Computational and Structural Biology

Owner	Bachelor Scheikunde (joint degree)
Coordinator	prof. dr. P.G. Bolhuis
Part of	Bachelor Chemistry (Joint Degree), year 3

Course manual 2017/2018

Course content

De basis van het leven op moleculair niveau wordt gekenmerkt door een fascinerende, complexe wereld van biomoleculaire structuren en mechanismen. Vrijwel iedere biochemische reactie die zich in een levende cel afspeelt wordt door specifieke enzymen gekatalyseerd, het genetisch materiaal ligt verscholen in de welbekende dubbele DNA helix, transport van moleculen vindt plaats langs netwerken van eiwitfibers, terwijl de cel zelf wordt afgeschermd door membranen, waarin ook weer specifieke kanalen en receptoren een rol spelen.

Om dit soort biomoleculaire structuren en hun kenmerken te bepalen en begrijpen, is naast het gebruik van experimentele technieken, een computationele aanpak niet meer weg te denken uit het moderne onderzoek landschap. Tal van biomoleculaire eigenschappen kunnen berekend worden, waardoor experimenteel moeilijk of niette achterhalen grootheden bestudeerd en/of voorspeld kunnen worden.Daarnaast fungeert deze aanpak als een soort van microscoop die het mogelijk maakt biologische processen op moleculaire schaal te bestuderen en hiermee hypothesen te toetsen en inzicht te verschaffen.

In het eerste deel van de cursus ligt de nadruk op de computationele aanpak, met als doel het leren omgaan met moleculair simulatie methoden en computer software. Hierbij komen potentialen, quantum Hamiltonianen en semieëmpirische en krachtveld methoden aan de orde. Deze methoden worden onder meer toegepast op hetvoorspellen van structuren, het verkennen van potentiaaloppervlakken (bijv. t.b.v. het verkrijgen van reactieprofielen), en moleculairedynamica (bijv. t.b.v. het onderzoeken van eiwitdynamica, eiwitvouwing, eiwit-ligand binding, DNA dynamica).Basale statistische mechanica legt de link tussen de microscopische theorie en de macroscopische eigenschappen  van de biomoleculaire structuren.

Het tweede deel van de cursus staat in het teken van de structuurbiologie van de cel, en hoe experimentele en computationele methoden deze kunnen bepalen en ophelderen. Eerst komen moleculaire eigenschappen van structurele elementen van DNA, lipiden en eiwitten aan bod, zoals helices en sheets, waarbij de krachten en interacties die bepalend zijn voor de structuur, de functie en de flexibiliteit van eiwitten besproken zullen worden. Vervolgens worden een aantal van de technieken die gebruikt worden om de macromoleculaire structuur experimenteel te bepalen en de dynamische structuurveranderingen zichtbaar te maken behandeld: de NMR spectroscopie, kristallografie, fluorescentie spectroscopie en electronen en licht-spectroscopie. Daarbij worden de principes en toepassingen van computationele structuurbepaling (eiwit-modelering) behandeld.

Tot slot komt de toepassing van de moleculaire dynamica op complexe eiwit systemen, eiwit vouwen, binding, zelf-assemblage en aggregatie aan bod. Daarbij wordt ook de link met de statistische thermodynamica duidelijk. In het tweede deel van de cursus zal ook een moleculaire dynamica simulatie worden uitgevoerd.

Study materials

Literature

• CHoofdstukken uit volume 4 van Comprehensive Medicinal Chemistry II: Computer-Assisted Drug Design (Mason (Ed.)) en extra literatuur op Blackboard.

• Carl Branden en John Tooze, 'Introduction to protein structure', Garland Science, 1999.

• Alan Fersht: Structure and mechanisms in protein science, W.H. Freeman and
  Co., ISBN 0-7167-3268-8

• Alexei Finkelstein and Oleg Ptitsyn: Protein Physics, Academic Press, ISBN 0-
  12-256781-1

• David Whitford: Proteins, structure and function, Wiley, ,ISBN 0-471-49894-7

• Jack Kyte: Structure in Protein Chemistry, Garland Science, ISBN 0-8153-3867-8

Syllabus

Other

• Voor een groot aantal colleges wordt in grote lijnen de boeken van Mason en van Branden en Tooze gevolgd. Alle materiaal uit deze twee hoofdstukken is verplichte tentamenstof. Hoofdstukken uit Mason worden via blackboard beschikbaar gesteld, en het Branden&Tooze-boek is verkrijgbaar via studievereniging ACD of VCSVU, of de VU en UvA boekhandel. De overige boeken die hierboven genoemd zijn, zijn beschikbaar in de bibliotheek. Daarnaast komen er toevoegingen op de verplichte literatuur beschikbaar in de vorm van wetenschappelijke publicaties en handouts van de gebruikte presentaties komen beschikbaar via Blackboard.

