Занятие по теме "3D визуализация биологических молекул".

1. 15.12.2014г. Лицей 1568
3D визуализация биологических
молекул
 Структура и химические свойства белков и нуклеиновых кислот
 Программы визуализации биомолекул
 Визуализация ДНК-белкового комплекса
Ведущий преподаватель - Замараев Алексей Владимирович, ФФМ МГУ

3. Если размотать ДНК всех клеток вашего тела, то они растянутся
на расстояние в 16 миллиардов километров - это примерно
равно расстоянию от Земли до Плутона и обратно.

4. Нуклеотид

5. Водородные связи

6. В 1869 году Фридрих Мишер открыл ДНК.
Вначале новое вещество получило название
нуклеин, а позже, когда Мишер определил,
что это «вещество» обладает кислотными
свойствами, вещество получило название
нуклеиновая кислота
Структура двойной спирали ДНК была
предложена Френсисом Криком и
Джеймсом Уотсоном в 1953 году на
основании рентгеноструктурных данных,
полученных Морисом Уилкинсом и
Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа»
Работа отмечена
Нобелевской премией по
физиологии или медицине
1962 г

9. Белки́ — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из
альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью

14. Программы для визуализации
биомолекул
• Rasmol (http://rasmol.org/)
• Cn3D
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/CN3Dcn3dinstall.shtml)
• Swiss PDB Viewer
(http://spdbv.vital-it.ch/)
• PyMol
(http://www.pymol.org/)
• Jmol (web)

15. RasMol

16. Первые пространственные
структуры белков были получены
уже в 1950-1960 годах

17. http://www.rcsb.org/
Исходные данные для
визуализации — список
атомов с координатами
их центров (в некоторой
системе координат)

18. Открыть Data1crn.pdb
Модели:
Проволочная модель — ковалентные связи между атомами изображаются
линиями, соединяющими их центры. RasMol, как правило, определяет наличие
ковалентных связей по расстоянию между центрами атомов. (Каркас, Связи)
Каркас Связи
Команда: wireframe

19. Шарнирная модель — атомы изображаются шариками, а связи представлены
проволочной моделью.
Атомы и Связи
Команда: cpk and wireframe

20. Остовная модель — изображаются условные линии, соединяющие Cα-атомы
(Скелет).
Связи
Команда: backbone
Ca атом

21. Команды Rasmol
Левая кнопка мыши— вращение по оси Х, Y
Shift + правая кнопка мыши— вращение по оси Z
Правая кнопка мыши— перемещение по оси Х, Y
Shift + левая кнопка мыши— зум
y
x
z

22. select <множество> - выделяет множество
restrict <множество> - выделяет множество и стирает из графического окна всё
остальное
define <имя> <множество> - определяет имя множества
Как задавать множество
Все атомы цепи R:
*:R
Все атомы всех серинов всех белков
Ser*
Все Cα-атомы:
*.CA
Все атомы заданного остатка:
15:R
Все атомы диапазона остатков:
10-28:R
Один атом:
Ser15:R.OG — атом OG из серина 15 цепи R
Всё - all
Ничего (пустое множество) - none ("restrict none" очищает графическое окно)
Все атомы белка, ДНК - protein , DNA
Все атомы воды - water
Все остовные атомы (белка, ДНК ) - backbone

24. Логические операторы
Логическое "или" (объединение множеств) — запятая или "or"
15:A,17:A,19:A — все атомы трёх остатков
Логическое "и" (пересечение множеств) — "and"
ser and *A — все атомы всех серинов из цепи A
Логическое "не" (дополнение к множеству) — "not"
ser and not *A— все серины кроме серинов цепи А
15
17
19
or
Ser *A
and
Ser *A
and not

25. Что мы увидим
Примеры комбинаций операторов
Select protein or dna
Select protein and dna
Select not water
Select *:B and (*.CA,*.CB)
Select dna and not backbone
Select (leu,met,val,ile) and *:Z and backbone
Select not (protein,dna,water)

26. Цвета и подписи
Цвет любого множества задается командой color
После команды color может стоять:
• словесное обозначение цвета (red, green, white, black, cyan, redorange,
brown, grey)
• слово "cpk", означающее раскраску по типу атомов
• также возможна раскраска по "chain", "structure", "model”
*Изменение цвета фона - background <цвет>
Подпись атома:
Select <множество>
label ‘название’
автоматическая подпись всех атомов серина – label ser1
изменение размера шрифта - set fontsize <число>
Информация о структуре
show information - показывает статистику по молекуле
show sequence - показывает последовательности

27. Оператор "within"
within(4.0,dna)
множество всех атомов, расположенных ближе 4,0 Å от ДНК
(1 ангстрем = 1.0 × 10-10 метра)
ser and within(5.0,dna and backbone)
множество всех атомов серина, расположенных ближе 5 Å от остова ДНК
в 1 000 000 000 меньше!
= 1 Å10 -10 10 -1
м м

28. Открыть Data1crn.pdb
Команда: restrict none, select protein, backbone 50, restrict helix
Команда: restrict none, select protein, backbone 50, restrict sheet
Команда: show information
Альфа-спирали Бета-слои

29. Белок
ДНК
Изучение ДНК-белкового
взаимодействия

30. Взаимодействие глутамина 17 с кислородом
фосфогруппы аденина 5

32. Restrict none
Background white
Select dna and not backbone
Cpk 70
Wireframe 40
Color grey
Select dna and backbone
Cpk 70
Wireframe 40
Color brown
Show sequence
Select *R
Cpk 80
Wireframe 40
Color orange
Select within(5.0, dna and backbone) and *R
Color red
Находим аминоскилоту
Restrict dna
Select *R
Cartoon 40
Select gln17:R
Cpk 80
Wireframe 40
Color cpk
Находим нуклеотид
Select A5:A
Cpk 80
Wireframe 40
Color cpk
Select gln17:R.ne2
Label ‘GLN17.N’
Select a5:A.o1p
Label ‘A5.O’
distance
I II

33. Изображение в Pymol

36. O=O

37. Restrict none
Background white
Select *A or hem
Cpk 80
Wireframe 40
Color cpk
Выбираем ГЕМ
Restrict hem285
Select within(5.0, hem285) and *A
Cpk 80
Wireframe 40
Color cpk
Выбираем 2 Гистидина и находим №
Restrict hem285
Select *A
Cartoon 40
Color grey
Select 58:A or 87:A
Cpk 80
Wireframe 40
Color cpk
Select hem285.fe
Label ‘Fe’
Set picking monitor (*6)
Сначала лев. кн. мыши нажимаем на
Fe, потом на атом азота
4 азота в порфириновом кольце и 2
азота в альфа цепи
I II

38. Спасибо за внимание!