“HERRAMIENTAS BIOINFORMÁTICAS EN EL ESTUDIO TERMODINÁMICO SOBRE LA ESPECIFICIDAD DE LAS TOXINAS...

7/23/2019 HERRAMIENTAS BIOINFORMTICAS EN EL ESTUDIO TERMODINMICO SOBRE LA ESPECIFICIDAD DE LAS TOXINAS Cr

1/147

UNIVERSIDAD CATOLICA SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS FARMACETICAS, BIOQUMICAS YBIOTECNOLGICAS

PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERA BIOTECNOLGICA

HERRAMIENTAS BIOINFORMTICAS EN EL ESTUDIO

TERMODINMICO SOBRE LA ESPECIFICIDAD DE LAS TOXINAS

Cry1Aa Y Cry4Ba DE Bacillus thuringiensis COMO AGENTES

ENTOMOPATGENOS

AREQUIPA PER

2011

Tesis presentada por el Bachiller:

RAL ORLANDO HERENCIA

MONTESINOS

Para optar el Ttulo Proesional de

INGENIERO BIOTECNLOGO

Asesor: !r" Badhin Gmez Valdez# Ph!"


2/147

Algo he aprendido en mi larga vida: que toda

nuestra ciencia, contrastada con la realidad, es

primitiva y pueril; y, sin embargo, es lo ms valioso

que tenemos A.E.

Agradecimientos:

A Dios y a la irgen de la Estrella, a mi

pap !ulo, mam "ita, pap "a#l, mam Ely

y hermanita $ily por ser mi apoyo, mi

%uer&a, mis gu'as y mi ra&(n de alegr'a.

A mis t'os: Edgar, )uan y *arlos por sus

palabras de aliento.

Al Dr. +adhin (me& por los sabios conse-os

y valiosa colaboraci(n en el presente

raba-o de /nvestigaci(n.

A *laudia, por tu compa0'a y cari0o

A los chicos del laboratorio de


3/147

ndice

ndice

I

ndice de Fig!"# IV

ndice de T"$%"# VIII

G%"!i& I'

Re#(en '

A$#)!"c) 'I

*+ In)!&dccin *

O$-e)i. /

1"0"1" $%&eti'o (eneral" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ))))))" *

1"0"2" $%&eti'os Especicos" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " )))))"" *

0i1)e#i# 2

3+ M"!c& Te!ic& 4

2"1" Biopesticidas" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ))))))))" +

I


4/147

NDICE

2"2"

2"*"

2","

/+ Me)&d&%&g5" 6 De)"%%e# C&(1)"ci&n"%e# /7

*"1" E-uipos . /otare" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ))))))"" *,

*"2" Eleccin de las estructuras usadas en las siulaciones" " " " " " " " )) *3

*"*" 4onstruccin de una to5ina odiicada: 4r.16os-" " " " " " " " " ))"" *+

*"," $ptii7acin de la 8eoetra" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ))))) *9

*"3" !inica 6olecular de estructuras terciarias" " " " " " " " " " " " " ))) *;

*"+" Docking de estructuras terciarias" " " " " " " " " " " " " " " " " " " ))))) *"d"# *33

C+ D") de %" Si(%"cin *37

D+ Re#%)"d QUESC *3?


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ndice de Fig!"#

2"1" >ilo8raa de identidades entre las secuencias 4r." " " " " " " " " " )))" 10

2"2" 6odo de accin de las to5inas 4r." " " " " " " " " " " " " " " " " " )))))"" 11

2"*" Estructura terciaria de la to5ina 4r.1Aa" " " " " " " " " " " " " ))))""" " "" 12

2"," 4r.1Aa . sus doinios" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ))))))) 1*

2"3" Estructura terciaria de la to5ina 4r.,Ba" " " " " " " " " " " " " " " ))))) 13

2"+" 4r.,Ba . sus doinios" " " " " ))" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 13

2"9" >uncinx2 @ 2y2"" " " " " " " ))) " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 1A/TA de 4r.1Aa . 4r.,Ba " " " " )"" ,+

,"3" /ecuencia >A/TA de 4r.16os-" " " " " " " "))) " " " " " " " " " " " ,9

,"+" To5inas 4r. . sus respecti'os taaos de loops" " " " " " " " " " " " " ,;

,"9" Esta%ilidad Ener8?tica 4r.1Aa" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 30

,";" Esta%ilidad Estructural 4r.1Aa" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 31

,"


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NDICE DE FIG!A" C

,"10" Esta%ilidad Estructural 4r.,Ba " " " " " " " " " )))" " " " " " " " " " " 3*

,"11" Esta%ilidad Ener8?tica4r.16os- " " " " " " " ))" " " " " " " " " " " " 3,

,"12" Esta%ilidad Estructural 4r.16os-" " " " " " " )))"" " " " " " " " " " " 33

,"1*" Esta%ilidad Ener8?tica de AP= deManduca sexta " " " " " " " " " " " 3+

,"1," Esta%ilidad Estructural de AP= deManduca sexta" " " " " " " " " " " 39

,"13" Esta%ilidad Ener8?tica de AP= deAedes aegypti. " " " " " " " " " " " 3;

,"1+" Esta%ilidad Estructural de AP= deAedes aegypti" " " " " " " " " " " " 3inalente# la especiicidad de las To5inas 4r. de Bacillus thuringiensis# no

in'olucrara solo a las protenas Ainopeptidasa =# pero estas si &u8aran un papel

iportante de%ido a -ue presentan 'arios sitios acti'os de interaccin"


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A$#)!"c)

In the present orD o in'esti8ation the interaction To5in F Bondin8 Protein as

siulated# ith the purpose o o%tainin8 a %etter understandin8 o the speciicit. o

To5ins 4r.1Aa and 4r.,Ba oBacillus thuringiensis"

>or that purpose# there ere reali7ed siulations o 6olecular !.naics or si5

s.stes o interaction usin8 three to5ins 4r. H4r.1Aa# 4r.,Ba and 4r.16os- and

the possi%le %indin8 protein Ainopeptidase = o Manduca sexta and

Ainopeptidase = o Aedes aegypti" Ater reali7ed a siulation o M&%ec%"!

D6n"(ic# or the i'e proteins %eore entioned and the si5 s.stes o interaction

To5in F Bindin8 Protein# there as o%tained the inoration o Interaction Ener8.Kro hich there as o%tained the Internal Ener8. HL# Entrop. HL" and

elholt7 >ree ener8. HLA" Ater that# or the si5 descri%ed interactions it as

o%tained LA e-uall. to 0 and or the interactions that in'ol'e the Ainopeptidasa =

oManduca sixth# the therod.naic paraeters %eore entioned indicate that the

reactions ere e5otheric and stretch to the order" In the case o the interactions

related to the Ainopeptidasa = oAedes aegypti# the reactions ere endotheric

and the. tend to the disorder"

>inall.# the speciicit. o the To5ins 4r. o Bacillus thuringiensis# ould not in'ol'e

onl. to the proteins Ainopeptidasa =# %ut these ould pla. an iportant orD due

to the act that the. present se'eral acti'es sites o interaction"


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1

C"15)%& *

In)!&dccin

/i teneos en cuenta la tendencia hacia la conser'acin del edio a%iente . el

potencial peli8ro para la salud huana -ue uchos insecticidas con'encionales

causan# se ha 8enerado una deanda de %ioinsecticidas# la cual se ha increentado

notoriaF ente por todo el undo" Jos %ioinsecticidas orecen 'arias 'enta&as so%re

los insecticidas tradicionales# undaentalente en la dierencia del tiepo de 'ida

edia en el a%iente H3


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2

%acteria (rapositi'a# aero%ia estricta# -ue durante su ciclo de 'ida presenta dos

ases principales: creciiento 'e8etati'o# donde las %acterias se duplican por

%iparticin# . esporulacin" Bacillus thuringiensis es considerada una %acteria

u%icua# .a -ue se ha aislado en dierentes partes del undo . en u. di'ersos

ecosisteasK coo suelos# a8uas# ho&as de plantas# insectos uertos# telaraas# etc"

Al Bacillus thuringiensis# se le caracteri7a por producir un cuerpo paraesporal

conocido coo cristal durante su ase de esporulacin# el cual es de naturale7a

proteica . tienes propiedades insecticidas" El cristal proteico est constituido por

protenas denoinadas *endoto5inas ta%i?n conocidas coo protenas Cry 4.t"

/e han encontrado *Fendoto5inas acti'as contra insectos lepidpteros Hariposas#colepteros Hescara%a&os# dpteros Hos-uitos# hienpteros Hhori8as# caros .

ta%i?n contra otros in'erte%rados coo neatodos# 8usanos planos . proto7oarios"

Un increento en el epleo de pesticidas en %ase a to5inas de Bacillus thuringiensis

so%re insectos pla8as# depende del pro8reso de 'arias reas" Resultados recientes

indican -ue se estn o%teniendo a'ances en la coprensin de la re8ulacin de

to5inas Bt enBacillus thuringiensis . su aplicacin de estos conociientos para el

desarrollo de nue'as to5inas"

Ja %s-ueda de nue'as to5inas si8uen pro8resando# . hasta ahora# los

descu%riientos han proporcionado la di'ersidad suiciente para encontrar el desao

de las dierentes resistencias -ue se encuentran en el capoK nue'os descu%riientos

ta%i?n son acti'aente desarrollados en productos H3*" 6uchas pre8untas . dudas

ueron hechas en torno a la %ase de la resistencia en los dierentes insectos" Ja

co%inacin de todas las in'esti8aciones de%era inducir a preser'ar . e5tender el

uso de los %iocontroladores"


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O$-e)i.*+8+*+ O$-e)i.& Gene!"%

Estudiar terodinicaente# ediante herraientas %ioinortica las

interacciones To5ina Receptor conoradas por las protenas 4r.1Aa# 4r.,Ba .