Objectives

Het vak CSB concentreert zich op (i) het leren en begrijpen van de structuur van biomoleculen, met name eiwitten, in de levende cel, en op (ii) het leren van computationeel-chemische methoden en de toepassing daarvan op de structuur en
dynamica van deze biologische systemen. Na de cursus kan de student:

• uitleggen wat een Potential Energy Surfaces (PES) is en hoe Moleculaire Mechanica (MM) met behulp van krachtvelden werkt.
• verschillende vormen van conformationele zoekmethoden beschrijven.
• de principes van Moleculaire Dynamica simulaties uitleggen.
• globaal uitleggen wat Quantum Mechanische (QM) methoden zijn, en hoe gecombineerde QM/MM methoden werken.
• de principes van krachtveld-parameterisatie omschrijven.
• in de praktijk van butaan en een dialanine-peptide het Potential Energy Surfaces
  (PES) uitrekenen, conformationele zoekmethoden toepassen, en Boltzmannwaarschijnlijkheden
  uitrekenen.
• de basis van Statistische Mechanica toepassen, met name vrije energie uitrekenen uit partitiefuncties en Boltzmann-waarschijnlijkheden.
• de principes van computationele methoden voor vrije energie-berekeningen uitleggen, en beschrijven hoe een Potential of Mean Force wordt berekend.
• de bouwstenen van eiwitten, primaire, secundaire, tertiaire structuurindeling herkennen en classificeren.
• Secondaire Motieven in eiwitstructuren zoals α-helices, β-sheets, herkennen en classificeren.
• tertiare alfa-domein structuren, alfa-beta domein structuren, en beta-domein structuren herkennen en classificeren.
• veelvoorkomende DNA structuren herkennen en het mechanisme van herkenning van specifieke DNA sequenties door eiwitten uitleggen.
• het mechanisme van vouwing en flexibiliteit van eiwitten uitleggen.
• statistische mechanica op vouwing toepassen.
• uitleggen wat allosterie is, wat hulp-eiwitten zijn en hoe chaperones werken.
• in een practicum MD aan eiwitten uitvoeren en analyseren.
• uitleggen hoe Röntgendiffractie werkt en hoe hiermee Eiwitkristallografie gedaan wordt.
• omschrijven welke informatie uit Röntgendiffractie verkregen kan worden, hoe hieruit eiwitstructuur-informatie verkregen kan worden, en wat de fundamentele uitdagingen zijn om eiwitstructuren op te helderen via Kristallisatie in combinatie
  met Röntgendiffractie.
• de principes van NMR beschrijven: chemical shifts, coupling constants 2D NMR: COSY vs. NOESY Nuclear Overhausen Effect, 3J Koppelingsconstantes, Karplus curve.
• omschrijven hoe eiwit-structuur informatie uit NMR experimenten verkregen kan worden.
• voor- en nadelen benoemen van NMR eiwitstructuur-opheldering t.o.v. kristallisatie/röntgendiffractie (en v.v.).

Teaching methods

• Lecture
• Seminar
• Laptop seminar
• Computer lab session/practical training

Hoorcollege en practicum met een kort researchproject.
Tijdens het vak zullen enkele gastdocenten met specifieke expertise een aantal colleges verzorgen. Van de studenten wordt een actieve deelname verwacht, onder meer door het bestuderen van bepaalde eiwitstructuren en van de opgegeven literatuur voorafgaand aan de colleges. Dit kan gedaan worden met behulp van computerprogramma’s als  Rasmol,  Pymol, VMD, of Swiss pdb-viewer. Het project zal worden uitgevoerd met behulp van de Gromacs software.

