Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры

Рассмотрены преимущества использования карт Рамачандрана в основанных на методах минимизации энергии подходах к предсказанию структуры белков. Приведены результаты сравнительного анализа разных биофизических фильтров, используемых для сокращения времени компьютерных подсчетов путем исключения из рас...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Быць, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2010
Schriftenreihe:	Компьютерная математика
Schlagworte:	Математические модели в биологии и медицине
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84595
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры белков / А.В. Быць // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2010. — № 2. — С. 131-137. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84595
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-845952025-02-23T19:29:34Z Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры Використання карт Рамачандрана та бiофізичних фiльтрiв при передбаченнi просторової структури бiлкiв Use of Ramachandran plots and biophysical filters in protein threedimensional structure prediction Быць, А.В. Математические модели в биологии и медицине Рассмотрены преимущества использования карт Рамачандрана в основанных на методах минимизации энергии подходах к предсказанию структуры белков. Приведены результаты сравнительного анализа разных биофизических фильтров, используемых для сокращения времени компьютерных подсчетов путем исключения из рассмотрения тех вариантов белковых структур, которые несхожи со структурами существующих в природе белков. Вивчені можливості використання даних про заборонені значення двогранних кутів між хімічними зв’язками білкових молекул в основаних на методах мінімізації енергії підходах до передбачення структури білків при генеруванні просторового положення кожної амінокислоти амінокислотного ланцюга для зменшення кількості варіантів білкових структур, які треба генерувати та обчислювати їхню енергію. Досліджені переваги використання біофізичних фільтрів в основаних на методах мінімізації енергії підходах до передбачення структури білків. Наведено результати огляду і порівняльного аналізу різних біофізичних фільтрів, які використовуються для скорочення часу комп'ютерних підрахунків за рахунок виключення перед етапом обчислення енергії з розгляду тих варіантів білкових структур, які несхожі зі структурами існуючих у природі білків. The use of data about the prohibited values of dihedral angles between the chemical bonds in protein molecules in the energy minimization based approaches for the protein structure prediction is studied. These data are used when the conformation of each following amino acid in amino-acidic chain is generated to reduce the number of generated protein structure variants for which the energy is computed. The benefits are investigated for using biophysical filters in the methods based on energy minimization approaches to the prediction of protein structure. A review and comparative analysis are made of different biophysical filters that are used to reduce the computation time by deleting the energy calculation stage for those variants of the protein structures that are unlike to natural protein structures. 2010 Article Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры белков / А.В. Быць // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2010. — № 2. — С. 131-137. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. ХХХХ-0003 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84595 519.21 ru Компьютерная математика application/pdf 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	Математические модели в биологии и медицине Математические модели в биологии и медицине
spellingShingle	Математические модели в биологии и медицине Математические модели в биологии и медицине Быць, А.В. Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры Компьютерная математика
description	Рассмотрены преимущества использования карт Рамачандрана в основанных на методах минимизации энергии подходах к предсказанию структуры белков. Приведены результаты сравнительного анализа разных биофизических фильтров, используемых для сокращения времени компьютерных подсчетов путем исключения из рассмотрения тех вариантов белковых структур, которые несхожи со структурами существующих в природе белков.
format	Article
author	Быць, А.В.
author_facet	Быць, А.В.
author_sort	Быць, А.В.
title	Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры
title_short	Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры
title_full	Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры
title_fullStr	Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры
title_full_unstemmed	Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры
title_sort	использование карт рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Математические модели в биологии и медицине
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84595
citation_txt	Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры белков / А.В. Быць // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2010. — № 2. — С. 131-137. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Компьютерная математика
