Úloha 8 Predikce terciární struktury proteinů •Konkrétní umístění jednotlivých atomů polypeptidového řetězce v prostoru • •Absolutní souřadnice – x, y, z • pro N atomů je třeba 3N souřadnic •Relativní souřadnice – vzdálenost, úhel, torzní úhel • pro N atomů je třeba 3N – 3 souřadnic • •Komplikovaná hiearchie: Sekundární – (Supersekundární) – Terciární Motivy – Foldy – Domény • •Terciární struktura proteinů Strukturní motivy •Způsob řazení úseků sekundární struktury, např: •beta-vlásenka (beta-hairpin) •Řecký klíč (Greek key) •beta-alfa-beta •Helix-otáčka-helix (helix-turn-helix) http://swift.cmbi.ru.nl/gv/students/mtom/hmotif.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4f/Anthrax_toxin_protein_key_motif.svg/200px- Anthrax_toxin_protein_key_motif.svg.png http://manaslu.aecom.yu.edu/loopred/images/hairpin_link.jpg http://3.bp.blogspot.com/_SuSJZ4Ipeso/SY58SHEWneI/AAAAAAAAAGI/NA9K4bORB34/s320/beta-alpha-beta.png Proteinové foldy •Vznikají kombinací několika motivů, např.: •Helix-bundle •Rossmanův fold •TIM-barrel http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0167483898001800-gr6.gif http://www.px.nsls.bnl.gov/x26c/images/1k40x250_neg.jpg http://www.proteinstructures.com/Structure/Structure/protein-fold_files/rossmann-fold.jpg http://www.ebi.ac.uk/pdbe-apps/widgets/QuipStories/Phaser/Pics/rossmann.jpeg http://what-when-how.com/wp-content/uploads/2011/05/tmp10D36_thumb.jpg Proteinové domény •Proteinová doména je prostorově vymezený úsek proteinu, obvykle s vlastní funkcí •Známe proteiny jednodoménové i vícedoménové hemoglobin Pyruvate kinase Metody určení 3D struktury •Rentgenová difrakce - nejvíce struktur v PDB •NMR •Ostatní metody < 1% •X-ray http://www.ceitec.cz/uploads/IMG_04881-300x199.jpg NMR http://www.elettra.trieste.it/I3/uploads/Main/europa.gif •Metody určení 3D struktury Cryo-EM Databáze 3D struktur •wwPDB (http://www.wwpdb.org) –RCSB PDB – Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank –PDBe – Protein Data Bank Europe –PDBj – Protein Data Bank Japan –BMRB – Biological Magnetic Resonance Data Bank •SCOP (http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/) – strukturní klasifikace proteinů •CATH (http://www.cathdb.info/) – klasifikace proteinových domén z PDB •EMDataBank (http://www.emdatabank.org/) – struktury z elektronové mikroskopie Formáty uložení 3D struktury •PDB (Protein Data Bank) •PDB File Format (http://www.wwpdb.org/documentation/file-format) •mmCIF File Format and PDB Exchange Dictionary •PDBML - XML File Format • • PDB • mmCIF Úkol 1 •Seznamte se s formátem .pdb - otevřete soubor 4AGT.pdb v textovém prohlížeči a uveďte: ØO jaký protein se jedná? ØJakou technikou byla struktura získána? ØV kterém časopisu byla struktura publikována? ØKolik řetězců proteinu obsahuje kompletní struktura? ØKolik úseků struktury helixu obsahuje každý monomer daného proteinu? ØJe ve struktuře přítomen nějaký kov? In silico predikce 3D struktury •Ab initio • •Homologní modelování • •Threading („navlékání“) http://www.sosej.cz/thumbnails/Stvoreni-Sveta-Bible.jpg http://www.fa.vutbr.cz/home/uz/model/predlohy/01.jpg http://files.novinky-patenty.cz/system_preview_detail_200000011-221c824108-public/Navl%C3%A9k%C3%A1 n%C3%AD%20potravin%20na%20grilovac%C3%AD%20jehlu.jpg 1) Ab initio - Quark •Nevyžaduje existenci homologního proteinu •Predikuje 2D strukturu, modeluje fragmenty a kombinuje je navzájem •Nízká spolehlivost zejm. pro větší proteiny • •QUARK http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/QUARK/ http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/image/quark_logo2.png • • 2) Homologní modelování •Využívá skutečnosti, že dva proteiny ze stejné rodiny a s podobnou sekvencí mají i podobnou 3D strukturu •Nutno znát strukturu homologního proteinu = templát • •SWISS-MODEL http://swissmodel.expasy.org/ • Úkol 2 ØPokuste se vytvořit model struktury pro zadaný protein pomocí serveru SWISS-MODEL (http://swissmodel.expasy.org/). Použijte automatický mód. •Sekvence proteinu[Penicillium camemberti]: •MPSNGAHDIVFRTSIAACNSNSRLRVYMQDVLGKIRESKYEDKWSNGTEKNVIASAKLYSPVACTSSELDNIRVYYLSTENIMKDMAYDKSKGWHEGN LGKKRFMTAPYSNLAACNLKGPGMTISVYCQIADNTIQEYGVKDDGNWEKMSNLGLAMPGTDIACTVLKTSEPKIRVYFQHMEHGIIEKCYDNKHGWYD GAAKFPKVQPRTSIACTSYMAGSETLGIRVFFNAANMVLEMVYDGMSWTEGHFHADCIPGTQIACIS Swiss-Model Swiss-Model Swiss-Model •Několik templátů, několik modelů • 3) Threading •Modelování při nízké homologii s proteiny se známou strukturou •Porovnává možnost přiložení sekvence na proteiny známých foldů • •Phyre2 http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/ ARDLVIPMIYCGHGY HMM •PSI-Blast Hidden Markov Model DB of KNOWN STRUCTURES •HMM-HMM •matching ARDL--VIPMIYCGHGY •AFDLCDLIPV--CGMAY •Sequence of known structure •Very powerful – •able to reliably detect extremely •remote homology •Routinely creates accurate models even •when sequence identity is <15% •3D-Model Phyre2 • • • • Analýza 3D struktur •Určení strukturních prvků (sekundární struktura, motivy, foldy) a zařazení do příslušných nadrodin •Povrchy – přístupnost pro solvent, hydrofobicita, analýza kavit a tunelů •Vazebná místa – predikce funkce •Interakce (protein-protein – 4D, protein-DNA, protein-ligand) – plochy, energie, vazby •Homology – hledání, porovnávání Zobrazení 3D struktury •Zobrazovací SW: PyMol, Jmol, RasMol, VMD, Chimera, Cn3D,… spheres, surface sticks/balls and sticks cartoon/ribbon Úkol 3 ØZpracujte strukturní model v programu PyMol: •Otevřete homologní model a originální templát (model01.pdb, 4agt.pdb) •Zobrazte obě struktury jako cartoon a jako sticks a uložte jako obrázek s vysokým rozlišením (1200x1200 dpi) •Extrahujte řetězce A, proveďte alignment •Porovnejte strukturu vazebného místa v okolí ligandů Fuc910, 920 a 950 v řetězci A Doplňková literatura a další zdroje •http://www.wikipedia.org J • •http://www.proteinstructures.com/ • •http://cssb.biology.gatech.edu/resources#services • •http://www.ebi.ac.uk/services/structures • •Odborné články ve studijních materiálech •