Post on 27-Jan-2016
M.OrozcoJ.L.GelpiM.RuedaJ.R.Blas
Curso Universitat de Barcelona –CESCAXarxa Catalana Bioinformàtica
Xarxa catalana de Bioinformàtica
No a laGuerra
No a laGuerra
Clase 1: Clase 1: Elementos de Elementos de
estructuraestructura
•Estructura de proteínasEstructura de proteínas
•Estructura de ácidos Estructura de ácidos nucleicosnucleicos
•Estructura de proteínasEstructura de proteínas
•Estructura de ácidos Estructura de ácidos nucleicosnucleicos
Secuencia DNA
Gens
RNA(m)
Proteínas
NIVELES DE ESTRUCTURANIVELES DE ESTRUCTURA
• Estructura primaria (secuencia)Estructura primaria (secuencia)
• Estructura secundaria (hélices)Estructura secundaria (hélices)
• Estructura terciaria (superhélices,...)Estructura terciaria (superhélices,...)
• Estructura cuaternaria (complejos,...)Estructura cuaternaria (complejos,...)
CONSTITUYENTES CONSTITUYENTES ESTRUCTURALES DE LOS ESTRUCTURALES DE LOS
ÁCIDOS NUCLEICOSÁCIDOS NUCLEICOS
N
N
N
HH
R
O
N
N
O
R
O
H3 C HN
N
O
R
O
H
CITOSINA TIMINA URACILO
N
NN
N
O
R
H
N
H
H
N
NN
N
N
R
GUANINA ADENINA
H H
Pirimidinas
Purinas
BASES NITROGENADAS
LAS BASES POSEEN UNA HUELLA DACTILAR UNICABASADA EN SU PAUTA DE PUENTES DE HIDROGENO
N3
C2
N1
C6
C5
C4
N4
HH
R
O2
CITOSINA
N1
C2
N3
C4
C5
C6
N9
C8
N7
O6
R
H
N
H
H
GUANINA
EL AZUCAR: RIBO: RNA; DEOXY: DNA
C2'
C3'
O4' C1'
OH
B
OH
C4 '
C5'H2HO
C2'
C3'
O4' C1'
OH
B
C4'
C5'H2HO
RIBOSA 2'deoxy RIBOSA
O4'
C4 '
C3' C2'
C1 '
Base
OHHO
HOH2C O4'
C4'
C3' C2 '
C1'
Base
OH
HOH2C
Como regla general,...Como regla general,...
• Las bases son responsables de Las bases son responsables de delimitar las propiedades de delimitar las propiedades de reconocimiento específico del DNA.reconocimiento específico del DNA.
• El esqueleto de fosforibosa El esqueleto de fosforibosa (conformación del azucar, enlaces (conformación del azucar, enlaces fosfodiester,...) marcan la flexibilidad fosfodiester,...) marcan la flexibilidad conformacional.conformacional.
El paso entre confórmeros del El paso entre confórmeros del azucar se da siempre a azucar se da siempre a través de otros especies no través de otros especies no planasplanas
C1'
C2'
C4' O4 '
HO
B
OH
HOH2C
C3'
C1'endo
C2'
C3'
'O4 C1'
OH
B
OH
C4'
HOH2C
C2'endo
O4'
C1'
C3' C4'
BCH2OH
HO
C2'
HO
O4'exo
CONFORMACION DE LA RIBOSA(PSEUDOROTACION)
La transición entrepuckerings del
azucar se da siguiendoel denominado
Círculo Pseudorotacional
360>P>0para m constante
La transición C2’endo<->C3’ endo es siempre por O4’endonunca por O4’exo
C2 '
C3'
O4' C1'
OH
B
OH
C4'
HOH2C C3'
C4 '
C1' C2 'CH2OH
OH
OH
B
O4'
C2'-endo C3'-endo
O4'
C4 '
C2' C1'
CH2OHB
HO
C3'
HO
HO
O4'
C1 '
C3' C4 'B
HO
CH2OH
C2 '
O4'-endo
O4'-exo
S<->N por Enunca por W
PUCKERINGPUCKERING
• Las formas más abundantes en Las formas más abundantes en nucleósidos son la nucleósidos son la NN (C3’endo) y la (C3’endo) y la SS (C2’endo)(C2’endo)
• La forma E (O4’endo) se encuentra a La forma E (O4’endo) se encuentra a veces, pero nunca la W (O4’exo)veces, pero nunca la W (O4’exo)
• Las formas Las formas BB del DNA presentan del DNA presentan puckerings puckerings SS y en algún caso E. y en algún caso E.
