Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов

Рассмотрено упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов. Изучены преимущества использования карт контактов для предсказания пространственных структур белков и для их классификации. Проведен обзор и сравнительный анализ существующих методов предсказания карты конт...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Быць, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2009
Назва видання:	Компьютерная математика
Теми:	Экспертные системы, методы индуктивного вывода
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84554
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов / А.В . Быць // Компьютерная математика. — 2009. — № 2. — С. 116-123. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-84554
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-845542015-07-16T09:45:05Z Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов Быць, А.В. Экспертные системы, методы индуктивного вывода Рассмотрено упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов. Изучены преимущества использования карт контактов для предсказания пространственных структур белков и для их классификации. Проведен обзор и сравнительный анализ существующих методов предсказания карты контактов по известной аминокислотной последовательности белка и методов предсказания пространственной структуры белка по известной карте контактов последнего. Розглянуто спрощене представлення просторової структури білка у вигляді карти контактів. Вивчені переваги використання карт контактів для передбачення просторових структур білків та для їх класифікацїї. Проведено огляд і порівняльний аналіз існуючих методів передбачення карти контактів за відомою амінокислотною послідовністю білка та методів передбачення просторової структури білка за відомою картою контактів останнього. Contact map is considered which is the simplified representation of three-dimentional protein structure. The advantages of using contact maps for three-dimentional protein structure prediction and for protein classification are studied. The review and comparative analysis are made of existing methods for protein contact map prediction when the amino-acidic sequence is known and of methods for three-dimentional protein structure prediction when the protein contact map is known. 2009 Article Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов / А.В . Быць // Компьютерная математика. — 2009. — № 2. — С. 116-123. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. ХХХХ-0003 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84554 519.21 ru Компьютерная математика Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Экспертные системы, методы индуктивного вывода Экспертные системы, методы индуктивного вывода
spellingShingle	Экспертные системы, методы индуктивного вывода Экспертные системы, методы индуктивного вывода Быць, А.В. Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов Компьютерная математика
description	Рассмотрено упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов. Изучены преимущества использования карт контактов для предсказания пространственных структур белков и для их классификации. Проведен обзор и сравнительный анализ существующих методов предсказания карты контактов по известной аминокислотной последовательности белка и методов предсказания пространственной структуры белка по известной карте контактов последнего.
format	Article
author	Быць, А.В.
author_facet	Быць, А.В.
author_sort	Быць, А.В.
title	Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов
title_short	Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов
title_full	Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов
title_fullStr	Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов
title_full_unstemmed	Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов
title_sort	упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Экспертные системы, методы индуктивного вывода
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84554
citation_txt	Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов / А.В . Быць // Компьютерная математика. — 2009. — № 2. — С. 116-123. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Компьютерная математика
