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Dinámica Molecular de ProteínasDinámica Molecular de ProteínasModelado y Simulación ComputacionalModelado y Simulación Computacional
Profesores: Eliana K. Asciutto & Ignacio J. General2do cuatrimestre 2017
Escuela de Ciencia y TecnologíaUNSAM
Dinámica Molecular de ProteínasDinámica Molecular de ProteínasModelado y Simulación ComputacionalModelado y Simulación Computacional
Introducción al modelado de proteínasIntroducción al modelado de proteínas
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Aminoácidos
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Cα C
O
O
N
H
H
H
R
Cα C
O
N
H
H
H
R
Cα C
O
O
N
H H
R
Enlace peptídico
Cadena lateral (side chain)
Esqueleto (backbone)
H
Grupo amino Grupo carboxilo
P + P PP + H2O
Proteínas --> polímeros de 20 aminoácidos naturales
Terminal N o amino
Terminal C o carboxilo
Unión peptídica:
4
Aminoácidos
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
C
O
N
H
El enlace peptídico es un enlace parcialmente doble (híbrido de resonancia)
C N
H
..
..
..O
......
+1
-1
C N
O
H
C N
O
HVisto de arriba de costado
sp2
pz
Unión σUnión σ
Unión πUnión π
C:sp2 N:sp3 C:sp2 N:sp2
C y N en sp2:
5
Aminoácidos
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Como consecuencia del (parcial) doble enlace peptídico: ● El enlace peptídico es plano y rígidoEl enlace peptídico es plano y rígido
● Longitud C-N mayor que enlace simple:Longitud C-N mayor que enlace simple: 1,33 1,33 Å > Å > 1,27 1,27 Å Å ● Longitud C-N menor que enlace doble: Longitud C-N menor que enlace doble: 1,33 1,33 Å < Å < 1,45 1,45 ÅÅ (~40% enlace doble)(~40% enlace doble)
● Longitud C-O mayor que un carbonilo típicoLongitud C-O mayor que un carbonilo típico
O
H
R
Cα
N
H
H
R
Cα
C
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By Dan Cojocari · · [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or ✉ ✍GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
Cargados
Neutros, polares Otros
Hidrofóbicos
(family vw)
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Aminoácidos - Estructura 3D
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
C
N
Cα
Cφφ: CNC
αC
ψ: NCαCN
ω: CαCNC
α
Ángulos diedros del esqueleto:
NN
Cα
C
ψ
N
Cα
Cα
C
ω
χ1: NC
αC
βC
γ
χ2: C
αC
βC
γC
δ
...
Ángulos diedros de las cadenas laterales:
Cα C
O
O
N
Cβ
Cγ
χ1
casi siempre ~ 1800 (trans),excepto en Pro ~ 0 (cis)
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Aminoácidos - Estructura 3D
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Ángulos diedros del esqueleto:
Biochemistry. 7Th edition ©2012 W. H. Freeman and Company
N
Cα C
α
C
ω=180° (trans)
NC
α Cα
Cω
ω
ω
Trans es usualmente más estable: repulsión estéricarepulsión estérica entre cadenas lateralesEl ΔE(trans-cis) es mucho mayor para Pro ==> tarda mucho en pasar a trans
Una proteína con Pro en cis retarda mucho su plegamiento, exhibiendo dos velocidades de plegamiento
E
ω=0° (cis)
cis trans cis trans
No Prolina Prolina
0.4
" 0.1
"
ΔEpro
ΔEno-pro
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Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Dado el volumen que ocupan los grupos R, el fenómeno de choques estéricos y la tendencia de las cadenas laterales a interactuar, es de esperar que exista un sesgo en φ y ψ.
