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An Introduction to Computational Biochemistry - C. Stan Tsai

Contents


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

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

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

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

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Mahesh Loves to write about admission process in US and help prospective students.

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