Visualizzazione Molecolare

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1 Laboratorio di Bioinformatica I Visualizzazione Molecolare Dott. Sergio Marin Vargas (2014 / 2015)

2 PDBsum Ricerca per codice PDB Ricerca testuale Ricerca per sequenza Ricerca per diversi databases

3 PDBsum Molta informazione su struttura secondaria, ligandi e interazioni con altre proteine PROCHECK: Ramachandran Plot Ligandi Proteine e catene all interno della struttura risolta (file PDB) Annotazione funzionale Gene Ontology (GO)

4 Ramachandran Plot Angolo diedro Carbonio Alfa Angolo diedro Phi Angolo diedro Psi Angolo diedro Omega Serve a verificare per ciascun aminoacido se la struttura risolta o modellata è concorde agli angoli Psi e Phi

5 Uppsala Ramachandran Server Codice PDB 5

6 Distanze di legame Legame a idrogeno: Å Interazioni di van der Waals: 3-4 Å Legame ionico (ponte salino): 2.8 Å Interazioni di stacking: 4 Å Interazioni di Stacking: circa 4 Å 6

7 Esercizio 1: UNIPROT-PDBsum La DNA-glicosilasi umana (una particolare liasi), è un enzima che catalizza la rottura di svariati legami chimici producendo un nuovo doppio legame o una nuova struttura aromatica. Ricercare in UNIPROT la DNAglicosilasi umana il cui gene è OGG1. Qual è il codice uniprot della proteina? Qual è il codice uniprot della proteina? Quanto è lunga la proteina? Quante strutture esistono di questa proteina? Qual è l entry PDB a maggiore risoluzione? Esistono strutture 3D della proteina intera? Visualizzare in PDBsum la struttura di 2XHI (ci sono link direttamente da UNIPROT?) Scaricare il file PDB di 2XHI e analizzarlo (usare il link diretto a PDB che c è in PDBsum). Ci sono atomi di idrogeno nella struttura? Perchè?

8 Esercizio 2: Ramachandran Plot Visualizzare l entry 1EBM in PDBsum Questa proteina contiene α-eliche? β-sheets? Loops? Quali elementi di ss sono più numerosi? Quanti domini ci sono? Cliccare sulla figura di Procheck per visualizzare il Ramachandran plot. Da questo grafico se può intuire se la proteina contiene α- eliche? β-sheets? Loops? E quali sono più numerosi? I residui di Gly (triangoli blu) sono distribuiti diversamente dagli altri aminoacidi (quadratini blu)? Perché? Un solo residuo è mostrato in rosso. Quale? In che elemento di ss è presente? Idee sul perchè?

9 Esercizio 2: Ramachandran Plot Acido Aspartico 174 posizionato nella regione gialla, una regione permessa ma non è quella comune per questo aminoacido! Glicine

10 Esercizio 3: PDB entry Visualizzare l entry 1EBM nel database PDB. - Quali macromolecole contiene la struttura? - Quante catene ha la struttura principale? Cosa rappresenta la catena A? - La proteina è mutata? Se si, Quale mutazione? - E una proteina intera? Mancano residui? Perchè? - Cliccare sul tab Sequence. Che informazioni troviamo?

11 Esercizio 4: PDB file Visualizzare l entry 1EBM nel database PDB ed scaricare il file PDB che descrive la proteina. Chi sono gli autori del lavoro strutturale? Si tratta di cristallografia a raggi X o di NMR? Qual è la risoluzione della struttura? Cosa si trova al REMARK 200? Hanno usato luce di sincrotrone per risolvere la struttura? Cosa si trova al REMARK 470? Cosa si tova nel campo SEQRES? Quante α-eliche e β-sheets ci sono? Trovare le coordinate del carbonio alfa di Asp174.

12 UCSF Chimera

13 PyMOL Un programma utilità per la visualizzazione di macro-molecole, il quale utilizza come input un file in formato PDB.

14 PyMOL Menu della proteina: (A)ction, (S)how, (H)ide, (L)abel, (C)olor Finestra menu Finestra principale

15 Esercizio 5: PyMOL introduzione Lanciamo PyMOL ed apriamo il file 1EBM.pdb precedentemente salvato. Prendiamo dimestichezza con il programma: Mostriamo la sequenza: Display sequence Usiamo il mouse per ruotare la molecola (tenere premuto il pulsante sx) e per lo zoom (tenere premuto il pulsante dx). Proviamo lo scroll: che fa? Cosa sono le crocette rosse? Riusciamo a nasconderle? Nascondiamo tutta la struttura cliccando a destra sul codice PDB, poi selezionamo le varie modalità di rappresentazione in S (Show As): lines, sticks, ribbon, spheres, surface, per rasconderle in H (Hide). Che differenza c è tra l una e l altra? Provare lines e colour Gray 60, poi scegliere by elements. Provare a colorare per catena e visualizzare come cartoon.

