Analýza konformací cyklů ve strukturách biomakromolekul

Bc. Vít Bednář

Bachelor's thesis

Analysis of ring conformations in biomacromolecular structures

Abstract:

Struktury biomakromolekul jsou velmi zajímavým a užitečným typem vědeckých dat a díky jejich analýze bylo získáno a publikováno mnoho důležitých vědeckých informací. Proto je důležité kontrolovat kvalitu těchto dat. Výzkumí pracovníci se již dvě desetiletí zabývají validací strukturních dat, ale některé strukturní aspekty nejsou dosud testovány – například konformace cyklů. V rámci své bakalářské práce jsem se proto zaměřil na analýzu konformačního chování cyklohexanových a pyranových cyklů v rámci vybraných ligandů z Protein Data Bank. Nejdříve jsem připravil workflow pro automatickou detekci a validaci studovaných konformerů. Dále jsem vygeneroval dvě rozsáhlé datové sady, obsahující vzorky struktur cyklohexanů a pyranů z Protein Data Bank. Konkrétně, cyklohexanová sada obsahovala 3 360 cyklů z 436 ligandů a pyranová sada pak 101 235 cyklů pro 1 588 ligandů. Poté jsem využil připravené workflow a analyzoval jsem konformace všech cyklů z těchto datových sad. V případě cyklohexanů jsem zjistil, že pouze 75 % analyzovaných cyklů bylo v židličkové konformaci, která je energeticky nejvýhodnější. Naopak, 8 % struktur bylo v energeticky velmi nevýhodné poloviční židličkové konformaci a 2 % dokonce v nechemické a spíše jen teoreticky přípustné planární konformaci. Zjistil jsem také, že alespoň 50 % energeticky nevýhodných konformerů má méně než 3 vazebné partnery. Jejich konformační chování proto nemůže být vynuceno vlivem vazebného okolí a jedná se tedy pravděpodobně o problém kvality dat. V případě pyranů jsem zjistil, že výskyt energeticky nejvýhodnější židličkové konformace je zde vyšší (89 %) a také výskyt energeticky velmi nevýhodných konformerů je nižší. To svědčí o vyšší kvalitě pyranových cyklů. Analýza vazebného okolí opět ukázala, že výrazná část cyklů v energeticky nevýhodných konformacích má jen malý počet vazebných partnerů. Tyto výsledky ukazují, že konformace cyklů mohou obsahovat chyby a že má smysl se zaměřit na jejich validaci.

Abstract:

Biomacromolecular structural data is a very interesting and useful scientific resource and a lot of important research results were obtained based on this data. Therefore, it is very important to validate a quality of the data. Researchers have been focused on validation of the structures more than two decades, but some quality issues are still not covered, for example validation of conformations. For these reasons, my bachelor thesis was focused on validation of conformational behavior of cyclohexane and pyrane rings. First, I prepared a workflow for automated detection and validation of these conformers. Than, I generated two large data sets containing samples of cyclohexane and pyrane rings from Protein Data Bank. Specifically, the data sets contain 3,360 cyclohexane rings from 436 ligands and 101,235 pyrane rings from 1,588 ligands. Afterwards, I used the workflow and analyzed conformations of all the rings in the data sets. In the case of cyclohexane, about 75 % of analyzed rings were in the energetically lowest chair conformation. Vice-versa, 8 % of structures were in energetically strongly unfavorable half chair conformation and 2 % even in nonchemical flat conformation. I found, that at least 50 % of energetically unfavorable conformations has less than 3 binding partners. Therefore, their chemical behavior cannot be forced by their binding neighbors and there is probably a quality problem. In the case of pyrane, the occurrence of energetically favorable chair conformation is higher (89 %) and a percentage of energetically unfavorable conformations is lower. It shows, pyrane rings have higher quality. An analysis of their binding neighborhood demonstrated, that a significant part of the energetically unfavorable conformers has just few binding partners. These results show, the ring conformations can include errors and their validation has sense.

Keywords

konformace, RMSD, ligand, cyklohexan, pyran, PDB, conformation, cyclohexane, pyrane

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2018
• Supervisor: doc. RNDr. Radka Svobodová Vařeková, Ph.D.
• Reader: Mgr. Vladimír Horský

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics