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Predição de estruturas secundárias de proteínas utilizando redes
neurais artificiais
Universidade Federal de LavrasDepartamento de Ciência da Computação
Orientado: Rilson Machado de OliveiraOrientador: Thiago de Souza Rodrigues
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• Introdução– Motivação– Proteínas– Estruturas de Proteínas– Redes Neurais Artificiais
• Objetivo• Metodologia• Resultados• Conclusões• Trabalhos Futuros
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Introdução - Motivação
• O processo para catalogar as estruturas das proteínas em laboratório ainda é considerado financeiramente pouco viável.
• Busca-se utilizar a computação para fazer com que esse processo seja financeiramente viável mantendo os resultados confiáveis;
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Introdução - Proteínas• São os componentes básicos de todo organismo desempenhando funções variadas;
• Ter o conhecimento dessas funções é de grande utilidade, pois com essas informações pode-se diagnosticar doenças, descobrir curas, desenvolver novos medicamentos, entre outras inúmeras utilidades.
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Introdução - Proteínas
A função de uma proteína é determinada por sua estrutura tridimensional, e esta pela natureza e seqüência de seus aminoácidos constituintes.
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Introdução - Proteínas
• Aminoácidos são compostos orgânicos que possuem uma estrutura básica comum, consiste de um carbono central, o qual possui quatro ligantes diferentes, um grupo carboxila (COOH), um grupo amino (NH2) e um radical R também chamado cadeia lateral do aminoácido.
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Introdução - Proteínas
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Introdução - Proteínas
• Funções das proteínas • Catalisadoras • Transportadoras• Contráteis ou de movimento• Estruturais• De defesa
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Introdução – Estruturas de Proteínas• Estrutura primária
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Introdução – Estruturas de Proteínas• Estrutura secundária
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Introdução – Estruturas de Proteínas• Estrutura terciária
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Introdução – Redes Neurais Artificiais RNAs
• Definição: “são sistemas paralelos distribuídos compostos por unidades de processamento simples chamados neurônios artificiais”;
• Dentre suas funções pode-se destacar a classificações de padrões;
• Simula funcionamento do cérebro humano
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Introdução – Redes Neurais Artificiais• O modelo de neurônio artificial apresenta:
entradas, pesos, unidade de processamento e saída.
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Objetivo
• Este trabalho objetiva prever a estrutura
secundária da proteína através de sua estrutura
primária utilizando RNAs como preditor;
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Metodologia
• Obtenção dos dados.• O banco de dados público de proteínas
Protein Data Bank, PDB, foi utilizado para a obtenção dos dados.
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Metodologia
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• A rede deverá ser modelada da seguinte maneira:• Subseqüências extraídas da estrutura
primária serão as entradas da rede.• As estruturas secundárias destas
subseqüências servirão como um vetor de valores esperados para a rede.
• Deve-se selecionar uma topologia, o algoritmo de treinamento e os ajustes dos parâmetros da rede.
Metodologia
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• Foi utilizado o Matlab 6.0 para a realização do treinamento e teste das RNAs;
Metodologia
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Resuldados• Filtragem
A filtragem foi realizada obtendo subseqüências com tamanho de 10 aminoácidos.
• CodificaçãoA codificação dos dados adotada foi por fator de
hidrofobicidade.
Para realização da filtragem e da codificação, foram desenvolvidos softwares na linguagem Java.
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Resultados
• Dos dados obtidos, cerca de 70 % deles foram separados para o treinamento, e os outros 30% foram separados para validação da rede.
Estrutura Para 70% dos dados
Para 30% dos dados
Alfa-Helice 29794 12770Folha-Beta 20286 8694
Coil 13313 5706Total 63393 27170
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Resultados
• Várias topologias de redes Multi layer perceptron foram testadas;
• Assim como vários algoritmos de treinamento disponíveis no toolbox do MatLab 6.0;
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Resultados• A rede treinada que obteve melhor desempenho
foi:– Backpropagation com taxa de aprendizado
adaptativa;– Taxa de momentum;– Funções de ativação tangente hiperbólica
sigmoidal nas camadas intermediárias e de saída, respectivamente;
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Resultados• 10 neurônios camada de entrada• 55 neurônios camada intermediária• 3 neurônios camada de saída
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Resultados• Com o treinamento a rede obteve uma taxa de
acertos totais de 78.1%, sendo que para Alfa-Helices a taxa foi de 89%, para folha-Beta a taxa foi de 77 % e de Coil a taxa foi de 68.3 %
Estrutura Performance (%)Alfa-Helice 89Folha-Beta 77
Coil 68.3Total 78.1
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ResultadosID método ano performance (%)
1 cadeias de markov 2006 70.3
2 estatístico 1998 72.9
3 rede neural 2005 73.5
4 logica fuzzy 2005 75.75
5 support vector machine 2001 76.2
6 estatístico 2002 76.5
7 support vector machine 2007 77
8 rede neural 2008 78.1
9 rede neural 2004 79
10 rede neural 2000 80
11 rede neural 2006 80
12 estatístico 2005 80.7-81.7
13 rede neural 2005 81.8
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Conclusões• A falta de informações detalhadas na
literatura sobre o processo de construção dos preditores não permitiu uma avaliação conclusiva sobre os resultados encontrados;
• A complexidade do problema o torna difícil de se tratar, ficando evidente pelo baixo nível de exatidão dos resultados.
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Trabalhos Futuros• Utilizar RNAs independentes para os três tipos
de estruturas a fim de tentar melhorar a taxa de generalização;
• Realizar o treinamento das RNAs por novos algoritmos de treinamento como o algoritmo de treinamento Multi-Objetivo.
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FIM
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