Visualizzazione Visualizzazione Molecolare

Laboratorio di
Bioinformatica I
Visualizzazione
Molecolare
Dott. Sergio Marin Vargas (2014 / 2015)
PDBsum
http://www.ebi.ac.uk/pdbsum/
Ricerca per
codice PDB
Ricerca
testuale
Ricerca per
sequenza
Ricerca per diversi
databases
PDBsum
http://www.ebi.ac.uk/pdbsum/
Molta informazione su
struttura secondaria,
ligandi e interazioni con
altre proteine
PROCHECK:
Ramachandran
Plot
Proteine e catene
all’interno della struttura
risolta (file PDB)
Ligandi
Annotazione funzionale
Gene Ontology (GO)
Ramachandran Plot
Angolo
diedro
Angolo
diedro Psi
Carbonio
Alfa
Angolo
diedro Phi
Angolo diedro
Omega
Serve a verificare per ciascun aminoacido se la struttura risolta o modellata è concorde agli angoli Psi e Phi
Uppsala Ramachandran Server
http://eds.bmc.uu.se/ramachan.html
Codice PDB
5
Distanze di legame
Legame a idrogeno: 2.5-3.5 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
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?
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?
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 αeliche? 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?
Esercizio 2: Ramachandran Plot
Acido Aspartico 174
posizionato nella
regione gialla, una
regione permessa
ma non è quella
comune per questo
aminoacido!
Glicine
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?
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.
UCSF Chimera
http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/
PyMOL
https://www.pymol.org/
http://pymolwiki.org/index.php/Main_Page
Un
programma
utilità
per
la
visualizzazione di
macro-molecole,
il quale utilizza
come input un file
in formato PDB.
PyMOL
Finestra
menu
Finestra
principale
Menu della proteina: (A)ction,
(S)how, (H)ide, (L)abel, (C)olor
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”.
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 (http://eds.bmc.uu.se/ramachan.html)
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 “Action rename
selection” poi digitare il nome: Asp174
• Visualizzare l’amino acido selezionato come “sfere” e
colorarlo per elemento
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”
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:
Setting Transparency Surfare 50% 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.
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 “A copy object” e poi rinomimare i
nuovi oggetti. Cancellare l’oggetto 1BRS “A delete 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 (Wizard Measurement) più corta tra
un qualsiasi atomo di His102 (cat.A) e un qualsiasi atomo
di Tyr29 (cat. D)?
Esercizio 8: PyMOL interazione
H102 (Cat A)
Y29 (Cat D)
VMD
http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
VMD
Caricare
molecole
http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
Finestra
Menu
Principale
Rappresentazione
grafica
Finestra
Display
VMD tutorial
http://www.ks.uiuc.edu/Training/Tutorials/vmd/tutorial-html/
R
T
S
C
modalità rotazione
modalità traslazione
modalità scala
Per centrare dove c’è il mouse
Esercizio 9: VMD introduzione
Scaricare la struttura del complesso transferrin receptor 1 e
transferrin legato al ferro (codice PDB 3S9L).
•
•
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•
•
•
Quante catene ha la struttura? Quale catena appartiene a quale proteina?
In “Graphics Representations”, 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”).
Esercizio 9: VMD introduzione
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 Mouse Label Bonds)
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 “Graphics Representations” 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 ?
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?
Esercizio 12: VMD interazione
H102
(Cat A)
Y29
(Cat D)