Fisica Computazionale applicata alle
Macromolecole
Struttura e funzione delle proteine 2
Pier Luigi Martelli
Università di Bologna
[email protected]
051 2094005
338 3991609
Classificazione strutturale:
Proteine globulari e di membrana
Outer Membrane proteins
(all b-Transmembrane proteins)
Inner Membrane proteins
(all a-Transmembrane proteins)
Classificazione strutturale: Domini
Porzione di struttura “strutturalmente indipendente”
Fattore XIII della coagulazione (1F13)
Dominio 2
Dominio 1
Dominio 3
Dominio 4
Classificazione strutturale: Domini
Porzione di struttura “strutturalmente indipendente”
Alcool deidrogenasi (2OHX)
Dominio 1
Dominio 2
N
C
Dominio 1 non contiguo un sequenza
Confronto tra strutture
Possiamo confrontare domini strutturali di diverse proteine?
Similarità strutturale tra Acetilcolinesterasi e Calmodulina
(Tsigelny et al, Prot Sci, 2000, 9:180)
Sovrapposizione e allineamento strutturale
A
D
c
E
d
a
B
b
C
Sovrapposizione strutturale
Allineamento strutturale
tra le sequenze
ABCDE-abcde
e
Misure di sovrapposizione
RMSD 
 d ( X , x)
N
2
Confronto tra strutture
CE
http://cl.sdsc.edu/ce.html
CE: Sovrapposizione strutturale
Rosso: 1KEV: Alcool deidrogenasi di Clostridium beijerinckii
Blu: 2OHX: Alcool deidrogenasi E di Cavallo
CE: Allineamento strutturale
Sovrapposizione a “grana grossa”: solo il backbone viene
considerato
Classificazioni gerarchiche
Possiamo classificare “tassonomicamente i domini” ?
CATH
http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath_new/index.html
C: Class Composizione in struttura secondaria
A: Architecture Forma complessiva, ignora connettività
della catena
T: Topology Si tiene in considerazione la connettività
H: Homologous Famiglie di omologia (famiglie derivanti
da un ancestore comune)
CATH
Stessa architettura, diversa topologia
Halorodospina: 1E12
Acquaporina: 1FQY
Classificazioni gerarchiche
La classificazione più affidabile NON è automatica
SCOP http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/
Quanti fold esistono?
Nuovi fold (azzurro) e vecchi fold (arancio) depositati ogni
anno
Quanti fold esistono?
Percentuale di fold unici sul totale delle strutture depositate
Predizione comparativa
E’ possibile invertire il procedimento?
Date due sequenze:
1) E’ possibile capire se hanno struttura simile?
2) Se hanno struttura simile, è possibile allinearle (senza
informazioni strutturali) in modo da riprodurre
l’allineamento strutturale?
Se sì, e se una delle due sequenze è a struttura risolta,
possiamo
predire
la
struttura
dell’altra
sequenza
SOVRAPPONENDO i residui secondo l’allineamento
Fold Recognition e Threading
Fold Recognition: è possibile capire se due proteine hanno
struttura simile?
>Protein XY
MSTLYEKLGGTTAVDLAV
DKFYERVLQDDRIKHFFA
DVDMAKQRAHQKAFLTYA
FGGTDKYDGRYMREAHKE
LVENHGLNGEHFDAVAED
LLATLKEMGVPEDLIAEV
AAVAGAPAHKRDVLNQ
?

Threading: se sì, è possibile allinearle in modo corretto?
Modelling comparativo (Omologia/Threading)
A
D
E
B
C
ABCDE-abcde
E per nuovi fold?
Predizioni ab initio
MNIFEMLRID
HLLTKSPSLN
DEAEKLFNQD
LDAVRRCALI
LQQKRWDEAA
TTFRTGTWDA
EGLRLKIYKD
AAKSELDKAI
VDAAVRGILR
NMVFQMGETG
VNLAKSRWYN
YKNL
TEGYYTIGIG
GRNCNGVITK
NAKLKPVYDS
VAGFTNSLRM
QTPNRAKRVI
Classificazione funzionale
Relativamente semplice per enzimi:
EC: http://us.expasy.org/enzyme/
Enzyme Classisication
Molto complicato in casi più generali
GeneOntology: http://www.geneontology.org/
Vengono adottati differenti criteri classificativi:
Molecular Function
Biological Process
Cellular Component
Alcune proteine possono esplicare più funzioni a seconda
delle condizioni cellulari (Moonlight proteins)
E’ possibile inferire la funzione dal fold?
Histidase [1B8F]
Aspartase [1JSW]
2-Crystallin [1AUW]
Avian eye lens protein
Dati: Torsten Schwede
Università di Basilea
E’ possibile inferire la funzione dal fold?
•I 5 fold più rappresentati (TIM-barrel, alpha-beta
hydrolase, Rossmann, P-loop containing NTP
hydrolase, ferredoxin fold), sono associabili a un
numero di funzioni differenti da 5 a 16
•Attenzione: NON significa che la struttura non
determina la funzione (“grana del confronto”)
E’ possibile inferire il fold dal funzione?
•Le due funzionipiù rappresentate (idrolasi e Oglicosil-glucosidasi) sono associate a 7 fold ognuna
NON ESISTE RELAZIONE
FUNZIONE E FOLD
BIUNIVOCA
TRA
Dati: Torsten Schwede
Università di Basilea
PREDIZIONE DI STRUTTURA e FUNZIONE DI
PROTEINE
Che fare?
Possibili risposte derivano da ipotesi sul come hanno
avuto origine le sequenze proteiche di ogni
organismo.
IDEE?