 

College 1         Dinsdag 6-2                        9.00 – 11.00                  zaal C1.112

 

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Inleiding op Computationele en Structuurbiologie

                                    Biomoleculaire structuren

                                    Bouwstenen van eiwitten, peptide binding

                                    Motieven in eiwitstructuren, a-helices, b-sheets

                                    Primaire, secundaire, tertiaire structuurindeling

                 Literatuur   Branden & Tooze: H1-2

                                    (Fersht: H1, Finkelstein & Ptitsyn: H8, Whitford: H2,3)

 

 

College 2         Dinsdag 6-2                      13.00-15.00                     zaal C1.112

 

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Alpha-domein structuren

                                    Alpha-beta domein structuren

                 Literatuur   Branden & Tooze: H1-2-3-4

                                    (Fersht: H1, Finkelstein & Ptitsyn: H8, Whitford: H2,3)

      Rasmol opdracht   Installeren Rasmol

 

Werkcollege   Woensdag 7-2                    13.00 – 15.00 uur           zaal F1.02

 

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Oefenopgaven H1-4

                                    Rasmol opdrachten     

      Rasmol opdracht   Myoglobine

 

College 3         Dinsdag 13-2                    11.00 – 13.00                  zaal C1.112

 

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Alpha-beta domein structuren

                                    Beta-domein structuren

                 Literatuur   Branden & Tooze: H3-5

                                    (Fersht: H1, Finkelstein & Ptitsyn: H13,14)

      Rasmol opdracht   Triosephosphate Isomerase

                                    Thioredoxine                          

 

College 4         Dinsdag 13-2                    15.00-17.00                     zaal C1.112

 

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Eiwitdynamica, Vouwing en flexibiliteit

                                    Allosterie, Hulp-eiwitten / Chaperones

                                    Oefenopgaven H 4-6

                 Literatuur   Branden & Tooze: H6

                                    (Ferst: H15, Finkelstein and Ptitsyn: H22,23)

      Rasmol opdracht   GroEL/GroES

                                    Estrogen receptor

 

College 5         Woensdag 14-2                  13.00 – 16.00 uur           zaal F1.02

 

                      Docent   Robbie Joosten

                 Keywords   Eiwitkristallografie

                                    Röntgendiffractie

                                    Braggs law

                                    Structuur factoren

                                    Faseprobleem

                 Literatuur   Branden & Tooze: H18

                                    (Whitford: H10, Kyte: H4)                            

      Rasmol opdracht   Geen

 

Excursie         Vrijdag 16-2                        9.30– 12.00 uur            NKI

                      Docent   Anastassis Perrakis / Robbie Joosten

                 Keywords   Eiwitkristallografie en Data acquisitie & Modelering

 

College 6         Dinsdag 20-2                    13.00 – 17.00 uur           zaal C1.112 & F1.02

                      Docent   Daan Geerke

                 Keywords   Potential Energy Surfaces (PES),                   
Molecular Mechanics: krachtvelden

                 Literatuur   Mason 4.05 (blackboard)

      Rasmol opdracht   Geen

 

Werkcollege   Vrijdag 23-2                       9.00 – 11.00 uur           zalen F.102

                      Docent   Daan Geerke

                 Keywords   Krachtvelden

                 Literatuur   Mason 4.05 en materiaal via blackboard

      Rasmol opdracht   Geen

 

College 7         Dinsdag 27-2                      9.00 – 11.00 uur           zalen C1.112

                      Docent   Daan Geerke

                 Keywords   Conformationele zoekmethoden

                                    Moleculaire Dynamica

                 Literatuur   Mason 4.05 en 4.25 en materiaal via blackboard

      Rasmol opdracht   Geen                           

                                   

College 8         Vrijdag 2-3                         9.00 – 11.00 uur           zalen F.102

                      Docent   Daan Geerke

                 Keywords   Toepassing van Quantum Mechanische (QM) methoden

                                    Gecombineerde QM/MM methoden

                                    (Krachtveld-parameterisatie)

                 Literatuur   Mason 4.16 en materiaal via blackboard

      Rasmol opdracht   Geen

 

 

College 9         Dinsdag 6-3                         9.00 – 11.00 uur           zaal C1.112

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Statistische Mechanica

                                    Vrije energie methoden

                                    Potential of Mean Force                         

                 Literatuur   pdf, via blackboard verspreid

      Rasmol opdracht   Geen

 

Werkcollege   Dinsdag 6-3                       13.00 – 15.00 uur           zaal C1.112

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Statistische Mechanica

                                    Vrije energie methoden

                                    Potential of Mean Force                         

                 Literatuur   pdf, via blackboard verspreid

      Rasmol opdracht   Geen

 

Praticum 1     Donderdag 8-3                  10.00 – 17.00 uur           VU / P323

                      Docent   Daan Geerke

                 Keywords   Practicum 1:

                                    - Moleculaire Dynamica van butaan en een dialanine-peptide

                                    - Potential Energy Surfaces (PES)

                                    - Conformationele zoekmethoden

                                    - Boltzmann waarschijnlijkheden

                 Literatuur   Zie colleges 6 - 8

 

