Фонд оценочных средств по дисциплине «Базы данных и основные методы биоинформатики» (стр. 4 )

Итак, 1 этап – экспериментальный. Он предусматривает непосредственный анализ белковых и нуклеиновых молекул. Пока преобладает рентгеноструктурный анализ, сейчас его хорошо дополняют ЯМР и атомно-силовой микроскоп.

Второй этап – вычисление и моделирование. В идеале должны получиться инвариантные последовательности мономеров, из которых сложен полимер и его «крупные блоки», составляющие основу пространственной структуры.

Третий этап - применение программ визуализации для построения окончательной 3D-модели. Второй и третий этапы относятся к исключительной компетенции биоинформатики.

Основные программы для работы с 3D-структурами:

- RasMol – визуализация, подготовка изображений и простейший анализ;

- PyMol – визуализация, качественная подготовка изображений, включает больше возможностей для анализа;

- SwissPDBBriewer или DeepView – могут производить анализ и сравнение структур, визуализация уступает двум предыдущим.

Из приведенных программ RasMol может быть отнесена к средствам выбора, поскольку в ней оптимально сочетаются достаточно хорошая визуализация с широким спектром средств анализа, несложен для освоения, обладает хорошей внутренней логикой. Последняя версия программы 2.7.5 доступна на сайте http://www.openRasMol.org

Визуализация молекулы белка.

Можно выбрать одну из трех конфигураций (точнее четырёх, с учетом наложения).

В проволочной модели ковалентные связи между атомами изображаются линиями, соединяющими их центры. При использовании шариковой модели атомы изображаются шариками, по умолчанию радиусы пропорциональны радиусам Ван-дер-Ваальса. Остовная модель предусматривает изображение только условных линий, соединяющих центры С1-атомов аминокислот.

Работа в системе RasMol идет параллельно в двух окнах – графическом и командном. В каждый момент имеется некоторое выделенное множество атомов. Все действия программа производит исключительно с этим множеством. Каждому действию соответствует команда, набираемая в командном окне.

Наиболее употребительные команды:

- backborne <число> – остовная модель;

- wireframe <число> – проволочная модель;

- spacefill <число> – шариковая модель;

- ribbons <число> – ленточная модель;

- color <цвет> – словами (например, red) или в RGB-формате [255, 0, 0];

- background <цвет> – цвет фона.

Для визуализации необходимо научиться выделять необходимые атомы. Для этого используется определенный синтаксис. Например:

ser – будут выделены все атомы всех серинов в молекуле;

ser : A – все атомы всех серинов цепи А;

ser 70 : A. CA – только Cα атом серина, 70-й в цепи А;

ser 70 : A. C? – все атомы углерода в серине 70;

*.CA – все Cα атомы в цепи А.

Существуют сочетания, которые однозначно воспринимаются программой наиболее употребительные выделения: C, H, N, O, S, P, water, iron, protein, dna, rna, all и ряд других.

После того, как множество атомов выделено, используются команды обращения к этому множеству.

select <множество> – выделить, оставив в графическом окне все без изменений;

restrict <множество> – выделить и стереть остальные атомы из графического окна;

define <множество> – создать имя выделенному множеству, с которым можно работать впоследствии, вызывая по этому имени.

Для работы с множествами выбранных атомов используются логические операторы AND, OR, NOT, а также WITHIN. При этом запятая (,) синонимична оператору OR. То есть: select protein or dna = select protein, dna.

Для создания и стирания подписей используются команды label и label off. По умолчанию, далее информация задается в режиме %n%r.%c.%a, где поочередно зад имя остатка (n), номер остатка (r), идентификатор цепи (c) и имя атома (а). Аналогичным образом используется оператор backbone для работы с копиями записей. Также полезными могут оказаться следующие команды работы в RasMol с файлами:

- zap – начать все заново;

- load <filename> – загрузить файл с координатами атомов;

- save <filename> – сохранить список выделенных атомов в .pdb;

- whrite <filename> – сохранить картинку в формате .gif;

- whrite script <filename> – создать скрипт-файл (не очень удобен);

- script <filename> – вводить команды из текстового режима.

Впрочем, лучшие подсказки содержатся непосредственно в самой программе RasMol. Активнее используйте User’s Manual!

Задание 3. Загрузите в RasMol информацию об аминокислотной последовательности интерлейкина-1 альфа человека. Попробуйте построить модели с различной графической интерпретацией молекулы. Сохраните их. Затем откройте PDB и посмотрите для сравнения, модели, представленные в этом банке данных. Прокомментируйте результаты.

