00b49539caa3d60629000000(2).pdf

(948 KB) Pobierz

STUDIA INFORMATICA

Volume 33

2012

Number 2A (105)

Bożena MAŁYSIAK-MROZEK, Dariusz MROZEK, Łukasz KOŁKOWSKI

Politechnika Śląska, Instytut Informatyki

EFEKTYWNA REPREZENTACJA MOLEKULARNYCH

STRUKTUR BIAŁKOWYCH STOSOWANA

W PROCESIE ICH PORÓWNANIA

Streszczenie.

Porównanie molekularnych struktur białkowych często jest ważnym

procesem towarzyszącym poszukiwaniu podobieństwa strukturalnego białek, identy-

fikacji ich funkcji, a także badaniu ewolucji organizmów żywych. Efektywna repre-

zentacja struktur białkowych jest niezwykle istotna dla powodzenia procesu porówna-

nia oraz szybkości jego prowadzenia. W niniejszym artykule przedstawiono rozważa-

nia na temat wyboru cech reprezentatywnych opisujących struktury białkowe w proce-

sie ich porównywania. Zaprezentowano również badania dotyczące porównania struk-

tur białkowych za pomocą macierzy odległości międzyrezydualnych, transformo-

wanych następnie do macierzy odcieni szarości i opisanych przez współczynnik jako-

ści obrazu Q dla szybszego porównania i wyszukiwania w bazie danych.

Słowa kluczowe:

bioinformatyka, białka, struktura, podobieństwo, porównanie

struktur

EFFECTIVE REPRESENTATION OF PROTEIN MOLECULAR

STURCTURES APPLIED IN THEIR COMPARISON

Summary.

Comparison of protein, molecular structures is often an essential com-

ponent process of protein structure similarity searching, identification of protein func-

tions, and investigation of the evolution of living organisms. Effective representation

of protein structures in the comparison process is then very important for its success-

fulness and swiftness. In the paper, we present considerations on using various, repre-

sentative features describing protein structures in their comparison. We also show our

research on protein structure comparison with the use of intra-residual distance matri-

ces, which are transformed to the grayscale images and described by means of the

Universal Image Quality Index for faster comparison and database retrieval.

Keywords:

structural bioinformatics, protein structure, similarity, structure com-

parison

508

B. Małysiak-Mrozek, D. Mrozek, Ł. Kołkowski

1. Wprowadzenie

Istnienie, właściwa konstrukcja i aktywność cząstek białkowych leżą u podstaw funkcjo-

nowania wszystkich organizmów żywych. Białka są niezwykle ważnymi cząsteczkami, peł-

niącymi kluczową rolę we wszystkich reakcjach biochemicznych zachodzących w komórkach

organizmów [1]. Nie dziwi zatem fakt, że cząsteczki te stały się obiektami badań naukowych

prowadzonych przez naukowców wielu dziedzin, takich jak: biochemia, biologia molekular-

na, fizyka, bioinformatyka i in.

W badaniach prowadzonych przez różne zespoły naukowe białka bardzo często porównu-

je się ze sobą, aby znaleźć odpowiedź na rozmaite pytania, w tym m.in.:



Czy otrzymana w eksperymencie naukowym cząstka białkowa ma zbliżoną budowę do

znanych już cząstek?

Jaką potencjalnie funkcję może pełnić wyizolowane w badanym organizmie białko?

Jak obecna struktura białka świadczy o jego aktywności komórkowej?

Czy wytworzona syntetycznie struktura białka może pełnić w organizmie zamierzoną

rolę?

Jak zmiana genetyczna przekłada się na strukturę białka i jakie są tego konsekwencje bio-

logiczne?

Jaką informację badana struktura białkowa może wnieść w odniesieniu do klasyfikacji

ewolucyjnej badanego organizmu?

Porównanie białek może być prowadzone na różnych poziomach opisu czy organizacji

ich struktury, począwszy od struktury pierwszorzędowej aż po strukturę czwartorzędową.

