An introduction to computational biochemistry

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 1 INTRODUCTION 1 1.1. Biochemistry: Studies of Life at the Molecular Level . . . . . . . . . 1 1.2. Computer Science and Computational Sciences . . . . . . . . . . . . . 5 1.3. Computational Biochemistry: Application of Computer Technology to Biochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 BIOCHEMICAL DATA: ANALYSIS AND MANAGEMENT 11 2.1. Statistical Analysis of Biochemical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2. Biochemical Data Analysis with Spreadsheet Application . . . . . 20 2.3. Biochemical Data Management with Database Program . . . . . . 28 2.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3 BIOCHEMICAL EXPLORATION: INTERNET RESOURCES 41 3.1. Introduction to Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2. Internet Resources of Biochemical Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3. Database Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4 MOLECULAR GRAPHICS: VISUALIZATION OF BIOMOLECULES 53 4.1. Introduction to Computer Graphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2. Representation of Molecular Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3. Drawingand Display of Molecular Structures . . . . . . . . . . . . . . 60 4.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 v 5 BIOCHEMICAL COMPOUNDS: STRUCTURE AND ANALYSIS 73 5.1. Survey of Biomolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2. Characterization of Biomolecular Structures . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.3. Fittingand Search of Biomolecular Data and Information . . . . 87 5.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6 DYNAMIC BIOCHEMISTRY: BIOMOLECULAR INTERACTIONS 107 6.1. Biomacromolecule—Ligand Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2. Receptor Biochemistry and Signal Transduction . . . . . . . . . . . . 111 6.3. Fittingof Binding Data and Search for Receptor Databases . . . 113 6.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7 DYNAMIC BIOCHEMISTRY: ENZYME KINETICS 123 7.1. Characterization of Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.2. Kinetics of Enzymatic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 7.3. Search and Analysis of Enzyme Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 8 DYNAMIC BIOCHEMISTRY: METABOLIC SIMULATION 147 8.1. Introduction to Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 8.2. Metabolic Control Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8.3. Metabolic Databases and Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 9 GENOMICS: NUCLEOTIDE SEQUENCES AND RECOMBINANT DNA 165 9.1. Genome, DNA Sequence, and Transmission of Genetic Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 9.2. Recombinant DNA Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 9.3. Nucleotide Sequence Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 vi CONTENTS 10 GENOMICS: GENE IDENTIFICATION 183 10.1. Genome Information and Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 10.2. Approaches to Gene Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10.3. Gene Identification with Internet Resources . . . . . . . . . . . . . . . 188 10.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 11 PROTEOMICS: PROTEIN SEQUENCE ANALYSIS 209 11.1. Protein Sequence: Information and Features . . . . . . . . . . . . . . 209 11.2. Database Search and Sequence Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.3. Proteomic Analysis UsingInternet Resources: Sequence and Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 12 PROTEOMICS: PREDICTION OF PROTEIN STRUCTURES 233 12.1. Prediction of Protein Secondary Structures from Sequences . . 233 12.2. Protein FoldingProblems and Functional Sites . . . . . . . . . . . . 236 12.3. Proteomic Analysis UsingInternet Resources: Structure and Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 12.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 13 PHYLOGENETIC ANALYSIS 269 13.1. Elements of Phylogeny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 13.2. Methods of Phylogenetic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 13.3. Application of Sequence Analyses in Phylogenetic Inference . . 275 13.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 14 MOLECULAR MODELING: MOLECULAR MECHANICS 285 14.1. Introduction to Molecular Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 14.2. Energy Minimization, Dynamics Simulation, and Conformational Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 14.3. Computational Application of Molecular ModelingPackag es . 296 14.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 15 MOLECULAR MODELING: PROTEIN MODELING 315 15.1. Structure Similarity and Overlap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 15.2. Structure Prediction and Molecular Docking. . . . . . . . . . . . . . 319 CONTENTS vii 15.3. Applications of Protein Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 15.4. Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 APPENDIX 343 1. List of Software Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 2. List of World Wide Web Servers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 3. Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 INDEX 357