Model HP: Różnice pomiędzy wersjami
Nie podano opisu zmian |
Nie podano opisu zmian |
||
| Linia 50: | Linia 50: | ||
Interakcje pomiędzy aminokwasami hydrofobowymi odzwierciedlają ich tendencję do kierowania się do wewnątrz białka i tym samym unikania kontaktu z wodą. Należy podkreślić, że model HP uwydatnia jeden aspekt procesu zwijania białek (efekt hydrofobowy), ignoruje natomiast oddziaływania lokalne występujące w rzeczywistym białku - "sztywność" łańcucha (objawiająca się niedozwolonymi wartościami kątów φ-ψ na wykresie Ramachandrana) oraz wiązania wodorowe (istotne w α-helisach i β-kartkach). Proste modele, jak model HP, skłaniają do zadawania pytań: ''Które z własności białek udaje się odtworzyć pomimo poczynionych przybliżeń?'' | Interakcje pomiędzy aminokwasami hydrofobowymi odzwierciedlają ich tendencję do kierowania się do wewnątrz białka i tym samym unikania kontaktu z wodą. Należy podkreślić, że model HP uwydatnia jeden aspekt procesu zwijania białek (efekt hydrofobowy), ignoruje natomiast oddziaływania lokalne występujące w rzeczywistym białku - "sztywność" łańcucha (objawiająca się niedozwolonymi wartościami kątów φ-ψ na wykresie Ramachandrana) oraz wiązania wodorowe (istotne w α-helisach i β-kartkach). Proste modele, jak model HP, skłaniają do zadawania pytań: ''Które z własności białek udaje się odtworzyć pomimo poczynionych przybliżeń?'' | ||
== | == Średnia po zespole == | ||
Niech ''A'' będzie pewną własnością fizyczną badanego układu. Przyjmujemy, że własność ''A'' objawia się jako średnia po próbce pewnej przestrzeni mikrostanów, tzn.: | Niech ''A'' będzie pewną własnością fizyczną badanego układu. Mikrostan układu oznaczymy przez <math> \mathbf x = (x_1, \ldots , x_n) </math>, gdzie ''n'' jest liczbą stopni swobody. Przyjmujemy, że własność ''A'' objawia się jako średnia po próbce pewnej przestrzeni mikrostanów, tzn.: | ||
: <math> \langle A \rangle = Z^{-1} \int_{\Omega}{A( \mathbf x ) f( \mathcal{H( \mathbf x ) | : <math> \langle A \rangle = Z^{-1} \int_{\Omega}{A( \mathbf x ) f( \mathcal{H}( \mathbf x ) ) d \mathbf x} </math> | ||
gdzie <math>\Omega </math> jest przestrzenią dostępnych stanów układu (nazywana również w szerszym kontekście: przestrzenią fazową). | gdzie ''f'' jest funkcją rozkładu gęstości prawdopodobieństwa, <math>\Omega </math> jest przestrzenią dostępnych stanów układu (nazywana również w szerszym kontekście: przestrzenią fazową), zaś: | ||
: <math> Z = \int_{\Omega} f( \mathcal{H} ( \mathbf x ) ) d \mathbf x </math> | |||
to '''sumą statystyczna''' nazywana również '''funkcją podziału'''. Rozkład ''f'' określa odpowiedni zespół statytyczny (mikrokanoniczny, kanoniczny,...). | |||
W przypadku modelu HP liczba mikrostanów układu jest skończona (ozn. ''N''), zatem średnią wartość ''A'' wyraża się w postaci sumy po dostępnych mikrostanach układu: | |||
: <math> \langle A \rangle = \sum_{i=1}^{N} A_i \cdot p_i </math> | |||
gdzie <math> p_i </math> jest prawdopodobieństwem uzyskania przez układ ''i''-tego mikrostanu. | |||
== Linki zewnętrzne == | == Linki zewnętrzne == | ||
| Linia 60: | Linia 66: | ||
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Stochastic_process Proces stochastyczny w Wikipedii] | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Stochastic_process Proces stochastyczny w Wikipedii] | ||
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Markov_Chain Łańcuch Markowa w Wikipedii] | * [http://en.wikipedia.org/wiki/Markov_Chain Łańcuch Markowa w Wikipedii] | ||
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Partition_function_%28statistical_mechanics%29 Suma statystyczna (funkcja podziału) w Wikipedii] | |||
* [http://www.pymol.org/ Strona WWW projektu PyMOL] | * [http://www.pymol.org/ Strona WWW projektu PyMOL] | ||
Wersja z 15 lut 2011, 19:36
Model HP
Model HP (hydrophobic-polar protein folding model) to model polimeru wykorzystywany w badaniach nad ogólnymi zasadami rządzącymi procesem zwijania białek. Badania tego typu w przypadku modeli pełnoatomowych wiążą się ze znacznymi kosztami obliczeniowymi, podczas gdy w modelu HP, ze względu na uproszczoną charakterystykę układu, możliwe jest przeprowadzenie krótkiej symulacji (trwającej od kilku minut do kilku godzin), w trakcie której układ jest w stanie osiągnąć wszystkie możliwe mikrostany [1].