work_keys_str_mv	AT bycʹav uproŝennoepredstavlenieprostranstvennojstrukturybelkavvidekartykontaktov
first_indexed	2025-07-06T11:37:23Z
last_indexed	2025-07-06T11:37:23Z
_version_	1836897369755484160
fulltext	Рассмотрено упрощенное предста- вление пространственной струк- туры белка в виде карты кон- тактов. Изучены преимущества использования карт контактов для предсказания пространст- венных структур белков и для их классификации. Проведен обзор и сравнительный анализ существу- ющих методов предсказания кар- ты контактов по известной ами- нокислотной последовательности белка и методов предсказания пространственной структуры бел- ка по известной карте контактов последнего. © А.В. Быць, 2009 ÓÄÊ 519.21 À.Â. ÁÛÖÜ ÓÏÐÎÙÅÍÍÎÅ ÏÐÅÄÑÒÀÂËÅÍÈÅ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÅÍÍÎÉ ÑÒÐÓÊÒÓÐÛ ÁÅËÊÀ Â ÂÈÄÅ ÊÀÐÒÛ ÊÎÍÒÀÊÒÎÂ Введение. Молекула любого белка представ- ляет собой линейную последовательность аминокислот. Порядок их расположения в последовательности называется первичной структурой белка. Каждая встречающаяся в природе аминокислотная последовательность определенным образом располагается в трех- мерном пространстве. Только для небольшой части встречающихся в природе аминокис- лотных цепочек возможны несколько отлича- ющихся друг от друга пространственных рас- положений или отсутствие устойчивого прост- ранственного расположения. Участки разных белков могут иметь одинаковые пространственные расположе- ния. Так называемые вторичные структуры охватывают непрерывные отрезки аминокис- лотной последовательности и обладают сле- дующим свойством: если отрезок из не- скольких аминокислот образует вторичную структуру определенного типа, то располо- жение этих аминокислот относительно друг друга в пространстве зависит только от типа этой вторичной структуры и практически не зависит от самой аминокислотной последова- тельности. Наиболее распространенными ти- пами вторичных структур являются β-струк- туры и правозакрученные α-спирали. Они присутствуют в подавляющем большинстве белков. Остальные типы вторичных структур или встречаются в белках очень редко, или мало отличаются от двух вышеупомянутых. Пример пространственной конфигурации молекулы белка схематически показан на рис. 1, где 1 – α-спирали; 2 – параллельные тяжи β-структур; 3 – антипараллельные тя- жи β-структур. 116 Компьютерная математика. 2009, № 2 УПРОЩЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРOСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА В ВИДЕ КАРТЫ... РИС. 1. Пример пространственной конфигурации молекулы белка Способы представления пространственной структуры белка. Простран- ственная структура белка может описываться координатами всех его атомов в эвклидовом пространстве. Другое возможное описание – это матрица расстояний – симметричная матрица, содержащая попарные расстояния между всеми атомами. При построении матрицы расстояний для простоты могут браться попарные расстояния не между атомами, а между аминокислотами белка. Главные преимущества матрицы расстояний – ее независимость от расположения начала и осей координат, возможность ее применения, когда известна только часть данных. Задача восстановления координат атомов по матрице расстояний имеет решение за полиномиальное время. Карта контактов (или контактная карта) белка – это еще более упрощенное по сравнению с матрицей расстояний представление пространственной струк- туры, представляющее собой булеву симметричную матрицу С=[cij] размерно- стью , где n – количество аминокислот в белке; i, j = 1,2,…, n – порядковые номера аминокислот в первичной структуре белка. Элементы матрицы удовлетворяют условиям: c ×n n ij = 1, если расстояние между i-й и j-й амино- кислотами белка меньше некоторого порогового значения, и cij = 0 – в противном случае. Поскольку каждая аминокислота состоит из определенного количества атомов, расстояние между двумя аминокислотами может определяться как расстояние между какими-то атомами, принадлежащими этим аминокислотам, либо как расстояние между центрами масс аминокислот. Чаще всего для построения контактных карт используются следующие пороговые значения расстояний между двумя аминокислотами: расстояние между их Cα атомами с порогом 6–12 Å; расстояние между их Cβ атомами с порогом 6–12 Å (для аминокислоты глицина, в которой нет Cβ атома, в этом случае используется Cα атом, который есть в каждой аминокислоте; Cβ атомы есть во всех аминокислотах, кроме глицина); наименьшее расстояние между их любыми атомами (кроме атомов водо- рода) с порогом 4,5–6 Å. Компьютерная математика. 