Każdy z tych poziomów dostarcza innego rodzaju informacji, a sama budowa białka może

być różnie opisana lub reprezentowana w systemach komputerowych. W zależności od celu

prowadzenia porównania naukowców będzie interesował opis bardziej lub mniej szczegóło-

wy. W każdym jednak przypadku analizie i porównaniu będzie podlegała wewnętrzna budo-

wa cząsteczek białkowych. Efektywna reprezentacja struktur białkowych jest natomiast nie-

zwykle istotna dla powodzenia procesu porównania oraz szybkości jego prowadzenia.

W niniejszym artykule, przyglądając się czterem poziomom organizacji struktur białko-

wych, przedstawiono rozważania na temat wyboru cech reprezentatywnych opisujących te

struktury w procesie porównania. Zaprezentowano także ogólnie akceptowane sposoby repre-

zentacji deskryptorów struktur białkowych w systemach komputerowych. Ponadto autorzy

zaprezentowali własne badania dotyczące porównania struktur białkowych zgodnie z przyję-

tym przez siebie deskryptorem w postaci macierzy odległości.

Efektywna reprezentacja molekularnych struktur białkowych stosowana…

509

2. Cztery poziomy opisu budowy białek i ich reprezentacja

w systemach komputerowych

Analizując ogólną budowę białek, można powiedzieć, że są to makrocząsteczki o masie

cząsteczkowej powyżej 10 kDa (1 Da = 1,66 x 10

–24

g), zbudowane z aminokwasów (>100

aminokwasów) połączonych w łańcuchy wiązaniami peptydowymi [2]. W budowie białek

wyróżnia się cztery poziomy opisu lub reprezentacji, niezwykle istotne z punktu wiedzenia

prowadzonej analizy – są to: struktura pierwszo-, drugo-, trzecio- i czwartorzędowa [3], [4].

Trzy ostatnie poziomy definiują tzw. konformację białka lub jego strukturę przestrzenną [2].

Porównanie białek prowadzi się zazwyczaj na jednym lub kilku wybranych poziomach –

można np. prowadzić porównanie wyłącznie na poziomie struktury pierwszorzędowej wów-

czas, gdy staramy się wykryć i przeanalizować mutacje powstałe w sekwencji białka na sku-

tek zajścia mutacji w genie kodującym to białko.

2.1. Struktura pierwszorzędowa

Strukturę pierwszorzędową białek określa tzw. sekwencja aminokwasów białka, czyli ko-

lejność aminokwasów w łańcuchu białkowym, stąd też często zamiast pojęcia struktura

pierwszorzędowa używa się właśnie pojęcia sekwencja. W porównaniu struktur białkowych

lub klasyfikacji białek, np. prowadzonych za pomocą systemu CATH [5] lub SCOP [6],

struktura pierwszorzędowa często spełnia rolę posiłkową. Przyjęto bowiem założenie, że

prawdopodobieństwo, iż dwa białka o bardzo zbliżonej sekwencji będą miały zbliżoną struk-

turę przestrzenną, jest bardzo wysokie. Sekwencja aminokwasów może być różnie reprezen-

towana w procesie przetwarzania i analizy danych biologicznych. Niemniej jednak najczę-

ściej stosowanym sposobem jest reprezentacja w formacie FASTA [7]. Przykład sekwencji

białek mioglobiny i hemoglobiny w formacie FASTA przedstawiono na rys. 1. Pierwsza linia

zbioru dla każdej cząsteczki ma charakter opisowy, informacyjny, natomiast począwszy od

drugiego wiersza, poszczególne aminokwasy w liniowym łańcuchu są reprezentowane przez

litery alfabetu (np. V to aminokwas waliny, L – lizyny, S – seryny itd.).