Wstęp



Idea modelu HP opiera się na obserwacji, iż kluczową rolę w procesie zwijania białek pełni efekt hydrofobowy (w tym kontekście spotkać się można z terminem: "oddziaływania hydrofobowe"). W podstawowym modelu HP polimer zbudowny jest z monomerów H (hydrofobowych) oraz P (polarnych), przy czym wkład do energii pochodzi jedynie od H. Można więc myśleć o modelu HP jak o modelu białka, w którym alfabet aminokwasów ograniczony został do zbioru {H,P}. Aminokwasy znajdują się w węzłach sieci kwadratowej (square lattice) w przypadku modelu dwuwymiarowego (2D), bądź w węzłach sieci sześciennej (cubic lattice) w przypadku modelu trójwymiarowego (3D). Dwa aminokwasy nie mogą znajdować się w tym samym węźle. Natomiast jeśli dwa aminokwasy połączone są wiązaniem (przez analogię do wiązania peptydowego między aminokwasami w białkach), to muszą się one znajdować w sąsiednich węzłach. Mikrostan układu można określić poprzez: sekwencję peptydu oraz współrzędne poszczególnych aminokwasów.
Ewolucję układu w modelu HP zadaje zestaw dozwolonych transformacji struktury oraz rozkład prawdopodobieństwa przejść między mikrostanami. Przykładem dozwolonej transformacji może być obrót części białka o pewien kąt wokół wybranego aminokwasu (przykład przedstawiono po prawej). W przypadku modelu 2D istnieją trzy możliwe nietrywialne obroty. Jeżeli po dokonaniu obrotu żadne dwa aminokwasy nie zajmują tego samego punktu w przestrzeni, obrót uznajemy za dozwolony.
Po dokonaniu dozwolonej transformacji prawdopodobieństwo akceptacji nowego mikrostanu zależy jedynie od zmiany wartości energii. Innymi słowy: to, czy zaakceptujemy mikrostan uzyskany w wyniku transformacji zależy jedynie od mikrostanu przed transformacją; wcześniejsza historia układu nie ma tu znaczenia. Zatem ewolucja peptydu (ciąg mikrostanów wygenerowany w toku symulacji) jest realizacją procesu stochastycznego, w którym prawdopodobieństwo zdarzenia (akceptacja nowego mikrostanu) zależy jedynie od wyniku poprzedniego. Proces stochastyczny tego typu w przypadku dyskretnej przestrzeni stanów nazywany jest łańcuchem Markowa.
Sieć
Niech:
będą wektorami bazowymi w przypadku dwuwymiarowym, zaś:
wektorami bazowymi w przypadku trójwymiarowym. Siecią kwadratową nazywać będziemy zbiór:
zaś zbiór:
nazwiemy siecią sześcienną. Element sieci (węzeł) opisujemy przez podanie dwóch, bądź trzech liczb całkowitych (współrzędnych węzła), przykładowo dla sieci sześciennej: (0,1,-10).
Powiemy, że węzły a i b sąsiadują ze sobą na siatce (ozn. a ~ b), jeżeli istnieje wektor bazowy e taki, że:
- .
Niech będzie zbiorem aminokwasów tworzących peptyd, gdzie - długość peptydu. Wówczas strukturę przestrzenną wyrażać będziemy przez funkcję:
spełniającą warunki:
Podanie struktury (w postaci funkcji s) nie wystarcza do określenia miktrostanu układu, potrzebna jest jeszcze sekwencja.
Sekwencja
Sekwencja łańcucha określona jest przez wzorzec hydrofobowy . Rozważany model dzieli aminokwasy ze względu na właściwości oddziaływań dalekozasięgowych na dwie kategorie: hydrofobowe (H) oraz polarne (P). Dalekozasięgowość oddziaływań odnosi się do wzajemnych położeń aminokwasów w sekwencji, a nie w przestrzeni. Przykładowo: o obecności oddziaływań dalekozasięgowych możemy mówić w przypadku pary aminokwasów o numerach 1 i 4, bądź: 2 i 9, ale nie w przypadku par: 1 i 3, czy też 4 i 5. Szczegóły w poniższej sekcji Oddziaływania.
Oddziaływania
W najprostszym modelu HP rozważa się jedynie oddziaływania dalekozasięgowe pomiędzy aminokwasami hydrofobowymi. Energia danego mikrostanu zależy od liczby kontaktów występujących między aminokwasami H, niesąsiadującymi w peptydzie.
Niech
będzie liczbą kontaktów H-H w peptydzie o strukturze s. Energia układu wyraża się przez:
gdzie ɛ >0.
Interakcje pomiędzy aminokwasami hydrofobowymi odzwierciedlają ich tendencję do kierowania się do wewnątrz białka i tym samym unikania kontaktu z wodą. Należy podkreślić, że model HP uwydatnia jeden aspekt procesu zwijania białek (efekt hydrofobowy), ignoruje natomiast oddziaływania lokalne występujące w rzeczywistym białku - "sztywność" łańcucha (objawiająca się niedozwolonymi wartościami kątów φ-ψ na wykresie Ramachandrana) oraz wiązania wodorowe (istotne w α-helisach i β-kartkach). Proste modele, jak model HP, skłaniają do zadawania pytań: Które z własności białek udaje się odtworzyć pomimo poczynionych przybliżeń?
Średnia po zespole
Niech A będzie pewną własnością fizyczną badanego układu. Mikrostan układu oznaczymy przez , gdzie n jest liczbą stopni swobody. Przyjmujemy, że własność A objawia się jako średnia po próbce pewnej przestrzeni mikrostanów, tzn.:
gdzie f jest funkcją rozkładu gęstości prawdopodobieństwa, jest przestrzenią dostępnych stanów układu (nazywana również w szerszym kontekście: przestrzenią fazową), zaś:
to sumą statystyczna nazywana również funkcją podziału. Rozkład f określa odpowiedni zespół statytyczny (mikrokanoniczny, kanoniczny,...).
W przypadku modelu HP liczba mikrostanów układu jest skończona (ozn. N), zatem średnią wartość A wyraża się w postaci sumy po dostępnych mikrostanach układu:
gdzie jest prawdopodobieństwem uzyskania przez układ i-tego mikrostanu.