bài báo cáo cấu trúc protein

bài báo cáo về protein bao gồm chức năng cấu tạo, giới thiệu chung về protein và đi sâu vào chi tiết, được tổng hợp và trình bày dễ hiểu súc tích đầy đủ, bài báo cáo đã được thầy cô đánh giá cao trong quá trình báo cáo

1 1 NGUYÊN CỨU VÀ GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC 3D PROTEIN Hướng dẫnkhoahọc: GS.TSKH HoàngKiếm Học viên : Bùi Thanh Hiếu 2 NỘI DUNG TRÌNH BÀY  BÀI TOÁN TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  CẤU TRÚC SINH HỌC CỦA PROTEIN  CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  MÔ HÌNH HP LATTICE  PHƯƠNG PHÁP ĐỀ CỬ  KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM  KẾT LUẬN 2 3 BÀI TOÁN TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC 3D PROTEIN  Cấutrúcxoắn3D củamyoglobin, đượcphângiảibằng X-ray crystallography , đãmanglạichoMax Perutzvà Sir John Cowdery Kendrew giảithưởng nobel hóa học vào năm 1958 . 4 TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC 3D PROTEIN Tạisaophảitiênđoán cấu trúc protein bằng phương pháp tin học?  Kỹ thuật tiên đoán bằng thực nghiệm(X-ray crystallography và nuclear magnetic resonance (NRM)) là tiêu tốn nhiềuthời gian và chi phí.  Nhiều protein không thể sử dụng để phân giải cấu trúc.  Cấu trúc của protein cho chúng ta biếtvề chức năng của phân tử sinh học đó, giúptìmracơ chế gây bệnh để tìm phương pháp chữabệnh, điềuchế thuốc…. 3 5 CẤU TRÚC SINH HỌC CỦA PROTEIN Đượchìnhthànhtừ sự kếtnốicủa các amino acid  Amino acid bao gồmmộtnguyêntử Carbon ở trung tâm, nguyên tử Carbon này đượcgắnvớinguyêntử Hydro và đượcgọilànguyêntử C-α.  C-α liên kếtvới3 thànhphầnkháclà: nhómAmin(NH 2 ), nhóm Carboxyl (COOH) và gốcAmino acid R. H 2 N – CH – COOH | R 6 CẤU TRÚC SINH HỌC CỦA PROTEIN  Các gốc amino acid R khác nhau sẽ tạoracácamino acid vớitínhchấthoáhọc khác nhau. Chẳng hạn, với2 Amino acid là Alanine và Serine đượcbiểudiễnnhư sau: H 2 N – CH – COOH H 2 N – CH – COOH | | CH 3 CH 2 OH 4 7 BẢNG 20 AMINO ACID VValValineIIleIsoleucine YTyrTyrosineHHisHistidine WTrpTryptophanGGlyGlycine TThrThreonineQGlnGlutamine SSerSerineEGlu Glutamic acid PProProlineCCysCysteine FPhePhenylalanineDAspAspartic acid MMetMethionineNAsnAsparagine KLysLysineRArgArginine LLeuLeucineAAlaAlanine 8 BẢNG ĐẶC TÍNH CỦA 20 AMINO ACID 5 9 CẤU TRÚC SINH HỌC PROTEIN  Cấu trúc bậc 1 (primary protein structure): là trình tự sắp xếp các amino acid trong chuỗi polypeptide.  Cấu trúc bậc 2 (secondary protein structure): phát sinh từ việc uốn các phần của chuỗi polypeptide thành những cấu trúc đều đặn trong không gian (dạng xoắn α, hay dạng lớp mỏng β)  Cấu trúc bậc 3 (tertiary protein structure): quy định sự kết hợp các chuỗi xoắn hay lớp mỏng đó thành hình dạng ba chiều trong không gian.  Cấu trúc bậc 4 (quarternary protein structure): là sự tổ chức nhiều chuỗi polypeptide thành một phân tử protein 10 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  Phương pháp Homology Modeling  Phương pháp Threading (fold identification)  Phương pháp Ab initio 6 11 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN Phương pháp Homology Modeling  Tìm kiếm những trình tự tương tự trong ngân hàng dữ liệuprotein . Nếucó tương đồng, thì tạosắpgióngcột trình tự (sequence alignment )  Lấy khung (backbone) của cấu trúc mẫu (template structure) làm thành mô hình thô cho protein mục tiêu.  Tạo ra một đoạn thay thế tương ứng cho những vùng mà chứa những quãng bị trống (gap)  Sử dụng những hàm tối thiểu năng lượng hoặc dựa vào tri thức để tối ưu cấu trúc đạt được . 12 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  Phương pháp Homology Modeling  Sử dụng giảithuậtsắpxếpchuẩn Needleman-Wunsch 7 13 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  Phương pháp Homology Modeling  Ví dụ : 14 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  Phương pháp Homology Modeling  Ưu điểm: đượcxemlàphương pháp cho kếtquảđáng tin cậynhấttrongtrường hợptìmđượcmẫutương đồng cao (>30%).  Khuyết : không thể sử dụng khi không tìm đượcmẫu tương đồng cao (<30%) trong cơ sở dữ liệuprotein  Nhiềuphầnmềmhỗ trợ trựctuyếnchophương pháp tương đồng: SWISS-MODELLER , 3D-Jigsaw homology hoặc What-IF … 8 15 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN Phương pháp Threading  Sử dụng trình tự protein mục tiêu và tính toán vài mô hình dựa trên một tập hợp của những cấu trúc được biết . Sau đó đánh giá và quyết định mô hình khả dĩ nhấtmà protein mục tiêu này có thể là.  