Clase # 13. Modelado de la estructura de una proteína (I) Prof. Ramón Garduño Juárez Modelado Molecular Diseño de Fármacos

Descripción Estructura de proteínas Predicción de estructura secundaria Plegado de la proteína Predicción de estructura terciaria Predicciones ab initio de estructura Modelado por Homología Reconocimiento del plegado

Estructura de Proteínas Las proteínas son hetero polímeros lineales de longitud fija; Un solo tipo de proteína siempre tiene el mismo número y composición de monómeros, Diferentes proteínas tienen un intervalo de unidades de monómeros, desde unos cientos hasta miles; Los monómeros son amino ácidos, y has 20 tipos, los cuales tienen una variedad de propiedades químicas; Por lo tanto hay una gran diversidad de posibles secuencias de proteína. Las cadenas lineales se pliegan a conformaciones específicas tri-dimensionales, las cuales están determinadas por su secuencia de amino ácidos; Las proteínas generalmente se auto pliegan. Las estructuras tri-dimensionales de las proteínas son por lo tanto extremadamente diversas, desde las completamente fibrosas, hasta las globulares. Las estructuras de las proteínas pueden determinarse al nivel atómico por medio de: Difracción de neutrones y de Rayos-X sobre proteínas cristalizadas, Por espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) cuando las proteínas están en disolución. Sin embargo existen muchas proteínas cuyas estructuras no se pueden resolver todavía, específicamente proteínas de la membrana. La estructura de una proteína esta intrínsecamente relacionada con su función. La determinación experimental, o predicción de la estructura, ayuda a la elucidación del la función de la proteína; Pueden diseñarse secuencias sintéticas de proteína para que éstas tengan una función específica..

Los veinte amino ácidos que se encuentran en los sistemas biológicos son: Todos los amino ácidos tienen la misma formula general

Péptido Los amino ácidos están ligados linealmente a través de una unión peptídica. Estas uniones se forman por medio de una reacción de síntesis deshidratante: Entre el grupo carboxilo del primer amino ácido con el grupo amino del segundo amino ácido.

Estructura de una proteína APRKFFVGGNWKMNGDKKSLG ELIHTLNGAKLSADTEVVCGA PSIYLDFARQKLDAKIGVAAQ NCYKVPKGAFTGEISPAMIKD IGAAWVILGHSERRHVFGESD ELIGQKVAHALAEGLGVIACI GEKLDEREAGITEKVVFEQTK AIADNVKDWSKVVLAYEPVWA IGTGKTATPQQAQEVHEKLRG WLKSHVSDAVAQSTRIIYGGS VTGGNCKELASQHDVDGFLVG GASLKPEFVDIINAKH =

Estructura secundaria en proteínas Alfa hélice: hélice hacia la derecha 3.6 residuo por giro de la hélice puentes de hidrogeno entre residuos n y n+4

Hebra Beta y hoja beta

Giro-Beta 4 residuos en longitud Permite a la estructura el tener giros de 180 grados

El Mapa de Ramachandran En un polipéptido las uniones N-Cα y Cα-C de la cadena principal son relativamente libres para rotar. Estas rotaciones son representadas por los ángulos de torsión phi y psi, respectivamente. G N Ramachandran (1960) usó modelos de computadora de polipéptidos pequeños para variar sistemáticamente los ángulos phi y psi con el objetivo de encontrar conformaciones estables. Para cada conformación, la estructura fue examinada en los contactos cercanos entre sus átomos. Los átomos fueron tratados como esferas duras con dimensiones correspondientes a sus radios de van der Waals. Por lo tanto, los ángulos phi y psi que causan que las esferas colisionen corresponden a la conformación estéricamente no permitida del esqueleto del polipéptido.

