1 / 20

Kemijski inštitut, Ljubljana, Slovenija

Podiplomski seminar. Atomistični model zvijanja proteinov. Aljaž Godec. Mentor: doc. dr. Janez Jamnik Somentor: doc. dr. Franci Merzel. Kemijski inštitut, Ljubljana, Slovenija. Ljubljana, maj 2008. Vsebina. Uvod in motivacija Biosinteza in funkcija proteinov

catori
Download Presentation

Kemijski inštitut, Ljubljana, Slovenija

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Podiplomski seminar Atomistični model zvijanja proteinov Aljaž Godec Mentor: doc. dr. Janez Jamnik Somentor: doc. dr. Franci Merzel Kemijski inštitut, Ljubljana, Slovenija Ljubljana, maj 2008

  2. Vsebina • Uvod in motivacija • Biosinteza in funkcija proteinov • Zgradba in struktura proteinov • Osnove statistične termodinamike proteinov • Intramolekularne interakcije in solvatacija • Simulacije molekulske dinamike (MD) • Simulacije zvijanja fragmenta B proteina A ter segmenta B1 proteina G

  3. Uvod A. M. Lesk: ''In the drama of life on a molecular scale, proteins are where the action is.'' • Proteini: • so stalni in nujni element živega • so biopolimeri z 20-imi različnimi osnovnimi enotami • imajo osupljivo sposobnost tvorbe visoko specifičnih katalitičnih mest • so udeleženi v skoraj vseh vitalnih procesih • so kemijska delovna sila organizmov A. M. Lesk, Introduction to Protein Architecture, Oxford University Press, Oxford, 2001.

  4. Biosinteza in funkcija Funkcija: - so osnovni gradniki bioloških struktur - prenašajo in skladiščijo različne snovi - kot hormoni prenašajo biološke signale in informacije med celicami in organi - kot protitelesa varujejo organizem pred infekcijami - so glavna sestavina mišic - nadzorujejo transport snovi čez celično membrano - kot receptorji so tarče signalnih molekul - kontrolirajo gensko ekspresijo - omogočajo sintezo drugih proteinov,...

  5. Zgradba in struktura notranje koordinate D-AK L-AK osnovni gradniki trans cis ω ≈0° ω≈±180° di(poli)merizacija dve možni konfiguraciji delni karakter dvojne vezi (ni prosto vrtljiva) delokalizacija elektronskega para

  6. Zgradba in struktura encim PPI (kemijsko gorivo) energetska bariera za rotacijo ~ 40 kBT ponavljanje φ in ψ vzdolž verige elementi sekundarne strukture  φ= -57° in ψ= -47°  φ= -139° in ψ= 135° β-ploskev  φ= -119° in ψ= 113° α-vijačnica β-zavoj

  7. Zgradba in struktura vsi nivoji strukture ureditev elementov skundarne strukture v prostoru terciarna struktura alpha helix večdomenski protein kvarterna struktura beta sheet TNF-α terciarna kvarterna

  8. Statistična termodinamika proteinov Model - M atomov proteina s koordinatami (Ri)=(Xi, Yi, Zi); i=1,...M oz. notr. koordinatami q=(qi), i=1,...3M-6 (M-1 vezi +M-2 kotov med vezmi + M-3 dihedralnih kotov) - N togih molekul vode s koordinatami ri=(xi, yi, zi, ωi, φi, χi); i=1,...N - fazni prostor: - konst. T, V, št. delcev  Kanonični ansambel središče mase Eulerjevi koti Hamiltonian: gibalna količina molekule topila gibalna količina atoma proteina

  9. Statistična termodinamika proteinov β=1/(kBT) Integracija po momentih: Formalna integracija po koordinatah molekul topila: potencial povprečne sile (potential of mean force) konfiguracijski integral čistega topila

  10. Statistična termodinamika proteinov Predpostavimo aditiven Hamiltonian: H=Hmm+Hmw+Hww Zapišemo lahko: W=Hmm+X povprečeno po ansamblu topila presežni kemijski potencial ali prosta energija solvatacije