• Las formas Las formas AA del DNA y el RNA presentan del DNA y el RNA presentan siempre puckerings siempre puckerings NN
O4'
C4'
C3' C2'
C1'
OHHO
HOH2C
N
N
N
N
NH2
ADENOSINA
NUCLEOSIDO (base + azucar)
O4'
C4'
C3' C2'
C1'
OHHO
O9P3OH2C
N
N
N
N
NH2
ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP)
NUCLEOTIDO (base + azucar + fosfato)
Para ver esta película, debedisponer de QuickTime™ y deun descompresor TIFF (LZW).
syn anti
ENLACE GLICOSIDICOENLACE GLICOSIDICO
ENLACE GLICOSIDICOENLACE GLICOSIDICO
• Normalmente los nucleósidos y Normalmente los nucleósidos y nucleótidos están en la conformación nucleótidos están en la conformación antianti
• La Guanosina es el único nucleósido (de La Guanosina es el único nucleósido (de los A.N.) con posibilidad de estar en los A.N.) con posibilidad de estar en conformación conformación synsyn
• Grupos voluminosos en la posición 8 de Grupos voluminosos en la posición 8 de la purina pueden forzar la conformación la purina pueden forzar la conformación synsyn..
gauche-gauche trans-gauche gauche-trans
ENLACE C4’-C5’ENLACE C4’-C5’
ENLACE C4’-C5’ENLACE C4’-C5’
• Las tres conformaciones se detectanLas tres conformaciones se detectan
• La gg parece un poco más estable, La gg parece un poco más estable, pero la diferencia es muy pequeñapero la diferencia es muy pequeña
• El puckering del azucar influye El puckering del azucar influye mucho en la conformación del enlace mucho en la conformación del enlace C4’-C5’C4’-C5’
EL DNA ES EL FRUTO DE EL DNA ES EL FRUTO DE LAS INTERACCIONES DE LOS LAS INTERACCIONES DE LOS
NUCLEOTIDOSNUCLEOTIDOS
• Interacciones de puente de hidrógeno.Interacciones de puente de hidrógeno.
• Interacciones de stacking Interacciones de stacking (apilamiento).(apilamiento).
• Screening (apantallamiento de la Screening (apantallamiento de la repulsión fosfato-fosfato)repulsión fosfato-fosfato)
• Efecto solvatación del agua y Efecto solvatación del agua y contraionescontraiones
Apareamientos canónicos Apareamientos canónicos (Watson-Crick)(Watson-Crick)
Los apareamientos W.C no Los apareamientos W.C no son los únicos posibles!son los únicos posibles!
N
NN
N
O
R
NN
N
H
N
H
H
H
H
R
O
N
NN
N
N
R
NN
O
R
O
H
H H
Me
Los apareamientos WC Los apareamientos WC nono saturan todas las saturan todas las
posibilidades posibilidades de reconocimientos de reconocimientos
específicosespecíficos
Apareamiento d(A:T)
INTERACCIONES DE INTERACCIONES DE STACKINGSTACKING
• Son interacciones (básicamente de Son interacciones (básicamente de van der Waals) entre anillos van der Waals) entre anillos aromáticos de las bases nitrogenadasaromáticos de las bases nitrogenadas
• Intensas, pero menos específicas que Intensas, pero menos específicas que los ptes de hidrógenolos ptes de hidrógeno
• Menos dependientes del solvente que Menos dependientes del solvente que los ptes de hidrógenolos ptes de hidrógeno
• Las purina-purina son las más intensasLas purina-purina son las más intensas
d(A:T)2
El stacking y elpuente de hidrógenomantienen la estructurade la doble hélice
El stacking y elpuente de hidrógenomantienen la estructurade la doble hélice
d(A:T)2
EL DNA PRESENTA ES UNA HELICE NO PLANASINO CON PERFILES (SURCOS)
LOS SURCOS SON TOTALMENTE DIFERENTES EN ELA- Y EN EL B- DNA
EN CADAPAR DE BASES
SE DEFINENDOS SURCOS
EL MAJOR YEL MINORGROOVES
EL DNA PRESENTA ES UNA HELICE NO PLANASINO CON PERFILES (SURCOS)
GRAN PARTE DE LA REACTIVIDADESTA LOCALIZADA EN LOS SURCOS
Diversos Diversos fármacosfármacos interaccionan interaccionan específicamente con las específicamente con las bases por el MINOR bases por el MINOR groove. groove. Muchas Muchas proteínasproteínas lo hacen lo hacen por el MAJOR groove.por el MAJOR groove.Otros Otros oligonucleótidosoligonucleótidos pueden hacerlo por el pueden hacerlo por el MAJOR grooveMAJOR groove
LA ESTRUCTURA LA ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL DNA ES SECUNDARIA DEL DNA ES POLIMORFICAPOLIMORFICA• Depende de la secuenciaDepende de la secuencia
• Varía con la humedad del medioVaría con la humedad del medio
• Cambia con la fuerza iónica Cambia con la fuerza iónica
• Depende de la presencia de drogasDepende de la presencia de drogas
• Puede ser alterada por la acción de Puede ser alterada por la acción de proteínasproteínas
• Ciertas sales pueden hacerla cambiarCiertas sales pueden hacerla cambiar
La estructura secundaria La estructura secundaria nativa del DNA es “siempre” nativa del DNA es “siempre” helicoidalhelicoidal
• Dobles hélices (A, B, Z)Dobles hélices (A, B, Z)
• Triples hélices (d(Pu:Py:Pu); Triples hélices (d(Pu:Py:Pu); d(Pu:Py:Py))d(Pu:Py:Py))
• Cuadruples hélices (motivo G-DNA)Cuadruples hélices (motivo G-DNA)
COMO REGLA GENERALCOMO REGLA GENERAL
• El DNA fisiológico adopta la forma El DNA fisiológico adopta la forma dextrógira Bdextrógira B
• El RNA fisiológico adopta la forma El RNA fisiológico adopta la forma dextrógira Adextrógira A
• Los híbridos B:A adoptan la forma Los híbridos B:A adoptan la forma dextrógira Adextrógira A
TRIPLES HELICESTRIPLES HELICES• Se forman por una tercera cadena de Se forman por una tercera cadena de
oligonucleótidos reconoce a un duplex.oligonucleótidos reconoce a un duplex.
• Los motivos pirimidina (3a cadena poly-Y) son los Los motivos pirimidina (3a cadena poly-Y) son los más conocidosmás conocidos
• Se pueden formar con DNA, RNA, PNA,...Se pueden formar con DNA, RNA, PNA,...
• Son estructuras que existen Son estructuras que existen in vivoin vivo y pueden y pueden tener gran impacto biotecnológico y terapéuticotener gran impacto biotecnológico y terapéutico
Triplexes motivos pirimidinaTriplexes motivos pirimidina
LOS TRIPLEX SEFORMAN AL
RECONOCER ELSURCO ANCHOUNA CADENASIMPLE A UNDNA DUPLEX
ES POSIBLE INFLUIR EN LA FUNCIONALIDAD DEL DNA MEDIANTE LA FORMACION DE ESTRUCTURAS HIBRIDAS
DNA(T): ANTI-GENE & DNA-RNA: ANTISENSE
TETRAPLEXES: G-DNATETRAPLEXES: G-DNA
• Se forman fundamentalmente en Se forman fundamentalmente en secuencias ricas en poly(G)secuencias ricas en poly(G)
• Claves para la estabilización de los Claves para la estabilización de los telómerostelómeros
• Una de las dianas más prometedoras Una de las dianas más prometedoras en tratamiento antineoplásico.en tratamiento antineoplásico.
