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

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

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

3 Clase 1: Elementos de estructura

4 Estructura de proteínas
Estructura de ácidos nucleicos

5 Estructura de proteínas
Estructura de ácidos nucleicos

6 Secuencia DNA Gens RNA(m) Proteínas

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

10 CONSTITUYENTES ESTRUCTURALES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

11 BASES NITROGENADAS Pirimidinas Purinas

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

13 EL AZUCAR: RIBO: RNA; DEOXY: DNA

14 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.

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

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

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

18 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

19 NUCLEOSIDO (base + azucar)

20 NUCLEOTIDO (base + azucar + fosfato)

21 ENLACE GLICOSIDICO syn anti

22 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.

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

24 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’

25 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

26 Apareamientos canónicos (Watson-Crick)

27 Los apareamientos W.C no son los únicos posibles!

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29 Los apareamientos WC no saturan todas las posibilidades de reconocimientos específicos

30 Apareamiento d(A:T)

31 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

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

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

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35 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

36 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

37 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

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39 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

40 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)

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43 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

44 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

45 Triplexes motivos pirimidina

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

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

49 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.

50 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+

51 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

52 NUCLEOSOMA

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54 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

55 MODELO SOLENOIDE

56 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.

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

58 EL DNA ES DÚCTIL

59 Complejo DNA-UvrB

60 EL DNA ES MOVIL

61 DNA bending Ejemplo de movimiento clave para la función del DNA

62 Estructura de proteínas
Estructura de ácidos nucleicos

63 Secuencia DNA Secuencia Proteína Reconocimiento Molecular Estructura 3D

64 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

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

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

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

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

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

70 El enlace amida define la formación del polímero
+

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

72 ¿son posibles todas las conformaciones?
Diagrama de Ramachandran

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

74 Hélice a

75 Estructuras b (paralelas)

76 Estructuras b (antiparalelas)

77 Estructuras no periódicas giros, lazos

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

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

80 alfa-loop-alfa Unión de metales Unión a DNA

81 alfa-loop-alfa

82 alfa-loop-alfa

83 beta - hairpin

84 beta - hairpin

85 Greek key

86 Greek key Este motivo tiene un plegamiento especialmente favorable

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

88 Agrupaciones todo a

89 Ortogonal b - sandwich

90 b – jelly roll

91 b - barrel Porina

92 a/b barrel

93 a/b doubly wound Rossman fold

94 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

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

97 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

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

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

100 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)

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102 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