MAKROMOLEKULÁK MOLEKULÁRIS GRAFIKÁJA BIOLÓGUSOKNAK Molekuláris grafika GFP 1
TEMATIKA Makromolekula térszerkezetek meghatározása Röntgendiffrakció, NMR, egyéb módszerek Térszerkezet adatbázisok (PDB) RasMol és RasTop megjelenítő programok PyMOL, Jmol (Java alapú applet ) és a Protein Explorer program UCSF Chimera (http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/) Proteopedia wiki (Jmol alapú; life in 3D ) Egyéb megjelenítő és/vagy modellező programok (>75) http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_molecular_graphics_systems KineMage, DeepView/SwissPdbViewer, Yasara, BallView WebLab ViewerLite, Cn3D, VMD, Dino, PyMOL Midas, MolScript (Unix-alapúak) PovRay, 3DRaster ( rendering ) O, Swiss-Model HyperChem, InsightII, Grasp, Sybyl, AutoDock (modellezők) It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. 2
CSHL 3
University of California, Davis A molekuláris grafika története 1953-1980: fizikai modellek (makettek) 1970- : molekulaszobrászok 1980-90: Evans-Sutherland computerek (250.000 $) 1992: Kinemage, (Kinetic images) D. és J. Richardson 1993: RasMol, (Raster Molecules) Roger A. Sayle 1996: Chime, (CHemical mime) MDL Information system 2000: PyMOL (Python alapú) W. L. DeLano 2000: UCSF Chimera (Pettersen et al J Comput Chem 2004) 2002: Jmol applet (Java alapú) www.jmol.org 4
Kendrew és a Mb kolbász mioglobin Byron s Bender (dróthajlítgató) kollagenáz GFP 5
Zn-ujj RasMol Kinemage 6
Molekuláris grafika a neten Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb/ UCSF Chimera (a UCSF RBVI Resources for Biocomputing, Visualization and Informatics (http://www.cgl.ucsf.edu/) szoftvere http://www.cgl.ucsf.edu/chimera PyMOL http://pymol.sourceforge.net/ RasMol és RasTop http://www.openrasmol.org/ Jmol (Chime utód Java-alapú applet ) http://jmol.sourceforge.net/ Protein Explorer http://molvis.sdsc.edu/protexpl/frntdoor.htm Proteopedia http://proteopedia.org/wiki/index.php/main_page World Index of Macromolecular Visualization Resources http://molvis.sdsc.edu/visres/ ( nyugdíjazva ) Molekuláris grafika a neten PyMOL Wiki http://pymolwiki.org/index.php/main_page BallView http://www.ballview.org/ BioEditor http://bioeditor.sdsc.edu/ Chimera http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/index.html Cn3D http://www.ncbi.nlm.nih.gov/structure/cn3d/cn3d.shtml MolPOV http://www.chem.ufl.edu/~der/der_pov2.htm Dino http://www.dino3d.org/ Programok összehasonlítása http://www.marcsaric.de/index.php/free_molecular_modelling_programs 7
BALLView Glukokortikoid receptor DNA+ cink-ujj BALLView Proteaszóma 8
DNS+netropszin Chimera Pektin-liáz Chimera 9
Dino OmpK (porin) kristály PyMOL 10
Nagyfelbontású szerkezeti módszerek Röntgen-diffrakció Kristály Rost Time-resolved Neutron-diffrakció Krio-EM Elektron krisztallográfia, egy-partikulum analízis, bakteriorodopszin (1975, 1990), membránfehérjék NMR Kombinált módszerek AFM Homológia és ab initio modellezés 11
A kezdetek R. Franklin, 1953 J. Kendrew, 1957 W. Astbury, 1938 Hol tartunk? (Research Collaboratory for Structural Bioinformatics) www.rcsb.org 26.000 kristályszerk., 4500 NMR szerk. (2007) 87.000 kristályszerk., 10300 NMR szerk., 735 EM (2014) (in silico modellek NEM) hemolizin hemocianin hemeritrin 12