4r.16os- con los receptores Ainopeptidasa = de Manduca sexta .

Ainopeptidasa = deAedes aegypti"

*+8+3+ O$-e)i. E#1ec5;ic

1" !isear la to5ina odiicada 4r.16os-# ediante sustitucin de ainocidos a

partir del alineaiento de las to5inas 4r.1Aa . 4r.,Ba"

2" $%tener la esta%ilidad ener8?tica . estructural de las to5inas 4r.1Aa# 4r.,Ba#4r.16os-K de los receptores Ainopeptidasa = deManduca sexta .Aedes aegypti

ediante una siulacin de !inica 6olecularK utili7ando un ensa%le cannico .

sotare (R$6A4/"

*" $%tener las estructuras cuaternarias de las interacciones To5inaReceptor

ediante una siulacin deDocking 6olecular# utili7ando el ser'idor 4lusPro"

," $%tener la esta%ilidad ener8?tica . estructural de las seis interacciones To5ina

Receptor# utili7ando un ensa%le cannico . sotare (R$6A4/"

3" E'aluar las propiedades terodinicas de ener8a interna# entropa# entalpa .

ener8a li%re de elholt7 de los sisteas estudiados a partir de los datos de Ener8a

Total o%tenida durante las siulaciones de !inica 6olecular"


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0i1)e#i#

Dado +ue la aplicaci,n de la Bioin'or$-tica nos &rinda datos de la esta&ilidad

energtica de interacciones /oxina0 !eceptor1 es pro&a&le +ue deter$ine

ter$odin-$ica$ente dicha interacci,n utili2ando toxinas de Bacillus thuringiensis y

A$inopeptidasa N co$o receptoras.


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C"15)%& 3

M"!c& Te!ic&

Para poder entender adecuadaente el desarrollo de esta in'esti8acin# es

indispensa%le hacer una %re'e descripcin de los ?todos aplicados por la ecnica

cuntica# para resol'er los di'ersos pro%leas a ni'el olecular# as coo de la

iportancia de las ol?culas -ue son la ateria de nuestra in'esti8acin" Para ello#

en el presente captulo# dareos un %re'e pero copleto 'ista7o a las to5inas 4r. de

Bacillus thuringiensis# as coo los odos de interactuar de las to5inas con los

receptores en sus respecti'os insectos %lancos" Ta%i?n dareos una introduccin a

los dierentes conceptos tericos a ser utili7ados para la sisteati7acin de la

inoracin e5trada desde clculos ecnico cunticos"

3+*+ Bi&1e#)icid"#

Jos %iopesticidas son tipos de pesticidas o%tenidos de ateriales naturales cooaniales# plantas# %acterias# . ciertos inerales H,2" Por e&eplo# canola el aceite .

el %icar%onato de sodio tienen usos pesticidas . son considerados %iopesticidas" Al

inal de 2001# ha%a apro5iadaente 1


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Pesticidas icro%ianosK a %ase de un icroor8aniso Hp"e&"# una %acteria# el hon8o#

el 'irus o proto7oario coo el in8rediente acti'o" Jos pesticidas icro%ianos

pueden controlar uchas clases dierentes de parsitos# aun-ue cada uno es

relati'aente especico para su parsito %lanco" Por e&eplo# ha. hon8os -ue

controlan ciertas plantaciones# . otros hon8os -ue atan insectos especicos" !entro

de los %iopesticidas# los or8anisos s e5tensaente esBacillus thuringiensis o Bt"

4ada cepa de esta %acteria produce una e7cla dierente de protenas# .

e5presaente ata lar'as de insecto" 6ientras al8unas to5inas de Bacillus

thuringiensis# tienen eicacia en lar'as de polillas# otro to5ina es especica para las

lar'as de os-uitos" Ja especiicidad de las to5inas hacia el insecto %lanco# es

deterinada por siBacillus thuringiensisproduce una protena -ue pueda unirse a un

receptor 'isceral en las lar'as# . as inectar las lar'as"

Plant IncorporatedFProtectants HPIPsK son sustancias pesticidas -ue las plantas

producen utili7ando el aterial 8en?tico -ue se les ha sido aadido" Por e&eplo# los

cienticos pueden toar el 8en deBacillus thuringiensis -ue codiica la to5ina# e

introducir el 8en en el propio aterial 8en?tico de la planta" Entonces la planta# en

'e7 de la %acteria Bt# a%rica la sustancia -ue inecta al parsito"

Pesticidas %io-uicosK naturalente se producen sustancias -ue controlan a

parsitos por ecanisos no t5icos" Pesticidas con'encionales# por el contraF rio#

son en %ase a ateriales 8eneralente sint?ticos -ue directaente atan al parsito"

Jos pesticidas %io-uicos inclu.en sustancias# coo las eroonas de insectos o

'arios e5tractos de plantas peruadas -ue atraen insectos a trapas"

C@%e# #&n %"# .en)"-"# de #"! $i&1e#)icid"#

Jos %iopesticidas son por lo 8eneral intrnsecaente enos t5icos -ue los

pesticidas con'encionales" Jos %iopesticidas 8eneralente aectan slo al insecto

%lanco . or8anisos estrechaente relacionados# en contraste con el aplio espectro

de los pesticidas con'encionales -ue pueden aectar or8anisos coo p&aros#


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insectos# . a enudo se descoponen rpidaente# as se usan en e5posiciones

ineriores . en 8ran parte e'itan los pro%leas de containacin causados por

pesticidas con'encionales H1


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3+/+ P!&)e5n"# C!6

Bacillus thuringiensis produce inclusiones citoplasticas conteniendo uno o s

protenas cristali7adas# -ue tienen acti'idad insecticida HI4P" Ja a.ora de I4PGs

son sinteti7adas intracelularente coo proto5inas inacti'as -ue espontneaente

oran pe-ueos cristales# de apro5iadaente 13 de taao H22" Jue8o -ue se

produce la in8estin por insectos suscepti%les# los cristales son solu%ili7ados por

secreciones intestinales H,1" Ja proto5inas solu%ili7adas es acti'ada por proteasas

-ue se encuentran en las secreciones intestinales" Jue8o de este proceso se ora en

si las to5inas acti'adas"

Ja di'ersidad estructural de to5inas 4r.# son clasiicadas en %ase a una secuencia

hoolo8a de ainocidos# donde cada to5ina a ad-uirido un no%re -ue consiste en

el 4r. nenico . cuatro letras &err-uicas -ue consisten en neros naturales .

letras a.sculas H,,# dependiendo de su lu8ar en el r%ol ilo8?nico" H>i8ura 2"1

3+/+*+ Ti1 de 1!&)e5n"# C!6

A la echa# las protenas 4r. estn distri%uidas en 30 8rupos . 'arios su%8rupos"

4ada 8rupo uestra una especiicidad u. 8rande hacia ciertos tipos de insectos" Ja

>i8ura 2"1# uestra un ilo8raa de las to5inas 4r. descritas a la echa H3+" Jas

lneas 'erticales representan los lites en identidad -ue arcan las dierentes

cate8oras en la noenclatura" El nero ar%i8o se desi8na con la priera ila -ue

corresponde a identidades hasta ,3O de identidad Hpor e&eplo: 4r.1# 4r.2# etc"" Ja

se8unda hilera catalo8a a las protenas con una letra a.scula . corresponde a

identidades de ,3 a protenas 9;O H4r.1A# 4r.1B# etc"" Ja tercera ila asi8na una

letra inscula . corresponde a identidades de 9; a


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>i8ura 2"1: >ilo8raa de identidades entre las secuencias 4r." Jas lneas 'erticales denotan los cuatro

ni'eles de la noenclatura" Toado . adaptado de4as toxinas Cry de Bacillus thuringiensis5 $odo

de acci,n y consecuencias de su aplicaci,n 6"o&er,n1 7889:


