Análisis de estructuras

Problemas  No hay diferencias evidentes entre un modelo correcto y uno incorrecto  La utilización de una estructura desde el punto de vista cuantitativo requiere que sea “químicamente correcta”

Objetivos  Valorar si una estructura experimental es suficientemente correcta para ser utilizada como modelo.  Valorar si el modelo construido es correcto.  Comparar varios modelos alternativos.

¿cuál es la situación?  Hasta 1994 el PDB no realizó chequeos automáticos de las estructuras depositadas.  Es difícil incluir herramientas de chequeo durante el refinado.

peligros  Una estructura experimental mal resuelta no puede usarse como modelo.  Puede que sólo una parte de la estructura sea incorrecta  Contactos cristalográficos pueden falsear la estructura

Tipos de herramientas  Formato  Simetría  Geometría  Estructura

Programas de análisis  PROCHECK  WHATCHECK  Suite Biotech  PROSA

Fuentes de la información  300 mejores estructuras depositadas en PDB  Datos geométricos de la base de datos CSD  Datos teóricos (Ramachandran, p. Ej.)

Estadística - WhatCheck  Los criterios de análisis se basan en la estadística realizada sobre estructuras conocidas

Estadística – Valores correctos  -4 < Z – score < 4  RMS – Z =1.0

0 Estadística Z 012-2

Formato  Nomenclatura  Resíduos o átomos no definidos Reconstruir o eliminar del modeloReconstruir o eliminar del modelo  Resíduos o átomos con factor de ocupación pequeño Reconstruir o eliminar del modelo, la estructura puede ser incorrecta.Reconstruir o eliminar del modelo, la estructura puede ser incorrecta.

Simetría  Dimensiones y consistencia de la celda cristalográfica  Número de moléculas en la celda Si hay mas de una podemosSi hay mas de una podemos  Escoger modelos diferentes  Valorar la movilidad de la estructura

Geometría  Quiralidad, planaridad Errores son indicativos de estructuras forzadas o de estructuras realmente mal resueltasErrores son indicativos de estructuras forzadas o de estructuras realmente mal resueltas  Geometría de enlace (distancia, angulo, torsión). Mapas de Ramachandran Indicativo general de la calidad de la estructura. Los errores de geometría son raros.Indicativo general de la calidad de la estructura. Los errores de geometría son raros.

Ramachandran

Parámetros de estructura  Accesibilidad Si la distribución es anómala, indicativo de estructura incorrecta, probablemente debido a un alineamiento incorrecto. Si la distribución es anómala, indicativo de estructura incorrecta, probablemente debido a un alineamiento incorrecto.  Contactos Usuales en estructuras RX. Incorrectos en modelos.Usuales en estructuras RX. Incorrectos en modelos.

Calidad de la estructura  Potenciales empíricos para valorar la consistencia de la secuencia y la estructura Puentes de hidrógenoPuentes de hidrógeno Interacciones electrostáticasInteracciones electrostáticas Empaquetamiento hidrofóbicoEmpaquetamiento hidrofóbico  La única manera útil de “valorar” la calidad de una estructura o modelo

Calidad del empaquetamiento

Otras comprobaciones  Normalidad del backbone  Rotámeros de cadenas laterales Indicativos de soluciones no óptimasIndicativos de soluciones no óptimas  Puentes de hidrógeno Todos los puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas deben estar satisfechosTodos los puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas deben estar satisfechos

Optimización de estructuras  Estimación del contenido energético de una determinada estructura  Optimización de estructuras  Dinámica molecular

Campo de fuerza  Expresión matemática que relaciona la geometría molecular con la energía del sistema LongitudAngulo Torsión Van der Waals y electrostático

Estrategias  Minimización energia Modificación de la estructura para obtener un mínimo de energíaModificación de la estructura para obtener un mínimo de energía  Dinámica molecular Simulación del comportamiento de la molécula durante un cierto intervalo de tiempoSimulación del comportamiento de la molécula durante un cierto intervalo de tiempo  Monte Carlo Generación de estados en base a probabilidad de BoltzmannGeneración de estados en base a probabilidad de Boltzmann

Minimización energía  Utiliza algoritmos de minimización tradicionales  Se obtienen mínimos locales. Es difícil alcanzar (y reconocer) mínimos globales.  Permite refinar errores graves de estructura, posición de cadenas laterales, colisiones,...

Dinámica molecular  Se añade energía al sistema, dando velocidad inicial a los átomos.  El sistema evoluciona libremente siguiendo las leyes clásicas del movimiento. Límites prácticos actuales 10 ns 4 semanas de CPULímites prácticos actuales 10 ns 4 semanas de CPU  El sistema no queda atrapado en mínimos locales, por lo que la optimización es más eficiente.

Dinámica molecular  Si se incluye un número significativo de moléculas de agua explícitas, se puede reproducir su efecto dieléctrico y el efecto hidrofóbico.  Simulated annealing Utiliza alta temperatura para mejorar la exploración del espacio de conformacionesUtiliza alta temperatura para mejorar la exploración del espacio de conformaciones

Dinámica molecular Epot {x i } F i = ∂Epot/∂x i a i = F i /m i v i (t+dt)=v(t) i +a i dt x i (t+dt)=x(t) i +v i dt Trayectoria

NMRMD(water) 5 ns

“Cap” de agua alrededor del centro activo  Esfera de agua de 25 Å de radio  Potencial armónico “anti- fuga” en la pared  Proteína fuera del cap fija

Sistema periódico l Barnasa (pH=7) + contraiones + agua l Periodic Boundary Conditions l NPT (P=1 atm) l AMBER/OPLS