Modelowanie, czyli jak to działa? Po co modelować? „Dla zabawy” Dla prezentacji czegoś Dla udowodnienia czegoś Dla łatwiejszego zrozumienia „całości” Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Rodzaje modeli i modelowania 1. Modelowanie obiektu Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Rodzaje modeli i modelowania 2. Modelowanie otoczenia Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Rodzaje modeli i modelowania 3. Modelowanie zjawiska model obiektu + model otocznia = model zjawiska model + opis parametrów modelu  ustawienia symulacji Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie w biologii - biologia teoretyczna Biologia teoretyczna jest dziedziną naukową traktującą zagadnienia biologiczne w ujęciu obliczeń ilościowych statystyka i biologia matematyczna biofizyka ewolucjonizm i filogenetyka bioinformatyka Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie molekularne Każde działanie prowadzące do uzyskania modelu zalicza się do MODELOWANIA. Modelowanie molekularne – obejmuje wszystkie metody teoretyczne i techniki komputerowe służące do modelowania cząsteczek chemicznych i symulacji zachowywania się cząsteczek w określonych warunkach. Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Budowa / struktura / formaty plików Prezentacja modeli - wizualizacja Modele Budowa / struktura / formaty plików Prezentacja modeli - wizualizacja Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Struktura molekuł Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Struktury drugorzędowe Helisy prawoskrętna lewoskrętna 3-turn helix (3/10 helix). Min length 3 residues (G) 4-turn helix (alpha helix). Min length 4 residues (H) 5-turn helix (pi helix). Min length 5 residues (I) Beta-kartki (E) równoległe anty-równoległe przeciwległe Zwroty stabilizowane wiązaniami wodorowymi (3, 4 lub 5 turn) (T) Nitka – struktura dowolna, nieokreślona (C) Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Dozwolone struktury i Ramachandran Plot Struktura molekuł Wiązanie peptydowe Kąty torsyjne Dozwolone struktury i Ramachandran Plot Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Model struktury pierwszorzędowej białka Plik w formacie FASTA >gi|5524211|gb|AAD44166.1| cytochrome b [Elephas maximus maximus] LCLYTHIGRNIYYGSYLYSETWNTGIMLLLITMATAFMGYVLPWGQMSFWGATVITNLFSAIPYIGTNLV EWIWGGFSVDKATLNRFFAFHFILPFTMVALAGVHLTFLHETGSNNPLGLTSDSDKIPFHPYYTIKDFLG LLILILLLLLLALLSPDMLGDPDNHMPADPLNTPLHIKPEWYFLFAYAILRSVPNKLGGVLALFLSIVIL GLMPFLHTSKHRSMMLRPLSQALFWTLTMDLLTLTWIGSQPVEYPYTIIGQMASILYFSIILAFLPIAGX IENY >nazwa_sekwencji_1 sekWENCJAdanEGObiaLKAlubniCInukLEOTYDOWEJ >nazwa_sekwencji_2 kolEJNAsekWENCJAdowOLNEGOwybRANEGOBIALKAlubniciDNA >kolejna itd Kryteria formatu FASTA: Tylko sekwencja lub sekwencja z opisem Opis danej sekwencji w oddzielnej linijce (powyżej) i poprzedzony znakiem „>” Sekwencja TYLKO z dozwolonych znaków dowolnej wielkości Każda linijka sekwencji maksymalnie do 80 znaków Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Model struktury drugorzędowej białka >plik FASTA sekwencji i struktury drugorzedowej fragmentu hemoglobiny SSNYCNQMMKSRNLTKDRCKPVNTFVHESLADVQAVCSQKNVACKNGQTN CCCHHHHHHHHCPCCCCCCCCEEEEECCCHHHHHHHHHCEEECCCCPCCC Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modele struktur trzecio- i czwartorzędowych białek Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Struktura plików formatu PDB Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

CADD komputerowo wspomagane projektowanie leków Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

FARMAKOFOR Farmakofor jest modelem opisującym relacje przestrzenne między elementami wspólnymi dla ligandów oddziałujących z danym receptorem Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Metody przewidywania struktury drugorzędowej białek GOR-I Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Metody przewidywania struktury drugorzędowej białek GOR-I Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Otrzymywanie modeli struktury białek Metody laboratoryjne NMR, X-ray Teoretyczne przewidywanie struktury Ab initio protein modelling Comparative protein modelling modelowanie homologiczne threading (nawlekanie) Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

NMR Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

X-RAY Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Metody przewidywania struktury przestrzennej białek in silico 1. Ab initio (de novo) symulacje: - Minimalizacja energii (EM), - dynamika molekularna (MD), - Monte Carlo GHIKLSYTVNEQNLKPERFFYTSAVAIL 2. comparative / homology modeling GHIKLSYTVNEQNLKPERFFYTSAVAIL THEESEQTEN-CESALIGN--NICELY ||| ||| || || ||||| |||||| THE—SEQ-EN-CE-ALIGNEDNICELY Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Minimalizacja Energii Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Minimalizacja Energii Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Algorytm „lejkowy” The energy surface of a folding funnel from experimental data for the folding of lysozyme. The axes are defined as follows: E represents the energy of the system, Q is defined as the proportion of native contacts formed, and P is a measure of the available conformational space. Three pathways are shown corresponding to (yellow) fast folding, (green) slow folding pathway that crosses the high energy barrier, and (red) slow folding pathway which returns to a less folded state before following the pathway for fast folding (reproduced from Dobson et al., 1998).[2] Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Protein folding Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie homologiczne 1. Odnalezienie modeli białek homologicznych o sekwencji podobnej co najmniej 20-25% Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie homologiczne 2. Najlepsze zestawienie sekwencji homologicznych + Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie homologiczne 3. Threading - nawlekanie Template Target Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie homologiczne 4. Optymalizacja modelu / projektu Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Modelowanie homologiczne 5. Weryfikacja modelu PROCHECK analiza stereochemiczna jakości struktury http://www.biochem.ucl.ac.uk/~roman/procheck/procheck.html WHATIF/ WHATCHECK sprawdzanie struktury atomowej ( rotamers bond angles, bond lengths …) http://www.cmbi.kun.nl/whatif/ PROVE area and volume calculations Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

PROCHECK Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

PROCHECK Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Wizualizacja Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Dynamika molekularna Bioinformatyka 2007/2008 Biotechnologia UWM wykład 4 Biotechnologia UWM

Narzędzia Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Edytory tekstu Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Programy do wizualizacji, renderingu i modelowania RasMol Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Programy do wizualizacji, renderingu i modelowania Cn3D Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Programy do wizualizacji, renderingu i modelowania VMD NAMD Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Programy do wizualizacji, renderingu i modelowania SPDBV Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Programy do wizualizacji i renderingu PovRay Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Programy do wizualizacji i renderingu Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Animacja działania ATPazy Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Zaawansowane symulacje komputerowe Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

Fine Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM