por Satisfação de Restrições Espaciais

Modelagem Comparativa (Homologia)
por Satisfação de Restrições Espaciais
Modeller [Šali & Blundell, 1993] [Šali & Overington, 1994].
1164 – BIOLOGIA ESTRUTURAL
Aula 5
Prof. Dr. Valmir Fadel
PROCURA DO MODELO HOMÓLOGO
(TEMPLATE)
Pode ser efetuado internamente no programa ou utilizando ferramentas
externas como: BLAST, FastA, etc
-Procura por moléculas similares, podendo inclusive identificar motifs funcionais.
-Fornece os resultados já alinhados.
Formato FastA (simplificado):
>NOME (ou qualquer outra informação)
ASDFGLKH (seqüência primária em letras maiúsculas sem espaços
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Alinhamento
Pode ser efetuado internamente no programa ou utilizando ferramentas
externas como: BLAST, CLUSTALW, MULTIALIGN, MUSCLE, etc
>HNSMT
MPDPQDRPDSEPSDASTPPAKKLPAKKAAKKAPARKTPAKKAPAKKTPAKGAKSAPPKPAEAPVSLQQRIETNGQLAAAAKDAAAQAKSTVEGANDALARNASVPAPSHSPVPLIVAVTLSLLALLLIRQLRRR
>1LR1:A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
GSHMSEALKILNNIRTLRAQARESTLETLEEMLEKLEVVVNERREEESAAAAEVEERTRKL
>1NI8:A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
SEALKILNNIRTLRAQARECTLETLEEMLEKLEVVVNERREEESAA
>1OV9:A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
SEITKTLLNIRSLRAYARELTIEQLEEALDKLTTVVQERKEAEAEEI
Alignment
CLUSTAL W (1.83) multiple sequence alignment
1LR1_A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
1NI8_A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
1OV9_A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
HNSMT
1HNR__|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
------------------HHHHHHHHHHH------------------------------------------------H-HHHHHHHHHH-H-----------------------EEHHHHHHHHHHHHHH
-------------GSHMSEALKILNNIRTLRAQARESTLET------------------------LEEMLEKLEVVVNERREEESAAAAEVEERTRKL------------------------------------------------SEALKILNNIRTLRAQARECTLET------------------------LEEMLEKLEVVVNERREEESAA-----------------------------------------------------------SEITKTLLNIRSLRAYARELTIEQ------------------------LEEALDKLTTVVQERKEAEAEEIAAR--------------------------------------MPDPQDRPDSEPSDASTPPAKKLPAKKAAKKAPARKTPAKKAPAKKTPAKGAKSAPPKPAEAPVSLQQRIETNGQLAAAAKDAAAQAKSTVEGANDALARNASVPAPSHSPVPLIVAVTLSLLALLLI
--------------AQRPAKYSYVDENGETKTWTGQGRTPA-----------------------VIKKAMDEQGKSLDDFLIKQ---------------------------------------------.
.
:
:: : :
:::: ::
Alignment
CLUSTAL W (1.83) multiple sequence alignment
1LR1_A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
1NI8_A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
1OV9_A|PDBID|CHAIN|SEQUENCE
HNSMT
-------------------------------------------------------GSHMSEALKILNN-IRT---LRAQAR------ESTLETLEEMLEKLEVVVNERREEESAAAAEVEERTRKL
-----------------------------------------------------------SEALKILNN-IRT---LRAQAR------ECTLETLEEMLEKLEVVVNERREEESAA-------------------------------------------------------------------------SEITKTLLN-IRS---LRAYAR------ELTIEQLEEALDKLTTVVQERKEAEAEEIAAR
MPDPQDRPDSEPSDASTPPAKKLPAKKAAKKAPARKTPAKKAPAKKTPAKGAKSAPPKPAEAPVSLQQRIETNGQLAAAAKDAAAQAKSTVEGANDALARNASVPAPSHSPVPLIVAVTLSLLALLLI
:*
* : *.:
* * *:
: *:* :: * :
------------------HHHHHHHHHHH------------------------------------------------H-HHHHHHHHHH-H-----------------------EEHHHHHHHHHHHHHH
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Extração das restrições espaciais
A superposição do modelo a ser obtido (target) ao modelo
(template) é obtida pela transferência dos parâmetros
espaciais dos resíduos alinhados do template para o
modelo.
