1 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

2 Rodzaje modeli i modelowania1. Modelowanie obiektu Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

3 Rodzaje modeli i modelowania2. Modelowanie otoczenia Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

4 Rodzaje modeli i modelowania3. Modelowanie zjawiska model obiektu + model otocznia = model zjawiska model + opis parametrów modelu  ustawienia symulacji Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

5 Modelowanie w biologii - biologia teoretycznaBiologia 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

6 Modelowanie molekularneKażde 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

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

8 Struktura molekuł Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

9 Struktury drugorzędoweHelisy 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

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

11 Model struktury pierwszorzędowej białkaPlik w formacie FASTA >gi| |gb|AAD | 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

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

13 Modele struktur trzecio- i czwartorzędowych białekBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

14 Struktura plików formatu PDBBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

15 Modelowanie Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

16 CADD komputerowo wspomagane projektowanie lekówBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

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

18 Metody przewidywania struktury drugorzędowej białekGOR-I Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

19 Metody przewidywania struktury drugorzędowej białekGOR-I Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

20 Otrzymywanie modeli struktury białekMetody 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

21 NMR Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

22 X-RAY Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

23 Metody przewidywania struktury przestrzennej białek in silico1. 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

24 Minimalizacja EnergiiBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

25 Minimalizacja EnergiiBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

26 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

27 Protein folding Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

28 Modelowanie homologiczne1. Odnalezienie modeli białek homologicznych o sekwencji podobnej co najmniej 20-25% Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

29 Modelowanie homologiczne2. Najlepsze zestawienie sekwencji homologicznych + Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

30 Modelowanie homologiczne3. Threading - nawlekanie Template Target Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

31 Modelowanie homologiczne4. Optymalizacja modelu / projektu Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

32 Modelowanie homologiczne5. Weryfikacja modelu PROCHECK analiza stereochemiczna jakości struktury WHATIF/ WHATCHECK sprawdzanie struktury atomowej ( rotamers bond angles, bond lengths …) PROVE area and volume calculations Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

33 PROCHECK Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

34 PROCHECK Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

35 Wizualizacja Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

36 Dynamika molekularna Bioinformatyka 2007/2008 Biotechnologia UWMwykład 4 Biotechnologia UWM

37 Narzędzia Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

38 Edytory tekstu Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

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

40 Programy do wizualizacji, renderingu i modelowaniaCn3D Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

41 Programy do wizualizacji, renderingu i modelowaniaVMD NAMD Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

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

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

44 Programy do wizualizacji i renderinguBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

45 Animacja działania ATPazyBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

46 Zaawansowane symulacje komputeroweBioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM

47 Fine Bioinformatyka 2007/2008 wykład 4 Biotechnologia UWM