23/147

11

3+/+3+ M&d de "ccin

Jas protenas 4r. son producidas coo proto5inas -ue re-uieren ser procesadas

proteolticaente por proteasas presentes en el intestino de insectos suscepti%les

H,+" Este procesaiento proteoltico li%era ra8entos t5icos de 33 a +3 D!a -ue

interaccionan con protenas receptoras presentes en la icro'ellosidad de las c?lulas

intestinales de los insectos %lancos" Posteriorente# las to5inas se insertan en la

e%rana orando un poro ltico" Jos sntoas -ue se o%ser'an a partir de -ue las

lar'as de insectos suscepti%les in8ieren los cristales . esporas de Bacillus

thuringiensisson: cese de la in8esta# parlisis del intestino# diarrea# parlisis total .

inalente la uerte H11" !e anera 8eneral se acepta -ue las to5inas 4r. son

to5inas oradoras de poro -ue e&ercen su acti'idad t5ica al pro'ocar un

dese-uili%rio ostico en las c?lulas epiteliales donde se insertan en la e%rana"

>i8ura 2"2: 6odo de accin de las to5inas 4r.# desde la in8estin Ha# acti'acin H%Fc# interaccin Hd

. oracin del poro ltico He" Adaptado de oBacillus thuringiensis has e'ol'ed speciic to5ins to

coloni7e the insect orld H6aa8d# 2001

En la >i8ura 2"2 se ilustra el odo de accin de las to5inas 4r." Ha Jue8o de la

in8estin# las to5inas 4r. se disuel'en en el &u8o intestinal de las to5inas"


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12

H% Jas proteasas en el intestino# retiran secuencia 4Fterinal H7ona orada# as

coo la secuencia =Fterinal H7ona aarilla" Hc Ja to5ina acti'ada He&" >i8ura 2"*

se uno a los receptores en la e%rana de c?lulas epiteliales# un proceso en el cual el

!oinio II . III# se 'en en'ueltos H,," Hd El doinio I# -ueda uera de la

interaccin# pero ora parte de una nue'a insercin en la e%rana" He Jas to5inas

insertadas# oran poros pro%a%leente coo oli8o?ricos"

A la actualidad se han resuelto las estructuras tridiensionales de 'arias to5inas 4r.

acti'as contra insectos colepteros# lepidpteros# dpteros . una con acti'idad dual" A

pesar -ue la identidad entre estas to5inas es %a&a Hen al8unos casos enores al 23O#

uestran una estructura siilar copuesta por tres doinios"

3+/+/+ C!6*A"

>i8ura 2"*: Estructura terciaria de la to5ina 4r.1Aa" !oinio I Hcolor a7ul# doinio II Hcolor 'erde .

doinio III Hcolor ro&o" Estructura en orato adaptada a partir del tra%a&o Bacillus thuringiensis

4r.lAa Insecticidal To5in: 4r.stal /tructure and 4hannel >oration H(rochulsDi# 1


25/147

Ha H% Hc

>i8ura 2",: 4r.1Aa . sus doinios" !oinio I Ha# doinio II H% . doinio III Hc" Estructura

adaptada del tra%a&o:Bacillus thuringiensis 4r.lAa Insecticidal To5in: 4r.stal /tructure and 4hannel

>oration H(rochulsDi# 1i8ura 2","c# -ue ta%i?n est in'olucrado en la interaccin con receptores# es un


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3+/+7+ Rece1)&! APN de C!6*A"

Ja AP= es una protena con asa aparente de 120 D!a -ue se encuentra anclada a la

e%rana a tra'?s de un poro 8licosilFosatidilFinositol H(PI H1" Una de las

isooras de AP=# locali7adas en las c?lulas epiteliales del intestino de insectos se

une especicaente a las to5inas 4r.1 deBacillus thuringiensis" Esta interaccin es

reportada para uchos insectos lepidpteros# cooManduca sexta"

Manduca sexta# es un lepidptero conocido ta%i?n coo 8usano del ta%aco H+2"

Jos 8usanos de ta%aco . el toate son oru8as 8randes -ue deolian plantas de toate

H*+" /u 8ran taao les perite destruir plantas del olla&e en un corto perodo detiepo"

Aun-ue AP= uera la priera protena 4r.1A o%li8atoria identiicada en Manduca

sexta H*1# 39# su papel coo receptor uncional es toda'a pol?ico H*" Estos datos

al parecer pol?icos# podran ser e5plicados si un receptor adicional secundario

pudiera &u8ar el iso papel -ue AP= en M. sexta" En cuanto a esto# una protena

AJP# ta%i?n ue identiicada enM. sexta# aun-ue su papel coo un receptor 4r.1A

no ha.a sido anali7ado hasta ahora"

3+/+2+ C!67B"

Ja to5ina 4r.,Ba aislada a partir de Bacillus thurin8iensis# es una to5ina especica

para lar'as de os-uitos Aedes . Anopheles"

!e la isa anera -ue 4r.1Aa# 4r.,Ba posee * doinios:

El prier !oinio H>i8ura 2"+"a# los residuos ;,F2;2 oran 3 h?lices ; H


27/147

1!

Por ltio el doinio III H>i8ura 2"+"c coprende los residuos ,+9 a +,1 . est

orado por un eparedado de % h?lices antiparalelas" Este doinio se encuentra por

encia del doinio II . a un costado del doinio I H>i8ura 2"3

>i8ura 2"3: Estructura terciaria de la to5ina 4r.,Ba" !oinio I Hcolor a7ul# doinio II Hcolor 'erde .

doinio III Hcolor ro&o" Estructura adaptada del tra%a&o: 4r.stal /tructure o the 6os-uitoFlar'icidal

To5in 4r.,Ba and Its Biolo8ical Iplications HBoonser# 2003" >oto o%tenida ediante 4hiera

1"3"*

Ha H% Hc

>i8ura 2"+: 4r.,Ba . sus doinios" Ha# doinio II H% . doinio III Hc" Estructura adaptada del

tra%a&o: Estructura adaptada del tra%a&o: 4r.stal /tructure o the 6os-uitoFlar'icidal To5in 4r.,Ba

and Its Biolo8ical Iplications HBoonser# 2003" >oto o%tenida ediante 4hiera 1"3"*

3+/+4+ Rece1)&! APN de C!67B"

Ja to5ina 4r.,Ba# es especica para lar'as de os-uitos Aedes H


28/147

1"

puede ser portador del 'irus del den8ue . de la ie%re aarilla H+*" En insectos#

'arios AP=s ta%i?n han sido identiicadas . reproducidas en c?lulas epiteliales del

intestino de 'aria especies# coo enManduca sexta#)eliothis (irescens .Aedes

aegypti H13" Ja Ainopeptidasa = HAP= pertenece a un 8rupo de las proteasas# es

una en7ia u%icua -ue es encontrada en una aplia 8aa de or8anisos desde

insectos a aeros" Por e&eplo# se encontraron AP=s en astocitos de ratones# en

c?lulas de ciertas ra7as de 8atos# riones de cone&o# en c?lulas huanas intestinales

H,


29/147

1#

estadstica# ciencias de la coputacin# inteli8encia artiicial# -uica . %io-uica

para solucionar pro%leas# anali7ar datos# o siular sisteas o ecanisos# todos

ellos de ndole %iol8ica# . usualente Hpero no de ora e5clusi'a en el ni'el

olecular H1*" El ncleo principal de estas t?cnicas se encuentra en la utili7acin de

recursos coputacionales para solucionar o in'esti8ar pro%leas so%re escalas de tal

a8nitud -ue so%repasan el discerniiento huano" Ja in'esti8acin en %iolo8a

coputacional se solapa a enudo con la %iolo8a de sisteas"

Jos principales esuer7os de in'esti8acin en estos capos inclu.en el alineaiento

de secuencias# la prediccin de 8enes# onta&e del 8enoa# alineaiento estructural

de protenas# prediccin de estructura de protenas# prediccin de la e5presin 8?nica#

interacciones protenaFprotena# . odelado de la e'olucin H2+"

!os de los capos de estudio de la %iolo8a coputacional# necesarios para el

alineaiento de secuencias# alineaiento . prediccin de estructuras# as coo las

interacciones protenaprotena es la 6inii7acin de Ener8a de un sistea

6olecular . la !inica 6olecular"

3+7+*+ M)&d $i&in;&!(@)ic

El sotare (R$6A4/ H;# *


30/147

18

Para un sistea de = t?rinos la Ener8a potencial es por lo tanto una uncin de

*=F+ de coordenadas internas o *= de coordenadas cartesianas" Por e&eplo# si

toaos la estructura de un pentano . rotaos los dos enlaces 4F4 centrales para

-ue los n8ulos de torsiones 'aren de 0= a *+0= . calculaos la ener8a de cada

estructura 8enerada# en este caso# es una uncin de solaente dos 'aria%les . puede

ser 8raicada coo un dia8raa de contorno"