2009, № 2 117 http://en.wikipedia.org/wiki/%C3%85ngstr%C3%B6m А.В. БЫЦЬ На рис. 2 показан пример контактной карты белка. Контакты (элементы матрицы, равные единице) обозначены квадратами с точкой посредине. Для удобства на рис. 2 отображены элементы только одной из двух полностью симметричных половин матрицы, причем, только те, для которых \|i – j\| ≥ 4, где i, j – порядковые номера аминокислот в аминокислотной последо- вательности белка. В правой части рис. 2 схематически представлена соответ- ствующая этой контактной карте пространственная структура белка (α-спираль обозначена лентой, а β-тяжи – стрелками). РИС. 2. Пример контактной карты белка, состоящего из 61 аминокислоты Взаимное расположение контактов на контактной карте подчиняется следу- ющим правилам, причиной которых являются строгие геометрические законо- мерности строения вторичных структур: – контакты между аминокислотами одной α-спирали расположены на рас- стоянии, не большем 4 позиций от главной диагонали карты; – контакты между аминокислотами двух соседних тяжей антипараллельной β-структуры на карте занимают область толщиной в несколько позиций, вытя- нутую перпендикулярно главной диагонали карты; 118 Компьютерная математика. 2009, № 2 УПРОЩЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРOСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА В ВИДЕ КАРТЫ... – контакты между аминокислотами двух соседних тяжей параллельной β-структуры занимают область толщиной в несколько позиций, вытянутую па- раллельно главной диагонали карты (см. рис. 2). Для аминокислот i, i+1, i+2, j, j+1, j+2 из параллельной β-структуры, если C(i, j) = 1 и C (i + 2, j+2) = 1, то C(i, j+2) = 0 и C(i + 2, j) = 0; для аминокислот i, i + 1, i + 2, j, j + 1, j + 2 из антипараллельной β-структуры: если C(i, j + 2) = 1 и C(i + 2, j) = 1, то C(i, j) = 0 и C(i + 2, j + 2) = 0; для аминокислот i, i + 1, i + 2, i + 3, i + 4 из α-спирали, если C(i, i + 4) = 1, C(i, j) = 1, и C(i + 4, j) = 1, то C(i + 2, j) = 0 . Последние три правила проиллюстрированы на рис. 3, где схематически показаны контакты между некоторыми аминокислотами: а – антипараллельная β-структура; б – параллельная β-структура; в – α-спираль белка. а б в РИС. 3. Контакты между аминокислотами во вторичных структурах Контактные карты могут использоваться как промежуточное звено в процессе предсказания координат атомов белка в трехмерном пространстве. Целесооб- разность такого их применения связана с тем, что по известной аминокислотной последовательности контакты предсказываются проще, чем непосредственно координаты атомов белка в трехмерном пространстве. Эти координаты при опре- деленных условиях можно реконструировать по известной контактной карте [1]. Предсказание контактной карты по известной аминокислотной после- довательности белка. Существует много различных методов для предсказания контактной карты по известной аминокислотной последовательности белка. Их можно разделить на две взаимо не исключающие категории. К первой относятся статистические подходы, использующие метод коррелирущих мутаций. Они основаны на идее, что поддержание функций белка накладывает ограничения на эволюцию его аминокислотной последовательности, т.е. если мутации подверга- ется какая-то аминокислота, то вероятно, что и контактирующая с ней амино- кислота тоже мутирует, чтобы компенсировать произошедшие изменения хими- ческих свойств. Поэтому коррелирующие мутации, наблюдающиеся в похожих аминокислотных последовательностях, могут быть использованы как индика- торы возможного контакта аминокислот. Компьютерная математика. 2009, № 2 119 http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_contact_map#cite_note-Vassura2008-0 А.