Bioinformática estructuralBioinformática estructuralPrincipios y aplicaciones de la Principios y aplicaciones de la

Biofisicoquímica molecularBiofisicoquímica molecular

Dr. Marcelo A. MartíDr. Marcelo A. Martí

Grupo de Modelado Molecular DQIAyQFGrupo de Modelado Molecular DQIAyQF

Grupo de Bioinformática Estructural Dto.QBGrupo de Bioinformática Estructural Dto.QB

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos AiresBuenos Aires

marcelo@qi.fcen.uba.armarcelo@qi.fcen.uba.ar, marcelomarti@yahoo.com, marcelomarti@yahoo.com

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

Bioinformática: Desarrollo y aplicación de Bioinformática: Desarrollo y aplicación de métodos que convierten datos biológicos métodos que convierten datos biológicos en conocimiento sobre los sistemasen conocimiento sobre los sistemas 1) Desarrollo: teorías y algoritmos1) Desarrollo: teorías y algoritmos 2) Aplicaciones: análisis-predicción2) Aplicaciones: análisis-predicción 3) Organización de datos: 3) Organización de datos: Arrays, Mass Arrays, Mass

Spectrometry, DNA seqs Spectrometry, DNA seqs Bioinformática estructural aplicación de 1,2 Bioinformática estructural aplicación de 1,2

y 3 a la estructura de biomoléculas.y 3 a la estructura de biomoléculas.1 y 2 => química computacional1 y 2 => química computacional3 bases de datos estructurales3 bases de datos estructurales

¿Qué ¿Qué eses la Estructura? la Estructura?““Conocer la estructura implica conocer la Conocer la estructura implica conocer la posición espacial relativa de todos los átomos posición espacial relativa de todos los átomos de la proteína”de la proteína”

XXYY

ZZ

Otras Representaciones:Otras Representaciones:

Resalta la estructura Resalta la estructura adoptada por el adoptada por el “Backbone”“Backbone”

Otras Representaciones:Otras Representaciones:

RepresentaciRepresentación ón

VolumétricaVolumétrica

Representación del Representación del potencial potencial

electroestático electroestático superficialsuperficial

Métodos de Simulación Métodos de Simulación ComputacionalComputacionalEn Química y BiologíaEn Química y BiologíaHerramientas

fisicoquímicas implementadas en

programas1) Modelos: recetas para evaluar superficie energía potencial (SEP). (potenciales clásicos, QM, etc)

2) Esquemas para extraer información de SEP.Monte Carlo, Dinámica Molecular.

MODELOS CUANTICOS

Resuelven (o tratan!) ecuación Schrödinger: H = E , Energía es función de la configuración electrónica y de las posiciones nucleares

Existen diferentes niveles de teoría (HF, DFT, MP2, CI, Semiempiricos)

Indispensable para: procesos reactivos, estados excitados.

En principio: válido para cualquier sistema.

En la práctica: limitaciones computacionales en cuanto al tamaño del sistema.

MODELOS CLASICOS

Modelos basados en la ideas clásicas: (ley Coulomb, resortes, etc) E = f(N:x,y,z)

Distintos niveles aproximación según complejidad función propuesta, (atomísticos, grano grueso).

En principio: no son válidos para procesos reactivos.

Parametrización es clave y requiere artesanía!

Son los más utilizados para Biomoléculas!!

Campos de Fuerza ClásicosCampos de Fuerza Clásicos¿cómo es un campo de fuerza?¿cómo es un campo de fuerza?

TérminoTérminos de s de uniónunión

Términos Términos de NO de NO uniónunión

¿Como obtengo la información ¿Como obtengo la información relevante?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 sístema

¿Cómo obtengo la SEP?¿Cómo 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

Monte CarloMonte CarloA partir de una configuración de partida, se generan configuraciones nuevas “al azar”

Cada nueva configuración se evalúa p = exp(-E)/kT), donde E, es la diferencia de energía entre ambas config.

Si p > 1, se acepta la movida. (E < 0)

Si p< 1 (E > 0), se compara p con otro número al azar entre 0 y 1, X. Si p < X, se acepta la movida.

¿Qué quiere decir aceptar movida?

M

iMC )Ri(A

MA

1

• Si acepto movida, uso esa configuración para la suma. Si rechazo movida, vuelvo a poner en la suma la configuración anterior.

•Actualmente MC se utiliza como algoritmo eficiente de búsqueda en el espacio configuracional

“A” propiedad del sistema y Ri una confromación

¿Qué se obtiene de una simulación?¿Qué se obtiene de una simulación?

Confirmación de las Hipótesis sobre el comportamiento FQ de los sistemas

estudiados

Entender determinantes moleculares de un fenómeno conocido.