/in e%ar8o# los eleentos %sicos -ue encontraos en una supericie en tres

diensiones se pueden aplicar a diensiones superiores: encontrareos 7onas de

%a&a ener8a o nios# as coo ta%i?n 5ios . puntos de %iurcacin o de

silla Hsaddle points" Jos 5ios corresponden a estructuras de transicin entre dos

o s nios . un nio corresponde a un estado esta%le del sistea Hen

ausencia de otras uer7as e5ternas" En la %s-ueda de conoraciones de %a&a

Ener8a son necesarios al8oritos de optii7acin -ue peritan encontrar estos

nios"

E5isten ra7ones de tipo prctico -ue hacen necesarios los al8oritos de

inii7acin" /a%eos -ue las coordenadas iniciales de nuestro sistea se deri'an

de una estructura cristalo8rica o de la secuencia >A/TA" !e este odo# las

posiciones de los toos en archi'o P!B no corresponden a una sola ol?cula# sino

a un a&uste so%re una densidad electrnica" Toando eso en cuenta# . -ue un capo

de uer7a es una apro5iacin al coportaiento cuntico# se espera -ue la

estructura no corresponda a una estructura de %a&a ener8a" si se tiene en cuenta el

tipo de interacciones in'olucradas en el capo de uer7a# esto iplica -ue ha%r8randes uer7as internas# -ue pueden hacer -ue el sistea se desesta%ilice en una

siulacin de dinica olecular"

El pro%lea de 6inii7acin puede ser orulado de la si8uiente anera: !ada una

uncin' -ue dependa de una o dos 'aria%les independientes x11 x2#". . xi# encontrar

los 'alores de las 'aria%les para -ue' ten8a un 'alor nio" En un punto nio la

priera deri'ada de la uncin con respecto a cada una de las 'aria%les es cero . la

se8unda deri'ada son todos los 'alores positi'os"


31/147

1$

Ja uncin de a.or inter?s para nosotros es la de Ener8a con respecto a ecnica

olecular con las 'aria%les xi# cartesiana o coordenadas internas de toos" Jas

inii7aciones de ecnica olecular son casi siepre desarrolladas con

coordenadas cartesianas en donde la Ener8a est en uncin de *=# . es para el caso

de ecnica cuntica es s con tra%a&ar con coordenadas internas" Para

unciones analticas# el nio de una uncin puede ser encontrada usando 6?todos

de clculos estndar" /in e%ar8o# esto no es posi%le para sisteas oleculares

de%ido a la cople&idad de la Ener8a de%ido a la cople&idad en la -ue la Ener8a

'ara de acuerdo a las coordenadas"

Ja Ener8a potencial nia se locali7a usando 6?todos nu?ricos# -ue

8radualente ca%ian de coordenadas para producir coni8uraciones con Ener8a

cada 'e7 s %a&a# hasta -ue se alcan7a la Ener8a nia" Una anera de ilustrar

coo los dierentes al8oritos de 6inii7acin tra%a&an# se considera una uncin

siple de dos 'aria%les ' Hx.y x2 @ 2y2. Esta uncin es representada coo un

dia8raa de contorno coo en la i8ura 3"1" Esta uncin tiene un punto nio#

-ue est locali7ado al ori8en"

>i8ura 2"9: >uncinx2 @ 2y2

Jos 6?todos de 6inii7acin de Ener8a s usados para dinica olecular son

a-uellos -ue utili7an inoracin de la ora de la supericie de Ener8a potencial#

en %ase a las prieras deri'adas . se8undas deri'adas del capo de uer7a" El

al8orito s siple -ue usa la priera deri'ada es el ?todo del descenso rpido


32/147

2%

steepest descent" En cada interaccin k del al8orito# se calcula la direccin s

opuesta al 8radienteg5

sk >gk ?@gk @ H2"1

Este ?todo se ue'e en una direccin paralela a la net uer7a# -ue en una analo8a

8eo8rica# sera coo cainar directaente colina a%a&o" Para un sistea de

coordenadas cartesianas *= esta direccin es representada con'enienteente por una

unidad 'ector de diensiones *=:sk"

/i nos o'eos a lo lar8o de la lnea del 'ector s# se %usca el punto de niaEner8a# . en este punto se repite el procediiento" Al o'erse en la direccin

contraria del 8radiente# la Ener8a disinu.e rpidaente# por ello este al8orito es

eiciente para optii7ar coni8uraciones de alta Ener8a"

Teniendo deinida la direccin por la cual o'erse# es necesario decidir cun le&os se

puede o'er a lo lar8o de la 8radiente" /i nosotros ia8inaos un corte trans'ersal

en la supericie# la supericie pasara a tra'?s un nio . despu?s increentara"

>i8ura 2";: Bs-ueda lineal en una diensin

/in e%ar8o# al calcular la nue'a direccin siepre se o%tiene una perpendicular a la

anterior# no iportando la ora del potencial local" Este coportaiento hace -ue

las soluciones oscilen alrededor del nio si este es u. aplio" Para e'itar este

coportaiento de oscilacin cerca del nio# se puede utili7ar un al8orito de

8radiente con&u8ado" En este ?todo# el prier paso es i8ual al del ?todo steepest


33/147

21

descent# sin e%ar8o la nue'a direccin no se hace perpendicular a la anterior si no

-ue se sopesa con la direccin anterior"

a. tres clases de 6?todos de optii7acin -ue son conente usados para

encontrar el nio# cada una con sus 'enta&as . des'enta&as"

M)&d& de% De#cen#& 1&! E)"1"#

4onocida ta%i?n por "teepest Descent# los puntos del 'ector 8radiente en la

direccin donde la uncin increenta s# el 'alor de la uncin puede siepre ser

disinuida por etapas en la direccin opuesta H+," En el ?todo "teepest Descent#

una serie de e'aluaciones de la uncin son resueltas en la direccin ne8ati'a del

8radiente a lo lar8o de una direccin de %s-ueda deinida"

Por naturale7a del ?todo "teepest Descentpuede solaente locali7ar nios en

las unciones" Ja 'enta&a es -ue al8orito es u. siple# . solaente re-uiere el

alacenaiento del 'ector 8radiente"

M)&d& de% G!"dien)e C&n-g"d&

Al8unos pro%leas no pueden ser resueltos por ?todo "teepest Descent# por lo -ue

una e&ora a ello ue el ?todo de Conugate Gradient" /i la supericie es puraente

cuadrtica# cada 6inii7acin sucesi'a no 8enerara coponentes del 8radiente a lo

lar8o de al8una direccin pre'ia# la priera etapa es e-ui'alente a un "teepest

Descent# pero su%secuentes %s-uedas son resueltas a lo lar8o de una lnea la cual es

una e7cla del actual 8radiente ne8ati'o . las pre'ias direcciones de %s-ueda"

d i=+ d ii H2"2

E5isten di'ersas oras de esco8er los 'alores


34/147

22

Ja prescripcin de#olak%!i&iere es usualente preerido en la prctica" Ja

des'enta&a es -ue necesita a.or espacio de alacenaiento"

M)&d& de Ne)&nR"1=#&n

Este ?todo es por lo 8eneral el utili7ado para o%tener las estructuras -ue se

encuentran en un estado undaental H*;" Presenta la des'enta&a -ue para al8unas

unciones# el clculo de las se8undas deri'adas con respecto de la posicin son

coputacionalente deandantes" En otros casos# el nero de 'aria%les es u.

8rande" o. en da esto se 'e parcialente resuelto por la utili7acin de a-uinas de

sper coputo o culos de coputadoras"

En la -uica coputacional# la optimizacin de la geometra o la 6inii7acin de

la Ener8a Hta%i?n llaada optii7acin de la Ener8a# son los 6?todos utili7ados

para calcular la coni8uracin de e-uili%rio de las ol?culas . slidos H2" Jos

estados esta%les de sisteas oleculares# corresponden a nios locales . 8lo%ales

en su supericie de Ener8a potencial" A partir de una 8eoetra olecular# la

6inii7acin de la Ener8a eplea un procediiento atetico de optii7acin

para o'er los toos# con el in de reducir las uer7as de red Hel 8radiente de

Ener8a potencial de los toos hasta -ue se 'uel'en insi8niicantes" Un ?todo

interesante es el 6?todo de Pendientes H/teepest !escent 6ethod# -ue sipliica un

al8orito para optii7ar la %s-ueda del nio local en una uncin" Este ?todo

coien7a en un punto P0.# se ue'e tantas 'eces coo sea necesario# de #ia #i"

Esto se da cuando se reali7a una 6inii7acin a lo lar8o del tra.ecto -ue se da desde#i hasta >1'H#i# -ue es el 8radiente nio local"

Este ?todo es por lo 8eneral el utili7ado para o%tener las estructuras -ue se

encuentran en un estado undaental" Presenta la des'enta&a -ue para al8unas

unciones# el clculo de las se8undas deri'adas con respecto de la posicin son

coputacionalente deandantes" En otros casos# el nero de 'aria%les es u.