  11. Statistična termodinamika proteinov W definira hiperpovršino v konformacijskem faznem prostoru proteina v prisotnosti ekvilibriranega topila Z notranjimi koordinatami: - transformacijska matrika je približno konstantna za vse konformacije makromolekule in jo lahko vzamemo izpod integrala - integracija po šestih zunanjih koordinatah (opisujejo postavitev celotne molekule v prostoru: x, y, z + trije Eulerjevi koti=6) da V8π2

  12. Razlika protein-heteropolimer heteropolimer iz AK protein EVOLUCIJA

  13. Empirična potencialna funkcija Hmm= ∑UB+ ∑Uθ+∑UUB+∑Uimp+∑UD+∑UE+∑UVdW neustrezna torzija kotni in Urey-Bradleyev potencial potencial vezi VdW (LJ) potencial torzijski potencial elektrostatski potencial

  14. Solvatacija - za popolno solvatacijo proteina je potrebnih nekaj 1000 -10000 molekul vode - večino časa se porabi za izračun interakcij med njimi - zato vpeljani implicitni modeli topila (solvatacijski modeli) - različni modeli; ΔGsolv zapišemo kot integral gostote solv. proste energije po volumnu okoli topljenca gostota solvatacijske proste energije (oblika zavisi od modela) Če upoštevamo le efekt izključitve topila:

  15. Simulacije molekulske dinamike - rešujemo Newtonove enačbe gibanja Algoritem MD 1) Izberi začetno konfiguracijo pozicij in hitrosti Wi v primeru implicitnega topila - glede na začetne pogoje t=0, ri (0) in vi (0) MD generira pozicije in hitrosti kot funkcijo časa (ri (t) in vi (t)) - hitrosti so skalirane tako, da je Σimivi2/2=3NkBT/2 - različni integracijski algoritmi 2) Izračunaj sile 3) Obnovi pozicije in hitrosti 4) Vzorči spremenljivke

  16. MD: Verletov in hitrostni Verletov algoritem - za majhne Δt: Verlet: Termodinamska povprečja v MD: Hitrostni Verlet:

  17. Simulacije MD zvijanja fragmenta B proteina A Simulacije odvijanja pri povišani T SDE simulacije zvijanja F= -RTln[P(Rg,Nhb)] D. O. V. Alonso, V Dagget, Staphylococal Protein A: Unfolding Pahways, Unfolded States, and Differences Between the B and E Domains, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97 (2000) 133. A. Ghosh, R. Elber, H. A Scheraga, An Atomically Detailed Study of the Folding Pathways of Protein A with the Stohastic Difference Equation, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99 (2002) 10394.

  18. MD simulacije zvijanja fragmenta B proteina A in segmenta B1 proteina G Imprortance sampling MD (vzorčenje po pomembnosti) - elegantna metoda za generiranje hiperpovršin proste e. - začetne konformacije dobimo s simulacijami odvijanja Guo et al.,PNAS 94 (1997) 10161 Brooks et al.,J. Mol. Biol. 278 (1998) 439

  19. MD simulacije zvijanja fragmenta B proteina A

  20. Zaključek • opredelili smo zapleteno strukturo proteinov in predstavili fizikalni pristop, s katerim • jo lahko napovedujemo iz AK zaporedja • prikazali smo pojmovno razliko med proteini in naključnimi polipeptidi in pokazali, da • so proteini evolucijsko izbrane polipeptidne sekvence • predstavili smo osnove statistične termodinamike proteinskih makromolekul in • gonilne sile zvijanja • predstavili smo osnove simulacij molekulske dinamike • ogledali smo si metode MD, ki so optimirane za simulacije zvijanja • pokazali smo mehanizem nastanka vijačnih in β-ploskovnih elementov iz stališča • nastanka nativnih vodikovih vezi in urejanja verige v prostoru • Odprta vprašanja: • izbor simulacijskega orodja glede na kompromis med želeno točnostjo in • trajanjem simulacije

More Related