Obtener valor agregado: poder lograr información no accesible

experimentalmente

Un poquito más de FQ: “E Un poquito más de FQ: “E vs G”vs G”

Los métodos QM como los de MD nos permiten Los métodos QM como los de MD nos permiten obtener la Energía “E” directamente peroobtener la Energía “E” directamente pero

El comportamiento de las Biomoléculas en solución El comportamiento de las Biomoléculas en solución esta determinado por la Energía Libre (G o A)esta determinado por la Energía Libre (G o A)

G = G = H -T H -T SS A = A = E -T E -T SS

En fases condensadas H En fases condensadas H E, y G E, y G A A

G = RT ln (KG = RT ln (Keqeq))

Ejemplo 1Ejemplo 1

Estudio Dinámico Estructural Estudio Dinámico Estructural de la Neuroglobina Humanade la Neuroglobina Humana

La Neuroglobina La Neuroglobina

Control redox ?Control redox ?

Grupo HemoGrupo Hemo

Función: desconocidaFunción: desconocida

O O

FeII

N N

N N

CO2-

CO2-

Mecanismo de Mecanismo de regulaciregulacióón:n:

+O+O22

-O-O22

Equilibrio 6c-5c determina la afinidad!!Equilibrio 6c-5c determina la afinidad!!

6c 5c Oxy

¿Qué hicimos?¿Qué hicimos? Dinámica Ngb 6c, 5c, Oxy, 6cS-S, 5cS-SDinámica Ngb 6c, 5c, Oxy, 6cS-S, 5cS-S Perfil de energía libre 5c(S-S) Perfil de energía libre 5c(S-S) <<==> 6c> 6c(S-S)(S-S)

Comparación estructuralComparación estructural

6c vs 5c 1.96

6c vs Oxy1.426c vs 5c (S-S)0.73

RMSD(Å): 6c SHOxy5c SH6c S-S5c S-S

RMSD clustering:

Equilibrio 6c-5cEquilibrio 6c-5c

S-S S-S SH ------SH ------

Explicación MolecularExplicación Molecular

6c SH, 5c SH, Oxy6cSS ---, 5cSS ---

Ejemplo 2Ejemplo 2

Mecanismos de regulación de Mecanismos de regulación de la afinidad por oxigeno en la afinidad por oxigeno en hemoproteínas x Métodos hemoproteínas x Métodos

QM-MMQM-MM

Métodos Híbridos QM/MMMétodos Híbridos QM/MM Juntan lo bueno y lo malo de ambos mundosJuntan lo bueno y lo malo de ambos mundos Precisión y relatividad en el sitio activo (QM) + efecto Precisión y relatividad en el sitio activo (QM) + efecto

realístico del entorno proteico (MM)realístico del entorno proteico (MM) Estudio de reacciones Químicas en sistemas complejosEstudio de reacciones Químicas en sistemas complejos

Ejemplo: Calculo de energía de Ejemplo: Calculo de energía de unión oxígeno en hemoproteínasunión oxígeno en hemoproteínas

O

R

Hkoff

kon

O

R

H

OO

FeII

His

FeII

His

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

KKoffoff E Euu

HisE7

ValE11

HisF8

ProteínaProteína MioglobinaMioglobinaRes. Dist.Res. Dist. HVHV GVGV HNHN

EEO2O2 27.027.0 22.722.7 30.130.1

kkoffoff 1212 16016000

0.540.54

TyrB10GlnE7

GlnE11

HisF8

ProteínProteínaa

trHb NtrHb N

Res. Dist.Res. Dist. YQQYQQ AQQAQQ YQLYQL YLQYLQ ALLALLEEO2O2 41.541.5 31.331.3 31.531.5 35.835.8 22.522.5

kkoffoff0.010.01

443030 n.rn.r 0.20.2 n.rn.r

Relación estructura-afinidadRelación estructura-afinidad

Combinando MD con Combinando MD con QM/MMQM/MM

O

R

H

THR E11

O

R

H

TYR B10

OO

FeII

His

NH2O

RGLNE7

?

Sitio Activo de la Sitio Activo de la hemoglobina de hemoglobina de Cerebratulus Cerebratulus lacteuslacteus

•Afinidad por O2 moderada •La mutación de TyrB10 reduce la afinidad 3 veces•La mutación de ThrE11 aumenta la afinidad 1000 veces

Dinámica Molecular Dinámica Molecular CerHbCerHb

2 conformaciones para la Tyr B10

Perfil de energía libre de ínter-conversión

ΔE O2 24.4 kcal/mol

ΔE O2 32.8 kcal/mol

Conclusión: Efectos dinámicos Conclusión: Efectos dinámicos sobre la afinidadsobre la afinidad

*Sólo postulando un equilibrio dinámico se *Sólo postulando un equilibrio dinámico se explican los resultados para la wt y las dos explican los resultados para la wt y las dos mutantesmutantes

ProteínaProteína ΔΔEOEO22 (kcal/mol) (kcal/mol) kkoff off (s(s-1-1))

SalvajeSalvaje 28.6*28.6* 180180

Mut. TyrB10Mut. TyrB10 26.126.1 540540

Mut. ThrE11Mut. ThrE11 32.032.0 0.180.18

Ejemplo 3Ejemplo 3

Catálisis Enzimática x Catálisis Enzimática x Métodos QM-MMMétodos QM-MM

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

Sitio activo: QM

proteina: MM

Reaccion de la corismato Reaccion de la corismato mutasamutasa

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