Las áreas blancas corresponden a las conformaciones donde los átomos en el polipéptido están más cerca que la suma de sus radios de van der Waals. Estas regiones no están permitidas estéricamente para todos los amino ácidos excepto para la glicina que es única ya que carece de una cadena lateral. Las regiones en rojo corresponden a conformaciones donde no hay colisiones estéricas, i.e. estas son regiones permitidas principalmente las conformaciones de α-hélice y de β-plegada. Las áreas amarillas son las regiones permitidas si se emplea en el cálculo un radio de van der Waals ligeramente más pequeño, i.e. a los átomos se les permites estár un poco más cerca. Esto acarrea consigo una región adicional que corresponde a la α-hélice izquierda. La hélice 3(10) ocurre cerca de la parte superior derecha de la región de α-hélice y está en el borde de la región permitida indicando que tiene una estabilidad menor. Regiones no permitidas generalmente involucran obstáculos estéricos entre el C-α del metileno de la cadena lateral y los átomos de la cadena principal. La glicina no tiene una cadena lateral y por lo tanto puede adoptar ángulos phi y psi en todos los cuatro cuadrantes del Mapa de Ramachandran. De aquí que ésta ocurre frecuentemente en las regiones de giros en la proteínas donde cualquier otro residuo estaría obstaculizado de manera estérica.

Conformación de la Cadena Lateral A los átomos de las cadenas de los amino ácidos se les da el nombre del alfabeto Griego de acuerdo a este esquema. A los ángulos de torsión se le llama chi1, chi2, chi3, etc., como se muestra abajo para la lisisna.

Estructura terciaría de proteínas Fuerza directriz del plegado: Efecto hidrofóbico Electrostático Puentes de hidrógeno Puente disulfuro

PDB: protein data bank Almacén de coordenadas de proteínas Disponible al publico Se requiere que se depositen las coordenadas cuando el artículo es publicado La información incluida en los archivos pdb necesita ser revisada cuidadosamente. Por ejemplo: la descripción del sitio activo puede que no sea del todo correcta. Formato

SCOP (Structural Classification of Proteins) Clases: Proteínas todas alfa (126) Proteínas todas beta (81) Proteínas alfa y beta (a/b) (87) Principalmente hojas plegadas beta paralelas (unidades beta-alfa-beta) proteínas Alfa y beta (a+b) (151) Principalmente hojas plegadas beta antiparalelas (regiones segregadas alpha y beta) Proteínas Multi-dominio (alpha y beta) (21) Pliegues consistentes de uno o más dominios de diferentes clases Proteínas y péptidos de la membrana y la pared celular (10) No incluye a proteínas en el sistema inmune Proteínas pequeñas (44) Generalmente dominadas por ligandos de metal heme, y/o puentes disulfuro Proteínas super enrolladas (4) Estructura de proteínas de baja resolución (4) Péptidos (61) Péptidos y fragmentos Proteínas Diseñadas (17) Estructuras experimentales de proteínas esencialmente con secuencias no-naturales

Los niveles 2, 3 y 4 vienen bajo la sombrilla de ‘estructura terciaria’, pero la estructura terciaria también puede describir como se empacan los dominios. Los niveles 2 y 3 pueden considerarse como constituyentes de la estructura super-secundaria. No todos los dominios de pliegue consisten de ornamentos de estructura super-secundaria; por ejemplo el pliegue de la globina incluye una unidad α-α, pero sus seis hélices restantes no comprenden ningún ornamento clásico de estructura super-secundaria.

Toda-Alfa La Hélice Solitaria: proteínas pequeñas (o péptidos) que consisten de un poco más que una hélice simple. Ejemplo: el glucagon, una hormona involucrada en regular el metabolismo del azúcar en los mamíferos (como lo hace la insulina). Ornamento Hélice-giro-hélice: El arreglo de empacado más simple de un domino de dos hélices es que éstas lo hagan de forma antiparalela, conectadas por un giro corto. eg. La estructura de la pequeña (63 residuos) proteína Rop que se une al ARN, la cual se encuentra en ciertos plásmidos (pequeñas moléculas circulares de ADN de doble cadena que existen en bacterias y levaduras) y que están involucradas en su replicación. Tienen un pequeño giro en su arreglo tri-dimensional

El bulto de Cuatro-Hélices: En muchos casos las hélices son parte de una cadena polipeptídica simple, conectadas entre si por tres vueltas o giros. Sin embargo, la molécula Rop es de hecho un dímero de dos unidades de dos hélices. Las interfases entre las hélices consisten sobre todo de residuos hidrofóbicos mientras que las cadenas laterales polares en la superficie expuesta interactúan con el ambiente acuoso. eg. La Ferritina

Proteína de Membrana : centro de reacción fotosintética. Cinco hélices. Uterologina: una proteína que se une a los esteroides

Topología: Las cuatro hélices pueden ser arregladas en una topología simple de arriba-y-abajo, o en arreglos más complejos.