As restrições espaciais (distâncias e ângulos) são
extraídos do template.
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Extração das restrições espaciais
As restrições são definidas em termos de uma função
densidade de probabilidade (pdf) p(x) para a variável a ser
restringida x baseada em dados empíricos (406 proteínas
de 105 famílias).
Estas pdfs podem ser definidas em associação com outras
variáveis como p(x,a,b,c...)
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Extração das restrições espaciais
As restrições possíveis são:
distância (distance)
ângulo (angle)
angulo diédrico (dihedral)
distância mínima (minimal_distance)
Acessibilidade ao solvente (solvent_access)
densidade (density)
coordenada x (x_coordinate)
coordenada y (y.coordinate)
Coordenada z (z_coordinate)
e outras definidas pelousuário (user-defined)
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Extração das restrições espaciais
Que podem ser relacionadas com grandezas físicas:
1 Bond length potential
2 Bond angle potential
3 Stereochemical cosine dihedral potential
4 Stereochemical improper dihedral potential
5 Soft-sphere overlap restraints
6 Lennard-Jones 6-12 potential
7 Coulomb point-point electrostatic potential
8 H-bonding potential
9 Distance restraints 1 ( Ca -Ca )
10 Distance restraints 2 (N-O)
.
11 Mainchain phi_ dihedral restraints
12 Mainchain psi dihedral restraints
13 Mainchain omega dihedral restraints
14 Sidechain chi1 dihedral restraints
15 Sidechain chi2 dihedral restraints
16 Sidechain chi3 dihedral restraints
17 Sidechain chi4 dihedral restraints
18 Sidechain chi5 dihedral restraints
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19 Di-sulfide distance restraints
20 Di-sulfide angle restraints
21 Di-sulfide dihedral angle restraints
22 X lower bound distance restraints
23 X upper bound distance restraints
24 Distance restraints (SDCH-MNCH)
25 Binomial phi_psi dihedral restraints
26 Distance restraints (X-Y)
27 NMR distance restraints (X-Y)
28 Minimal distance restraints
29 Non-bonded spline restraints
30 Atomic accessibility restraints
31 Atom density restraints
32 Absolute position restraints
33 Dihedral angle difference restraints
34 GBSA implicit solvent potential
35 EM density fitting potential
36 SAXS restraints
37 Symmetry restraints
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Extração das restrições espaciais
E calculadas com as seguintes condições:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
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18
19
20
21
Tipo de aminoácido
Ângulo diedral phi
Ângulo diedral psi
Classe de estrutura secundária
Classe de conformação da cadeia principal
Conteúdo fracional de resíduos na classe A
Ângulos diédricos da cadeia lateral (chi=1,2,3,4,5)
Classe de ângulos diédricos
Acessibilidade do resíduo ao solvente
Acessibilidade média de 2 resíduos ao solvente
Diferença entre vizinhos de um resíduo para duas proteínas
Diferença média entre vizinhos de um resíduo para duas proteínas
Porção fracional de identidade entre duas proteínas
Distancia Ca-Ca
Diferença entre duas distâncias Ca-Ca em duas proteínas.
Distância N-O na cadeia principal
Diferença entre duas distâncias N-O em duas proteínas.
Valor médio do Bfactor
Resolução da estrutura
Distância do resíduo de um gap no alinhamento
Distância média dos resíduos de um gap no alinhamento
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Extração das restrições espaciais
exemplos:
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Extração das restrições espaciais
exemplos:
Ponte dissulfeto
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Satisfazendo as Restrições Espaciais
Minimização Energética
Minimização da função objeto
Onde Fsym é um termo opcional, R são as coordenadas cartesianas de todos os
átomos, c é uma restrição, f é um parâmetro geométrico e p outros parâmetros.
Para um sistema de 10.000 atomos podem existir dca ordem de 200.000
restrições
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Satisfazendo as Restrições Espaciais
Minimização Energética
Para a minimização da função objeto MODELLER tem
implementado algoritmos de gradiente conjugado e de
dinâmica molecular (integrador leap-frog Verlet) e pode
ser utilizado com um protocolo de simulated annealing.
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