Kodomo

Пользователь

Учебная страница курса биоинформатики,
год поступления 2010

Элементарные вопросы

После каждого занятия (лекция, семинар, практикум, журнальный клуб) может быть сформулировано несколько ЭЛЕМЕНТАРНЫХ вопросов. Эти вопросы публикуются (некоторые - даже с ответами) на kodomo. На эти вопросы надо уметь отвечать ОБЯЗАТЕЛЬНО. Это означает, что отвечать надо прямо сразу, не задумываясь, без подготовки, четко, правильно и в любой момент.

Если вдруг выясняется, что студент не может ответить на какой-то из этих вопросов, - мы прекращаем у него принимать коллоквиум, зачет, экзамен или что он еще в этот момент сдает. Общение с таким студентом возобновляется только на следующий день. В этом случае, общение начинается с проверки того, знает ли студент эти самые элементарные сведения (не только тот вопрос, на котором он попался, но и остальные тоже).

Обращаем внимание, что это правило действует в отношении ЛЮБЫХ вопросов из этого списка в ЛЮБОЙ момент времени, когда вы что-то нам сдаете. Даже если вы уже сдали какую-то тему, например, коллоквиум по РСА, - это не повод забыть элементарные вещи. Например, пусть разделе "РСА" есть вопрос "В каких единицах измеряется электронная плотность?" Допустим, вы сдали коллоквиум по РСА, и у вас там стоит 5+. Но если на экзамене, беседуя с нами про что угодно, вы вдруг скажите что электронная плотность измеряется в кг/м^3, то вы немедленно отправляетесь вспоминать основы РСА. То, что вы его уже когда-то сдали, а пересдача уже и так самая последняя - не имеет значения. Основы надо не растерять из своей головы, хотя бы до конца семестра.

Список элементарных вопросов

Названия, однобуквенные и трехбуквенные обозначения, структурные формулы и физико-химические свойства аминокислот, входящих в состав белков.

Этого вопроса касается все, сказанное выше. На лекциях мы это рассказывать не будем, на семинарах тоже. Считается, что вы это уже знаете.

Элементарные (и не очень) вопросы по рентгеновской кристаллографии с ответами

Перечислите основные этапы рентгеноструктурного эксперимента

Получение и очистка белка, кристаллизация, измерение рассеяния рентгеновского излучения, решение фазовой проблемы, построение первичной модели, оптимизация модели

Что такое кристалл?

Структура, переходящая в саму себя при трансляционных симметриях на три некомпланарных вектора. В PDB и в нашем курса эти векторы принято обозначать a, b, c. (Надо знать, что такое трансляционная симметрия, некомпланарные векторы)

Что такое кристаллографическая ячейка?

Параллелепипед, построенный по трем векторам a, b, c, такой, что (i) сдвиги на вектора a, b, c являются симметриями кристалла и (ii) его нельзя уменьшить, сохранив свойство (i).

Что такое электронная плотность, в каких точках она достигает максимума?

Среднее по времени число электронов, обнаруживаемых в маленькой окрестности точки, деленное на объем окрестности. Точное определение: предел этой величины при стремлении объема окрестности к нулю . Электронная плотность в центре атома максимальна.

Электронная плотность в центре атома максимальна. Значит ли это, что электроны расположены в центре ядра?

Нет. Среднее число электронов в тонком СФЕРИЧЕСКОМ СЛОЕ радиуса r достигает максимума при ненулевом значении r (≈0.6 ангстрем для водорода). Это число пропорционально произведению площади сферы на значение электронной плотности на расстоянии r от центра; площадь сферы быстро растет с радиусом, а электронная плотность убывает.

Что такое прямая задача теории рассеяния?

По известной структуре кристалла рассчитать направления и интенсивность рассеяния падающего рентгеновского излучения.

Что такое обратная задача теории рассеяния?

По известной картине рассеяния рассчитать структуру кристалла.

Что такое ряд Фурье?

Ряд , слагаемые которого являются синусоидами с периодом, равным T/n, где T – длина заданного отрезка, n - целое положительное число. Слагаемое называется гармоникой, отвечающей номеру n. Кроме номера, у гармоники два параметра:

Первое слагаемое ряда имеет номер 0 и является константой.

Сумма ряда Фурье является периодической функцией с периодом T.

В трехмерном случае номер гармоники задается тремя целыми неотрицательными числами h, k, l.

Какие данные содержат информацию о параметрах кристаллографической ячейки?

Рефлекс – это сигнал, улавливаемый детектором (“черное пятнышко” если детектор – фотопластинка). Расположение рефлексов на детекторе позволяет определить параметры кристаллографической ячейки и все кристаллографические симметрии.

Как определяются числа h,k,l для данного рефлекса?

Рефлекс – это сигнал, улавливаемый детектором (“черное пятнышко” если детектор – фотопластинка). Направление из кристалла на точку детектора однозначно определяет вектор рассеяния s. Сигнал в данном направлении усиливается только тогда, когда скалярные произведения вектора рассеяния с векторами a, b, c кристаллографической ячейки равны целым числам. Это и есть числа h,k,l рефлекса.

Как связан ряд Фурье функции электронной плотности с рентгеновским экспериментом?

Из теории рассеяния следует, что интенсивность излучения, детектируемого в направлении, характеризующемся целыми числами h,k,l , пропорциональна квадрату гармоники с номером h, k, l. Связь устанавливается так: формулы, выведенные физиками для корня из интенсивности рефлекса h,k,l , совпадают с формулами для вычисления амплитуды гармоники h, k, l.

Чему соответствует один рефлекс, наблюдаемый в рентгеновском эксперименте?

Одной гармонике из Фурье-разложения функции электронной плотности.

Как измерить модули структурных факторов?

Модуль структурного фактора h,k,l то же самое, что корень из интенсивности рефлекса h, k, l. Это синонимы. Достаточно измерить интенсивность сигнала и извлечь из нее корень.

Что такое “разрешение гармоники”?

Каждая гармоника Фурье имеет разрешение. В одномерном случае разрешением называется период синусоиды. В трехмерном случае гармоника h,k,l изменяется как синусоида вдоль одной прямой и постоянна на перпендикулярной плоскости. Естественно, разрешением называется период синусоиды.

Что такое “разрешение структуры”?

В результате эксперимента находятся амплитуды некоторого конечного набора гармоник – по числу измеренных рефлексов. Набор гармоник называется полным с разрешением d ангстрем, если известны амплитуды всех гармоник с разрешением больше или равным d. Набор гармоник, получаемый из эксперимента, никогда не бывает полным. В PDB файле и в статьях пишут, что разрешение структуры d ангстрем, если измерены “почти все” гармоники с разрешением d ангстрем и больше. “Почти все” характеризуется параметром “полнота рефлексов”.

Например, если разрешение 1.5 ангстрем и полнота рефлексов 95% , то значить, все рефлексы с разрешением >= 1.5 анстрем, кроме 5%, измерены. При этом могут быть измеренными и малое число рефлексов с разрешением <1.5 ангстрем.

В чем состоит фазовая проблема?

В одном рентгеновском эксперименте с постоянной длиной волны рентгеновского излучения нельзя непосредственно измерить фазу структурных факторов, которые необходимы для обратного преобразования Фурье и определения электронной плотности.

Перечислите основные методы решения фазовой проблемы.

Методы молекулярного замещения, изоморфного замещения и аномального рассеяния.

Какие дополнительные данные нужны для решения фазовой проблемы методом молекулярного замещения?

Нужна пространственная структура белка, похожего по структуре на исследуемый белок. Например,

Какие дополнительные данные нужны для решения фазовой проблемы методом изоморфного замещения?

Кроме исходного кристалла, нужно получить еще два кристалла, полученные из исходного добавлением разных тяжелых атомов - используют ртуть, платину, золото и др. Такие кристаллы можно получить экспериментально добавлением к существующему соответствующих атомов. Они называются изоморфным замещением исходного кристалла.

