ΒΙΟΦΥΣΙΚΗ



ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ



ΜΕΛΕΤΕΣ ΔΟΜΗΣ ΒΙΟΜΑΚΡΟΜΟΡΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΜΟΡΙΑΚΩΝ ΓΡΑΦΙΚΩΝ





Νικόλαος Χ. Παπανδρέου & Σταύρος Ι. Χαμόδρακας



Τομέας Βιολογίας Κυττάρου & Βιοφυσικής

Τμήμα Βιολογίας

Παν/μιο Αθηνών



Φεβρουάριος 2002







ΓΕΝΙΚΑ

Η δομή στο χώρο ενός βιομορίου αποτελεί το βασικότερο παράγοντα για τον καθορισμό των χημικών του ιδιοτήτων και της λειτουργίας του. Έτσι κατά τη μελέτη των χημικών ιδιοτήτων βιολογικών μακρομορίων η αναπαράσταση της δομής τους στο χώρο είναι ιδιαίτερα σημαντική για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ των δομικών χαρακτηριστικών των μορίων και της λειτουργίας τους. Για το σκοπό αυτό κατά το παρελθόν χρησιμοποιούνταν διάφορων τύπων μοντέλα (σκελετικά, χωροπληρωτικά) κατασκευασμένα από μέταλλο, πλαστικό ή ξύλο δίνοντας μας μία άποψη της δομής των μορίων στο χώρο. Το βασικό τους μειονέκτημα βέβαια είναι ότι απαιτείται μεγάλο χρονικό διάστημα για την κατασκευή τους το οποίο γίνεται ακόμη μεγαλύτερο όταν πρόκειται να αναπαρασταθούν μεγαλομόρια όπως δομές πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων καθώς και το γεγονός ότι είναι πολύ ευαίσθητα στη χρήση τους.

Η χρήση μοριακών γραφικών με τη βοήθεια υπολογιστή έχει διευκολύνει σημαντικά τη διαδικασία αναπαράστασης δομών βιομορίων στο χώρο. Βέβαια είναι ιδιαίτερα δύσκολο να καταδειχθεί όλη η σημαντική δομική πληροφορία σε μια αναπαράσταση δύο διαστάσεων όπως συμβαίνει στην οθόνη του υπολογιστή. Καμία αναπαράσταση σε 2 διαστάσεις δεν είναι δυνατό να καταδείξει όλες τις λεπτομέρειες μιας πραγματικής τρισδιάστατης αναπαράστασης. Για αυτό το σκοπό έχουν αναπτυχθεί μια σειρά από τρόπους αναπαράστασης με καθένα από αυτούς να παρουσιάζει μια συγκεκριμένη άποψη του μορίου. Ανάλογα λοιπόν με τα χαρακτηριστικά της δομής που επιθυμεί ο χρήστης να μελετήσει μπορεί να επιλέξει και τον κατάλληλο τρόπο αναπαράστασης.

Μερικοί από τους τρόπους αναπαράστασης που μπορεί να επιλέξει ο χρήστης είναι:

1. Σκελετικό μοντέλο(wire-frame model).

2. Βall & stick model.

3. Χωροπληρωτικό μοντέλο (space-filling model).

4. Stick model.

5. Cartoons

6. Κορδέλες (Ribbons)

7. Επιφάνειες (Surfaces).

8. Εμφάνιση ιδιοτήτων επιφανειών (Επιφάνειες όπου απεικονίζεται το ηλεκτροστατικό δυναμικό κ.α.).

9. Κινούμενα σχέδια (Animation-Δυναμική διαδικασία).

Μέσω της χρήσης του υπολογιστή προσπαθείται να δημιουργηθεί μια εικόνα στην οθόνη κατά τέτοιο τρόπο ώστε να δίνει την εντύπωση τρισδιάστατης απεικόνισης των αντικείμενων. Αυτό επιτυγχάνεται με τις κατάλληλες εναλλαγές φωτισμού στα αντικείμενα δίνοντας την εντύπωση του βάθους, προσομειώνοντας τελικά τη στερεοσκοπική όραση.

Φυσικά, είναι δυνατόν με χρήση κατάλληλων "γυαλιών" και συσκευών συγχρονισμού οθόνης να παρατηρεί κανείς πολλές από αυτές τις αναπαραστάσεις με τρισδιάστατο πραγματικά τρόπο.

Στις μέρες μας έχουν αναπτυχθεί μια σειρά από προγράμματα μοριακών γραφικών που προσφέρουν πολλούς δυνατούς τρόπους αναπαράστασης ενώ ταυτόχρονα μπορούν να εκτελέσουν διαφόρων ειδών υπολογισμούς. Πολλά από αυτά έχουν εκδόσεις ώστε να εκτελούνται σε μια πληθώρα λειτουργικών συστημάτων όπως UNIX, MS-WINDOWS, MS-DOS.

