Учебная страница курса биоинформатики,
год поступления 2015

Семестры Студенты Преподаватели

• 2023
• 2022
• 2021
• 2020
• 2019
• 2018
• 2017
• 2016

• ...

Практикум 2. Внутренности белков и макромолекулярных комплексов

Отчет должен быть представлен на html странице

Отчет должен содержать:

1. Jmol-апплет, который показывает все требуемые в задании изображения. Он должен уметь запускать три скрипта соответственно трем заданиям а также иметь ссылки на тексты этих скриптов. Все так же, как в первом задании, только кнопочек больше.

2. Заключение о гидрофобном ядре в вашем белке и о наличии гидрофобных участков на поверхности белковой глобулы. Как вы думает, если есть большие участки гидрофобной поверхности, то для чего они могли бы быть нужны?

3. Заключение о плотности упаковки атомов в белке - ответы на вопросы из пр. 2.

4. Ваше заключение о взаимодействии белка с ДНК.

0. Создайте страницу для изложения результатов выполнения практикума. Там должен быть Jmol-апплет, кнопки Script, Resume и все прочее, что было в прошлый раз. Только скрипт будет новый.

Как и в прошлый раз, результат практикума - это скрипт, демонстрирующий последовательно некоторые изображения.

Отчёт (ответы на вопросы и комментарии) должен быть на той же html странице.

1. Найдите и опишите гидрофобное ядро вашего белка при помощи сервиса CluD ( http://mouse.belozersky.msu.ru/npidb/cgi-bin/hftri.pl ).

• Если в структуре несколько субъединиц белка, выберите одну.
• Апплет должен показывать поочередно два изображения:
  1. Изображение гидрофобного ядра одного белка на фоне остовной модели. Если вы считаете, что на самом деле у белка два или более гидрофобных ядер, то изобразите все (см. комментарий ниже).
  2. Изображение, позволяющее увидеть выходы гидрофобного ядра на поверхность белковой глобулы. Для этого следует изобразить в шариковой модели атомы (i) изучаемого белка, которые (ii) не входят в гидрофобное ядро. Эти атомы должны быть покрашены другим цветом, чем ядро. Размер шариков подберите опытным путем так,чтобы лучше продемонстрировать требуемое.
• На html странице должны присутствовать ваши комментарии о гидрофобном ядре. Обязательным является указание числа атомов в гидрофобном ядре и процент от всего числа атомов.

Надо учитывать, что CluD выдает все ядра, которые ему удается найти. Конечно, у белка есть одно "большое" (иногда два или больше - если белок многодоменный). Кроме того, будет найдено много мелких ядер - в каких-то небольших субдоменах. Давайте договоримся учитывать только центральные "большие" гидрофобные ядра. Для того, чтобы их определить, надо посмотреть на число атомов в каждом гидрофобном ядре. Например, в моем примере получились ядра core6 и core1 (по 2151 атому), а другие ядра имели размер 11 атомов и меньше. Тут сразу понятно, какие гидрофобные ядра надо исследовать.

CluD выдает нам скрипт для RasMol/Jmol, который надо сохранить в папке с HTML-страницей. Тогда его можно будет вызвать из вашего скрипта командой типа 'script 1xxx.spt' (учтите, что выполнение такого большого скрипта может занимать значительное время). Там при помощи команды define определены множества атомов, составляющих гидрофобные ядра, которые затем можно использовать в вашем скрипте под именами core1, core2, etc (например, можно написать 'select core1').

Первое изображение в вашем скрипте - все атомы гидрофобного ядра в виде ван-дер-ваальсовых сфер, например, зеленого цвета. Второе изображение - такое же + все остальные атомы белка (обратите внимание - именно белка, а не окружающих его молекул воды) серого цвета. На таком изображении будет видна гидрофобная поверхность, если она есть.

2. Исследуйте плотность упаковки атомов в гидрофобном ядре.

• Выберете остаток, боковая цепь которого входит в состав ядра. Выбирайте крупный остаток, например тирозин или фенилаланин.

• Определите свой остаток в команде define под именем MyResidue. Создайте в скрипте следующие изображения (с раскраской по химическим элементам):

a. Изображение вашего остатка в виде ван-дер-ваальсовых радиусов зеленого цвета. Отцентрованное.

b. Предыдущее изображение + 'cpk 20' для соседних остатков (у которых хотя бы один атом находится на расстоянии не более 7 ангстрем от MyResidue). Покрасьте атомы MyResidue зеленым, а остальные атомы - по химическим элементам.

Соседние атомы можно выделить командой 'select within (7.0, MyResidue)', но учтите - сами атомы из MyResidue находятся от самих себя на расстоянии 0 ангстрем, что меньше семи. Так что они тоже выделяются этой командой. Чтобы команда 'cpk 20' не заменила ван-дер-ваальсовы радиусы атомов из MyResidue на маленькие точки, надо придумать более сложную команду select. Используйте логические операторы - AND, OR, NOT.

c. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 1 ангстрем от MyResidue. Цвет - по химическим элементам (cpk)

d. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 2 ангстрем от MyResidue.

e. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 3 ангстрем от MyResidue.

f. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 4 ангстрем от MyResidue.

g. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 5 ангстрем от MyResidue.

h. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 6 ангстрем от MyResidue.

i. Предыдущее изображение + ван-дер-ваальсовы радиусы для атомов, находящихся на расстоянии не более 7 ангстрем от MyResidue.