work_keys_str_mv	AT bycʹav ispolʹzovaniekartramačandranaibiofizičeskihfilʹtrovpripredskazaniiprostranstvennojstruktury AT bycʹav vikoristannâkartramačandranatabiofízičnihfilʹtrivpriperedbačenniprostorovoístrukturibilkiv AT bycʹav useoframachandranplotsandbiophysicalfiltersinproteinthreedimensionalstructureprediction
first_indexed	2025-11-24T16:23:19Z
last_indexed	2025-11-24T16:23:19Z
_version_	1849689531625766912
fulltext	Компьютерная математика. 2010, № 2 131 Ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè â áèîëîãèè è ìåäèöèíå Рассмотрены преимущества ис- пользования карт Рамачандрана в основанных на методах миними- зации энергии подходах к предска- занию структуры белков. Приве- дены результаты сравнительно- го анализа разных биофизических фильтров, используемых для со- кращения времени компьютер- ных подсчетов путем исключения из рассмотрения тех вариантов белковых структур, которые не- схожи со структурами сущест- вующих в природе белков.  А.В. Быць, 2010 ÓÄÊ 519.21 À.Â. ÁÛÖÜ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈÅ ÊÀÐÒ ÐÀÌÀ×ÀÍÄÐÀÍÀ È ÁÈÎÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÕ ÔÈËÜÒÐÎÂ ÏÐÈ ÏÐÅÄÑÊÀÇÀÍÈÈ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÅÍÍÎÉ ÑÒÐÓÊÒÓÐÛ ÁÅËÊÎÂ Введение. Молекула белка представляет собой линейную последовательность амино- кислот. Для подавляющего большинства встречающихся в живых организмах белков каждый белок может иметь одно опреде- ленное расположение своей аминокислотной цепочки в трехмерном пространстве. И толь- ко у относительно небольшой части встре- чающихся в живых организмах белков отсутствует устойчивая пространственная структура или возможны несколько вариан- тов пространственной структуры. Определение пространственной структуры белка в том случае, когда известна только линейная последовательность его аминокис- лот, – очень важная с практической и теоре- тической точек зрения задача, решение которой актуально для фармакологии, меди- цины и молекулярной биологии. Участки аминокислотных последова- тельностей разных белков могут иметь одинаковые пространственные расположе- ния. Некоторые непрерывные участки аминокислотных последовательностей обра- зуют так называемые вторичные структуры, характеризующиеся тем, что взаимное расположение входящих в них аминокислот определяется только типом этой вторичной структуры и практически не зависит от самой аминокислотной последовательности. Наиболее распространенными типами вто- ричных структур являются β-тяжи и право- закрученные α-спирали. Они присутствуют А. В. БЫЦЬ 132 Компьютерная математика. 2010, № 2 в подавляющем большинстве белков, а остальные типы вторичных структур или встречаются в белках очень редко, или мало отличаются от двух выше- упомянутых Пример пространственной конфигурации молекулы белка схематически показан на рис. 1. Цифрами отмечены вторичные структуры: 1 – правозакру- ченные α-спирали, 2 – параллельные β-тяжи, 3 – антипараллельные β-тяжи. РИС. 1 Поскольку пространственную структуру белка можно определить только дорогостоящими методами рентгеноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса, очень важным представляется развитие математических методов предсказания пространственной структуры белка по известной аминокислотной последовательности. Предсказание пространственной структуры белка методами минимизации энергии основано на гипотезе о том, что при естественном свернутом состоянии белка свободная энергия системы, состоящей из белка и окружающих его молекул, минимальна [1, 2]. Существует два различных подхода к оценке значения этой энергии для того или иного белка. Первый основывается на рассмотрении различных сил взаимодействия между атомами и молекулами, а второй – на уже имеющихся данных о пространственной структуре ранее исследованных белков. При предсказании пространственной структуры белков методами минимизации энергии для известной аминокислотной последовательности генерируют разные варианты ее пространственной структуры и проверяют для каждого из них значения свободной энергии. В рассматриваемый текущий вариант структуры вносят некоторые изменения, получая новый вариант пространственной структуры. Если для него значение функционала энергии меньше, чем у предыдущего варианта, то новый вариант становится текущим. Потом в текущий вариант структуры снова вносят некоторые изменения и т. д. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАРТ РАМАЧАНДРАНА И БИОФИЗИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ ... Компьютерная математика. 2010, № 2 133 Поскольку вычисление функционала энергии требует больших затрат машинного времени, то еще до этапа подсчета энергии желательно исключить из рассмотрения те варианты структуры, в которых нарушаются физические законы или которые имеют значительные отличия от известных простран- ственных структур природных белков. Эти варианты определяют по наличию запрещенных значений торсионных углов на картах Рамачандрана, а также с помощью так называемых биофизических фильтров. Двугранный (торсионный) угол. Для описания взаимного расположения атомов линейной четырехатомной молекулы или входящего в состав более сложной молекулы линейного четырехатомного фрагмента А–В–С–D используется такой геометрический параметр как двугранный (иначе – торси- онный) угол. Это угол между плоскостью, в которой лежит фрагмент