M.Orozco J.L.Gelpi M.Rueda J.R.Blas

No a la Guerra Curso Universitat de Barcelona –CESCA Xarxa Catalana Bioinformàtica No a la Guerra Xarxa catalana de Bioinformàtica

Clase 1: Elementos de estructura

Estructura de proteínas Estructura de ácidos nucleicos

Estructura de proteínas Estructura de ácidos nucleicos

Secuencia DNA Gens RNA(m) Proteínas

NIVELES DE ESTRUCTURA Estructura primaria (secuencia) Estructura secundaria (hélices) Estructura terciaria (superhélices,...) Estructura cuaternaria (complejos,...)

CONSTITUYENTES ESTRUCTURALES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

BASES NITROGENADAS Pirimidinas Purinas

LAS BASES POSEEN UNA HUELLA DACTILAR UNICA BASADA EN SU PAUTA DE PUENTES DE HIDROGENO

EL AZUCAR: RIBO: RNA; DEOXY: DNA

Como regla general,... Las bases son responsables de delimitar las propiedades de reconocimiento específico del DNA. El esqueleto de fosforibosa (conformación del azucar, enlaces fosfodiester,...) marcan la flexibilidad conformacional.

El paso entre confórmeros del azucar se da siempre a través de otros especies no planas

CONFORMACION DE LA RIBOSA (PSEUDOROTACION) La transición entre puckerings del azucar se da siguiendo el denominado Círculo Pseudorotacional 360>P>0 para tm constante

La transición C2’endo<->C3’ endo es siempre por O4’endo nunca por O4’exo S<->N por E nunca por W

PUCKERING Las formas más abundantes en nucleósidos son la N (C3’endo) y la S (C2’endo) La forma E (O4’endo) se encuentra a veces, pero nunca la W (O4’exo) Las formas B del DNA presentan puckerings S y en algún caso E. Las formas A del DNA y el RNA presentan siempre puckerings N

NUCLEOSIDO (base + azucar)

NUCLEOTIDO (base + azucar + fosfato)

ENLACE GLICOSIDICO syn anti

ENLACE GLICOSIDICO Normalmente los nucleósidos y nucleótidos están en la conformación anti La Guanosina es el único nucleósido (de los A.N.) con posibilidad de estar en conformación syn Grupos voluminosos en la posición 8 de la purina pueden forzar la conformación syn.

ENLACE C4’-C5’ gauche-gauche trans-gauche gauche-trans

ENLACE C4’-C5’ Las tres conformaciones se detectan La gg parece un poco más estable, pero la diferencia es muy pequeña El puckering del azucar influye mucho en la conformación del enlace C4’-C5’

EL DNA ES EL FRUTO DE LAS INTERACCIONES DE LOS NUCLEOTIDOS Interacciones de puente de hidrógeno. Interacciones de stacking (apilamiento). Screening (apantallamiento de la repulsión fosfato-fosfato) Efecto solvatación del agua y contraiones

Apareamientos canónicos (Watson-Crick)

Los apareamientos W.C no son los únicos posibles!

Los apareamientos WC no saturan todas las posibilidades de reconocimientos específicos

Apareamiento d(A:T)

INTERACCIONES DE STACKING Son interacciones (básicamente de van der Waals) entre anillos aromáticos de las bases nitrogenadas Intensas, pero menos específicas que los ptes de hidrógeno Menos dependientes del solvente que los ptes de hidrógeno Las purina-purina son las más intensas

d(A:T)2 El stacking y el puente de hidrógeno mantienen la estructura de la doble hélice

d(A:T)2 El stacking y el puente de hidrógeno mantienen la estructura de la doble hélice

EL DNA PRESENTA ES UNA HELICE NO PLANA SINO CON PERFILES (SURCOS) LOS SURCOS SON TOTALMENTE DIFERENTES EN EL A- Y EN EL B- DNA