Los sitios de unión del ligando de estas proteínas ocurren dentro de las hélices alfa:

Citoquinas: Interleuquina-2, Hormona del crecimiento humano, Granulocito-macrófago factor estimulante de colonias (GM-CSF) e Interleuquina-4 Proteína que se une al ADN: engrailed homodominio

Todas-Beta Beta Sándwiches y Barriles Beta : En el plegado de la inmunoglobulina, las cadenas forman dos hojas beta empacadas una junto a la otra, formando un "beta sándwich". El modulo estructural de la inmunoglobulina es uno de los ejemplos mejor conocidos de mezclado y duplicación de exones. Está presente en una amplia variedad de proteínas en la superficie de las células. El plegado consiste de 9 cadenas antiparalelas beta, formando dos hojas plegadas beta en un 'sándwich'. Beta Sándwiches Alineados y Ortogonales.

La proteína intestinal lipocalina que se une a los ácidos grasos

Barrriles Beta: Algunos dominios de hoja plegada beta antiparalela se describen mejor como barriles beta más que como beta sándwiches eg. La Porina: hojas beta en una formación de barril beta hecho de 16 hebras que forman un poro en la membrana de entre 1.7 - 2.5 nm en diámetro.

Topología de las Proteínas Todo-Beta Hojas Plegadas Beta arriba-y-abajo: La topología más simple para una hoja beta antiparalela involucra giros que conectan las hebras adyacentes. La topología de Llave Griega, nombrado en honor a un patrón que fue común en la cerámica Griega, que se muestra a continuación. Tres cadenas arriba-y-abajo conectadas por vueltas de horquilla que son seguidas de una conexión más larga hacia la cuarta cadena, que se ubica de manera adyacente a la primera.

Plastocianina: Gamma-cristalina tiene dos dominios donde cada uno es una cadena de ocho cadenas beta en una estructura de barril beta compuesta de dos Llaves Griegas.

Pliegue enrollado: formado al añadirse un ‘remolino’ extra a la Llave Griega

Proteínas de la Membrana Cada célula está encerrada por una membrana plasmática. Además, el citoplasma de células eucariotas contiene una variedad de organelos, cada uno encerrado por una membrana interna. Todas la membranas son ensambles de moléculas de lípidosy proteínas que se mantienen unidas por interacciones no-covalentes. Los lípidos son anfipáticos , ie estos tienen una ‘cabeza’ hidrofilita polar y una ‘cola’ hidrofóbica no-polar, Por lo tanto estos forman espontáneamente bicapas en disolución acuosa. La membrana es fluida, con moléculas individuales de lípido capaces de difundirse libremente dentro de la bicapa. Por lo tanto se puede considerar como un ‘disolvente bi-dimensional’ para las proteínas. Las proteínas se difunden ente 100 - 100,000 veces más lento que los lípidos. Existen tres tipos principales de lípidos en las membranas: fosfolípidos (los más abundantes), glicolípidos y el colesterol.

La composición de las membranas varía dependiendo de su función. Las membranas plasmáticas de las células animales son aproximadamente 50% proteína in términos de peso. La membrana interna de las mitocondrias, que están involucradas en la transducción de la energía, son alrededor de 75% proteína. Para la mielina, que funciona como un aislante, es aproximadamente 25%. Muchas proteínas de membrana, llamadas glicoproteínas, tienen grupos de carbohidratos unidos covalentemente. En las células de mamífero tales cadenas a menudo están ligadas al grupo amida de la Asparagina. Las cadenas de carbohidrato se encuentran en el lado extracelular de las membranas plasmáticas, y en el lado luminal de las membranas intracelulares alrededor de los organelos. Función de la Membrana: Una membrana no es simplemente una barrera física entre el citoplasma de la célula y su ambiente externo, o entre los diferentes compartimentos de uan célula. Las funciones de las membranas dependen de las proteínas que contienen. Algunas de estas proteínas tienen principalmente un papel estructural, mientras que muchas enzimas están asociadas con las membranas.