>1MBN:A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE

VLSEGEWQLVLHVWAKVEADVAGHGQDILIRLFKSHPETLEKFDRFKHLKTEAEMKASEDLKKHGVTVLTALGA

ILKKKGHHEAELKPLAQSHATKHKIPIKYLEFISEAIIHVLHSRHPGDFGADAQGAMNKALELFRKDIAAKYKE

LGYQG

>4HHB:A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE

VLSPADKTNVKAAWGKVGAHAGEYGAEALERMFLSFPTTKTYFPHFDLSHGSAQVKGHGKKVADALTNAVAHVD

DMPNALSALSDLHAHKLRVDPVNFKLLSHCLLVTLAAHLPAEFTPAVHASLDKFLASVSTVLTSKYR

Rys. 1. Sekwencje białek: mioglobiny (PDB ID: 1MBN) i hemoglobiny (PDB ID: 4HHB, łańcuch

A) w formacie FASTA

Fig. 1. Sequences of proteins: myoglobin (PDB ID: 1MBN) and hemoglobin (PDB ID: 4HHB,

chain A) in the FASTA format

510

2.2. Struktura drugorzędowa

B. Małysiak-Mrozek, D. Mrozek, Ł. Kołkowski

Struktura drugorzędowa białek opisuje wzajemne przestrzenne ułożenie reszt amino-

kwasowych, sąsiadujących ze sobą w sekwencji liniowej. Ten poziom opisu w strukturze

przestrzennej wyróżnia pewne charakterystyczne, regularnie pofałdowane regiony, np.: heli-

sy α, harmonijki β (β-kartki), pętle (zakręty). Struktury drugorzędowe białek są cennym źró-

dłem informacji o budowie cząstek białkowych. Pozwalają one ocenić ogólny kształt białka,

ogólny sposób uformowania łańcucha aminokwasów, a także wskazać rodzaje lub elementy

struktur drugorzędowych (SSE) występujących w jego budowie – czy są to struktury tylko

jednego rodzaju, np. tylko

-helisy

lub tylko

-kartki,

czy struktury te są rodzajowo zróżni-

cowane. Ten sposób reprezentacji umożliwia również stwierdzenie, czy struktury danego typu

są mocno posegregowane, czy występują naprzemiennie. Obserwacja trójwymiarowej budo-

wy białka, reprezentowanej na poziome struktur drugorzędowych, ujawnia wzajemną organi-

zację przestrzenną poszczególnych fragmentów białka i dostarcza informacji dotyczących

formowania różnego rodzaju motywów strukturalnych (zwanych inaczej superstrukturami

drugorzędowymi), np. popularna

-spinka

(ang.



-hairpin)

składa się z dwóch antyrównole-

głych

-nici

(ang.



-strand)

połączonych krótką pętlą (ang.

loop),

równie często występują-

cym motywem jest np. motyw

--.

Obserwacja białka w postaci struktury drugorzędowej

pozwala również określić miejsca występowania domen funkcyjnych, czyli stabilnych kon-

strukcyjnie fragmentów białka, które mogą fałdować się niezależnie od siebie i pełnią zwykle

określoną rolę w procesach komórkowych [8]. Na rys. 2a przedstawiono fragment struktury

formujący charakterystyczną

-spinkę,

na rys. 2b można natomiast obserwować struktury

typu

-helisa

w przestrzennej budowie przykładowego białka z bazy Protein Data Bank

(PDB) [9].

Rys. 2. Przykłady struktur przestrzennych białek reprezentowanych na poziomie struktury drugo-

rzędowej: a) motyw

-spinka,

b) struktury

-helikalne

w białku PDB ID: 1X91

Fig. 2. Examples of spatial structures represented by secondary structures: a)

-hairpin

motif,

-helices

in the protein PDB ID: 1X91 (crystal structure of mutant form A of a pectin

methylesterase inhibitor from

Arabidopsis)

Struktury drugorzędowe, podobnie jak sekwencje aminokwasów, stanowią podstawę kla-

syfikacji białek i używa się ich w procesie porównywania budowy białek. Przyjmuje się tutaj

biologicznie uzasadnione założenie, że białka różniące się na poziomie sekwencji aminokwa-

Efektywna reprezentacja molekularnych struktur białkowych stosowana…

511

sów mogą pozostać podobne w sensie struktury przestrzennej, w tym struktury drugorzędo-

wej. Struktury przestrzenne są bowiem bardziej konserwatywne. Na etapie ewolucji organi-

zmów, na skutek zmian zachodzących w łańcuchach DNA sekwencje białek uległy zróżnico-

waniu, jednakże nie spowodowało to wielokrotnie tak dużych zmian w strukturach prze-

strzennych białek.