Ưu điểm : thành công đối với phát hiệntương đồng xa mà không thể phát hiện với sắpxếpthẳng hàng trình tự (sequence alignment)  Khuyết: kết quả của việc tiên đoán với phương pháp threading thường không được tốt 16 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN Phương pháp Ab initio  Phương pháp Ab initio thực hiện việc tiên đoán chỉ dựa trên trình tự protein , không tham khảo đến những cấu trúc đã biết để trợ giúp.  Cơ sở thựctế : Protein xoắn lại là trạng thái của năng lượng giải phóng thấpnhất.  Ưu: làphương pháp thành công nhấtvề nguyên tắc, thuầntúydựavàotin học.  Khuyết: tiêutốnnhiềuthờigiantrongviệctìmkiếm cấutrạng tối ưu.  Các tiếpcận chính : Monte Carlo, molecular dynamics, lattice-based simulation.  Nguyên cứutrongluậnánđivề hướng này (lattice - based simulation ) 9 17 MÔ HÌNH HYDROPHOBIC-POLAR (HP MODEL) Mô hình giảnlượccấutrúcxoắncủaprotein 18 MÔ HÌNH HYDROPHOBIC-POLAR (HP MODEL) Mô hình Hydrophobic-Polar (HP Model) [Dil85]  Amino acid được phân chia thành hai nhóm : hydro- phobic (kị nước ) (H) và Polar (thấmnước) (P)  Mô hình này chỉ xem xét sự tương tác giữa những hydro-phobic cận nhau.  Hai hydro-phobic acid là cạnh nhau nhưng không kế tiếp lẫn nhau trên dây xích protein , tạo ra kết quả giảm một đơn vị trong năng lượng của cấu trạng.  Trình tự xoắn protein vào lưới theo cách mỗi amino acid chiếm lĩnh trên lưới điểm và hai amino acids tiếp theo , được gọi là những amino acid kế tiếp, trong trình tự cũng là liền kề trên cùng lưới điểm của mô hình lưới. 10 19 MÔ HÌNH HYDROPHOBIC-POLAR (HP MODEL)  Một dạng xoắn của trình tự protein HPPHPPHHPPHPPH trên mô hình 2D HP với năng lượng giải phóng 6. Nút đen biểu diễn "hydrophobic" và rỗng biểu diễn “polar" 20 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ CỬ Mô hình Hydrophobic-Polar (HP Model) [Dil85]  Trình tự amino acid được ký hiệu là <a 1 , ,a n > và tập hợp của những điểm lưới là = {1,2, ,n 2 } .Những tọa độ có thể được biểu diễn trong công thức như sau: y p = và x p = p-1-n × y p , p  Định nghĩa lân cận của một điểm trên lưới như sau : N(p) = { q: | x p -x q | + | y p -y q | = 1 }  Cho v ip là dạng thức của một tọa độ trên lưới bởi công thức sau đây : v ip = ⎥ ⎦ ⎥ ⎢ ⎣ ⎢ − n p 1 ∀ ∈ Γ Γ ⎩ ⎨ ⎧ 1 , nếu 1 residue đượcgánvàođiểmp 0 , ngượclại [...]... Tìm cấu trạng C có hàm năng lượng tối thiểu Bài toán được chứng minh là NP-Complete [BL98] 25 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ CỬ Các tiếp cận bằng GA điển hình trước đây: Unger và Moult [UM93] sử dụng GA cơ bản cho vấn đề tiên đoán cấu trúc protein với mã hóa tuyệt đối trên lưới HP 2D và 3D Patton et al.[PG95] mô tả giải thuật di truyền GA với mã hóa tương đối vào năm 1995 Họ sử dụng những hàm hình phạt cho những cấu. .. 21 MÔ HÌNH HYDROPHOBIC-POLAR Biểu diễn của trình tự protein trên mô hình lưới Mã hóa tuyệt đối : một trình tự protein được mã hóa như là một chuỗi của những ký tự của những hướng tuyệt đối gồm U,D,L,R,F và B trên mô hình lưới Trình tự protein với chiều dài 12 được mã hóa như sau : DRURRULULDL 22 11 MÔ HÌNH HYDROPHOBIC-POLAR Biểu diễn của trình tự protein trên mô hình lưới Mã hóa tương đối : mỗi hướng... đổi một điểm đối với mã hóa tương đối , cấu trúc có một xoay vòng ở điểm bị thay đổi Còn mã hóa tuyệt đối thì thay đổi trên tất cả những amino acid còn lại sau điểm thay đổi 24 12 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ CỬ Phát biểu bài toán: S = s1s2s3 sn, trong đó si∈ {H,P} , 1≤ i ≤ n , là chuỗi biểu diễn một trình tự residue amino acid trong mô hình HP 2D,3D Hàm năng lượng cho các cấu trạng C : E(S) = ∑ e (si ,sj ) i . TOÁN TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC 3D PROTEIN Hướng dẫnkhoahọc: GS.TSKH HoàngKiếm Học viên : Bùi Thanh Hiếu 2 NỘI DUNG TRÌNH BÀY  BÀI TOÁN TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  CẤU TRÚC SINH HỌC CỦA PROTEIN  CÁC. AMINO ACID 5 9 CẤU TRÚC SINH HỌC PROTEIN  Cấu trúc bậc 1 (primary protein structure): là trình tự sắp xếp các amino acid trong chuỗi polypeptide.  Cấu trúc bậc 2 (secondary protein structure):. CÁC PHƯƠNG PHÁP TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC PROTEIN  MÔ HÌNH HP LATTICE  PHƯƠNG PHÁP ĐỀ CỬ  KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM  KẾT LUẬN 2 3 BÀI TOÁN TIÊN ĐOÁN CẤU TRÚC 3D PROTEIN  Cấutrúcxoắn3D củamyoglobin,