Algunas proteínas de la membrana son ligas estructurales entre el citoesqueleto celular y la matriz extracelular. Otras proteínas forman montajes donde se unen las células vecinas en un tejido. Algunas proteínas de membrana transportan selectivamente moléculas especificas y iones dentro y fuera de la célula u organelo. Otras son receptores de señales químicas desde afuera de la célula u organelo. Algunas proteínas catalizan reacciones en membranas especializadas, tales como en la producción de energía a partir de la luz solar, y el acoplado del flujo de electrones en la síntesis de ATP. Categorías de las proteínas de membrana: La manera en la cual una proteína se asocia con una membrana depende de su estructura la que puede ser categorizada como: 1. La proteína esta insertada parcialmente en la membrana. Como en los lípidos es de naturaleza anfipática: tiene un dominio donde los residuos hidrofóbicos están expuestos en la superficie, que están en contacto con la parte interna, hidrofóbica de la bicapa lipídica, y un dominio polar que interactua con el disolvente y con las cabezas polares de los lípidos. Algunas de la proteínas-G, que se unen a los guanosil nucleótidos pertenecen a este grupo. Pocos ejemplos se han encontrado en donde una proteína se encuentra en el lado extracelular de la membrana plasmática, aunque la melitina, una toxina del veneno de las abejas, puede ser una de éstas.

2. Más comúnmente, existe un dominio hidrofílico en cada extremo de la proteína. Un solo dominio hidrofóbico cruza toda la membrana. Los dominios trans- membranales tienden a estar formados de α-hélices, eg. la Glicoforina (en eritrocitos), y muchos otros receptores, tales como los receptores del factor de crecimiento, el receptor de la insulina, etc. 3. Algunas son proteínas periféricas: estas no se insertan en la membrana ya que no tienen una superficie hidrofóbica bien definida. Estas se unen a la membrana principalmente por asociaciones iónicas con las cabezas polares de los fosfolípidos, o con otras proteínas de la membrana. Ejemplos son la profilina, la subunidad F1 de la ATP- sintetasa, y el citocromo c

4. La cadena polipeptídica puede atravesar la membrana varias veces 4. La cadena polipeptídica puede atravesar la membrana varias veces. La proteína puede tener un poro que corre a través de ésta y actúa como un canal transmembranal o como una bomba de iones. Tale proteínas tienen una orientación particular en la membrana: estas son funcionalmente asimétricas. Un ejemplo es la Bacteriorodopsina. 5. Otro tipo de proteína periférica se asocia con la membrana por medio de ligas covalentes a un glicolípido en la bicapa así como con algunas moléculas adhesivas de la súper familia de las inmonuglobulinas, e.g. Thy-1, NCAMV

Las proteínas de la membrana son difíciles de cristalizar. Debido a que ellas tienen superficies hidrofílicas e hidrofóbicas significativas, ellas no son solubles en disoluciones reguladoras acuosas, y se desnaturalizan en disolventes orgánicos. Métodos tales como la Espectroscopia Infra-roja, Espectroscopia Raman y Dicroísmo Circular se usan para deducir su estructura secundaria. Sin embargo, otras técnicas permiten identificar las regiones transmembranales. Una secuencia relativamente larga, ininterrumpida de residuos hidrofóbicos es posible que represente a una estructura que atraviesa la membrana. Un número de residuos hidrofílicos pueden estar en una estructura empacada tal como el centro de reacción fotosintético. Una medición cuantitativa de la hidrofobicidad de una secuencia es requerida. Varias escalas de hidrofobicidad para los amino ácidos basados en, por ejemplo, la energía libre de transferencia de la cadena lateral de un disolvente inorgánico al agua han sido compiladas. Para cada posición i en la secuencia, un índice de hidropátia puede ser calculado como el valor medio de la hidrofobicidad de todos los residuos desde eg i-9 a i+9. Picos agudos en una grafica del índice de hidropátia contra cada residuo representa secuencias que serán inusualmente hidrofóbicas para una proteína soluble y que por lo tanto son fuertes candidatos para ocupar una sección transmembranal. De hecho tales graficas han sido muy útiles en predecir correctamente las secuencias que atraviesan la membrana en estructuras que han sido posteriormente elucidadas por cristalografía de Rayos-X, tales como el centro de reacción fotosintético.

Software Grafico Rasmol, Molmol, ArgusLab Quanta VMD Despliega la estructura Reproduce la trayectoria de la simulación Análisis de la estructura: longitud de unión, ángulo Hace películas Muchos grupos escriben su propio software para tener características especiales: comparación de estructuras, cálculo de la energía, …