8rande" o. en da esto se 'e parcialente resuelto por la utili7acin de a-uinas de

sper coputo o culos de coputadoras H*;"


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2

L" Din@(ic" M&%ec%"! DM es una t?cnica de siulacin en la -ue se perite

-ue toos . ol?culas interacten por un perodo# peritiendo una 'isuali7acin

del o'iiento de las partculas H23" $ri8inalente ue conce%ida dentro de lasica terica# aun-ue ho. en da se utili7a so%re todo en %iosica . ciencia de

ateriales" /u capo de aplicacin 'a desde supericies catalticas hasta sisteas

%iol8icos coo las protenas"

E%e(en) de Din@(ic" M&%ec%"!+

A tra'?s de los 6?todos e5perientales es posi%le estudiar uchas propiedadesisico-uicas de las acrool?culas" Por un ?todo coo 8eles de electrooresis

en condiciones de desnaturali7acin es posi%le separar protenas de acuerdo a su peso

olecularK estudiar la 'a de desple8aiento de e-uili%rio utili7ando a8entes

caotrpicos coo cloruro de 8uanidinio o urea . la 'a cin?tica usando 6?todos de

e7cla rpidaK calcular propiedades terodinicas tales coo la capacidad

calorica entalpa utili7ando icrocalorietra dierencial# . hasta o%tener una idea

de cules son los hidr8enos -ue son l%iles al sol'ente utili7ando interca%io

isotpico" Todos los enenos e5perientales -ue se utili7an para edir estos

enenos# 8eneralente por 6?todos espectrooto?tricos nos entre8an una

edida estadstica as coo la sua de uchas contri%uciones indi'iduales

pro'enientes de uchas ol?culas de protena# -ue suadas# dan sentido a la

o%ser'acin icroscpica"

C"(1& de ;e!>"+

4oo se sa%e es posi%le o%tener datos icroscpicos de las protenas" Estos datos

e5perientas son 'ital iportancia para las siulaciones de dinica olecular#

corresponden a las coordenadas inciales de las ol?culas a estudiar# o la secuencia

de ainocidos -ue pueden conorar las ol?culas" Pero una de las pre8untas -ue

podeos hacernos al oento de hacer una in'esti8acin -ue inclu.a dinica

olecular es S4o a partir de esa ol?cula se puede siular o'iiento S4o

calculareos la tra.ectoria de los toos


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2&

Jas siulaciones de !inica 6olecular de protenas estn undadas en la idea de

usar unciones dierenciales de las coordenadas at icas para representar la Ener8a

del sistea" Esta uncin es una apro5iacin de la uncin de onda de la ecnicacuntica" Jas unciones de deri'adas parciales con respecto a las coordenadas

cartesianas de un too# pueden propa8ar el sistea ediante el tiepo usando la

ecnica clsica" Ades de ser dependientes de las coordenadas at icas# el 'alor

de la uncin ta%i?n depende de los dierentes paretros -ue descri%en las

propiedades ener8?ticas . 8eo?tricas de las interacciones intrapartculas" !ierentes

a las coordenadas# estos paretros son in'ariantes durante el desarrollo de la

siulacin" Ja co%inacin de la uncin atetica . los paretros es

conente conocido coo 4apo de >uer7a H*3"

Teneos -ue para una partcula con su posicin r# es posi%le conocer su tra.ectoria si

se conoce la dependencia de su 'elocidad ' . aceleracin a respecto del tiepo:

rHt r@ (Ht.t @ HaHt.t2?2 H2"*

Para el caso de una protena conoceos r Huna estructura cristalo8rica# las

coordenadas inciales . la 'elocidad inicial puede asi8narse en %ase a ciertas

suposiciones coo se e5plicara despu?s" Jo nico -ue necesitaos es conocer las

uer7as -ue actan so%re el sistea para deducir la aceleracin de las partculas" Jo

-ue re-uerios encontrar es entonces el capo 'ectorial > de las uer7as del sistea#

una uncin 'ectorial -ue entre8ue las coponentes de uer7a aplicada so%re laspartculas" 4uando se desea hacer una descripcin detallada de la ener8a de una

ol?cula se re-uiere de 6?todos de ecnica cuntica" Por lo tanto# la Ener8a de

una ol?cula depende tanto de la coni8uracin espacial de los ncleos coo de la

densidad de la pro%a%ilidad electrnica" /i %ien se necesita de un ni'el de teora

a'an7ado para descri%ir las interacciones oleculares# este ni'el no es suiciente

incluso para una ol?cula tan siple coo)7@# puesto -ue este sistea consta de *

cuerpos# . se ha deostrado un sistea dinico de tres cuerpos es sensi%le a la


37/147

2!

representacin nu?rica# haciendo iposi%le la prediccin de su coportaiento a

tiepos lar8os H20" Para solucionar este incon'eniente# . resol'er las ecuaciones de

ecnica cuntica# se utili7a la apro5iacin de BornF$ppenheier# se8n la cual es

posi%le calcular las propiedades electrnicas de las ol?culas de&ando los ncleos

i&os# pues el o'iiento de los electrones es ucho s rpido -ue el de los

ncleos# pudiendo a&ustarse casi instantneaente a ca%ios de conoracin" Este

desacoplaiento entre ncleo . electrn# nos perite estudiar la dinica de los

toos suponiendo -ue sus propiedades electrnicas no ca%ian" En ausencia de

electrones# es necesario utili7ar unciones epricas -ue descri%an la Ener8a del

sistea en %ase a las posiciones de los toos" Estas unciones de%en reproducir los ielente posi%le el coportaiento cuntico# siendo a la 'e7 suicienteente

siples para no re-uerir un esuer7o coputacional ele'ado" Jos capos de uer7a

para siulacin de protenas estn copuestos por dos coponentes# una -ue

odela las interacciones de enlace# unciones -ue periten antener la 8eoetra

local de las protenas# . las interacciones de no enlace# las cuales odelan la

interaccin entre toos -ue se encuentran separados por s de dos toos" Jos

t?rinos -ue representan las interacciones de enlace descri%en el estiraiento de los

enlaces# el do%laiento de los n8ulos . la rotacin de los diedros" 6ientras -ue los

t?rinos -ue representan las interacciones de no enlace descri%en la electrosttica#

dispersin . e5clusiones de Pauli" Por lo tanto los t?rinos de Ener8a para un

capo de uer7a se dan de la si8uiente anera"

Ja priera de las interacciones enla7antes odela el coportaiento 'i%racional de

los enlaces" /e le puede considerar al enlace at ico coo un resorte con cierta

constante de uer7a& . distancia de reerencia &" 4on este coponente# es posi%le

siular 'i%raciones de estiraiento o tencin" El si8uiente t?rino en'uel'e un

2


38/147

2"

triplete de toos . descri%e el do%laiento de un n8ulo" es el n8ulo orado

por dos 'ectores de enlace# . 0 son paretros -ue descri%en la ri8ide7 . el

e-uili%rio 8eo?trico de un n8ulo . al i8ual -ue el t?rino anterior# es un t?rino

cuadrtico" El ltio t?rino es una sua de los toos dispuestos de cuatro en

cuatro# . se descri%e la Ener8a asociada con la rotacin de los n8ulos diedros

orados por los cuatro toos" /e usa una uncin coseno para representar el peril

de rotacin entre dos 8rupos" es el 'alor del diedro# xes el paretro ener8?tico

-ue deterina los nios ener8?ticos"

En la se8unda ecuacin se descri%e las interacciones de no enlace" En todos los

capos de uer7a# las interacciones de no enlace entre toos estn deinidas cuando

ocurre una interaccin entre toos en ol?culas separadas por tres o s enlaces en

la isa ol?cula" Esta ecuacin se copone de dos partes" Ja priera es conocida

coo la ecuacin de JennardFVones HJV . la se8unda parte -ue es la le. de

4oulo%" Ja ecuacin de JennardFVones es la parte -ue est dentro de los corchetes

&unto al actor i H-ue es un paretro %asado en los tipos de los toos i . .