В. БЫЦЬ В методах предсказания контактных карт, относящихся ко второй группе, ис- пользуются методы машинного обучения, такие как нейронные сети [2, 3], скрытые Марковские модели, метод опорных векторов [4] и генетическое программирование. Могут использоваться также комбинации нескольких методов. В зависимости от подхода, используемого для предсказания карт контактов, точность предсказания может зависеть от качества автоматизированного сравни- тельного анализа аминокислотных последовательностей (так называемого множественного выравнивания последовательностей) и от точности предска- зания вторичных структур. Кроме того, она всегда связана с долей в белке аминокислот, входящих в β-листы: в β-белках, α+β-белках и α / β-белках контакты между тяжами одного β-листа предсказываются с большей точностью, чем контакты между α-спиралью и β-листом или между разными α-спиралями. Это наглядно демонстрируют данные из табл 1 [4]. В ней в первом столбце указаны классы согласно классификации SCOP [5], к которым относятся пространственные структуры белков. Во втором столбце указано количество белков каждого класса, для которых предсказывались контакты. В остальных столбцах приведена точность (отношение количества правильно предсказанных контактов к количеству всех предсказанных контактов) и «покрытие» (отношение количества правильно предсказанных контактов к количеству действительно существующих контактов) предсказаний контактов в случаях, когда учитываются только те пары, для которых соответственно \|i – j\| ≥ ≥ 6, \|i – j\| ≥ 12 и \|i – j\| ≥ 24, где i и j – порядковые номера аминокислот в амино- кислотной последовательности. ТАБЛИЦА. Точность предсказания контактов в белках из 6 классов белковых структур по классификации SCOP \|i – j\| ≥ 6 \|i – j\| ≥ 12 \|i – j\| ≥ 24 Название класса согласно SCOP Коли- чество белков Точ- ность Покры- тие Точ- ность Покры- тие Точ- ность Покры- тие alpha 11 0.24 0.24 0.17 0.18 0.11 0.09 beta 10 0.38 0.17 0.32 0.17 0.22 0.17 a + b 15 0.45 0.25 0.35 0.25 0.21 0.23 a / b 7 0.37 0.19 0.33 0.19 0.28 0.20 Малые 4 0.36 0.18 0.28 0.19 0.11 0.15 coil-coil 1 0.22 0.40 0.03 0.16 0.00 – Все 48 0.37 0.21 0.30 0.20 0.21 0.19 120 Компьютерная математика. 2009, № 2 УПРОЩЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРOСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА В ВИДЕ КАРТЫ... Однако контакты с участием аминокислоты, не входящей во вторичную структуру, контакты между двумя разными α-спиралями, между α-спиралью и β-структурой, между двумя разными β-структурами, не параллельными и не ан- типараллельными друг другу, как правило, предсказываются значительно хуже, чем контакты между аминокислотами одной вторичной структуры (рис. 4), где в верхнем правом треугольнике показаны истинные контакты белка 1DZOA, а в нижнем левом треугольнике – предсказанные контакты этого белка. Инте- ресно, что большинство неверно предсказанных контактов расположены побли- зости от настоящих контактов [6, 7]. РИС. 4. Карты предсказанных и истинных контактов Наибольшая точность предсказания контактов по известной аминоки- слотной последовательности составила 32 % [3]. Эта точность выше точности предсказания координат в трехмерном пространстве по известной амино- кислотной последовательности. Предсказание координат атомов белка по известной карте контактов. Общая задача вычисления координат атомов белка в трехмерном пространстве, совместимых с данной контактной картой, известна как задача о существовании графа дисков единичного радиуса. Доказано, что она NP-трудная. Однако было разработано несколько эмпирических методов (например [1, 8]) для предска- зания координат атомов белка по известной карте контактов. Для построенных по эмпирическим данным картам контактов (с пороговым расстоянием для контакта, 9 равным Å) координаты атомов белка могут быть восстановлены со средним квадратичным отклонением 1–2 Å. Однако по предсказанным картам контактов координаты атомов прогнозируются с неудовлетворительно высоким средним квадратичным отклонением более 3 Å. Компьютерная математика. 2009, № 2 121 А.