Fisica Computazionale applicata alle Macromolecole

Pier Luigi Martelli

Università di Bolognagigi@biocomp.unibo.it

051 2094005338 3991609

Struttura e funzione delle proteine 2

Classificazione strutturale: Classificazione strutturale: Proteine globulari e di membranaProteine globulari e di membrana

Inner Membrane proteins(all -Transmembrane

proteins)

Outer Membrane proteins(all -Transmembrane

proteins)

Classificazione strutturale: DominiClassificazione strutturale: Domini

Dominio 1

Dominio 2

Porzione di struttura “strutturalmente indipendente”

Fattore XIII della coagulazione (1F13)

Dominio 3

Dominio 4

Classificazione strutturale: DominiClassificazione strutturale: Domini

Porzione di struttura “strutturalmente indipendente”

Alcool deidrogenasi (2OHX)

Dominio 1 Dominio 2

Dominio 1 non contiguo un sequenza

N C

Confronto tra struttureConfronto tra strutture

Possiamo confrontare domini strutturali di diverse proteine?

Similarità strutturale tra Acetilcolinesterasi e Calmodulina (Tsigelny et al, Prot Sci, 2000, 9:180)

Sovrapposizione e allineamento strutturaleSovrapposizione e allineamento strutturale

A

B

C

D

E

c

a

b

d

e

ABCDE--abcde

Sovrapposizione strutturale

Allineamento strutturale tra le sequenze

Misure di sovrapposizioneMisure di sovrapposizione

N

xXdRMSD

2),(

CE http://cl.sdsc.edu/ce.html

Confronto tra struttureConfronto tra strutture

CE: Sovrapposizione strutturaleCE: Sovrapposizione strutturale

Rosso: 1KEV: Alcool deidrogenasi di Clostridium beijerinckii Blu: 2OHX: Alcool deidrogenasi E di Cavallo

CE: Allineamento strutturaleCE: Allineamento strutturale

Sovrapposizione a “grana grossa”: solo il backbone viene considerato

Classificazioni gerarchicheClassificazioni gerarchiche

CATH http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath_new/index.html

C: Class Composizione in struttura secondaria

A: Architecture Forma complessiva, ignora connettività della catena

T: Topology Si tiene in considerazione la connettività

H: Homologous Famiglie di omologia (famiglie derivanti da un ancestore comune)

Possiamo classificare “tassonomicamente i domini” ?

CATHCATH

Stessa architettura, diversa topologiaStessa architettura, diversa topologia

Halorodospina: 1E12 Acquaporina: 1FQY

Classificazioni gerarchicheClassificazioni gerarchiche

SCOP http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/

La classificazione più affidabile NON è automatica

Quanti fold esistono?Quanti fold esistono?

Nuovi fold (azzurro) e vecchi fold (arancio) depositati ogni anno

Quanti fold esistono?Quanti fold esistono?

Percentuale di fold unici sul totale delle strutture depositate

Predizione comparativaPredizione comparativa

E’ possibile invertire il procedimento?Date due sequenze:

1) E’ possibile capire se hanno struttura simile?

2) Se hanno struttura simile, è possibile allinearle (senza informazioni strutturali) in modo da riprodurre

l’allineamento strutturale?

Se sì, e se una delle due sequenze è a struttura risolta, possiamo predire la struttura dell’altra sequenza SOVRAPPONENDO i residui secondo l’allineamento

Fold Recognition: è possibile capire se due proteine hanno struttura simile?

>Protein XYMSTLYEKLGGTTAVDLAVDKFYERVLQDDRIKHFFADVDMAKQRAHQKAFLTYAFGGTDKYDGRYMREAHKELVENHGLNGEHFDAVAEDLLATLKEMGVPEDLIAEVAAVAGAPAHKRDVLNQ

?

Fold Recognition e ThreadingFold Recognition e Threading

Threading: se sì, è possibile allinearle in modo corretto?

Modelling comparativo (Omologia/Threading)Modelling comparativo (Omologia/Threading)

A

B

C

D

EABCDE--abcde

MNIFEMLRID EGLRLKIYKD TEGYYTIGIG HLLTKSPSLN AAKSELDKAI GRNCNGVITKDEAEKLFNQD VDAAVRGILR NAKLKPVYDS LDAVRRCALI NMVFQMGETG VAGFTNSLRMLQQKRWDEAA VNLAKSRWYN QTPNRAKRVI TTFRTGTWDA YKNL

Predizioni ab initio

E per nuovi fold?E per nuovi fold?

Classificazione funzionaleClassificazione funzionale

Relativamente semplice per enzimi:

EC: http://us.expasy.org/enzyme/

Enzyme Classisication

Molto complicato in casi più generali

GeneOntology: http://www.geneontology.org/Vengono adottati differenti criteri classificativi:

Molecular Function

Biological Process

Cellular Component

Alcune proteine possono esplicare più funzioni a seconda delle condizioni cellulari (Moonlight proteins)

Aspartase [1JSW]Histidase [1B8F]

N NH

CO2-

H

HH+NH3

HH CO2

-

NHN

+ NH3

2-Crystallin [1AUW]

Avian eye lens protein

E’ possibile inferire la funzione dal fold?E’ possibile inferire la funzione dal fold?

Dati: Torsten SchwedeUniversità di Basilea

E’ possibile inferire la funzione dal fold?E’ possibile inferire la funzione dal fold?

•I 5 fold più rappresentati (TIM-barrel, alpha-beta hydrolase, Rossmann, P-loop containing NTP hydrolase, ferredoxin fold), sono associabili a un numero di funzioni differenti da 5 a 16

•Attenzione: NON significa che la struttura non determina la funzione (“grana del confronto”)

E’ possibile inferire il fold dal funzione?E’ possibile inferire il fold dal funzione?

•Le due funzionipiù rappresentate (idrolasi e O-glicosil-glucosidasi) sono associate a 7 fold ognuna

NON ESISTE RELAZIONE BIUNIVOCA TRA NON ESISTE RELAZIONE BIUNIVOCA TRA FUNZIONE E FOLDFUNZIONE E FOLD

Dati: Torsten SchwedeUniversità di Basilea

PREDIZIONE DI STRUTTURA e FUNZIONE DI PREDIZIONE DI STRUTTURA e FUNZIONE DI PROTEINEPROTEINE

Che fare?Che fare?

Possibili risposte derivano da ipotesi sul come hanno avuto origine le sequenze proteiche di ogni organismo.

IDEE?IDEE?