А–В–С, и плоскостью, в которой лежит фрагмент В–С–D. На рис. 2, а двугранный угол обозначен ψ , а величины плоских углов трехатомных фрагментов А–В–С и В–С–D обозначены соответственно γ1 и γ2. Наиболее наглядно двугранный угол может быть изображен при рассмотрении А–В–С–D вдоль направления связи В–С. В этом случае двугранный угол будет виден как угол между связями А–В и С–D (рис. 2, б). а б РИС. 2 Двугранные углы межатомных связей белковой цепи. Линейная аминокислотная последовательность белка может быть представлена как прохо- дящая через все аминокислотные остатки этого белка линейная последова- тельность атомов, в которую из каждого аминокислотного остатка входят три атома: атом азота iN и два атома углерода α iC и iC , где i – номер амино- кислотного остатка в аминокислотной последовательности белка. На рис. 3 показан участок аминокислотной последовательности белка, в который полностью входит один аминокислотный остаток. Границы между аминокислотными остатками обозначены пунктирными линиями. Торсионный угол φi определяется четырехатомным фрагментом Ci-1–Ni–Ci α–Ci, угол ψi – фрагментом Ni–Ci α–Ci–Ni+l, а угол ωi – последовательностью Ci α–Ci–Ni+1–Ci+1 α. При этом угол ωi обычно принимает значения только близкие к 0° или 180° (это связано с тем, что химическая связь Ci–Ni+1 является частично двойной), причем в большинстве случаев углы ωi близки к 180°. А. В. БЫЦЬ 134 Компьютерная математика. 2010, № 2 РИС. 3 Использование данных о запрещенных двугранных углах при предска- зании структуры белков методами минимизации энергии. С помощью кван- тово-химических расчетов с учетом известных ограничений на расстояния между атомами могут быть определены допустимые и запрещенные области значений двугранных углов ϕ i и ψi аминокислот [3]. С другой стороны, экспериментально, методами рентгеноструктурного анализа или ядерного маг- нитного резонанса белков, могут быть получены частоты встречаемости значе- ний углов ϕ i и ψi в каждом виде аминокислот существующих в природе белков, а также в том или ином типе вторичной структуры [4]. Карты Рамачандрана, называемые также графиками или диаграммами Рамачандрана, конформационными картами, /ϕ ψ -картами, представляют собой способ визуализации разрешенных и запрещенных значений двугранных углов ϕ i и ψi аминокислот. На рис. 4 показана полученная с помощью квантово- химических расчетов карта Рамачандрана для всех аминокислот (кроме гли- цина), на которой белым показаны запрещенные значения углов, темным – разрешенные, а полутемным – разрешенные при принятии менее жестких огра- ничений на допустимые расстояния между атомами. На оси абсцисс показаны углы ϕ i, на оси ординат – ψi. При использовании методов минимизации энергии на этапе генерации вариантов пространственной структуры в каждой аминокислоте генерируются только разрешенные значения торсионных углов ϕ i и ψi. Варианты структуры, имеющие запрещенные торсионные углы, не генерируются. Такое применение данных о разрешенных и запрещенных значениях двугранных углов ϕ i и ψi аминокислот эффективно уменьшает количество вариантов белковых структур, для которых нужно вычислять свободную энергию. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАРТ РАМАЧАНДРАНА И БИОФИЗИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ ... Компьютерная математика. 2010, № 2 135 РИС. 4 Биофизические фильтры. После генерации каждого варианта простран- ственной структуры он может быть проверен так называемыми биофизическими фильтрами, с помощью которых у проверяемого варианта можно обнаружить несвойственные существующим в природе белковым структурам черты. Если такие черты найдены, то данный вариант структуры исключается из дальней- шего рассмотрения, и подсчет значения свободной энергии для него не осуществляется. Применяются различные биофизические фильтры, в частности: – фильтр по длине протяженности (Persistence length filter); – фильтр по радиусу инерции (Radius of gyration filter); – фильтр по пропорции гидрофобности (Hydrophobicity ratio filter); – фильтр по упакованной фракции (Packing fraction filter). Эти, а также другие используемые биофизические фильтры основаны на различных физических и геометрических характеристиках белковых структур. По сравнению с другими биофизическими фильтрами наиболее эффектив- ными в выявлении структур, непохожих на природные, оказались фильтры по длине протяженности и по радиусу инерции [5, 6, 8]. Причем наиболее эффек- тивным для всех белков, кроме малых, оказалось использование сначала филь- тра по длине протяженности, а затем фильтра по радиусу инерции [7]. Длина протяженности – это максимальная длина по прямой линии между участками непрерывной аминокислотной цепи. Для глобулярного белка ее зна- чения варьируют от 15 до 60 Å со средним значением около 40 Å [5]. Этот интервал используется как порог, чтобы выделить конформации, не схожие с природными. Радиус инерции белка определяется как среднее квадратичное расстояний между каждым атомом белка и общим центром масс всех атомов. Радиус инер- ции глобулярного белка пропорционален 5/3n (где n – количество аминокислот) и для природных белковых структур должен удовлетворять следующему равенству: А. В. БЫЦЬ 136 Компьютерная математика. 