Lekciju saraksts

Makromolekulu telpiskā struktūra un tās paredzēšana. DNS topoloģija. Proteīnu

struktūras paredzēšana, modelēšana un pielietojums farmakoloģijā

Lekciju saraksts

2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas

katedra2

N.p.k. Datums Lekcijas temats

1. 15.09.2011Ievadlekcija. Prasības kursa apgūšanai un literatūras avoti. Bioinformātikas jēdziens. Kas ir bioinformātika un kāpēc tā biologiem vajadzīga? Bioloģija, statistika, informācijas tehnoloģijas un programmēšana kā bioinformātikas pamatelementi

2. 22.09.2011 Bioloģiskās informācijas veidi un apjoms. Genomu organizācija. Modernās genomu analīzes metodes3. 29.09.2011 Genomu evolūcija. Salīdzinošā genomika 4. 06.10.2011 Bioloģiskās informācijas datubāzes. Informācijas meklēšanas un iegūšanas sistēmas 5. 13.10.2011 Dažādu bioloģiskās informācijas datubāžu izmantošanas piemēri

6. 20.10.2011 Nukleīnskābju un proteīnu sekvenču līdzības pamatprincipi. Nukleīnskābju un proteīnu sekvenču pāru salīdzināšana. BLAST veidi

7. 27.10.2011 Nukleīnskābju un proteīnu sekvenču līdzības pamatprincipi. Nukleīnskābju un proteīnu sekvenču pāru salīdzināšana. BLAST veidi

8 03.11.2011 Nukleīnskābju un proteīnu daudzkārtējās salīdzināšanas metodes, to priekšrocības un pielietošanas nosacījumi. Datorprogrammas nukleīnskābju un proteīnu sekvenču daudzkārtējai salīdzināšanai

9 10.11.2011 Filoģenētika. Klāsteru un kladistiskās metodes filoģenētisko koku rekonstruēšanā Datorprogrammas nukleīnskābju un proteīnu sekvenču filoģenētiskajai analīzei

10. 17.11.2011 Seminārs un uzdevumu pārbaude par tēmām, kas saistītas ar informācijas meklēšanu datu bāzēs un sekvenču homoloģijas meklēšanu

11. 24.11.2011 Makromolekulu telpiskā struktūra un tās paredzēšana. DNS topoloģija. Proteīnu struktūras paredzēšana, modelēšana un pielietojums farmakoloģijā

12. 01.12.2011 Genoma ekspresijas analīze. Transkriptomika. DNS čipi genomu polimorfisma analīzē. Gēnu ekspresijas ģenētika

13. 08.12.2011 Proteomika un sistēmu bioloģija. Tīklveida struktūras kā bioloģisko sistēmu dabiska sastāvdaļa.

14. 15.12.2011Seminārs un uzdevumu pārbaude par tēmām, kas saistītas ar filoģenētisko analīzi un proteīnu sekundārās struktūras paredzēšanu. Bioinformātikas perspektīvas. Bioinformātika kā priekšnosacījums modernās bioloģijas apgūšanai

15. 22.12.2011 Eksāmens

DNS un proteīnu struktūru līmeņi

• DNS un proteīni ir makromolekulas – polimēri, kas sastāv no daudziem vairāku veidu monomēriem

• Primārā struktūra – lineāra aminoskābju vai nukleotīdu sekvences

• Sekundārā struktūra – DNS dubultspirāle, aminoskābju sekvenču struktūras

• Terciārā struktūra – DNS dubultspirāles un proteīna sekundāro struktūru veidotas telpiskas struktūras


katedra3

RNS struktūra

• Varētu būt atsevišķas lekcijas temats • tRNS, rRNS struktūras nosaka proteīnu

translāciju • mRNS struktūra pirms translācijas iniciācijas

kodona nosaka translācijas efektivitāti • Kopumā ir skaidrs, ka makromolekulu telpiskā

struktūra ir nozīmīgs faktors to funkcijas realizācijā


katedra4

Homo sapiens Pro-tRNS struktūra


katedra5

• GGCUCGUUGGUCUAGGGGUAUGAUUCUCGCUUUGGGUGCGAGAGGUCCCGGGUUCAAAUCCCGGACGAGCCC

• MC-Fold version: `Sep 23 2011` `10:20:40` • Parisien M, Major F. Nature (2008) 452:51-55


katedra6

Nukleīnskābju primārā struktūra


katedra7

DNS sekundārā struktūra

• Dubultspirāles atklājēji James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins izmantojot Rosalind Franklin DNS kristālu struktūru 1953. gadā


katedra8

http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf

http://www.nature.com/nature/dna50/franklingosling.pdf


katedra9

DNS primārā un sekundārā struktūra shēmās

• Animēta DNS struktūras shēma http://www.johnkyrk.com/DNAanatomy.swf


katedra10


katedra11


katedra12

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/figure/A5273/

B A Z

DNS formu strukturālie parametri


katedra13


katedra14

DNS topoloģija un DNS – proteīnu mijiedarbības

• DNS dubultspirāles struktūra nav viscaur viendabīga – atkarībā no DNS sekvences var mainīties gan dubultspirāles parametri, gan arī dubultspirāles topoloģija

http://www.hhmi.org/research/investigators/honig.html http://www.hhmi.org/news/honig20091029.html


katedra15

Hromatīna struktūra un DNS superspiralizācija


katedra16

Rīki DNS un RNS sekundārās struktūras paredzēšanai

• http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_RNA_structure_prediction_software

• http://molbiol-tools.ca/Repeats_secondary_structure_Tm.htm

• http://unafold.math.rpi.edu/cgi-bin/home.cgi


katedra17

Proteīnu struktūra / DNS struktūra

• DNS sekundārā struktūra ir zināma – lielākā daļa DNS dzīvos organismos atrodas B formā

• DNS terciārā struktūra ir samērā vienveidīga un tai iespējams ir tikai neliela loma DNS funkcijas realizācijā

• Proteīnu sekundārā struktūra ir atkarīga no to aminoskābju sekvences un tā var atšķirties katram proteīnam

• Tādējādi proteīnu sekundārās un terciārās struktūras paredzēšana ir daudz komplicētāka nekā DNS gadījumā


katedra18

Proteīnu struktūras līmeņi


katedra19

Proteīnu primārā struktūra


katedra20

Proteīnu sekundārā struktūra


katedra21

Linus Pauling 1951. gadā paredzēja pirmās proteīnu sekundārās struktūras – alfa spirāli un beta plātnes Nobela prēmija ķīmijā 1954. g. un Nobela miera prēmija 1962. g. par dalību virszemes kodolieroču izmēģinājumu moratorija panākšanā

Galvenie proteīnu sekundārās struktūras veidi

• Alfa spirāle (alpha helix) • Beta struktūra/beta plātnes (beta sheet) • Dažādas supersekundārās struktūras – alfa

spirāles matadata (hairpin), beta struktūras matadata, beta – alfa – beta struktūra

• Tāpat kā DNS dubultspirāli, proteīnu sekundārās struktūras kopā satur ūdeņraža saites


katedra22

Alfa spirāle Beta plātne


katedra23


katedra24

Proteīnu domēni

• Proteīna domēns – kompakta vienība aminoskābju sekvencē, kurai piemīt noteikta, no pārējās sekvences daļas neatkarīga struktūra

• Domēnus veido supersekundārās struktūras • Proteīnu kopējo terciāro struktūru var veidot

vairāki domēni • Piemērs, CRP proteīns, kuram ir 2 domēni –

viens saista cAMP un otrs saista DNS


katedra25

Modulāri proteīni

• Modulāri proteīni sastāv no vairākiem, bieži vien radniecīgiem domēniem. Vieni un tie paši domēni var veidot dažādus proteīnus


katedra26

Imūnglobulīnu domēni


katedra27

Proteīnu struktūras attēlošanas veidi


katedra28

Proteīnu struktūras attēlošanas veidi


katedra29

Proteīnu telpiskās struktūras veidošanās

• Proteīnu telpiskā struktūra ir atkarīga no to aminoskābju secības

• Proteīnu salocīšanās savā natīvajā struktūrā atbilstošā temperatūrā un šķīdumā notiek spontāni

• Aminoskābju sekvence satur visu nepieciešamo informāciju pareizās struktūras iegūšanai un tādējādi vajadzētu pastāvēt iespējai izveidot algoritmu, kas paredz struktūru no sekvences


katedra30

Proteīnu telpiskās struktūras veidošanās

• Lai izveidotu algoritmu, ko var izmantot proteīnu struktūras paredzēšanai, nepieciešams saprast, kā proteīni iegūst savu dabisko konformāciju

• Otrais termodinamikas likums – sistēmas konstantā temperatūrā un spiedienā atrod līdzsvara stāvokli ar minimālu Gibsa brīvo enerģiju (G=H-TS, H-entalpija, S-entropija, T-absolūtā temperatūra)

• Proteīnu struktūras stabilitāte atkarīga no galvenās ķēdes (mainchain) un sānu ķēžu (sidechain) mijiedarbībām savā starpā un ar šķīdinātāju


katedra31

Galvenā ķēde (mainchain)

• Galvenās ķēdes konformācija atkarīga slāpekļa un oglekļa atomu rotācijas ap N-Ca un Ca-C saitēm (izņemot prolīnu)

• Peptīdsaites ir planāras

Visu F, Y un W leņķu secība nosaka galvenās ķēdes konformāciju


katedra32

Sasisekharan-Ramakrishnan-Ramachandran grafiks

• Rotācijas leņki galvenajā ķēdē ir ierobežoti, jo divi atomi nevar ieņemt vienu un to pašu vietu, kā arī vairumam aminoskābju (izņemot glicīnu) ir fiksēti konformācijas stāvokļi

• Tas nozīmē, ka katram proteīnam būs ierobežots skaits enerģētiski izdevīgu stāvokļu

Ramachandran et al. (1963) "Stereochemistry of polypeptide chain configurations". Journal of Molecular Biology 7: 95–9


katedra33


katedra34

Sānu ķēdes

• Sānu ķēdes tālāk ierobežo galvenajai ķēdei pieejamos konformācijas variantus

• Sānu ķēdes ir 20 aminoskābju atlikumi – to fizikāli ķīmiskās īpašības nosaka proteīna konformāciju: - izmērs - elektriskais lādiņš - polaritāte - forma un rigiditāte


katedra35

Aminoskābju tipi

• Bāziskas (pozitīvi lādētas) sānu ķēdes • Skābas (negatīvi lādētas) sānu ķēdes • Nelādētas polāras sānu ķēdes • Nepolāras sānu ķēdes


katedra36


katedra37


katedra38

Prasības proteīnu konformācijai

• Visiem aminoskābju atlikumiem jāatrodas stereoķīmiski atļautās pozīcijās

• Polārie aminoskābju atlikumi uz āru veidos ūdeņraža saites ar ūdens molekulām, bet proteīna iekšienē polārajiem atlikumiem jāveido saites savā starpā

• Hidrofobajiem aminoskābju atlikumiem ir jāatrodas globulāro proteīnu iekšpusē cieši kopā, lai nodrošinātu proteīna termodinamisko stabilitāti


katedra39

Proteīnu struktūras veidošanās

• Proteīnu denaturācijas – renaturācijas eksperimenti lielākoties parāda divus stāvokļus – denaturēts un renaturēts Diemžēl tas nozīmē, ka proteīnu struktūras veidošanās procesā nav detektējamu starpstāvokļu

• Denaturētā stāvoklī pastāv heterogēns struktūru maisījums

• Nav labu pierādījumu dažādu starpstāvokļu pastāvēšanai


katedra40


katedra41Sosnick TR, Hinshaw JR (2011) How proteins fold. Science 334: 464-465

Eksperimentālās metodes proteīnu struktūru noteikšanai

• Rentgenstaru kristalogrāfija Proteīnu kristālu struktūras noteikšana, kas balstās uz rentgenstaru difrakciju kristālā • Kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopija Proteīnu struktūras noteikšana, kas balstās uz noteiktu atomu kodolu spēju absorbēt magnētiskā lauka enerģiju veidojot noteiktu spektru, kas atkarīgs no atoma novietojuma proteīna molekulā


katedra42

Proteīnu rentgenstaru kristalogrāfija


katedra43

http://www.projectcrystal.org/hl-xray-crystallography.html

Proteīnu rentgenstaru kristalogrāfija


katedra44

Proteīnu kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopija

• KMR spektroskopija pielietojama proteīniem šķīdumā

• KMR spektroskopija var parādīt proteīnu struktūras dinamiku

laikā


katedra45

Proteīnu datu bankas

• Worldwide Protein Data Bank http://www.wwpdb.org

• RCSB Protein Data Bank http://www.pdb.org/


katedra46


katedra47

Proteīnu struktūras paredzēšana

• Sekundārās struktūras paredzēšana – vienkāršāka nekā terciārās struktūras paredzēšana

• Proteīna locījumu atpazīšana (Fold recognition) – meklē proteīnu struktūru datu bāzē tādas struktūras, kas varētu atbilst kādai aminoskābju sekvencei

• Homoloģijas modelēšana (homology modelling) – proteīna struktūru var modelēt kā pamatu izmantojot homologa proteīna zināmo struktūru

• Nezināmu struktūru paredzēšana


katedra48

Globālais enerģijas minimums

• Dzīvā šūnā pastāv dabisks algoritms saskaņā ar kuru katrs proteīns iegūst savu dabisko telpisko struktūru

• Lai paredzētu proteīna struktūru izejot no tā aminoskābju secības nepieciešams identificēt globālo enerģijas minimumu

• Kā alternatīva, paredzēt struktūru balstoties uz esošajām struktūrām, aminoskābju homoloģiju un iespējamiem konformācijas variantiem


katedra49

Struktūras paredzēšanas shēma


katedra50

http://www.russelllab.org/

Critical assessment of techniques for protein structure prediction (CASP)

• Cik sekmīga tad ir proteīnu struktūru paredzēšana?

• CASP9 (2010) - http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/prot.v79.10s/issuetoc

«... Progress in this CASP was again modest and statistically hard to validate. Nevertheless, there are several positive trends.»


katedra51

Ko mēs varam apskatīt šajā kursā?

• Vienkārša proteīnu primārās un sekundārās struktūras analīze, proteīnu lokalizācija šūnā un transporta signāli

• Terciārās struktūras paredzēšana, homoloģijas modelēšana un struktūru salīdzināšana šajā kursā apskatīti netiks

• Meklējiet, piemēram, http://www.expasy.ch/ (Expert Protein Analysis System, Šveices bioinformātikas institūts)


katedra52

Documents

Lekciju saraksts