Ασκήσεις 3& 4. Πρωτεϊνική Αρχιτεκτονική. Πλατφόρμες Πρόβλεψης & Προσομοίωσης 2ταγούς Δομής. Μοριακή Απεικόνιση

Transcript

1 Ασκήσεις 3& 4 Πρωτεϊνική Αρχιτεκτονική Πλατφόρμες Πρόβλεψης & Προσομοίωσης 2ταγούς Δομής Μοριακή Απεικόνιση

2 Πρωτεϊνική Αρχιτεκτονική Πρωτεϊνική Αρχιτεκτονική: Η τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης και πως αυτή διαμορφώνεται από την διάταξη στον χώρο των στοιχείων της 2ταγούς δομής, το οποίο είναι ισχυρά εξαρτώμενο από το ποσοστό της α-έλικας και της β-πτυχωτής επιφάνειας (β-φύλο) που εμφανίζεται στην δομή. Η πρωτεϊνική αρχιτεκτονική αποτελεί ένα ισχυρό χαρακτηριστικό της τρισδιάστατης δομής της πρωτεΐνης, βάσει του οποίου οι γνωστές 3D δομές κατατάσσονται σε Δευτεροταγής βάσεις δεδομένων, όπως οι CATH (Class, Architecture, Topology and Homologous superfamily) Μια ιεραρχική κατάταξη πρωτεϊνών της πρωτοταγούς βάσης δεδομένων PDB βρίσκονται ομαδοποιημένες και ταξινομημένες σύμφωνα με: (α) το είδος της 2ταγούς δομής τους και τον τύπο αναδίπλωσης, δηλαδή την διάταξη των στοιχείων της 2ταγούς δομής στον χώρο, και (β) τις ομοιότητες στην αμινοξική τους ακολουθία Τέσσερα επίπεδα κατάταξης: Τάξη (Class), Αρχιτεκτονική (Architecture), Τοπολογία (Topology) και Ομολογία (Homology). SCOP (Structural Classification Of Proteins). Αντίθετα με την CATH, η SCOP βασίζεται στην οπτική ανάλυση και σύγκριση των δομών και η κατάταξη των δομών γίνεται χειρωνακτικά. Η διαδικασία αυτή βελτιώνεται αλλά ακόμα δεν βασίζεται εξ ολοκλήρου σε υπολογιστικά εργαλεία. Τέσσερα επίπεδα κατάταξης: Τάξη (Class), Αναδίπλωση (Fold), Υπερ-οικογένεια (Superfamily) και Οικογένεια (Family)

3 Ταξινόμηση 3D Δομών Πρωτεϊνών στην βάση CATH Η ιεραρχική κατάταξη της βάσης CATH (Class, Architecture, Topology, Homology), ανάλογα με τα στοιχεία 2/3ταγούς δομής των πρωτεϊνών. Ομόλογα: Δύο μόρια που έχουν προκύψει από έναν κοινό πρόγονο παρουσιάζοντας σημαντική ομοιότητα στην αλληλουχία αμινοξέων. Χωρίζονται σε δύο ομάδες: Ορθόλογα: ομόλογα με πανομοιότυπες ή παρόμοιες λειτουργίες σε διαφορετικούς οργανισμούς Παράλογα: ομόλογα με διαφορετικές λειτουργίες στον ίδιο οργανισμό

4 Διαδικτυακός τόπος βάσης CATH (

5 Διαδικτυακός τόπος βάσης CATH (

6 Διαδικτυακός τόπος βάσης CATH (

7 Πρόβλεψη δευτεροταγούς δομής πρωτεϊνών Δευτεροταγής Δομή: Η 2ταγής δομή των πρωτεϊνών είναι σταθερή τοπική διαμόρφωση της πολυπεπτιδικής Αλυσίδας. Είναι καθοριστικής σημασίας για την 3D δομή κάθε πρωτεΐνης. Τα πιο κοινά στοιχεία της 2ταγούς δομής είναι η α-έλικα και η β-πτυχωτή επιφάνεια. Υπολογίζεται ότι τουλάχιστον το 50% του συνολικού αριθμού των αμινοξέων στις γνωστές πρωτεϊνικές δομές συμμετέχει σε αυτά τα δύο είδη 2ταγούς δομής. Προβλέπεται ως εξής: ab initio πρόβλεψη η 2ταγής δομής προβλέπεται λαμβάνοντας υπ όψιν την τάση του κάθε αμινοξέος να στρέψει τον πεπτιδικό σκελετό (σε επίπεδο φ και ψ δίεδρων γωνιών που ορίζονται από τα τέσσερα άτομα του σκελετού N-Cα-C=O). Παράδειγμα ab initio πρόβλεψης αποτελούν τα πρωτόκολλα Chou-Fasman και Garnier, Osguthorpe, Robson (GOR) Πρόβλεψη μέσω Ομολογίας Συνδυάζει ab initio μεθόδους πρόβλεψης 2ταγούς δομής και στοιχεία που βασίζονται στην ομολογία 2 ή >2 ακολουθιών αμινοξέων. Βασίζεται στην ιδέα είναι ότι οι ομόλογες ακολουθίες συνήθως υιοθετούν παρόμοια 2ταγή και 3ταγή δομή.