Для выполнения пп. c-i можно написать много раз одинаковые команды, различающиеся только расстоянием. Однако любители программирования могут использовать цикл for, примерно такого вида

for (var i = 1; i <= 7; i++ ) {
    # Тут пишем любые команды.
    # При этом можно использовать переменную i в таком виде: @{i}.
    # Например, within (@{i}, :a) или echo @{"text " + @{i}}
}

На основании пп. c-i сделайте вывод о плотности расположения атомов в гидрофобном ядре. В отчете должны быть ответы на следующие вопросы:

a. На каком минимальном расстоянии от остатка расположены атомы, которые полностью покрывают его поверхность (так, что практически не видно атомов этого остатка)?

b. Какое характерное расстояние между соседними не связанными ковалентно атомами в белке?

c. Может ли между соседними атомами поместится еще один? Например, молекула воды, которая по сути - один большой кислород. Кстати, посмотрите где-нибудь его ван-дер-ваальсов радиус.

Для выполнения следующих заданий используйте ДНК-белковый комплекс из следующей таблицы.

3. Создайте изображение белка в комплексе с ДНК. Скрипт должен показать следующие изображения:

a. Создайте файл, содержащий ДНК-белковый комплекс. Для этого скачайте указанный вам pdb и откройте его в локальной версии Jmol (Start menu -> Molbiol -> jmol). Выберете одну из контактирующих цепочек белка, найдите координаты контактирующего участка ДНК (обычно в ваших файлах присутствуем много цепочек белка). Выбирайте участок не меньше одного двух-виктов. Затем 'select :a or 1-18:c or ...)' и после этого 'write pdb имя_файла'.

b. ДНК и белок в виде картонной модели с раскраской по вторичной структуре.

c. ДНК в виде шариковой модели (spacefill) с раскраской по элементам; белок в виде остовной модели (например, 'backbone 90') с раскраской по вторичной структуре; боковые цепи белка, взимодействующие с ДНК, в виде wireframe с раскраской по элементам.

d. Опишите увиденное. Вспомните/прочитайте/придумайте зачем какому-нибудь белку взаимодействовать с ДНК.

Пункт c. выполняется так. Определяете (define ProtAtoms ) нужное множество атомов белка с помощью команды within(...). Затем применяете к этому множеству команду select within(group, ProtAtoms). Оператор within(group, ...) делает из данного множества атомов множество всех атомов остатков, включающих хотя бы один из атомов. (Понятно?)

4.(*) Части ДНК и расположение доноров и акцетпоров протонов на ее поверхности

Можно выполнить и получить оценку за любой отдельный пункт задания. Результаты поместите на страницу апплета из задания 3, работайте с тем же pdb-файлом.

a. Опишите с какой частью ДНК - большой бороздкой, малой бороздкой или сахаро-фосфатным остовом, - взаимодействует белок.

Добавьте в апплет задания 3 новую кнопку, вызывающую новый скрипт.

Списки атомов ДНК из разных частей определены командой define в скрипте dna.def.

Первое изображение должно показывать ТОЛЬКО одну молекулу ДНК в виде ван-дер-ваальсовых сфер ('spacefill'). Раскраска - атомы большой бороздки одним цветом, атома малой - другим, сахаро-фосфатный остов - с раскраской по химическим элементам.

В втором изображении добавьте белок в виде (тонкой) проволочной модели.

Определите с какими частями ДНК контактирует белок, польщуясь люыми методами. Критерий контакта - расстояние менее 5 ангстрем. Опишите результат.

b.Изобразите разными цветами доноров и аксепторов протонов в большой бороздке. Можно ли по расположению доноров и акцепторов в большой бороздке определить последовательность ДНК?

Список доноров и акцепторов протона в бороздках ДНК, способных образовать водородную связь с белком. Предостережение: водородные связи между комплементарными основаниями в этот список не входят!

# Double helix DNA Major groove donors and acceptors that can be involved 
# into hydrogen bonds with proteins
define hdmjg  c.n4,a.n6
define hamjg  t.o4,g.o6,g.n7,a.n7

# Double helix DNA Minor groove donors and acceptors that can be involved 
# into hydrogen bonds with proteins
define hdmig  g.n2
define hamig  a.n3,g.n3,c.o2,t.o2

Предупреждение. Команды выше используют старые обозначения нуклеотидов ДНК. Надо a.n3 заменить на da.n3 и т.п.

Добавьте в скрипт определения множеств доноров и акцепторов большой бороздке (как-нибудь так: define mjg_donors <список атомов>, mjg - от major groove)

Для большей узнаваемости последовательности со стороны большой бороздки стоит добавить к изображению гидрофобную метильную группу t.c7

Создайте изображение с раскраской доноров и акцепторов. Доноров - в синей палитре (но не так, как азоты - чтобы не путать), акцепторов - в красной палитре (но не так, как кислороды). Остальные атомы большой бороздки - серым

с. То же задание - для малой бороздки.

d. Изобразите водородные связи белка с сахаро-фосфатым остовом ДНК

5. (*) Определите тип механизма химической реакции.

На видео приведена визуализация химической реакции. Попробуйте догадаться, что это за реакции и каков ее механизм в терминах органической химии.