Bioinformática estructural Principios y aplicaciones de la Biofisicoquimica molecular

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 QC Basados 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? 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 obtengo la información relevante? Supongamos que podemos crear MUCHAS conformaciones R y leer E(R) para cada una puedo crear una superficie de energía potencial (SEP) E Q Q1 Q3 Q2 V(Q2)-V(Q1) Propiedades del sistema

Como obtengo la SEP? x(t + dt) = x(t) + v dt + ½ (F(t)/m) dt2 Proyección temporal de las coordenadas integrando las ecuaciones de Newton => TRAYECTORIA x(t) => x(t + dt) => x(t + 2dt) ….. x(t + dt) = x(t) + v dt + ½ (F(t)/m) dt2 F = E/x Alternativa: Muestreo de la SEP x Monte Carlo

¿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 naturales de una biomolécula

Calcular afinidad por sustrato Ej: union de O2 a Globinas Koff  Eu Eu = Eoxy-(Edeoxy-EO2)

Relación estructura-afinidad Preedición de afinidad

Descubrir cambios conformacionales pequeños TyrB10 ThrE11 ThrE11 TyrB10 Union O2 : 33 kcal/mol vs 24 kcal/mol

Analisis de la interacción droga receptor (docking)

Difusión de sustratos al sitio activo Cerrado Abierto Energia a lo largo del canal

Predicción de estructura-Mecanismos de plegamiento Paradoja de Levinthal: 1 aa 5 conformaciones posibles Prot. 100 aa = 5100 = 8 x 1069 Si se visita 1 conf por fs Tarda 1038 billones de años Tiene que existir otro mecanismo

Usemos MD ? TRP cage proteina de 20 aa: NLYIQWLKDGGPSSGRPPPS Folding cooperativo de dos estados Estructura resuelta por NMR

TRP cage MD Highlighted TRP-PRO-(PRO)3

Que aprendemos del folding La energía (E) Manda!!!

hydrophobic core polyproline II i:i+10 H-bond (92%) a helix i:i-5 H-bond (75%) 310 helix MD low energy 1L2Y model 1

Reacciones enzimáticos (x métodos QM-MM) Sitio activo: QM proteina: MM

Reaccion de la corismato mutasa Prefenato Corismato

Resulado: Reactivo Producto E Kcal/mol DE‡ = 13.8 DE‡ = 5.3 D(DE‡) = 8.5 D(DE‡exp) = 8 Reactivo DE = -22.0 DE = -24.9 Producto