College 10       Dinsdag 13-3                      9.00 – 11.00  en 13.00-15.00    zaal C1.112

 

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Eiwitdynamica,

                                    Statistische Mechanica van Vouwing

                                    Modeleren en MD aan eiwitten

                 Literatuur   pdf op blackboard

      Rasmol opdracht   Geen

 

 

College 11       Woensdag 14-3                    9.00 – 11.00 uur           zaal G2.10        

                      Docent  Peter Bolhuis

                 Keywords   Vrije energie berekeningen aan eiwitten

                 Literatuur   pdf op blackboard

      Rasmol opdracht   Geen

 

                                                                       

Practicum 2    Woensdag 13-3                  13.00 – 17.00 uur           zaal B1.24

                      Docent   Peter Bolhuis              

                 Keywords   MD aan eiwitten

                 Literatuur   Zie colleges 3, 4 en 10 , 11

      Rasmol opdracht   Geen

 

College 12       Vrijdag 16-3                        9.00 – 11.00 uur           zaal F1.02

                      Docent   Daan Geerke

                 Keywords   DNA structuren

                                    Herkenning van DNA sequenties door eiwitten

                 Literatuur   Branden & Tooze: H7-8

                                    (Ferst: H15, Finkelstein and Ptitsyn: H22,23)

      Rasmol opdracht   B-DNA

 

Werkcollege   Dinsdag 20-3                     13.00 – 15.00 uur           zaal C1.112

                      Docent   Peter Bolhuis

                 Keywords   Voorbeeldtentamenvragen      

                 Literatuur   pdf, via blackboard verspreid

      Rasmol opdracht   Geen

 

 

College 13       Dinsdag 21-3                     11.00 – 15.00 uur           zaal G2.10 & F1.02

                      Docent   Daan Geerke

                 Keywords   NMR structuurbepaling

                                    Principes van NMR: chemical shifts, coupling constants

                                    2D NMR: COSY vs. NOESY

                                    Structuurinformatie: Nuclear Overhausen Effect

                                    3J Koppelingsconstantes, Karplus curve

                 Literatuur   Branden & Tooze: H18

                                    (Whitford: H10, Kyte: H12)

      Rasmol opdracht   NMR spectrum (wordt tijdens college gemaakt en behandeld)

                                    Hen Egg White Lysozyme (NMR structuur)

 

 

College 14       Vrijdag 23-3                        9.00 – 11.00 uur           zaal F1.02

                  Docenten   Daan Geerke en Peter Bolhuis

                 Keywords   Vragenuur      

                 Literatuur   Zie alle vorige colleges

 

Learning activities

Attendance

Programme's requirements concerning attendance (OER-B):

• Each student is expected to actively participate in the course for which he/she is registered.
• If a student cannot attend an obligatory part of a programme's component due to circumstances beyond his control, he must report in writing to the teacher in question as soon as possible. The teacher, if necessary after consulting the study adviser, may decide to issue the student a replacing assignment.
• It is not allowed to miss obligatory parts of the programme's component if there is no case of circumstances beyond one's control.
• In case of participating qualitatively or quantitatively insufficiently, the examiner can expel a student from further participation in the programme's component or a part of that component.

Assessment

Item and weight	Details
Final grade
1 (50%) Practicum
1 (50%) Tentamen

Fraud and plagiarism

The 'Regulations governing fraud and plagiarism for UvA students' applies to this course. This will be monitored carefully. Upon suspicion of fraud or plagiarism the Examinations Board of the programme will be informed. For the 'Regulations governing fraud and plagiarism for UvA students' see: www.uva.nl/plagiarism

Course structure

Timetable

Het rooster van dit vak is in te zien op DataNose.

Additional information

Aanbevolen voorkennis: Quantumchemie, Thermodynamica.

 