odela la dispersin . las interacciones de e5clusin de Pauli# -ue conente es

conocida coo el terino de 'an der Waals" /i dos toos se &untan desde la

separacin ininita# el t?rino ne8ati'o en los corchetes# -ue tiene la in'ersa de la

separacin interatica ri ele'ado a la se5ta potencia# doina la interaccin . los

toos auentan su atraccin con la disinucin de la distancia a edida -ue la

Ener8a se 'uel'e ne8ati'a" Esta parte de la ecuacin de JennardFVones odela la

dispersin# . la parte de H1?r+ deri'a de la Ener8a de interaccin de un dipolo

instantneo . un dipolo inducido# de acuerdo a la deinicin de la dispersin de

Jondon" A anera -ue los toos se acercan# un nio de Ener8a se alcan7aK . a

distancias s cortas# el t?rino H1?r12# -ue es positi'o# epie7a a doinar . induce

al increento de la Ener8a# por lo tanto auenta la repulsin" El preactor i# antes

encionado es un paretro %asado en el tipo de loa toos interactuantes Hi . &" A

anera de -ue este 'alor auenta# la interaccin nia se 'uel'e enor . la pared

de repulsin decrece"!$ini es un paretro -ue ta%i?n depende de los tipos de lo

toos -ue interactan . deine la distancia en la -ue la Ener8a de JennardFVones es


39/147

2#

nia" En la se8unda parte de la ecuacin se hace uso de la le. de 4oulo% . es

usada para odelar la interaccin electrosttica entre pares de toos no enla7ados"

En esta parte de la ecuacin# coo en la parte de JennardFVones# ri es la distancia

interatica" Jos paretros +i . + se utili7an para descri%ir las car8as eecti'as de

los toos i . &"

!e la isa anera es iportante enati7ar en -ue las interacciones Mno enla7adasN#

en'uel'en solaente un par de toos" Jas interacciones entre toos -ue se

encuentran a s de dos toos de distancia dependen principalente de sus

propiedades electrnicas" 4oo se di&o anteriorente# en una dinica olecular no

se considera la presencia de electrones en ora e5plcita# sino -ue se considera -ue

las propiedades de los toos de antienen constantes" !e esta anera# una de las

propiedades no consideradas en los capos de uer7a es la luctuacin de las nu%es

electrnicas# de%ido a -ue sure ca%ios instantneos en la distri%ucin de los

electrones" Estas luctuaciones 8eneran dipolos inducidos en los toos 8enerando

uer7as de atraccin inespecicas o coo .a se 'io# la dispersin de Jondon" Ja

ora en -ue el capo de uer7a odela esta tendencia es asi8nando car8as parcialesa cada uno de los toos# . calculando su interaccin en %ase a la le. de 4oulo%"

Un capo de uer7a# ades de la ora uncional# re-uiere un con&unto de

paretros# coo las constantes de uer7a de los osciladores# las distancias . n8ulos

de reerencia# . las car8as parciales de los toos" Para no 8enerar un nero

enore de ellos# se deine tipos at icos# -ue corresponden a 8enerali7aciones de

toos en %ase a sus propiedades locales de interaccin" !ependiendo de la ora

uncional del capo de uer7a . sus paretros# se tienes distintos capos de uer7a"

Jos s utili7ados para la siulacin de protenas# lpidos . cidos nucleicos son

A6BER HPonder . 4ase# 200*# 4AR6 H6acXerell . cols# 1


40/147

28

El uso de t?rinos cru7ados# potenciales enla7antes -ue correlacionan en ora

e5plcita 'i%raciones . torsiones# periten odelas ucho e&or las propiedades

'i%racionales de ol?culas pe-ueasK las 'i%raciones de enlace pueden ser

odeladas e&or con un potencial arnico coo el potencial de 6orse# o %ien

utili7ando una e5pansin en serie de potenciasK las interacciones de 'an der Waals

son e&or odeladas con un potencial donde la coponente repulsi'a sea

e5ponencial# coo lo -ue se usa en el potencial de BucDin8haK as coo ta%i?n es

posi%le representar de e&or anera el coportaiento electrosttico de las

ol?culas si 8eneraos 'arios toos antasa con car8a en 'e7 de liitarnos a

car8as parcialente at icas"

$PJ/"

Es un capo de uer7a desarrollado a principios de 1


41/147

2$

Ja dinica olecular es un capo ultidisciplinario H19" /us le.es . teoras

pro'ienen de las 6ateticas# >sica . Quica" Eplea al8oritos de las 4iencias

de la 4oputacin . Teora de la inoracin" Perite entender a los ateriales . lasol?culas no co entidades r8idas# sino coo cuerpos aniados" Ta%i?n se le ha

llaado Mestadstica ecnica nu?ricaN o Mla 'isin de Japlace de la ecnica

=etonianaM# en el sentido de predecir el uturo al aniar las uer7as de la

naturale7a"

Para utili7ar esta t?cnica de ora correcta# es iportante entender las

apro5iaciones utili7adas . e'itar caer en el error conceptual de -ue estaos

siulando el coportaiento real . e5acto de un sistea olecular" Ja inte8racin

de las ecuaciones de o'iiento estn al condicionadas# lo cual 8enera errores

nu?ricos acuulati'os# -ue pueden ser inii7ados seleccionando apropiadaente

los al8oritos# pero no eliinados del todo" Por otro lado# las interacciones entre las

partculas se odelan con un capo de uer7a apro5iado# -ue puede o no ser

adecuado dependiendo del pro%lea -ue -uereos resol'er" !e cual-uier ora# la

dinica olecular nos perite e5plorar su coportaiento representati'o en el

espacio sico"

Ja uncin de Ener8a potencial H:son las atracciones . repulsiones -ue sienten

los toos entre s de%ido a los enlaces -uicos# interacciones electrostticas# 'an

der Waals# etc" de las ol?culas" A H:ta%i?n se le conoce coo capo potencial

de uer7a . es una uncin de las coordenadas de las partculas " =oralente

pro'iene de clculos de -uica cuntica .Yo e5perientos espectroscpicos" /ine%ar8o# el capo de uer7a 8eneralente tiene una ora uncional -ue lo hace

pertenecer a la ecnica clsica"

Ja tra.ectoria de las partculas es discreta en el tiepo" =oralente se eli8e un

paso de tiepo suicienteente pe-ueo Hp"e&" 1 etose8undo para e'itar errores

nu?ricos" Para cada paso de tiepo# se inte8ra la posicin . 'elocidad C con un

?todo siplecito coo la inte8racin de Cerlet" !adas las posiciones iniciales Hp"e&"


42/147

%

la estructura de ra.os de una protena . las 'elocidades iniciales Hp"e&" aleatorias .

(aussianas# es posi%le calcular todas las posiciones . 'elocidades en el uturo"

D&cHe& (&%ec%"! es un estudio de coo 2 o s estructuras oleculares# pore&eplo# una dro8a . un en7ia# o un receptor de protenaK interaccionan

correctaente H+0" En otras pala%ras# se trata de un ropeca%e7as tridiensional"

Ja aplicacin s iportante del docD es el screenin8 'irtual H3;" En el screenin8

'irtual lo s interesante . proetedor es -ue las ol?culas son esco8idas a partir de

una %ase de datos e5istente . se utili7a para in'esti8aciones" Por ende este screenin8

necesita de un ?todo coputacional -ue sea rpido . conia%le"

Fsica del Dock Para estudiar las interacciones entre dos estructuras# se hace uso de

la ecnica cuntica" Especicaente# la interaccin entre dos ol?culas puedes ser

hallada resol'iendo la co%inacin de las ecuaciones de /chrodin8er en a%os

sisteas" Para resultados s producti'os# se utili7a un odelo ecnico# un poco

s priiti'o" Esto si8niica -ue necesitaos estudiar la calidad . cantidad de las

uer7as entre partculas de interaccin"

C%#1!& Se!.e!

Es un ser'idor 8ratuito disponi%le desde el 200," 4luspro /er'er utili7a una

apro5iacin -ue priero e5plora 8lo%alente la supericie de Ener8a usando

odelos ener8?ticos sipliicados para descu%rir re8iones de inter?s# . inalente se

concentran en esos sitios usando un uestreo . puntuacin" 4luspro /er'er utili7a

Transorada rpida de >ourier" H>>T# un ?todo -ue reerencia ?todo nue'o -ue

8enera sitios de reconociiento H!AR/# una t?cnica de unin usando las

conoraciones nati'as# un ?todo de eliinacin de sitios -ue no son aptos para la

unin anali7ando datos de Ener8a li%re# . un ?todo de optii7acin usando una

pro8raacin para o%tener las coordenadas de las dierentes interacciones dadas en

el docDeo H2;"


43/147

1

3+7+3+ Te!(&din@(ic" E#)"d5#)ic"

6ecnica Estadstica o Terodinica estadstica# es una raa de la sica -ue

utili7a la teora de la pro%a%ilidad# -ue utili7a herraientas de la atetica para

tra%a&ar con una 8ran cantidad de datos" Ja ecnica estadstica# nos %rinda un

arco para relacionas la propiedades icroscpicas indi'iduales de los toos .

ol?culas con las propiedades acroscpicas de los ateriales -ue puedes ser

o%ser'ados a diario# por lo tanto# la e5plicacin terodinica es el resultado de la

descripcin de la ecnica clsica . ecnica cuntica en relacin a la estadstica de

la ecnica a ni'el icroscpico"