8 ab initio πρόβλεψη 2ταγούς δομής πρωτεϊνών ab initio πρόβλεψη η 2ταγής δομής προβλέπεται λαμβάνοντας υπ όψιν την τάση του κάθε αμινοξέος να στρέψει τον πεπτιδικό σκελετό (σε επίπεδο φ και ψ δίεδρων γωνιών που ορίζονται από τα τέσσερα άτομα του σκελετού N-Cα-C=O). Τι εκφράζει ο όρος τάση (propensity) και πως υπολογίζεται??? Εάν υποθέσουμε ότι: υπάρχουν n αμινοξέα σε όλες τις γνωστές 3D δομές, από τα οποία m είναι σε α-έλικα ο συνολικός αριθμός των Ala είναι y από τις οποίες οι x συμμετέχουν σε α-έλικα, τότε η τάση για την Ala να βρίσκεται σε α-έλικα, ο λόγος της αναλογίας της Ala σε α-έλικα, προς τον λόγο της αναλογίας της Ala στον συνολικό πληθυσμό των αμινοξέων: Τάση = (x/m)/(y/n) (α) Εάν η τάση =1.0για έλικα (P[έλικα], βλ. Πίνακας 3), τότε το αμινοξύ εμφανίζει την ίδια πιθανότητα να βρίσκεται σε έλικα ή άλλο τύπο 2ταγούς διαμόρφωσης. (β) Εάν η τάση <1.0τότε το αμινοξύ έχει μικρότερη πιθανότητα να βρεθεί σε έλικα (γ) Εάν η τάση >1.0τότε το αμινοξύ εμφανίζει μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί σε έλικα. Με βάση την τάση οι Chou & Fasman συνέταξαν έναν Πίνακα τιμών για τις σχετικές τάσεις του κάθε αμινοξέος για την εμφάνισή του σε α-έλικα, β-πτύχωση ή β-στροφή.

9 ab initio πρόβλεψη 2ταγούς δομής πρωτεϊνών

10 ab initio πρόβλεψη 2ταγούς δομής πρωτεϊνών Server Ο Διακομιστής όπου μεταξύ ενός μεγάλου αριθμού εργαλείων Βιομοριακής Προσομοίωσης υπάρχει διαθέσιμος ένας μεγάλος αριθμός αλγορίθμων για την πραγματοποίηση της πρόβλεψης της δευτεροταγούς δομής οποιασδήποτε ακολουθίας αμινοξέων

11 ab initio πρόβλεψη 2ταγούς δομής πρωτεϊνών Server

12 ab initio πρόβλεψη 2ταγούς δομής πρωτεϊνών Server CDK2 Human Swiss-Prot P06493

13 ab initio πρόβλεψη 2ταγούς δομής πρωτεϊνών Server CDK2 Human Swiss-Prot P06493 Επιχειρήστε πρόβλεψη 2ταγούς Δομής για τις ακολουθίες της Swiss-Prot: CXCR4 Human STUB1 Human HBA Human TCL1 Human P61073 Q9UNE7 P69905 P56279 α β βα α βα α α β β βα β α α α α α α

14 Πρόβλεψη 2ταγούς δομής πρωτεϊνών μέσω ομολογίας Πρόβλεψη μέσω Ομολογίας Συνδυάζει ab initio μεθόδους πρόβλεψης 2ταγούς δομής και στοιχεία που βασίζονται στην ομολογία 2 ή >2 ακολουθιών αμινοξέων. Βασίζεται στην ιδέα είναι ότι οι ομόλογες ακολουθίες συνήθως υιοθετούν παρόμοια 2ταγή και 3ταγή δομή. Πολλαπλή αντιστοίχιση ακολουθιών Ab initio πρόβλεψη 2ταγούς δομής για κάθε ακολουθία Στοίχιση 2ταγούς δομής με βάση τις ακολουθίες Τελικός υπολογισμός της 2ταγούς δομής

15 Μοριακή Απεικόνιση Τα προγράμματα της Μοριακής Απεικόνισης μπορούν να διατεθούν σε τρεις κατηγορίες Σε αυτά τα οποία κατασκευάζουν ένα δομικό μοντέλο από την αρχή, έχοντας διαθέσιμη μόνο την ακολουθία των αμινοξέων, ή και χωρίς αυτήν, ή τροποποιούν ένα υπάρχων μοντέλο αντικαθιστώντας αμινοξέα του ή τμήματα της πολυπεπτιδικής του αλυσίδας. Σε αυτά τα οποία από μία διαθέσιμη δομή εξάγουν πληροφορίες σχετικές με αυτήν, όπως ο υπολογισμός της 2ταγούς δομής, αποστάσεις, γωνίες, τιμές rmsd, κ.λ.π Σε αυτά τα οποία δίνουν έμφαση στην δημιουργία της εικόνας για δημοσίευση ή παρουσίαση. C-ter HIS88 PHE90 PHE89 PHE89 PHE90 PRO97 HIS88 N-ter

16 Μοριακή Απεικόνιση Μια φορά κι έναν καιρό... Οι J. Watson και F. Crick μαζί με το τρισδιάστατο μοντέλο της δομής της διπλής έλικας του DNA. Για την συνεισφορά τους στο πεδίο αυτό βραβεύθηκαν μαζί με τον M. Wilkins με το Βραβείο Nobel Φυσιολογίας/Ιατρικής το 1962

17 Μοριακή Απεικόνιση Πρόγραμμα MolMol