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