Ja ecnica estadstica nos pro'ee una interpretacin a ni'el olecular de las

cantidades terodinicas acroscpicas# coo el tra%a&o# calor# Ener8a li%re .

entropa" Esto perite -ue las propiedades a ni'el icroscpico# nos perita

entender enenos a ni'el acroscpico" Esta ha%ilidad para hacer predicciones

acroscpicas# es la principal 'enta&a de la ecnica estadstica so%re la

terodinica clsica" A%as teoras estas 8o%ernadas por la se8unda le. de la

terodinica" /in e%ar8o# la entropa en terodinica puede ser conocida

epricaente# por-ue# en ecnica estadstica# la entropa est en uncin de la

distri%ucin del sistea en sus icroestados H12"

Postulado principal"F El postulado undaental es ecnica estadstica es el

si8uiente HDado un siste$a asilado1 el e+uili&ro es encontrado con la $is$a

pro&a&ilidad en el siste$a co$o en cada uno de los $icro%estadosH

Este postulado es de sua iportancia por-ue perite concluir -ue para un sistea

de e-uili%rio# el estado terodinico -ue puede resultar de un nero lar8o de

icroF estados# es ta%i?n el acroFestado s pro%a%le del sistea"

En#"($%e# e#)"d5#)ic"F Ja oderna orulacin de ecnica estadstica est

%asada en la descripcin sica del sistea ediante un ensa%le -ue representa


44/147

2

todas las posi%les coni8uraciones del sistea . la pro%a%ilidad de reali7ar cada

coni8uracin"

4ada ensa%le est asociado con una uncin atetica -ue puede ser usada para

e5traer 'alores de las propiedades terodinicas del sistea H21" !e acuerdo con

la relacin del sistea con el uni'erso# uno de los tres tipos 8enerales de ensa%les

de%eran ser usados"

Ensa%le icrocannico: descri%e a sistea aislado copletaente#

teniendo constante la Ener8a# por lo -ue se entiendo -ue no se interca%ia

Ener8a o asa con el resto del uni'erso"

Ensa%le cannico: descri%e un sistea en e-uili%rio terodinico con su

entorno" /e de%era tener coo nico interca%io de Ener8a# el calor

interca%iado con el e5terior"

Ensa%le 8ran cannico: usado para sisteas a%iertos en donde ha.

interca%io de asa . Ener8a con el e5terior"

En#"($%e c"nnic&"F En el ensa%le cannico el nero de toos H=# 'oluen

HC . la teperatura HT son i&ados" /a%iendo el concepto de ensa%le cannico# es

posi%le deri'ar la pro%a%ilidad #i -ue un sistea acroscpico en e-uili%rio

terodinico . en su a%iente# ser dado en un icroestado con Ener8a Ei . de

acuerdo a la distri%ucin de Bolt7an:

#i e>


45/147

En la ecuacin anterior Ei es la Ener8a de un icroestado i de un sistea" Ja

uncin de particin est dada por el nero de estados accesi%les en un sistea a

una teperatura dada"

Para suar la pro%a%ilidad de encontrar un sistea de teperatura / es un cual-uier

estado con Ener8a E# es

#i e>


46/147

C"15)%& /

Me)&d&%&g5" 6 De)"%%e#

C&(1)"ci&n"%e#

/+*+ Ei1 6 S&;)"!e

!entro de los re-ueriientos para poder reali7ar la parte coputacional#

necesitareos los si8uientes e-uipos:

4oputador P (+0F2*3!" I=TEJ PE=TIU6 !UAJ 4$RE T,200

2"0(7# 16B J2 4A4E# *0926B !!R2 /!RA6# *20(B

/otare:

o (roacs ,"3 Hess# 200;" !isponi%le en JJJ.gro$acs.orgo 6olden 3"0 H/chatenaar# 2000" !isponi%le en

JJJ.c$&i.ru.nl?$oldeno 4hiera 1"3"* HPettersen# 200," !isponi%le en

JJJ.cgl.ucs'.edu?chi$erao !eepCieY/issFPd%Cieer H(ue5# 1


47/147

o APB/ HBaDer# 2001" !isponi%le enJJJ.poisson&olt2$ann.org?ap&s

o Aplicacin online 4lusPro HXo7aDo'# 2010" !isponi%le en

cluspro.&u.edu?ho$e.phpo Aplicacin online /iss 6odel HXopp# 200+" !isponi%le en

sJiss$odel.expasy.orgo Aplicacin online 6olPro%it. H4hen# 2010" !isponi%le en

$olpro&ity.&ioche$.duke.edu?o P.ol 1"2r2 H/chrodin8er# 2010" !isponi%le en JJJ.py$ol.org?o QUE/4" !esarrollo Propio

El /istea $perati'o utili7ado en esta in'esti8acin es Jinu5# distri%ucin U%untu

11"0,"

/+3+ E%eccin de %"# e#)!c)!"# #"d"# en %"# #i(%"ci&ne#

En la si8uiente in'esti8acin se us a =4BI HJJJ.nc&i.nl$.nih.go(? . P!B

HJJJ.pd&.org?pd&?ho$e?ho$e.do coo uente de %ase de datos# las cuales son

conia%les para la %s-ueda de archi'os utili7ados en %ioinortica"

!entro de las %ases de datos se encontr pu%licaciones reerentes a las to5inas de

Bacillus thuringiensis" Jas protenas consideradas coo to5inas# ueron o%tenidas

por cristalo8raa de ra.os 5# . se encontraron %a&o el no%re de 4r.IAa H22 .

4r.,Ba H


48/147

Al o%tener dichas protenas en orato de secuencia >A/TA# se procedi a tra%a&ar

con la secuencia >A/TA" Para el proceso de con'ersin de estructura secundaria a

estructura terciaria se utili7o la t?cnica de te$plates# utili7ando el ser'idor

/iss6odel" H*0# *2# ,# para la cual se procedi al upload del archi'o >A/TA# en la

seccin de 6odellin8Autoated6ode"

Jue8o de o%tener la estructura de las protenas a partir de su estructura secundaria# se

precedi nue'aente a copro%ar la copati%ilidad con (R$6A4/" Una 'e7

reali7ado esta copro%acin# se procedi a una $ptii7acin de 8eoetra"

/+/+ C&n#)!ccin de n" )&


49/147

/+7+ O1)i(i>"cin de %" ge&(e)!5"

6uchos pro%leas en -uica coputacional pueden ser orulados coo una

$ptii7acin de una uncin ultidiensional" $ptii7acin es un t?rino 8eneral

para encontrar puntos estacionarios en una uncin# puntos donde la priera deri'ada

es cero" En la a.ora de los casos# el punto estacionario deseado es un nio#

todas las se8undas deri'adas de%eran ser positi'as" En al8unos casos el punto

deseado es un punto de ensilladura de prier orden# la se8unda deri'ada es ne8ati'a

en al8unos . positi'a en otras direcciones"

/e cuenta con 3 ol?culas# dos receptores HAP= deManduca sexta . AP= de Aedesae8.pti# 2 to5inas nati'as H4r.1Aa . 4r.,Ba# a%as producidas por Bacillus

thuringiensis . una to5ina o%tenida a partir de reFin8eniera"

Jue8o de tener las estructuras# el si8uiente paso es prepararlas para la siulacin" En

prier lu8ar se necesita esco8er el capo de uer7a a utili7ar# para nuestro caso ser

$PJ/# . crear el archi'o de topolo8a" El sotare (R$6A4/# reali7a estos dos

procesos en un iso paso# ediante la utili7acin del coando pd& g$x" Una 'e7

o%tenido el archi'o de topolo8a# se o%tienen ta%i?n el archi'o H.gro -ue contiene

las coordenadas por toos de la protena# el cual es copati%le con (R$6A4/"

4on el archi'o .gro# se procede a liitar el sistea" /e entiende por ane&ar la

'aria%le de -ue tan 8rande nuestro sistea puede ser" 6ediante el coando editcon'1

podeos esco8er el taao de nuestra Mca&aN Hunidades en n# teniendo presente

-ue entre la protena . los lites del sistea# de%e ha%er una distancia -ue perita a

la ol?cula estudiar# o'erse li%reente" Ja Mca&aN tiene una coni8uracin

8eo?trica c%ica" Jue8o de o%tener las ol?culas dentro de las Mca&asN# se procede

a preparar el archi'o .$dp# el cual nos %rinda los paretros -ue se necesitan para la

$ptii7acin de la 8eoetra perteneciente a las estructuras a estudiar" Para -ue el

pro8raa epiece el clculo de $ptii7acin de estructuras se utili7a el coando

$drun# ediante el cual se puede o%tener los archi'os necesarios para onitori7ar el

clculo durante su curso . al inal del iso"