EL DNA PRESENTA ES UNA HELICE NO PLANA SINO CON PERFILES (SURCOS) EN CADA PAR DE BASES SE DEFINEN DOS SURCOS EL MAJOR Y EL MINOR GROOVES GRAN PARTE DE LA REACTIVIDAD ESTA LOCALIZADA EN LOS SURCOS

Diversos fármacos interaccionan específicamente con las bases por el MINOR groove. Muchas proteínas lo hacen por el MAJOR groove. Otros oligonucleótidos pueden hacerlo por el MAJOR groove

LA ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL DNA ES POLIMORFICA Depende de la secuencia Varía con la humedad del medio Cambia con la fuerza iónica Depende de la presencia de drogas Puede ser alterada por la acción de proteínas Ciertas sales pueden hacerla cambiar

La estructura secundaria nativa del DNA es “siempre” helicoidal Dobles hélices (A, B, Z) Triples hélices (d(Pu:Py:Pu); d(Pu:Py:Py)) Cuadruples hélices (motivo G-DNA)

COMO REGLA GENERAL El DNA fisiológico adopta la forma dextrógira B El RNA fisiológico adopta la forma dextrógira A Los híbridos B:A adoptan la forma dextrógira A

TRIPLES HELICES Se forman por una tercera cadena de oligonucleótidos reconoce a un duplex. Los motivos pirimidina (3a cadena poly-Y) son los más conocidos Se pueden formar con DNA, RNA, PNA,... Son estructuras que existen in vivo y pueden tener gran impacto biotecnológico y terapéutico

Triplexes motivos pirimidina

LOS TRIPLEX SE FORMAN AL RECONOCER EL SURCO ANCHO UNA CADENA SIMPLE A UN DNA DUPLEX

ES POSIBLE INFLUIR EN LA FUNCIONALIDAD DEL DNA MEDIANTE LA FORMACION DE ESTRUCTURAS HIBRIDAS DNA(T): ANTI-GENE & DNA-RNA: ANTISENSE

TETRAPLEXES: G-DNA Se forman fundamentalmente en secuencias ricas en poly(G) Claves para la estabilización de los telómeros Una de las dianas más prometedoras en tratamiento antineoplásico.

El G-DNA SE FORMA POR LA INTERACCION EN EL PLANO DE 4 GUANINAS. LA REPETICIÓN DE ESTE MOTIVO DA LUGAR A UNA HELICE TETRACATENARIA DEXTROGIRA EL G-DNA NECESITA PARA SU ESTABILIDAD ELEVADAS CONCENTRACIONES DE NA+ O K+

ESTRUCTURAS ORDEN SUPERIOR El DNA DEBE COMPACTARSE MUCHO EN LA CELULA ESTO DA LUGAR A ESTRUCTURAS DE ORDEN SUPERIOR LA PRIMERA ES EL NUCLEOSOMA, LA ULTIMA EL CROMOSOMA

NUCLEOSOMA

Los nucleosomas se ordenan en superfibras Los nucleosomas forman un rosario que se enrrolla sobre si mismo para dar una superfibra e 30 nm El modelo propuesto es el del solenoide

MODELO SOLENOIDE

Las fibras de nucleosomas definen el CROMOSOMA Niveles de estructura-ción en lazos permiten la formación del cromosoma El cromosoma es el nivel máximo de empaquetamiento del DNA.

PARA REALIZAR SU FUNCIÓN BIOLÓGICA EL DNA DEBE SER CAPAZ DE DISTORSIONARSE: DOBLARSE, DESENROLLARSE, ALARGARSE,...

EL DNA ES DÚCTIL

Complejo DNA-UvrB

EL DNA ES MOVIL

DNA bending Ejemplo de movimiento clave para la función del DNA

Estructura de proteínas Estructura de ácidos nucleicos

Secuencia DNA Secuencia Proteína Reconocimiento Molecular Estructura 3D

Comunicación entre tejidos Catálisis enzimática Comunicación entre tejidos Generación y transmisión del impulso nervioso Transporte y almacenaje Permebilidad de membranas Control crecimiento y diferenciación Movimiento Defensa

Síntesis “fine chemicals” Aditivos de alimentación Transformación alimentos Diagnóstico clínico Tratamiento tejidos Terapia Reactivos laboratorio Aditivos limpieza

NIVELES DE ESTRUCTURA Estructura primaria (secuencia) Estructura secundaria (hélices a, cadena b, giros b, lazos,...) Estructura supersecundaria Dominio estructural Estructura terciaria Estructura cuaternaria

Aminoácidos hidrofóbicos Ala (A) Val (V) Leu (L) Ile (I) Met (M) Trp (W) Phe (F) Pro (P)

Aminoácidos polares neutros Gly (G) Asn (N) Gln (Q) Ser (S) Thr (T) Tyr (Y) Cys (C)

Aminoácidos cargados Arg (R) Lys (K) His (H) Glu (E) Asp (D)

El enlace amida define la formación del polímero +

La estructura secundaria es debida a la ordenación local de residuos contiguos ... ... ... aa1 - aa2 - aa3 - aa4 ... Esto se da por rotación de los enlaces sencillos Y (C-Ca) y F (N-Ca)

¿son posibles todas las conformaciones? Diagrama de Ramachandran

¿son posibles todas las conformaciones? El gráfico de Ramachandran define las estructuras secundarias: repetitivas (hélices o cadenas), y no repetitivas (giros, lazos)

Hélice a

Estructuras b (paralelas)

Estructuras b (antiparalelas)

Estructuras no periódicas giros, lazos

Estructura supersecundaria Agrupaciones sencillas de elementos de estructura secundaria Es un nivel de estructuración local A menudo coincide con el concepto de dominio estructural

Dominio estructural Primer nivel de estructura tridimensional con entidad propia Es la unidad básica de plegamiento Puede contener una o varias estructuras supersecundarias

alfa-loop-alfa Unión de metales Unión a DNA

alfa-loop-alfa

alfa-loop-alfa

beta - hairpin

beta - hairpin

Greek key

Greek key Este motivo tiene un plegamiento especialmente favorable

alfa - beta La hélice se sitúa siempre en el mismo lado de la hoja

Agrupaciones todo a

Ortogonal b - sandwich

b – jelly roll

b - barrel Porina

a/b barrel

a/b doubly wound Rossman fold

Estructura terciaria Nivel de estructuración tridimensional global de las proteínas monoméricas Puede contener uno o varios dominios En unión ligera En unión íntima En disposición abrazada

Estructura cuaternaria Nivel de estructuración tridimensional global de las proteínas oligoméricas Es el resultado de agrupar diversas estructuras terciarias Pueden ser temporales o permanentes

Fuerzas que estabilizan la estructura de las proteínas Términos de enlace deben ser favorables (Mínimos en el mapa de Ramachandran) Puentes de hidrógeno (claves a nivel de estructura secundaria) Puentes disulfuro Puentes salinos Interacciones de van der Waals Efecto hidrofóbico

El número de estructuras terciarias es enorme Pero es posible agruparlas estructuralmente

Proportion of "new folds" (light blue) and "old folds" (orange) for a given year as a number of protein chain.

Jerarquía CATH C: Clase (contenido en estructura secundaria) A: Arquitectura (disposición de los elementos de estructura secundaria) T: Topología (disposición de las conexiones entre elementos) H: Homología (homología estructural) S: Secuencia (homología de secuencia)

SCOP. Estadísticas Class Number of folds Number of superfamilies Number of families All alpha proteins 138 224 337 All beta proteins 93 171 276 Alpha and beta proteins (a/b) 97 167 374 Alpha and beta proteins (a+b) 184 263 391 Multi-domain proteins 28 35 Membrane and cell surface proteins 11 17 Small proteins 54 77 116 Total 605 947 1557