By Dcrjsr (Own work) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons
Todos los aa, excepto Pro y Gly
Pro (muy rígido) Gly (muy flexible)
Gráficos de RamachandranAminoácidos - Estructura 3D
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Aminoácidos – Protonación
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
[H+]agua
= 10-7 → pHagua
= 7
pH=−log10 [H+] Mide la concentración de H+ en solución
(en mol/L)
jugo de limón
jabón
sangre
1
5
9
13
café
ácido estomacal
destapa caños
pH
ácidoácido
básicobásico
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Aminoácidos – Protonación
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
HA⇔H++ A−
Reacción de deprotonación
K=[H+
][ A−]
[HA ]
pK a=−log K
Constante de equilibrio
Mide la relación entre reactivo y producto
Si pKa= pH: −log
[H +][ A−
]
[HA ]=−log [H+
] ⇒ [ A−]=[HA ]
Si pKa= pH+1:−log[H+
][ A−]
[HA ]=−log [H+
]+log 10=−log[H+
]
10
⇒ [ A−]=
[HA ]
10o [HA ]=10 [ A−
]
Si pKa= pH-1:⋯ ⇒ [HA ]=[ A−
]/10
o [H+]=[HA ]
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Aminoácidos – Protonación
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Entonces:
pKa = pH pKa = pH → → → la mitad del aa está deprotonado→ la mitad del aa está deprotonado
pKa > pHpKa > pH → → → el aa está mayormente protonado→ el aa está mayormente protonado
pKa < pH pKa < pH → → → el aa está mayormente deprotonado→ el aa está mayormente deprotonado
[HA ]=10 [H +]
[HA ]=[H+]/10
[H+]=[HA ]
Cuanto más alto el Cuanto más alto el pKapKa, más protonado está el aa, más protonado está el aa
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Aminoácidos – Protonación
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Ejemplo) Histidina
Cα C
O
ON
H
H
H
HC
C C
N HC
NH +
H+
Cα C
O
ON
H
H
H
C
H+
–
Cα C
O
ON
H
H
H
C
H+
Cα C
O
ON
H
H
H
C––
A BC D
pKaamino = 9.2
pKacarboxilo = 1.8
pKalateral = 6.0
¿Qué estructura tendrá?
pH < 1.8: A1.8 < pH < 6.0: B6.0 < pH < 9.2: C9.2 < pH : D
A medida que el pH aumenta (el solvente “quiere” más [H+]), HIS dona sus H.
C C
NNH
C
C C
N HC
NH +
C C
NNH
C
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Aminoácidos – Protonación
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Punto isoeléctrico (PI):Punto isoeléctrico (PI):
Es el pH al cual la molécula tiene carga eléctrica nula.Se puede calcular como el promedio de los pKa alrededor del caso neutral.
Para el HIS: PI = (6.0+9.2)/2 = 7.6
pH > PI molécula con carga negativapH < PI molécula con carga positiva
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Jerarquía de estructuras proteicas
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017 By LadyofHats [Public domain], via Wikimedia Commons
Estructura primaria: secuencia de aminoácidos (enlace peptídico)
Estructura secundaria: ligamiento entre partes de la secuencia → hélices, hojas beta, etc. (puentes H)
Estructura terciaria: ordenamiento espacial de la proteína entera (puentes H, hidrofobicidad)
Estructura cuaternaria: Unión de subunidades (interacciones no covalentes)
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Jerarquía de estructuras proteicas(Interacciones moleculares)
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Interacción Interacción Causa Causa EnergíaEnergía(kcal/mol) (kcal/mol) Ejemplo Ejemplo
Pauli Repulsión de corta distancia entre átomos
Covalente 2 átomos comparten 2 e- 50-150 Hδ+—Oδ-—Hδ+
Puente H Átomo electronegativo comparte un H con otro átomo electronegativo 5 Oδ-—Hδ+---Oδ-
Oδ-—Hδ+---Nδ-
Iónica Átomo cede e-, átomo acepta e-: atracción electrostática
4-7 Na+ Cl-
VDW Polarización eléctrica mutua 0.2-0.5
Coulomb Electrostática apantallada por la solución
Electronegatividad:H 2.20N 3.04O 3.44F 3.98
HH
δ-
HH
δ+
δ-
Puente de Hidrógeno
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Jerarquía de estructuras proteicas
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Alfa, beta, giro:Alfa, beta, giro:
By CNX OpenStax [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)], via Wikimedia Commons
Giro β
Hélice α
Lámina β
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Jerarquía de estructuras proteicas
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Hélice alfa: Hélice alfa:
● Puentes H entre O de un aa en la posición i y NH del aa en la posición i+4
● Paso de la hélice ~ 5.4 Å● Pro y Gly la desestabilizan
Puente H
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Jerarquía de estructuras proteicas
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Lámina beta:Lámina beta:
● Esqueleto en zig-zag● Cadenas adyacentes (// o anti-//) formando una lamina● Cadenas estabilizadas por puentes H
Puentes H
2 cadenas paralelas
2 cadenas anti-paralelas
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Jerarquía de estructuras proteicas
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Giro beta:Giro beta:
● Puentes H entre O de un aa en la posición i y NH del aa en la posición i+3
● Cambia la dirección de la cadena● Conecta hélices/láminas● Pro y Gly lo estabilizan (Pro favorece el giro, Gly lo permite por
no tener cadena lateral que interfiera con una cadena vecina)
C
C
N
C
HN C
C
N
C
H
H H
O
HO
H
O
H
ß turn: Type I ß turn: Type II
C
C
N
C C NH
C
C
N
CH
O H
OH
O H
H
H
By Muskid (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
Puente H
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Jerarquía de estructuras proteicas
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Frecuencias relativas de aa en estructuras secundariasFrecuencias relativas de aa en estructuras secundarias
"Biochemistry" 2nd ed. Garrett, R.H. and Grisham, C.M. Saunders College Publishing. 1999.
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Modificaciones post-traducción
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Glucosilación:Glucosilación:● Es la reacción por la cual un carbohidrato (azúcar donante) es
adicionado a un grupo funcional de una proteína (aceptor), en forma covalente.
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Modificaciones post-traducción
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Fosforilación:Fosforilación:● Es el proceso por el cual un grupo fosfato (PO4) es agregado a
una proteína, en forma covalente. ● Los aminoácidos usualmente fosforilados (defosforilados), por
acción de una quinasa (fosfatasa), son SER, THR, TYR y HIS. ● El ejemplo más importante en biología es la fosforilación del
ADP para producir ATP.
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Modificaciones post-traducción
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Acetilación:Acetilación:● Es el proceso por el cual un grupo acetilo (CH3CO) es
agregado a una proteína, en forma covalente. ● Las proteínas son típicamente acetiladas en las Lisinas. ● Las enzimas que catalizan estos procesos son:
acetiltransferasa y deacetilasa.
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Modificaciones post-traducción
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Enlace (puente) disulfuro:Enlace (puente) disulfuro:● Son enlaces formados entre dos átomos de azufre. ● En las proteínas estos enlaces se forman entre los grupos tiol
de las Cisteinas (no así entre los S de las Metioninas).● La estructura del enlace disulfuro se puede describir por su
ángulo diedro χss entre átomos Cβ–S–S–Cβ, que usualmente se aproxima a ±90°.
● De Jü - Trabajo propio, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24825672
Ejemplo de enlace SS en una proteína. Importantes para determinar la estructura terciaria de la proteína. *
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Modificaciones post-traducción
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017 Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6267521
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Plegamiento de proteínas
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Plegamiento de proteínas:Plegamiento de proteínas:● Es el proceso que le da una forma especifica a una serie de aa
sin forma inicial (cadena→hélice). Se dice que la proteína llega a su estado nativoestado nativo, su conformación más estable.
● Dicho proceso puede ser ayudado por moléculas chaperonaschaperonas
Desnaturalización de proteínas:Desnaturalización de proteínas:● Es el proceso por el cual la proteína en estado nativo pierde su
forma definida.● Generalmente la estructura es fundamental para la función
→desnaturalizacióndesnaturalización = pérdida de función● Se puede producir por cambios de T, ataque químico
(detergentes, sales, ácidos), ataque mecánico (agitación), etc.
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Recordar que la estabilidad de un sistema físico a presión (volumen) constante viene dado por su energía libre de Gibbs (Helmholtz):
ΔG=Δ H−T Δ S
El sistema tenderá a:minimizar su entalpía minimizar su entalpía (energía)(energía) y maximizar su entropía
aumentar el desordenaumentar el desorden
(Δ F=Δ E−T Δ S)
Estas dos características tienden a compensarse
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
¿Y qué determina los términos entálpico y entrópico?