2010, № 2 3/5 gR n= α + β , где α = 0.359, а значения β находятся в промежутке от 4,257 до 11,257 [5, 7]. Применение биофизических фильтров в основанных на методах миними- зации энергии подходах к предсказанию структуры белков позволяет значи- тельно сократить время компьютерных расчетов благодаря уменьшению количе- ства вариантов белковых структур, для которых нужно вычислять свободную энергию [7]. Заключение. Использование карт Рамачандрана в основанных на методах минимизации энергии подходах к предсказанию структуры белков при генери- ровании конформации каждой следующей аминокислоты аминокислотной цепи эффективно уменьшает количество вариантов белковых структур, которые нужно рассматривать и для которых нужно вычислять функционал энергии. Применение биофизических фильтров в основанных на методах минимизации энергии подходах к предвидению структуры белков дает большие преимущества из-за сокращения времени компьютерных подсчетов. Биофизические фильтры по длине протяженности и по радиусу инерции показывают наибольшую эффективность при отбраковке сгенерированных белковых структур, несхожих с существующими в природе белковыми пространственными структурами, на этапе, предшествующем вычислению энергии сгенерированной белковой структуры. О.В. Биць ВИКОРИСТАННЯ КАРТ РАМАЧАНДРАНА ТА БIОФІЗИЧНИХ ФIЛЬТРIВ ПРИ ПЕРЕДБАЧЕННI ПРОСТОРОВОЇ СТРУКТУРИ БIЛКIВ Вивчені можливості використання даних про заборонені значення двогранних кутів між хімічними зв’язками білкових молекул в основаних на методах мінімізації енергії підходах до передбачення структури білків при генеруванні просторового положення кожної амінокислоти амінокислотного ланцюга для зменшення кількості варіантів білкових структур, які треба генерувати та обчислювати їхню енергію. Досліджені переваги використання біофізичних фільтрів в основаних на методах мінімізації енергії підходах до передбачення структури білків. Наведено результати огляду і порівняльного аналізу різних біофізичних фільтрів, які використовуються для скорочення часу комп'ютерних підрахунків за рахунок виключення перед етапом обчислення енергії з розгляду тих варіантів білкових структур, які несхожі зі структурами існуючих у природі білків. O.V. Byts USE OF RAMACHANDRAN PLOTS AND BIOPHYSICAL FILTERS IN PROTEIN THREE- DIMENSIONAL STRUCTURE PREDICTION The use of data about the prohibited values of dihedral angles between the chemical bonds in protein molecules in the energy minimization based approaches for the protein structure prediction is studied. These data are used when the conformation of each following amino acid in amino-acidic chain is generated to reduce the number of generated protein structure variants for which the energy is computed. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАРТ РАМАЧАНДРАНА И БИОФИЗИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ ... Компьютерная математика. 2010, № 2 137 The benefits are investigated for using biophysical filters in the methods based on energy minimization approaches to the prediction of protein structure. A review and comparative analysis are made of different biophysical filters that are used to reduce the computation time by deleting the energy calculation stage for those variants of the protein structures that are unlike to natural protein structures. 1. Cергиенко И.В., Рязанов В.В., Белецкий Б.А., Быць А.В., Гупал А.М., Ржепецкий С.С. Методы предсказания пространственной структуры белков // Кибернетика и системный анализ. – 2010. – № 1. – С. 38–59. 2. Boas F., Harbury P. Potential energy functions for protein design // Current Opinion in Structural Biology. – 2007. –17, N 2. – P. 199 – 204. 3. Ramachandran G.N. and Sasiskharan V. Conformation of polypeptides and proteins. // Adv. Protein Chem. – 1968. – 23. – Р. 283–437. 4. Szabadka, Z. Ordog, R. Grolmusz, V. The Ramachandran Map of More Than 6,500 Perfect Polypeptide Chains // Biophysical Reviews and Letters. – 2007. – 2, N 3–4. – Р. 267–272. 5. Madhu Smita, Singh H., Mitra A. Real Valued Genetic Algorithm Based Approach for Protein Structure Prediction - Role of Biophysical Filters for Reduction of Conformational Search Space // Third IAPR Intern. Conf. on Pattern Recognition in Bioinformatics PRIB, October 15 – 17 2008, Novotel St Kilda. – Melbourne, Australia, 2008. http://web2py.iii.as.in/publication/default/download/inproceedings.pdf.92ed272a-5c15-40b0- bcdd-2c1833c7528a.pdf 6. Bhageerath: an energy based web enabled computer software suite for limiting the search space of tertiary structures of small globular proteins / B. Jayaram, K. Bhushan, SR. Shenoy et al. // Nucleic Acids Res. – 2006. – 34, N 21. – Р. 6195–6204. 7. Narang P., Bhushan K., Bose S., Jayaram B. A computational pathway for bracketing native-like structures for small alpha helical globular proteins // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2005. –N 7. – Р. 2364–2375. 8. Madhusmita S., Singh H., Karlapalem K., Mitra A. A real valued Genetic Algorithm for genera- ting native like structure of small globular protein // Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. – 2008. – P. 1359–62. Получено 28.04.2010 Îá àâòîðå: Быць Алексей Викторович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины. baleks@i.com.ua

Использование карт Рамачандрана и биофизических фильтров при предсказании пространственной структуры

Institution

Ähnliche Einträge