Jednak z punktu widzenia prowadzonej analizy obliczeniowej często istotne jest odpo-

wiednie reprezentowanie struktury drugorzędowej i jej właściwe przechowywanie np. w bazie

danych. Dobrym sposobem opisu budowy przestrzennej białek przez struktury drugorzędowe

jest reprezentowanie jej przez sekwencje elementów struktury drugorzędowej (SSE). Każdy

element struktury drugorzędowej odpowiada jednemu elementowi struktury pierwszorzędo-

wej, a zatem pojedynczemu aminokwasowi. Na rys. 3 zaprezentowano sekwencję aminokwa-

sów białka o nazwie

6-phosphogluconolactonase

w organizmie

Escherichia coli

oraz odpo-

wiadającą jej sekwencję elementów struktury drugorzędowej. Poszczególne symbole w se-

kwencji elementów struktury drugorzędowej mają następujące znaczenie: H odpowiada

-

helisie, E odpowiada

-kartce,

a C odpowiada pętli (dla pętli stosuje się również oznaczenie

L). Taki sposób reprezentacji został wykorzystany przez autorów w implementacji języka

PSS-SQL [10, 11].

A7ZY23

6PGL_ECOHS

6-phosphogluconolactonase OS=Escherichia coli O9:H4 (strain HS) GN=pgl PE=3 SV=1

MKQTVYIASPESQQIHVWNLNHEGALTLTQVVDVPGQVQPMVVSPDKRYLYVGVRPEFRVLAYRIAPDDGALTFAAESAL

PGSPTHISTDHQGQFVFVGSYNAGNVSVTRLEDGLPVGVVDVVEGLDGCHSANISPDNRTLWVPALKQDRICLFTVSDDG

HLVAQDPAEVTTVEGAGPRHMVFHPNEQYAYCVNELNSSVDVWELKDPHGNIECVQTLDMMPENFSDTRWAADIHITPDG

RHLYACDRTASLITVF

CCCEEEEECCCCEEEEEEECCCCEEEEEEEEEEECCCCCEEEECCCEEEEEECCCCCEEEEEEEECCCCCCHHHHHHHCC

CCCCCCEEECCCCEEEEECCCCCCEEEEEEECCCCCCEEEEEEECCCCCCCCCCCCCCCEEEECCHHHHHEEEEECCCCC

CEEECCCCCEEEECCCCCCCEEECCCCEEEEEECCCCCCEEEEEECCCCCCEEEEEECCCCCCCCCCCCCCEEEECCCCC

CEEEECCCCCCCEEEE

Rys. 3. Przykładowa sekwencja aminokwasów białka

6-phosphogluconolactonase

w orga-

nizmie

Escherichia coli

oraz odpowiadająca jej sekwencja elementów struktury

drugorzędowej, wygenerowana za pomocą programu Predator [12]

Fig. 3. Sample amino acid sequence of the protein

6-phosphogluconolactonase

in the

Esch-

erichia coli

with the corresponding sequence of secondary structure elements gener-

ated by means of the Predator program [12]

2.3. Struktura trzeciorzędowa

Struktura trzeciorzędowa odnosi się do powiązań przestrzennych i wzajemnego ułożenia

reszt aminokwasowych zarówno tych oddalonych od siebie w sekwencji liniowej, jak i sąsia-

dujących ze sobą (rys. 4). Opisuje zatem ukształtowanie struktury spowodowane dodatko-

wymi, wewnętrznymi oddziaływaniami elektrostatycznymi, wodorowymi oraz ewentualnymi

Plik z chomika:

xyzgeo

Inne pliki z tego folderu:

pd-dok(2).pdf (17987 KB)
06_Struktura-norm(2).pdf (10166 KB)
odgadywanie.pdf (1383 KB)
00b49539caa3d60629000000(2).pdf (948 KB)
164-183-1-SM (1)(2).pdf (843 KB)

00b49539caa3d60629000000(2).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: