lekciju saraksts
DESCRIPTION
Makromolekulu telpiskā struktūra un tās paredzēšana. DNS topoloģija. Proteīnu struktūras paredzēšana, modelēšana un pielietojums farmakoloģijā. Lekciju saraksts. DNS un proteīnu struktūru līmeņi. DNS un proteīni ir makromolekulas – polimēri, kas sastāv no daudziem vairāku veidu monomēriem - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra4
Homo sapiens Pro-tRNS struktūra
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra5
• GGCUCGUUGGUCUAGGGGUAUGAUUCUCGCUUUGGGUGCGAGAGGUCCCGGGUUCAAAUCCCGGACGAGCCC
• MC-Fold version: `Sep 23 2011` `10:20:40` • Parisien M, Major F. Nature (2008) 452:51-55
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra6
Nukleīnskābju primārā struktūra
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra7
DNS sekundārā struktūra
• Dubultspirāles atklājēji James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins izmantojot Rosalind Franklin DNS kristālu struktūru 1953. gadā
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra8
http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf
http://www.nature.com/nature/dna50/franklingosling.pdf
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra9
DNS primārā un sekundārā struktūra shēmās
• Animēta DNS struktūras shēma http://www.johnkyrk.com/DNAanatomy.swf
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra10
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra11
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra12
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/figure/A5273/
B A Z
DNS formu strukturālie parametri
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra13
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra15
Hromatīna struktūra un DNS superspiralizācija
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra18
Proteīnu struktūras līmeņi
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra19
Proteīnu primārā struktūra
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra20
Proteīnu sekundārā struktūra
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra22
Alfa spirāle Beta plātne
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra23
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra25
Modulāri proteīni
• Modulāri proteīni sastāv no vairākiem, bieži vien radniecīgiem domēniem. Vieni un tie paši domēni var veidot dažādus proteīnus
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra26
Imūnglobulīnu domēni
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra27
Proteīnu struktūras attēlošanas veidi
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra28
Proteīnu struktūras attēlošanas veidi
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra33
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra35
Aminoskābju tipi
• Bāziskas (pozitīvi lādētas) sānu ķēdes • Skābas (negatīvi lādētas) sānu ķēdes • Nelādētas polāras sānu ķēdes • Nepolāras sānu ķēdes
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra36
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra37
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra40
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra42
Proteīnu rentgenstaru kristalogrāfija
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra43
http://www.projectcrystal.org/hl-xray-crystallography.html
Proteīnu rentgenstaru kristalogrāfija
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra44
Proteīnu kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopija
• KMR spektroskopija pielietojama proteīniem šķīdumā
• KMR spektroskopija var parādīt proteīnu struktūras dinamiku
laikā
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra45
Proteīnu datu bankas
• Worldwide Protein Data Bank http://www.wwpdb.org
• RCSB Protein Data Bank http://www.pdb.org/
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra46
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra49
Struktūras paredzēšanas shēma
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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.»
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
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)
2011. gada 24. novembrisMikrobioloģijas un biotehnoloģijas
katedra52