Если белки в обоих кристаллах, полученных изоморфным замещением, сохраними свое расположение, и атомы тяжелого металла присоединились во всех кристаллограических ячейках в одном и том же месте, то можно провести еще два рентгеновских эксперимента и по результатам трех рентгеновских экспериментов (исходный кристалл белка, изоморфное замещение одним тяжелым атомом, изоморфное замещение другим тяжелым атомом) решить фазовую проблему.

Какие дополнительные данные нужны для решения фазовой проблемы методом аномальной дифракции?

Бывает достаточно ОДНОГО кристалла белка, в который внедрены тяжелые атомы, аномально рассеивающие рентгеновское излучение. Аномально - значит, что для них применяемая для белков теория рассеяния неточна. По несоответствию рефлексов теории можно решить фазовую проблему ПРИ УСЛОВИИ:

Практически, используют белок с селенометионинами (селен - аномально рассеивающий атом) и синхротрон, позволяющий проводить эксперименты с рентгеновскими волнами разных длин.

Что общего в методах изоморфного замещения и аномального рассеяния?

Находятся фазы для тяжелых или аномально рассеивающих атомов. Фазы всей структуры получаются из решения уравнений вида

cos(phi_proteinh,k,l - phi_heavyh,k,l) = gh,k,l

Правая часть рассчитывается по данным двух экспериментов. Из-за того, что cos(x)=cos(-x), фазы всей структуры находятся неоднозначно (для тех, кто знает, что arccos(x):

phi_proteinh,k,l = phi_heavyh,k,l +/- arccos(gh,k,l)

Получение данных третьего эксперимента позволяет снять неоднозначность, т.е. рассчитать фазы всей структуры.

Вопросы по второй части

Нарисовать схему водородных связей в альфа-спиралях и бета-листах (для пары параллельных и антипараллельных тяжей)

Этот вопрос, само собой, предполагает умение нарисовать полипептидную цепочку.

Основные программы определения вторичной структуры

DSSP и STRIDE. На вход получают PDB файл, на выходе - границы (первая и последняя аминокислота) тяжей и спиралей.

Что такое карта Рамачандрана

Надо уметь объяснить, что отложено по осям, чему соответствует каждая точка, найти области альфа-спиралей и бета-тяжей. Также желательно понимать, что карта Рамачандрана нарисована на поверхности тора (и знать, что такое тор), и какие пары точек на карте являются близкими (то есть соответствуют сходным конформациям аминокислот).

Уровни классификации SCOP

Класс (all-α, all-&beta, α/β, α+β), фолд (общность топологии), суперсемейство (общность происхождения), семейство (значительное сходство последовательностей или, при его отсутствии, структур и/или функций).

Уровни классификации CATH

Класс (all-α, all-&beta, α/β, α+β), фолд (общность топологии), архитектура, топология, суперсемейство гомологичных доменов.

Дать определение понятиям "архитектура" и "топология"

Архитектура - взаимное расположение в пространстве α-спиралей и β-листов. Топология - порядок укладки полипептидной цепи в пространстве.

Сформулировать задачу построения пространственного совмещения при заданном выравнивании последовательностей

Даны 2 структуры и выравнивание соответствующих последовательностей. Требуется найти такое движение одной из структур, чтобы RMSD, рассчитанный по выравненным участкам был минимален.

Сформулировать задачу построения совмещения без заданного выравнивания последовательностей

Даны 2 структуры. Требуется найти такой локальное выравнивание соответствующих последовательностей, чтобы 1. его длина была как можно больше, 2. RMSD, получаемый в результате решения для этого выравнивания и заданных структур задачи построения пространственного совмещения при заданном выравнивании, был бы как можно меньше. На практике для достижения этих целей оптимизируют какой-нибудь целевой функционал, выбранный таким образом, чтобы обеспечивать компромисс между ними.