Dinámica Molecular de Proteínas Modelado y Simulación ......20 Jerarquía de estructuras...

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

3

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


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


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

6

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)

7

Aminoácidos - Estructura 3D


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)

8

Aminoácidos - Estructura 3D


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

9


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

10

Aminoácidos – Protonación


[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

11



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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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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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

14



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)


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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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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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

19



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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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

21



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.

22

Modificaciones post-traducción


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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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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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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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. *

26


Dinámica Molecular – UNSAM – 2017 Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6267521

27

Plegamiento de proteínas


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?


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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¿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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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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+-

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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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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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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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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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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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

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