В. БЫЦЬ Заключение. Благодаря относительной простоте алгоритмов предсказания карты контактов белка по известной аминокислотной последовательности и алгоритмов предсказания трехмерной структуры белка по известной карте контактов представляется перспективным использование карт контактов как промежуточного звена в процессе предсказания координат атомов белка в трехмерном пространстве по известной аминокислотной последовательности белка. Однако указанные алгоритмы требуют усовершенствования в связи с не- достаточной точностью предсказаний [3, 4, 9–12]. Кроме того, карты контактов как очень простое и наглядное описание пространственной структуры белка (по сравнению с описанием с помощью координат атомов в трехмерном пространстве) представляют большой интерес для эволюционной классификации белков и выявления эволюционного родства различных белков и их частей [12]. 1. Reconstruction of 3D Structures From Protein Contact Maps / M. Vassura, L. Margara, Di P Lena et al. // EEE / ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics. – 2008. – Iss. 5 (3). – P. 357–367. 2. Pollastri G., Baldi P. Prediction of contact maps by GIOHMMs and recurrent neural networks using lateral propagation from all four cardinal corners // Bioinformatics. – 2002. – 18. – P. 62–70. 3. Punta M., Rost B. PROFcon: novel prediction of long-range contacts // Bioinformatics. – 2005. – 21, N 13. – P. 2960–2968. 4. Cheng J., Baldi P. Improved residue contact prediction using support vector machines and a large feature set // BMC Bioinformatics. – 2007. – 8. – P. 1–9. 5. Murzin A. G., Brenner S. E., Hubbard T., Chothia C. SCOP: a structural classification of proteins database for the investigation of sequences and structures // J. Mol. Biol. – 1995. – Iss. 247. – P. 536–540 6. Vullo A., Walsh I., Pollastri G. A two-stage approach for improved prediction of residue contact maps // BMC Bioinformatics. – 2006. – 7. – P. 100–112. 7. Latek D., Kolinski A. Contact prediction in protein modeling: scoring, folding and refinement of coarse-grained models // BMC Struct Biol. – 2008. – 8. – P. 50–61. 8. Vendruscolo M, Domany E. Protein folding using contact maps // Vitam Horm. – 2000. – 58. – P.171–212. 9. Izarzugaza J.M., Graña O., Tress M.L., Valencia A., Clarke N.D. Assessment of intramolecular contact predictions for CASP7 // Proteins. – 2007. – 69. – P. 152–158. 10. CASP6 assessment of contact prediction / O. Graña, D. Baker, MacCallum R.M. et al. // Proteins. – 2005. – 61. – P. 214–224. 11. MacCallum R.M. Striped sheets and protein contact prediction // Bioinformatics. – 2004. – 20. – P. 1224–1231. 12. Bartoli L., Capriotti E., Fariselli P., Martelli P.L., Casadio R. The pros and cons of predicting protein contact maps // Methods Mol Biol. – 2008. – 413. – P. 199–217. 122 Компьютерная математика. 2009, № 2 УПРОЩЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРOСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА В ВИДЕ КАРТЫ... О.В. Биць СПРОЩЕНЕ ПОДАННЯ ПРОСТОРОВОЇ СТРУКТУРИ БІЛКА У ВИГЛЯДІ КАРТИ КОНТАКТІВ Розглянуто спрощене представлення просторової структури білка у вигляді карти контактів. Вивчені переваги використання карт контактів для передбачення просторових структур білків та для їх класифікацїї. Проведено огляд і порівняльний аналіз існуючих методів передбачення карти контактів за відомою амінокислотною послідовністю білка та методів передбачення просторової структури білка за відомою картою контактів останнього. O.V. Byts SIMPLIFIED REPRESENTATION OF A THREE-DIMENTIONAL PROTEIN STRUCTURE AS CONTACT MAPS Contact map is considered which is the simplified representation of three-dimentional protein structure. The advantages of using contact maps for three-dimentional protein structure prediction and for protein classification are studied. The review and comparative analysis are made of existing methods for protein contact map prediction when the amino-acidic sequence is known and of methods for three-dimentional protein structure prediction when the protein contact map is known. Получено 24.04.2009 Îá àâòîðå: Быць Алексей Викторович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины. baleks@i.com.ua Компьютерная математика. 2009, № 2 123 О.В. Биць

Упрощенное представление пространственной структуры белка в виде карты контактов

Репозитарії

Схожі ресурси