Rtg : kristályosítás Függő csepp kristályosítás Hampton screen robotok Kristály fagyasztás (<120 K) Sugárzási károsodás csökkent Rtg: sugárforrás Szinkrotron sugárforrás 24 helyszín: DESY, CHESS; ESRF, BESSY Mikrokristályok, 1 kristály elegendő beamline 13
Rtg: fáziskeresés Molekuláris helyettesítés (homológ szerkezet) omit (differencia) elektronsűrűségi térkép Direkt módszerek (<500 atom) SHELXD MAD (multiwavelength anomalous diffraction) Nehéz atom (kofaktor; helyettesít: Pt, Hg, U) Szeleno-Met beépítés SOLVE, SHARP Automatikus modellépítés ARP/wARP Néhány szerk. csúcs I I-es fotoszisztéma; 2,5 Å RNS polimeráz II; 2,8 Å 14
Néhány szerk. csúcs II Citokróm bc 1 HMG-CoA reduktáz Neutron diffrakció Összes H atom és több szerkezeti H 2 O Laue diffraktométer (2Å), v. monokromátor (<2Å) Gyengébb neutron sugár nagy kristály (1 mm 3 ) Deuterált minta lizozim; 2Å 15
Rost-diffrakció Helikális szimmetria (3-10 Å) Orientált minta (mágneses tér) Filamentumok (pl. vírus) Amiloid fibrillumok; flagellin Polinukleotidok, poliszaccharidok Rost- és rtg-diffrakció kombinálása F-aktin (6 Å) Mozaik vírus F-aktin Krio-elektronmikroszkópia Gyorsfagyasztás (100 K; üvegszerű jég) Krio-EM Elektron krisztallográfia (>3,5 Å) Egy-partikulum analízis (>7 Å) Elektron tomográfia (>50 Å) 3-D képrekonstrukció Tilted képek digitalizálása Fourier transzformálás (2-D) Részecske középpont, orientáció, 2-D 3-D Fourier szintézis denzitási térkép (anizotróp felbontás) 3-D modell ill. molekuláris burok 16
Elektron krisztallográfia 2-D fehérjekristályok (pl. lipid membránban, -on) Amplitúdó: diffraktogramm; fázis: EM-kép Bakteriorodopszin Tubulin (3,7 Å) Egy-részecske analízis >1000 récsecske átlagolva (>250 kd) Negatív festés vs. Krio-EM 29 fág (9Å) 17
Elektron tomográfia Egyetlen részecskéről sok kép Miozin erőkar pozíciók Kontraháló miofibrillum Hibrid krisztallográfia: krio-em és rtg Fázis meghatározás krio-em képből Riboszóma 50S alegység (6,5 Å) Riboszóma 30S alegység 18
Rtg-szerkezeti modell dokkolása 3-D burokba I kinezin+mikrotubulus S1 dekorált F-aktin + Tm Rtg-szerkezeti modell dokkolása 3-D burokba II Defoszforilált simaizom akto-s1 19
Protein Data Bank Research Collaboratory for Structural Bioinformatics wwpdb (World Wide PDB: RCSB-PDB + MSD-EBI + PDBj) PDB fájl Kísérletesen meghatározott 3D szerkezet atomi koordinátái Referenciák, elsődleges és másodlagos szerkezet Kristályosítási ill. NMR adatok R-faktor (modell jósága ), B-faktor ( hőmérsékleti faktor ) PDB és/vagy mmcif fájl formátum 20
PDB adatfájl HEADER FLUORESCENT PROTEIN 01-AUG-96 1EMA TITLE GREEN FLUORESCENT PROTEIN FROM AEQUOREA VICTORIA REMARK 2 RESOLUTION. 1.90 ANGSTROMS. REMARK 3 NUMBER OF REFLECTIONS : 17676 REMARK 3 PROTEIN ATOMS : 1771 REMARK 3 SOLVENT ATOMS : 95 aminosav atom szekvencia sorszám atom sorszám polipeptidlánc x,y,z koordináták B-faktor ATOM 1 N SER A 2 28.888 9.409 52.301 1.00 85.05 ATOM 2 CA SER A 2 27.638 10.125 52.516 1.00 80.05 ATOM 3 C SER A 2 26.499 9.639 51.644 1.00 85.36 ATOM 4 O SER A 2 26.606 8.656 50.915 1.00 84.56 ATOM 5 CB SER A 2 27.783 11.635 52.378 1.00 70.97 ATOM 6 OG SER A 2 27.690 12.033 51.012 1.00 44.08 21