16 Esercizio 6: PyMOL selezione aa Aprire il file 1EBM mediante PyMOL: Nascondere tutto ciò che è visualizzato e scegliere show as cartoon poi colorare by secondary strucure. Quanti β-sheets ci sono? Quanti filamenti β contiene ciascun foglietto? Dal server Uppsala Ramachandran ( generare il plot di Ramachandran di questa proteina. Quanti outlier ci sono? Visualizzare la sequenza della proteina in PyMOL. Asp174 è un outlier nel plot di Ramachandran. Localizzare il residuo nella sequenza di PyMOL e cliccarlo. Esso viene selezionato nel panel a destra (scrita sele). Rinominare la selezione: Scegliere Actionrename selection poi digitare il nome: Asp174 Visualizzare l amino acido selezionato come sfere e colorarlo per elemento

17 Esercizio 7: PyMOL surface Aprire il file 1EBM mediante PyMOL: Rappresentare 1EBM come surface. Il residuo Asp174 si trova sulla superficie? Rappresentare 1EBM come struttura secondaria e colorarlo di rosso. Selezionare i residui di triptofano con il comando: select TRP, resn trp rappresentarli in stick e colorarli di giallo. I Trp sono prevalentemente esposti al solvente? Perchè? Rappresentare nuovamente 1EBM come surface e cambiare il setting della trasparenza dal menù in alto: SettingTransparencySurfare50% e visualizzare nuovamente i triptofani. Il residuo Trp47 è esposto al solvente? Da cosa lo capisco? Cosa succede con il Trp313? Salvare l image della proteina in formato PNG.

18 Esercizio 8: PyMOL interazione Scaricare e visualizzare la struttura corrispondente al PDB entry 1BRS. Di che struttura si tratta? Quante catene sono presenti? Si può dire che si tratta di un esamero? Perchè? Creare due nuovi oggetti corrispondenti alle catene A e D, mediante il comando select cat_a/d, chain A/D, poi sulle selezioni generate fare Acopy object e poi rinomimare i nuovi oggetti. Cancellare l oggetto 1BRS Adelete object. Quanti foglietti beta ci sono nella catena D? Identificare una coppia di residui dell interfaccia proteinaproteina che fanno un legame di stacking? Qual è la distanza (WizardMeasurement) più corta tra un qualsiasi atomo di His102 (cat.a) e un qualsiasi atomo di Tyr29 (cat. D)?

19 Esercizio 8: PyMOL interazione H102 (Cat A) Y29 (Cat D)

20 VMD

21 VMD Caricare molecole Finestra Menu Principale Rappresentazione grafica Finestra Display

22 VMD tutorial R modalità rotazione T modalità traslazione S modalità scala C Per centrare dove c è il mouse

23 Esercizio 9: VMD introduzione Scaricare la struttura del complesso transferrin receptor 1 e transferrin legato al ferro (codice PDB 3S9L). Quante catene ha la struttura? Quale catena appartiene a quale proteina? In GraphicsRepresentations, cliccando sulla selezione all, mettere Drawing Method a NewCartoon e Coloring Method a Chain. Selezionare solo la catena A mediante Create Rep poi scrivere chain A e con doppio click su all nascondere tutta la proteina. Quale colore corrisponde a quale catena? Analizzare il file PDB, a quale numero di residuo # corrisponde lo ione Ca++ e a quale catene è legato? In VMD evidenziare il Ca mediante Create Rep poi scrivere resid #, poi Drawing Method a VDW (van der walls) e Coloring Method a ColorID e poi scegliere giallo. Mettere a trasparenza le catene. Analizzando la struttura in PDBsum a quali aminoacidi è legato il Ca? L informazione riportata su PDBsum è veritiera? Cioè verificare nella struttura 3D che gli aminoacidi indicati siano negli intorni del Ca (Suggerimento: Drawing Method Licorice e Coloring Method Element poi etichettarli con Label ).

24 Esercizio 9: VMD introduzione

25 Esercizio 10: VMD distanze Con la stessa struttura del complesso transferrin receptor 1 e transferrin legato al ferro (3S9L) dell esercizio precedente. Individuare il numero di residuo corrispondente allo ione Fe++. A quale catene è legato? Analizzare la struttura in PDBsum a quali catene è legato il Fe? A quali amino acidi?. Caricare la struttura in VMD, colorare e visualizzare nel modo più conveniente, visualizzare solo una delle catene che legano il Fe e poi evidenziare il Fe. Trovare la distanza tra il Fe e il carbonio alfa di ciascuno degli aminoacidi con cui si lega. (Suggerimento: utilizzare MouseLabelBonds)

26 Esercizio 11: VMD surface Caricare in VMD la struttura dell emoglobina (PDB 2W6V). Controllare quante catene ci sono e a cosa corrisponde ogni catena, individuare il resid del gruppo EME (HEM). In GraphicsRepresentations eliminare le acque con not water. Creare nuove rappresentazioni una per ogni catena e colorare le catene A,B,C e D di Blu, Red, Gray e Orange rispettivamente utilizzando la trasparenza ed impostare Drawing method a QuickSurf. Per una visione più chiara dei gruppi EME nascondere completamente la struttura lines di tutta la proteina (all). Creare nuove rappresentazioni per I gruppi EME, impostare Drawing method a Licorice, colorare per elemento e materiale opaco. Misurare la distanza tra il Fe++ legato al gruppo EME della catena B con quello della catena C. Quanti Å ci sono?

27 Esercizio 12: VMD interazione Caricare in VMD la stessa struttura utilizzata nell esercizio 8 (PDB 1BRS). Visualizzare solo le catene A e D, visualizzarle come New Cartoon e colorarle come struttura secondaria. Utilizzando l estensione Extensions Analysis Sequence Viewer selezionare gli aminoacidi His102 della catena A e Tyr29 della catena D. Qual è la distanza tra il carbonio E1 di His102 e il carbonio E1 di Tyr29? Corrisponde alla distanza di un legame di stacking?

28 Esercizio 12: VMD interazione H102 (Cat A) Y29 (Cat D)