Rappresentazione dei Dati Biologici

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1 Rappresentazione dei Dati Biologici CORSO DI BIOINFORMATICA C.d.L. Ingegneria Informatica e Biomedica Outline Proteine ed Amminoacidi Rappresentazione di Amminoacidi Rappresentazione delle strutture Proteiche 1

2 Problema Cos è una proteina? Polimero biologico i cui monomeri sono gli amminoacidi (solo 20) Catena con il legame peptidico come giunzione portante Macromolecola dotata di orientazione (C- o N-) 2

3 Gli AA differiscono per: carica (+, -, neutri) polarita solubilita ingombro disponibilita a formare legami laterali Ogni amminoacido è codificato da tre basi nucleotidiche Sintesi Proteica Le proteine sono codificate nei genomi. Il processo che porta alla produzione delle proteine è chiamato sintesi proteica. 3

4 Codifica degli Amminoacidi Rappresentazione degli Amminoacidi (1/2) Esistono due Rappresentazioni Monoletterale (utilizzata in Swiss Prot) Triletterale (impiegata in PDB) 4

5 Esempio: Rappresentazione delle Proteine La rappresentazione informatica delle proteine è strettamente legata alla struttura che si intende investigare 5

6 Rappresentazione della Struttura Primaria La rappresentazione della struttura primaria è data dalla sequenza degli amminoacidi. Una proteina è quindi codificata come una stringa Il rapporto struttura-funzione le proteine assumono una struttura 3D a volte molto complessa le proteine esplicano la loro funzione biologica mediante contatti di superficie con le altre molecole la funzione biologica di una proteina e quindi determinata dalla sua struttura 3D 6

7 ma non e facile generalizzare... a volte piccole mutazioni su una proteina possono indurre catastrofici cambiamenti di struttura 3D proteine con funzione analoga possono anche avere strutture 3D diverse proteine con funzione diversa possono avere struttura 3D molto simile Un organizzazione locale: le strutture secondarie arrangiamenti locali della molecola vengono conservate piu della struttura 3D nelle denaturazioni risentono meno delle costrizioni globali alfa-elica, foglietti beta, random-coil 7

8 Motivi e Domini Motivo: breve successione di strutture II-arie Dominio: pattern di strutture secondarie, fortemente legato alla funzione biologica della proteina individuazione della funzione --> pattern recognition Rappresentazione delle strutture spaziali 8

9 Rappresentazione della struttura delle proteine La rappresentazione tridimensionale delle proteine è stato a lungo oggetto di discussione. Esiste oggi uno standard de facto introdotto in PDB Rappresentazione di PDB Ogni singolo atomo della proteina è individuato dalle sue coordinate cartesiane in riferimento ad un opportuno sistema. In questo modo ogni atomo è individuato da una terna di coefficienti. L assunzione, implicita nel modello, è che le proteine abbiano una struttura rigida. 9

10 Rappresentazioni Alternative Esistono anche altre rappresentazioni, ad esempio mediante gli angoli di torsione, che sono di ausilio in talune applicazioni. Esempio Analisi della proteina SERINE HYDROXYMETHYLTRANSFERASE 10

11 Visualizzazione dei Risultati Struttura Primaria 11

12 Tipo atomo Coordinata X Tag Coordinata Y n atomo Residuo Coordinata Z n residuo ATOM 1 N LEU A N ATOM 2 CA LEU A C ATOM 3 C LEU A C ATOM 4 O LEU A O ATOM 5 CB LEU A C ATOM 6 CG LEU A C ATOM 7 CD1 LEU A C ATOM 8 CD2 LEU A C ATOM 9 N LYS A N ATOM 10 CA LYS A C ATOM 11 C LYS A C ATOM 12 O LYS A O ATOM 13 CB LYS A C ATOM 14 N ARG A N ATOM 15 CA ARG A C PDB File(Estratto) ATOM 16 C ARG A C ATOM 17 O ARG A O ATOM 18 CB ARG A C ATOM 19 CG ARG A C ATOM 20 CD ARG A C ATOM 21 NE ARG A N ATOM 22 CZ ARG A C ATOM 23 NH1 ARG A N ATOM 24 NH2 ARG A N ATOM 25 N GLU A N ATOM 26 CA GLU A C ATOM 27 C GLU A C ATOM 28 O GLU A O ATOM 29 CB GLU A C ATOM 30 CG GLU A C ATOM 31 CD GLU A C ATOM 32 OE1 GLU A O ATOM 33 OE2 GLU A O 12

13 Struttura Secondaria I programmi per la visualizzazione delle strutture tridimensionali delle proteine interpretano i files PDB posizianando sfere di diametro adeguato nelle posizioni descritte dal files, posizionando i legami secondo i criteri imposti dal tipo di residuo (es. tutti i carboni alpha (CA) saranno legati insieme, ogni residuo avrà i suoi atomi legati tra loro ecc.). RasMol : per la visualizzazione e l osservazione delle proteine Deep View Swiss PDB Viewer: per una analisi dettagliata e per apportare modificazioni alla proteina 13

14 Conformazione Spaziale (Rasmol) 14