Werkwijze en beoordeling
Het vak wordt gegeven in de vorm van 14 hoorcolleges, 2 practica en 1 excursie. In de verschillende hoorcolleges zijn ook opdrachten geïntegreerd die voorbereid dienen te worden en tijdens het college behandeld worden. Van de studenten wordt actieve deelname verwacht, onder meer door bestudering van bepaalde eiwitstructuren (Rasmolopdrachten, zie onder) en van de opgegeven literatuur voorafgaand aan de colleges. Om kennis te maken met experimentele technieken die bijdragen aan structuur-opheldering, is er een gastdocent van en excursie naar het Nederlands Kanker Instituut (NKI).
De colleges zullen in het Nederlands gegeven worden. Alle studenten wordt verzocht zich via Blackboard voor de cursus aan te melden. Studenten die geen toegang tot Blackboard hebben dienen zich zo spoedig mogelijk tot de coördinator (prof. Peter
Bolhuis, p.g.bolhuis@uva.nl) te wenden. Het vak beslaat 6 ECTS ofwel 160 studie-uren, waarvan 37 uur gebruikt worden voor de colleges en bespreking van opdrachten, 10 uur voor de practica, en 3 uur voor de excursie, zodat 110 uur overblijft ter voorbereiding van colleges en practica, zelfstudie en tentamen-voorbereiding.
Aan het eind van de periode, op Dinsdag 28 maart om 9-12 uur wordt een schriftelijk tentamen afgenomen. Daarnaast wordt aan alle deelnemende studenten gevraagd minstens éénmaal de karakteristieken van een eiwit-structuur te presenteren aan hun collega’s (zie hieronder).

Practica, werkcolleges en ‘Rasmol-opdrachten’
Gedurende de collegereeks worden de studenten geacht de verschillende structuurelementen en voorbeelden die in het boek genoemd worden actief te bestuderen. Daarnaast zullen er twee computer-practicadagen zijn (zie rooster op bladzijde 5) en zijn er enkele werkcolleges geïntegreerd in het hoorcollegerooster (bladzijde 6 en verder). Voor een aantal hoorcolleges dienen met behulp van het eenvoudige computerprogramma ‘Rasmol’ eiwitstructuturen bestudeerd te worden. Rasmol is beschikbaar op de computers in P323 en de S3-zalen in het VU W&N gebouw en op de computerzalen op het Science Park, en het is ook te downloaden via Blackboard (via ‘course documents’). Uiteraard kunnen ook meer geavanceerde programma’s gebruikt worden voor eiwitstructuurvisualisatie, zoals Pymol, Swiss pdb-viewer of MOE. Op Blackboard is per college aangegeven welke structuren vooraf bestudeerd moeten worden, welke daar ook beschikbaar zijn. Bovendien wordt per structuur een aantal vragen gesteld die als leidraad bij de bestudering kunnen dienen. Tijdens de colleges wordt aan één of meerdere studenten gevraagd om de belangrijkste karakteristieken te presenteren aan de rest van de groep, waarin in ieder geval deze vragen aan bod dienen te komen. De kwaliteit van de voorbereiding, de beantwoording van de vragen en de kwaliteit van de presentatie zullen van invloed zijn op de uiteindelijke beoordeling van de cursus.

Synopsis gebruik van programma rasmol
Hieronder wordt een aantal van de belangrijkste opties aangegeven. Afgezien van
Blackboard kunnen eiwitstructuren ook direct gedownload worden van de protein
databank (PDB: www.pdb.org):
• vul de PDB code in, vink ‘þ PDB ID or keyword’ aan en druk op [Find a structure]
• druk op ‘Download Files’ (aan de linker kant)
• kies dan voor de optie PDB text en sla het bestand op
• open vanuit Rasmol (dubbelklikken werkt waarschijnlijk niet)
In Rasmol kan de structuur vervolgens weergegeven worden:
• Rasmol starten: Start > Programs > Scheikunde > Rasmol
• Menuopties:
• Bestand openen: File > Open...
• weergave kiezen: Display > ...
• kleuren kiezen: Color > ...
• Muisbediening:
• klik-en-sleep: draaien
• +klik-en-sleep: zoomen
• rechts-klik-en-sleep: verschuiven

rasmol commandline:
In taakbalk: selecteer [RasMol Command Line]
• Selecteren:
type: ‘select protein’ (op de commandline)
of bijv. ‘select not protein’, of bijv. ‘select HEM’ (heem groep)
• bepaalde aminozuren (residuen) selecteren:
type bijv. ‘select 345’ (of ander residuenummer)
of bijv. ‘select Cys’ (of andere residuenaam)
• weergave beperken:
type: ‘restrict protein’ (op de commandline)
of bijv. ‘restrict not HOH’ (geen water) of bijv. ‘restrict selected’
• identificeren:
klik op een atoom, en kijk op de commandline
• afstand bepalen:
type eerst: set picking distance (op de commandline)
klik achtereenvolgens op twee atomen, en kijk op de commandline
(type ‘set picking ident’ om weer alleen atoominformatie te krijgen bij
het klikken op een atoom)

Contact information

Coordinator

• prof. dr. P.G. Bolhuis