ΔG = ΔH – T ΔS
Término Entálpico Entálpico : ● Cambios en ligamiento
● Interacciones de Coulomb● Puentes de Hidrógeno● van der Waals
Término EntrópicoEntrópico:● Cambios en la estructura del solvente y los iones
● Cambios roto-traslacionales● Representa el número de grados de libertad
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017 By Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com) - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=28353539
estado nativo
Espacio configuracional
desnaturalizada
glóbulo fundido
Energíalibre
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
+-
2) Grupos atómicos no-polares→hidrofóbicosLas aguas no se ven atraídas al grupo, quedando con > E > E y > S > S..
1) Grupos atómicos polares→hidrofílicos Las aguas (polares) apuntan al grupo y se acercan, quedando con < E < E y < S < S.
Fuerzas hidrofílicashidrofílicas vs hidrofóbicashidrofóbicas (amor vs miedo al agua)
El efecto 1) resulta ser más fuerte:las moléculas polares tenderán a unirse al agualas moléculas polares tenderán a unirse al agua.
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Ej) Sub-unidad de CaMKII
¿Por qué CaMKII no está más extendida?
1) Como dijimos, los aa h-fi estarán afuera, los h-fo adentro.2) Comparemos las posibilidades compacta y extendida:
núcleo h-fo
Las aguas son atraídas a la superficie h-fi→E y S
decrecen (más orden)
1) La parte h-fi ocupa mayor área →entran más aguas→S
decrece aun más
2) Una parte h-fo queda expuesta→mayor E de interacción con el agua.
superf. h-fi
Caso globular: baja E y S. Caso extendido: baja más S (más aguas ordenadas) e incrementa E (aguas en contacto con grupos h-fo).
El caso globular tiene < energía libreEl caso globular tiene < energía libre
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Entonces, es más favorable una proteína h-fo globular (plegada) que una extendida. Pero, ¿es favorable diluir una proteína (o un grupo h-fo)? ¿O la proteína preferiría no encontrarse en agua?
Datos experimentales* de disolución de cadena h-fo (butanol, pentanol):
*Atkins, Physical Chemistry for Life Sciences.
ΔG0(kJ/mol) ΔH0(kJ/mol) ΔS0(J/mol.K)
CH3CH
2CH
2CH
2OH -10 +9 +65
CH3CH
2CH
2CH
2CH
2OH -13 +8 +72
Las cadenas hidrofóbicas largas se disuelven más fácilmente.
¿Por qué?¿Por qué?
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
puente de H (OHO)
El agua naturalmente tiene estructura, debido a los puentes H.La proteína rompe parcialmente esa estructura → incrementaincrementa SS..
mayor desorden (mayor desorden (>S>S))menor desorden (menor desorden (<S<S))
En cuanto al término energético, notar que en ambos casos puede haber puentes H, por lo que, tal vez, E sea la misma en ambos casos, y S sea el factor dominante.
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Preguntas: Usando estos conceptos,
1) Mutar un aminoácido de alguna proteína a glicina, ¿debería favorecer su plegamiento (P) o su desnaturalización (D)?
2) Incluir enlaces disulfuro en una proteína, ¿debería favorecer su plegamiento (P) o su desnaturalización (D)?
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¿Por qué se pliegan las proteínas?
Dinámica Molecular – UNSAM – 2017
Preguntas: Usando estos conceptos,
1) Mutar un aminoácido de alguna proteína a glicina, ¿debería favorecer su plegamiento (P) o su desnaturalización (D)?
El gráfico de Ramachandran de la glicina muestra que es muy flexible. En una zona interna de una proteína P no va a poder moverse, debido a las restricciones del empaquetado. Pero en una proteína D, si va a poder hacerlo, aumentando su S→→favorece al estado Dfavorece al estado D
2) Incluir enlaces disulfuro en una proteína, ¿debería favorecer su plegamiento (P) o su desnaturalización (D)?
Los enlaces ponen restricciones al movimiento de la proteína, tanto en el caso P como D. Pero el estado P ya está restringido por el empaquetamiento. Por eso, es el estado D el que pierde más entropía→→favorece al estado Pfavorece al estado P