеем модельную структуру, которая нуждается в приведении еѐ в соответствие со следующими требованиями:
Геометрия пептидной цепи модельной структуры должна быть регулярной (транс- конформация пептидных групп, близкие к равновесным значения валентных углов и дли связей);
Атомы не должны перекрываться, т.е. расстояния между несвязанными атомами не должны быть существенно меньше, чем сумма их ван-дер-ваальсовских радиусов;
Боковые цепи аминокислот должны находиться в равновесной конфигурации;
▪Если в молекуле имеются дисульфидные мостики (Cys-Cys связи), то расстояния между соответствующими атомами серы должны быть приведены в соответствие с геометрией;
В структуру должны быть помещены необходимые простетические группы.

была использована пространственная структура D-Amino Acid Oxidase из Rhodotorula gracilis (PDB идентификатор 1C0L)

петель с упором на восстановление нормальной пептидных связей;
Энергетическая минимизация пептидной цепи и боковых остатков петель;
Энергетическая минимизация боковых цепей аминокислот, принадлежащих SCR, подвергшихся замене при присваивании координат;
Энергетическая минимизация всех боковых остатков белка;
Энергетическая минимизация (500-1000 шагов) всей структуры модельного белка;
Молекулярная динамика модельного белка в вакууме на протяжении 20-50 пикосекунд;
Финальная энергетическая минимизация структуры белка (200-500 шагов).

Результатом этой процедуры будет белковая структура с прав ильно й стереох имией (длины валентных связей и значения валентных углов не будут существенно отличаться от равновесных значений), с отрицательной энергией несвязанных взаимодействий (свидетельство того, что не наблюдается перекрытие ван-дер-ваальсовских радиусов атомов), с отрицательной энергией электростатических взаимодействий (произошло сближение противоположно заряженных атомов) и с ненулевой энергией водородных связей (в молекуле установились водородные связи).
Дальнейшая регуляризация структуры приведѐт к еѐ улучшению с точки зрения стереохимии, но
при этом возрастут искажения структуры активного центра (центра связывания) вашей структуры.
Модельная ст руктур а по ст р о ена и отрелаксирована. Она обладает участками структурно- консервативных областей, унаследованных от белков гомологов, правильной стереохимией (результат регуляризации). Дальнейшие манипуляции с этой структурой (подгонка геометрии активного центра, точечные мутации) зависят от цели исследований. Полученную структуру надо рассматривать как средство иллюстрации результатов вашей работы (объяснения экспериментальных фактов, гипотезы).