Για την απεικόνιση των δομών στο χώρο τα προγράμματα αυτά συνήθως διαβάζουν αρχεία συντεταγμένων ατόμων υπό κατάλληλη μορφοποίηση. Ένας χαρακτηριστικός τύπος αρχείων συντεταγμένων είναι τα αρχεία PDB. Πρόκειται για ένα πρότυπο οργάνωσης πληροφορίας που πρωτοεφαρμόστηκε στην Protein Data Bank (www.rcsb.org), μια βάση δεδομένων όπου κατατίθενται οι δομές βιολογικών μακρομορίων προσδιορισμένες με περίθλαση ακτίνων-Χ και φασματοσκοπία ΝΜR.

Παρακάτω ακολουθεί μια συλλογή από προγράμματα που διατίθενται (ημι-)ελεύθερα μέσω του Διαδικτύου για ακαδημαϊκή χρήση.

PYMOL: http://pymol.sourceforge.net/*

GRASP: http://trantor.bioc.columbia.edu/grasp/

O: http://origo.imsb.au.dk/~mok/o/*

MOLSCRIPT: http://www.avatar.se/molscript/

RASMOL: http://www.umass.edu/microbio/rasmol/*

Swiss-PdbViewer: http://www.expasy.ch/spdbv/*

CHIME plug-in: http://www.mdlchime.com/chime/* (Πρόκειται για μια εφαρμογή η οποία αναπαριστά μοντέλα μέσω του φυλλομετρητή ιστού(web browser)).

* Τα παραπάνω προγράμματα έχουν εκδόσεις οι οποίες μπορούν να εκτελεστούν μέσα από το λειτουργικό σύστημα MS-Windows.

Με την επίσκεψη στις σελίδες των παραπάνω προγραμμάτων μπορείτε να πάρετε πληροφορίες για τις δυνατότητες τους, να βρείτε εγχειρίδια χρήσης καθώς και να "αποθηκεύσετε" στον υπολογιστή σας την εφαρμογή προκειμένου να παρατηρείτε τρισδιάστατες δομές βιομορίων.

ΠΡΑΚΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

Στο πρακτικό μέρος της άσκησης θα γίνει:

A. Επίδειξη και εξοικείωση με τα προγράμματα μοριακών γραφικών Ο1 και GRASP2 καθώς και των δυνατοτήτων που προσφέρει καθένα από αυτά.

Πιο αναλυτικά θα γίνει:

1. Φόρτωση αρχείων PDB με δομές πρωτεϊνων (Κονκαναβαλίνη Α, και Διϋδροφολική Αναγωγάση) και μικρών μορίων (Αναστολείς της δράσης της Διϋδροφολικής Αναγωγάσης) που έχουν προσδιοριστεί με περίθλαση ακτίνων-Χ στο εργαστήριο μας.

2. Παρατήρηση των δομών με διαφόρων ειδών αναπαραστάσεις

3. Παρατήρηση χαρτών ηλεκτρονικής πυκνότητας όπως προκύπτουν από τα πειραματικά δεδομένα της περίθλασης ακτίνων-Χ.

4. Αναπαράσταση του χάρτη του ηλεκτροστατικού δυναμικού στην επιφάνεια μιας πρωτεΐνης.

Β. Πρακτική εφαρμογή του προγράμματος WINPBM στους προσωπικούς υπολογιστές του εργαστηρίου μας. Πρόκειται για την εφαρμογή PBM3 (Personal Biomolecular Modeller) που είχε αναπτυχθεί στο εργαστήριο μας αρχικά για το λειτουργικό σύστημα MS-DOS και στη συνέχεια ξαναγράφτηκε και εμπλουτίστηκε με επιπλέον δυνατότητες ώστε να εκτελείται μέσα από το λειτουργικό σύστημα MS-WINDOWS.

Αναφορές

1. Jones, T. A; Zou, J-Y.; Cowan, S. W.; Kjeldgaard, M. Improved methods for building protein models in electron density maps and the location of errors in these models. Acta Cryst 1991, A47, 110-119.

2. Nicholls, A.; Sharp, K.; Honig, B. Protein folding and association: insights from the interfacial and thermodynamic properties of hydrocarbons. PROTEINS, Structure, Function and Genetics, 1991, 11(4), 281-296.

3. Perrakis, A.; Constantinides, C.; Athanasiades, A. and Hamodrakas, S. J. PBM: A software package to create, display and manipulate interactively models of small molecules and proteins on IBM-compatible, PCs Computer Applications in the Biosciences (CABIOS), 1995, 11(2), 141-145.