Bioinformática estructuralBioinformática estructural

Principios y aplicaciones de la Biofisicoquimica molecular

Que es la Bioinformática estructural?Que es la Bioinformática estructural?

Bioinformática: Desarrollo y aplicación de métodos que convierten datos biológicos en conocimiento sobre los sistemas– 1) Desarrollo: teorías y algoritmos– 2) Aplicaciones: análisis-predicción– 3) Organización de datos: Arrays, Mass Spectrometry,

DNA seqs

Bioinformática estructural aplicación de 1,2 y 3 a la estructura de biomoleculas.1 y 2 => química computacional

3 bases de datos estructurales

Métodos en QCMétodos en QCBasados en la mecánica quántica (QM)

– Muy precisos. Alto costo Comput.. (hasta 100 átomos)

– Permiten simular procesos reactivos

Basados en la mecánica clásica (MM)– Permiten tratar miles de átomos (escala del ns)– Aplicación sistemas biológicos – Útiles en el estudio de la dinámica proteica o en

procesos de difusión

Estadísticos (mas adelante)

Como funciona la QC?Como funciona la QC?

QM: se resuelve la ecuación de Schrödinger H = E Energía es función de la configuración electrónica y de las posiciones nucleares

MM: Se resuelve una ecuación empírica (campo de fuerza) donde E = f(N:x,y,z)

Usando QM y MM => se realiza una “simulación” del sistema real

Como es un campo de fuerza?Como es un campo de fuerza?

Como obtengo la información relevante?Como obtengo la información relevante?

E

QQ1

Q3

Q2

V(Q2)-V(Q1)

Supongamos que podemos crear MUCHAS conformaciones R y leer E(R) para cada una puedo crear una superficie de energía potencial (SEP)

Propiedades del sistema

Como obtengo la SEP?Como obtengo la SEP?

Proyección temporal de las coordenadas integrando Proyección temporal de las coordenadas integrando las ecuaciones de Newtonlas ecuaciones de Newton => TRAYECTORIA => TRAYECTORIA

xx(t) => x(t + dt) => x(t + 2dt)(t) => x(t + dt) => x(t + 2dt) …..…..

x(t + dt) = x(t) + vx(t + dt) = x(t) + v dt + ½ (F(t)/m) dtdt + ½ (F(t)/m) dt22

Alternativa: Muestreo de la SEP x Monte CarloAlternativa: Muestreo de la SEP x Monte Carlo

F = F = E/E/xx

¿Qué se obtiene de una simulación?

Entender determinantes moleculares de un fenómeno conocido.

Obtener valor agregado: poder lograr información no accesible

experimentalmente

Analizar los movimientos Analizar los movimientos naturales de una bnaturales de una biiomolomolééculacula

Calcular afinidad por sustratoCalcular afinidad por sustratoEj: union de OEj: union de O22 a Globinas a Globinas

EEuu = E = Eoxyoxy-(E-(Edeoxydeoxy-E-EO2O2))

O

R

Hkoff

kon

O

R

H

OO

FeII

His

FeII

His

KKoffoff E Euu

y = -0.6416x + 21.206

R2 = 0.7095

-4

-2

0

2

4

6

8

20 25 30 35 40

Energia de union por O2

log

(ko

ff)

Relación estructura-afinidadRelación estructura-afinidad

Preedición de afinidadPreedición de afinidad

Descubrir cambios Descubrir cambios conformacionales pequeñosconformacionales pequeños

Union O2 : 33 kcal/mol vs 24 kcal/mol

TyrB10

ThrE11

TyrB10

ThrE11

Analisis de la interacción Analisis de la interacción droga receptor (docking)droga receptor (docking)

DifusiónDifusión de sustratos al sitio de sustratos al sitio activoactivo

Energia a lo largo del canal

Cerrado

Abierto

Predicción de estructura-Predicción de estructura-Mecanismos de plegamientoMecanismos de plegamiento

Paradoja de Levinthal:

L

L1 aa 5 conformaciones posiblesProt. 100 aa = 5100 = 8 x 1069

Si se visita 1 conf por fsTarda 1038 billones de años

Tiene que existir otro mecanismo

Usemos MD ?Usemos MD ?

TRP cage proteina de 20 aa: NLYIQWLKDGGPSSGRPPPS

Folding cooperativo de dos estados

Estructura resuelta por NMR

TRP cage MDTRP cage MD

Highlighted TRP-PRO-(PRO)3

Que aprendemos del foldingQue aprendemos del folding

La energía (E) Manda!!!

helix

helix

polyproline

i:i H-bond (92%)

i:i H-bond (75%)

hydrophobic core

MD low energy1L2Y model 1

Reacciones enzimáticos (x Reacciones enzimáticos (x métodos QM-MM)métodos QM-MM)

Sitio activo: QM

proteina: MM

Reaccion de la corismato mutasaReaccion de la corismato mutasa

CorismatoPrefenato

Resulado:Resulado:E Kcal/mol

Producto

Reactivo

E‡ = 13.8

E‡ = 5.3

E = -22.0

E = -24.9

EE‡‡) = 8.5 ) = 8.5 EE‡‡

expexp) = 8 ) = 8