El G-DNA SE FORMA POR LA INTERACCION EN EL PLANODE 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 ESTRUCTURAS ORDEN SUPERIORSUPERIOR
• El DNA DEBE COMPACTARSE MUCHO El DNA DEBE COMPACTARSE MUCHO EN LA CELULAEN LA CELULA
• ESTO DA LUGAR A ESTRUCTURAS DE ESTO DA LUGAR A ESTRUCTURAS DE ORDEN SUPERIORORDEN SUPERIOR
• LA PRIMERA ES EL NUCLEOSOMA, LA LA PRIMERA ES EL NUCLEOSOMA, LA ULTIMA EL CROMOSOMAULTIMA EL CROMOSOMA
NUCLEOSOMANUCLEOSOMA
Los nucleosomas se Los nucleosomas se ordenan en superfibrasordenan en superfibras
• Los nucleosomas Los nucleosomas forman un rosario forman un rosario que se enrrolla que se enrrolla sobre si mismo sobre si mismo para dar una para dar una superfibra e 30 nmsuperfibra e 30 nm
• El modelo El modelo propuesto es el del propuesto es el del solenoidesolenoide
MODELO SOLENOIDEMODELO SOLENOIDE
Las fibras de nucleosomas Las fibras de nucleosomas definen el CROMOSOMAdefinen el CROMOSOMA
• Niveles de Niveles de estructura-ción en estructura-ción en lazos permiten la lazos permiten la formación del formación del cromosomacromosoma
• El cromosoma es el El cromosoma es el nivel máximo de nivel máximo de empaquetamiento empaquetamiento del DNA.del DNA.
PARA REALIZAR SU PARA REALIZAR SU FUNCIÓN BIOLÓGICA EL FUNCIÓN BIOLÓGICA EL
DNA DEBE SER CAPAZ DE DNA DEBE SER CAPAZ DE DISTORSIONARSE: DISTORSIONARSE:
DOBLARSE, DOBLARSE, DESENROLLARSE, DESENROLLARSE,
ALARGARSE,... ALARGARSE,...
EL DNA ES DÚCTILEL DNA ES DÚCTIL
Complejo DNA-UvrB
EL DNA ES MOVILEL DNA ES MOVIL
DNA bending
Ejemplo demovimiento clave
para la funcióndel DNA
•Estructura de proteínasEstructura de proteínas
•Estructura de ácidos Estructura de ácidos nucleicosnucleicos
Secuencia DNA Secuencia Proteína
Estructura 3DReconocimiento Molecular
Catálisis enzimática
Comunicación entre tejidos
Generación y transmisión del impulso
nervioso
Permebilidad de membranas
Control crecimiento y diferenciación
DefensaMovimiento
Transporte y almacenaje
Síntesis “fine chemicals”
Aditivos de alimentación
Transformación alimentos
Tratamiento tejidos
Aditivos limpieza
Reactivos laboratorioTerapia
Diagnóstico clínico
NIVELES DE ESTRUCTURANIVELES DE ESTRUCTURA
• Estructura primaria (secuencia)Estructura primaria (secuencia)
• Estructura secundaria (hélices Estructura secundaria (hélices , , cadena cadena , giros , giros , lazos,...), lazos,...)
• Estructura supersecundariaEstructura supersecundaria
• Dominio estructuralDominio estructural
• Estructura terciariaEstructura terciaria
• Estructura cuaternariaEstructura cuaternaria
NH3+O
O
NH3+O
O
NH3+O
S
O
NH3+O
O
NH2+O
ONH3+O
NH
O
NH3+O
O
NH3+O
O
Ala (A) Val (V) Leu (L) Ile (I)
Met (M) Trp (W) Phe (F) Pro (P)
Aminoácidos hidrofóbicosAminoácidos hidrofóbicos
NH3+O
ONH2
O
NH3+O
O
NH2
O
NH3+O
SH
O
NH3+O
O
NH3+
OH
O
NH3+
OH
O
ONH3+
O
OH
O
Gly (G) Asn (N) Gln (Q)
Ser (S) Thr (T) Tyr (Y)
Cys (C)
Aminoácidos polares neutrosAminoácidos polares neutros
NH3+O
NH
H2NNH2
O
NH3+O
OO
O
NH3+O
O
O
O
NH2
O
NH3+
O
NH3+O
NH
NH+
O
Arg (R) Lys (K) His (H)
Glu (E) Asp (D)
Aminoácidos cargadosAminoácidos cargados
NH3+ O
R2
O
NH3+ O
R1
O
NH3+
R1
O
NH
R2
O
O
+
El enlace amida define la formación del polímero
NH
R1
O
NH
R2
O
NH
O
R3NH
R4
O
......
... aa1 - aa2 - aa3 - aa4 ...
La estructura secundaria es debida a la ordenación local de residuos contiguos
Esto se da por rotación de los enlacessencillos (C-C) y (N-C)
¿son posibles todas las ¿son posibles todas las conformaciones?conformaciones?
Diagrama deRamachandran
¿son posibles todas las ¿son posibles todas las conformaciones?conformaciones?
El gráfico de Ramachandran define las estructuras secundarias: repetitivas (hélices o cadenas), y no repetitivas (giros, lazos)
Hélice Hélice
Estructuras Estructuras paralelasparalelas
Estructuras Estructuras antiparalelasantiparalelas
Estructuras no periódicasEstructuras no periódicasgiros, lazosgiros, lazos
Estructura supersecundariaEstructura supersecundaria
• Agrupaciones sencillas de elementos Agrupaciones sencillas de elementos de estructura secundariade estructura secundaria
• Es un nivel de estructuración localEs un nivel de estructuración local
• A menudo coincide con el concepto A menudo coincide con el concepto de dominio estructuralde dominio estructural
Dominio estructuralDominio estructural
• Primer nivel de estructura Primer nivel de estructura tridimensional con entidad propiatridimensional con entidad propia
• Es la unidad básica de plegamientoEs la unidad básica de plegamiento
• Puede contener una o varias Puede contener una o varias estructuras supersecundariasestructuras supersecundarias
alfa-loop-alfaalfa-loop-alfa
• Unión de Unión de metalesmetales
• Unión a DNAUnión a DNA
alfa-loop-alfaalfa-loop-alfa
beta - hairpinbeta - hairpin
beta - hairpinbeta - hairpin
Greek keyGreek key
Greek keyGreek key
Este motivo tiene un plegamiento especialmente favorable
alfa - betaalfa - beta
La hélice se sitúa siempre en el mismo lado de la hoja
Agrupaciones todo Agrupaciones todo
– – jelly rolljelly roll
barrelbarrel
doubly wounddoubly woundRossman foldRossman fold
Estructura terciariaEstructura terciaria
• Nivel de estructuración tridimensional Nivel de estructuración tridimensional global de las proteínas monoméricasglobal de las proteínas monoméricas
• Puede contener uno o varios dominiosPuede contener uno o varios dominios•En unión ligeraEn unión ligera
•En unión íntimaEn unión íntima
•En disposición abrazadaEn disposición abrazada
Estructura cuaternariaEstructura cuaternaria
• Nivel de estructuración tridimensional Nivel de estructuración tridimensional global de las proteínas oligoméricasglobal de las proteínas oligoméricas
• Es el resultado de agrupar diversas Es el resultado de agrupar diversas estructuras terciariasestructuras terciarias
• Pueden ser temporales o permanentesPueden ser temporales o permanentes
Fuerzas que estabilizan la Fuerzas que estabilizan la estructura de las proteínasestructura de las proteínas
• Términos de enlace deben ser Términos de enlace deben ser favorables (Mínimos en el mapa de favorables (Mínimos en el mapa de Ramachandran)Ramachandran)
• Puentes de hidrógeno (claves a nivel de Puentes de hidrógeno (claves a nivel de estructura secundaria)estructura secundaria)
• Puentes disulfuroPuentes disulfuro• Puentes salinosPuentes salinos• Interacciones de van der WaalsInteracciones de van der Waals• Efecto hidrofóbicoEfecto hidrofóbico
El número de estructuras El número de estructuras terciarias es enormeterciarias es enorme
Pero es posible agruparlas Pero es posible agruparlas estructuralmenteestructuralmente
Proportion of "new folds" (light blue) and "old folds" (orange) for a given year as a number of protein chain.
Jerarquía CATHJerarquía CATH
• C: ClaseC: Clase (contenido en estructura (contenido en estructura secundaria)secundaria)
• A: ArquitecturaA: Arquitectura (disposición de los (disposición de los elementos de estructura secundaria)elementos de estructura secundaria)
• T: TopologíaT: Topología (disposición de las (disposición de las conexiones entre elementos)conexiones entre elementos)
• H: HomologíaH: Homología (homología estructural) (homología estructural)• S: SecuenciaS: Secuencia (homología de secuencia) (homología de secuencia)
ClassNumber 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 28 35
Membrane and cell surface proteins
11 17 28
Small proteins 54 77 116
Total 605 947 1557
SCOP. EstadísticasSCOP. Estadísticas