Задание 4. С помощью ББД GenBank http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ GenBank/index.html) и Protein Data Bank (http://www. rcsb. org/pdb/), осуществите поиск нуклеотидной последовательности изоцитрат-дегидрогеназы (isocitrate dehydrogenase). Найдите и сохраните научные статьи, относящиеся к этому ферменту. Получите файл, описывающий 3D структуру белка. Просмотрите третичную структуру белка с использованием 3D-браузера, сохраните изображение у себя в протоколе в виде проволочной модели.

3.2.7. – Инструменты для анализа биологической информации ((ОПК-8 У.1, В.1))

Задание 1. Выберите себе белок из следующего списка (в скобках – имя соответствующего гена): collagen alpha-1 (I) chain (COL1A1), collagen alpha-2 (I) chain (COL1A2), collagen alpha-1 (II) chain (COL2A1), collagen alpha-1 (III) chain (COL3A1), collagen alpha-1 (V) chain (COL5A1), collagen alpha-3 (VI) chain (COL6A3), collagen alpha-1 (IX) chain (COL9A1), collagen alpha-1 (XI) chain (COL11A1), collagen alpha-1 (VII) chain (COL7A1). Выполните поиск выбранного белка по базе данных UniProt, выберите два родственных организма, где встречается выбранный Вами белок (например, мышь и крыса) и откройте описание белков. Просмотрите информацию, представленную в БД. Сохраните её – она понадобится для составления отчета. Найдите сведения о последовательности аминокислот и экспортируйте их в формат FASTA. Используя NCBI BLAST сравните последовательности аминокислот Вашего белка для выбранных Вами организмов (подсказка: для парного выравнивания двух последовательностей следует использовать blastp). Просмотрите отчёт BLAST. Создайте файл отчета в удобном для Вас формате. В отчёте должны быть следующие сведения: наименование белка, имя кодирующего гена, краткие сведения о белке и (самое важное!) описание результатов работы BLAST – что Вы увидели.

Задание 2. В базе данных нуклеотидных последовательностей содержится два варианта транскрипции mРНК гена трансформирующего фактора роста бета 2 (TGFB2). Найдите их и сравните между собой с помощью NCBI BLAST. Опишите различия цепочек нуклеотидов. Посчитайте в автоматическом режиме, сколько раз в аминокислотной каждой из этих двух последовательности TGFB2, выделенного из организма человека, встречается фенилаланин, лейцин, глицин, аланин, изолейцин.

Задание 3. Используя известные Вам базы данных, найдите белок, максимально гомологичный белку лубрицину (lubricin), выделенному из синовиальной жидкости человека. Объясните, почему Вы считаете его таковым.

Задание 4. Перед Вами работа по полной аннотации белка, выполненная одним из студентов. Преподаватель удалил часть информации из отчетного файла. С использованием изученных ресурсов восстановите отчет.

Белок BCCP_ECOLI (полное его название - <удалено> или <удалено> в ацетилКоАкарбоксилазе) синтезируется в организме <удалено>, виде из порядка <удалено>, класса гамма-протеобактерий, типа протеобактерий, царства бактерий. Он кодируется геном <удалено>.

Белок состоит из одной аминокислотной цепи, содержащей <удалено> аминокислот. Вот его последовательность в <удалено> (т. е. в формате записи, где встречаются только однобуквенные обозначения аминокислот в соответствующем порядке): <удалено>

Зная последовательность белка, а также массу каждого из аминокислотных остатков, можно посчитать молекулярную массу всего белка: она равна <удалено> кД.

Вторичная структура белка состоит из <удалено>, альфа-спирали не встречаются.

Белок связывается с лигандом <удалено>. Его третичная структура, построенная при помощи программы RasMol, представлена на рисунке (в цепи белка желтыми стрелками отмечены <удалено>, синим цветом отмечены <удалено>, а лиганд <удалено> отмечен зеленым цветом): <удалено>.

Белок содержит один <удалено>-связывающий домен, располагающийся на участке с <удалено> по <удалено> аминокислоту в последовательности белка. Связывание белка с <удалено> происходит по <удалено> аминокислоте, так что мутация в этом сайте может привести к нарушению функции белка.

В бактерии белок является компонентом ацетилКоэнзима А в комплексе карбоксилазы; сначала биотинкарбоксилаза катализирует карбоксилизацию белка-носителя, затем транскарбоксилаза переносит карбоксильную группу, чтобы сформировать малонилКоА. Таким образом, BCCP_ECOLI катализирует синтез малонилаКоА, первого посредника в синтезе жирных кислот.

Подробные данные об этом белке можно найти в различных базах данных: запись в базе UniProt <удалена активная ссылка>, она же в тесктовом виде <удалена активная ссылка> (в ней он числится под идентификационным номером BCCP_ECOLI, под несколькими кодами доступа (наиболее распространенный – P0ABD8)), запись в PDB <удалена активная ссылка> (запись 1bdo).