50/147

8

/e procedi a reali7ar dos procesos de $ptii7acin de 8eoetraK en prier lu8ar se

reali7o una 6inii7acin utili7ando el ?todo de /teepest !escent" Una 'e7

o%tenido la estructura $ptii7ada se procedi a reali7ar una se8unda 6inii7acin#

en este caso se utili7 el ?todo QuasiF=etoniano lF%8s" A%os archi'os

utili7ados# se encuentran en el Ap?ndice"

4a%e resaltar -ue se utili7 esta $ptii7acin de Ener8a despu?s de cada siulacin

de !inica 6olecular# despu?s del proceso de Dock . inalente para la

siulacin de !inica 6olecular de las estructuras cuaternarias"

/+2+ Din@(ic" M&%ec%"! de e#)!c)!"# )e!ci"!i"#

6ediante la utili7acin de (R$6A4/# se %usc la esta%ilidad de las estructuras de

las protenas reali7ando una siulacin de !inica 6olecular# utili7ando el

ensa%le cannico"

El procediiento para la siulacin de !inica 6olecular# es u. parecido al de

la $ptii7acin de la 8eoetra" 6ediante el coandopd& g$x# se esco8e el capo

de uer7a# se con'ierte el archi'o .pd& a .gro . se o%tiene el archi'o de topolo8a"

Jue8o de se procede a liitar el sistea ediante el coando editcon' . utili7ando

una coni8uracin 8eo?trica c%ica" Para el caso de la !inica 6olecular# se

puede utili7ar un taao de Mca&aN ucho a.or -ue el de la protena# esto con la

inalidad de dar li%ertad de o'iiento a la protena" Una 'e7 -ue el taao del

sistea este deinido# el coando gro$pp# nos perite utili7ar el archi'o .$dpperteneciente a la siulacin de !inica 6olecular con un ensa%le cannico .

sol'ente iplcito" Para epe7ar el clculo de la siulacin de !inica 6olecular#

se utili7a el coando $drun"

Al inal de la siulacin de !inica 6olecular# se o%tu'o los archi'os -ue nos

periten deterinar la esta%ilidad estructural de las ol?culas" Para copro%ar esta

esta%ilidad# se utili7 la estructura proedio en la siulacin . se procedi al

reali7ar el clculo para la 'alidacin de la Estructura# ediante el 8rico de


51/147

$

Raachandran" H,* Para tal propsito se utili7 el ser'idor 6olpro%it.# H1+ en el

cual se pide -ue se analice la 8eoetra de los toos para proceder con el clculo

necesario para el (raica de Raachandran"

Para deterinar# ediante la 'isuali7acin de la hpersupericie del Potencial

Electrosttico# los posi%les sitios acti'os para la interaccin To5ina Receptor" Para

o%tener los datos de Ener8a Potencial# 4in?tica# Total# Teperatura . Presin se

utili7a el coandogenergy# el cual utili7a coo input el archi'o con e5tensin .edr

o%tenido al inal de la siulacin de !inica 6olecular" Para o%tener los 8ricos

de Radio de (iro# =ero de Enlaces de idr8eno# !es'iacin 6edia 4uadrtica

de la !istancia entre toos . para la !es'iacin 6edia 4uadrtica de la

>luctuacin por residuos se utili7an los archi'os .tpr . .trr o%tenidos al inal de la

siulacin"

Para las estructuras proedio se utili7o el coando g co(ar el cual utili7a los

archi'os .tpr . .trr" 4on el archi'o correspondiente a la estructura proedio# se

utili7 el sotare APB/ H9 -ue# ediante una aplicacin de 6?todos nu?ricos .

la ecuacin de PoissonFBolt7ann# nos perite calcular la hipersupericie delPotencial Electrosttico para las estructuras de las protenas -ue se estudiaron en este

tra%a&o de in'esti8acin"

Jue8o se utili7a los ltios 3 nanose8undos de los datos de Ener8a H7ona esta%le

para o%tener los datos de Ener8a" !espu?s de esta siulacin de !inica

6olecular# se utili7o el sotare U4/> 4hiera H,;# para o%tener las i8enes de

alta resolucin presentadas en esta in'esti8acin"

/+4+ Docking de e#)!c)!"# )e!ci"!i"#

Para la reali7acin del dockeo de las estructuras terciarias# se procedi a la utili7acin

del ser'idor online 4lusPro 2"0 H*,# **# 1," En el ser'idor se procede al upload de

los archi'os" El ser'idor 4luspro 2"0# nos pide coo nios 2 archi'os" En nuestro


52/147

&%

caso se procedi al upload de + pares de archi'os" Esto e5i8i + clculos# para cada

una de las conoraciones descritas en la Ta%la *"1"

Ta%la *"1: 4onoraciones para el docDeo de protenas terciarias

Rece1)&! T&


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&1

Dockingde acuerdo a los procediientos encionados para la $ptii7acin de la

(eoetra de las estructuras"

Jue8o de concretar la $ptii7acin de las + dierentes estructuras con (R$6A4/#

. nue'aente con los tipos de inte8radores H/teep !escent . lF%8s# se %usc la

esta%ilidad de las protenas ediante la !inica 6olecular de las +

conoraciones# haciendo uso de un ensa%le cannico . de los pasos encionados

para la !inica 6olecular de estructuras terciarias" Ja nica dierencia es -ue en

este caso el archi'o .pd contiene ahora dos cadenas . el sistea de%e incluir a las

isas" Esto se reali7 ediante el uso del coandogro$pp# el cual perite incluir

a 'arias estructuras dentro de un sistea"

/+?+ O$)encin 6 E#)di& de P"!@ (e)! Te!(&din@(ic

Para el anlisis terodinico# se tra%a& con los datos de Ene!g5" T&)"% al tratarse

de un ensa%le cannico" /i toaos en cuenta -ue la uncin de particin descri%e

las propiedades de un sistea terodinicaente en e-uili%rio H+# el proedio de

las Ener8as Totales de los icroestados para cada sistea# se puede considerar coo

la Ener8a Total del /istea" Jue8o de la siulacin de !inica 6olecular se

o%tiene# datos reerentes a la Ener8a del sistea" Al tratarse de un ele'ado nero

de datos# . para e'itar anipular los isos# se diseo un pro8raa utili7ando

>$RTRA=# un copilador para pro8raas cienticos" El al8orito procesa los

datos# desde el iso archi'o de Ener8a# . hace proedios . des'iaciones edias

cuadrticas" 4on los proedios se reali7a los clculos de Ener8a de Interaccin . las

des relaciones terodinicas para los resultados . conclusiones de las +

dierentes reacciones . lue8o copararlas# de i8ual anera se tra%a& con los datos

de 'oluen de las protenas cuaternarias . la presin del sistea"


54/147

&2

C"15)%& 7

Re#%)"d 6 Di#c#in

7+*+ E#)!c)!"#

6ediante la utili7acin de la %ase de datos P!B# se o%tu'ieron dos estructuras

correspondientes a las to5inas 4r.1Aa . 4r.,Ba# cu.os cdi8os son: 14I H22 .

1WA/TA de las protenas receptoras en los dosdierentes insectos %lancos" >ueron encontrados con los cdi8os: 4AA++,++"2 H1 .

AAX9**31"1 H,i8ura ,"1" !e la isa anera#

Si##M&de%# nos dio coo resultado -ue para el odelaiento de AP= de Aedes

aegypti# se utili7 coo te$plate a la estructura 36d8 anteriorente sealada" /e

utili7 el te$plate desde el residuo ** al


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>i8ura ,"1: M&de%"d& de APN Manduca sexta" Reali7ado con la aplicacin $nline /iss6odel#

disponi%le ensJiss$odel.expasy.org" /e utili7 el te$plate 2.d0A# . se utili7aron desde el residuo 2

al ;0+ del receptor deManduca sexta

>i8ura ,"2: M&de%"d& de APN Aedes aegypti+ Reali7ado con la aplicacin $nline /iss6odel#

disponi%le ensJiss$odel.expasy.org" /e utili7 el te$plate 2.d0A# . se utili7aron desde el residuo **

al


56/147

En la >i8ura ,"*# podeos o%ser'ar las estructuras o%tenidas del ser'idor

Si##M&de%# as coo las pertenecientes a las to5inas# con las cuales heos

reali7ado la siulacin de la !inica 6olecular# en %usca de la estructura

cuaternaria en su ase de e-uili%rio Hestructura de nia Ener8a en el tiepo" A

las cuatro estructuras tridiensionales se les reali7ar una siulacin de !inica

6olecular con la inalidad de sa%er si las estructuras antienen su conoracin en

el transcurso de la siulacin"

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,"*: E#)!c)!"# )i%i>"d"# 1"!" %" #i(%"cin de Din@(ic" M&%ec%"!+ " 4r.1Aa#

especica para lepidpterosK $ 4r.,Ba# especica para dpterosK c receptor Ainopeptidasa = de

Manduca sexta . d receptor Ainopeptidasa = deAedes aegypti" >oto o%tenida con 4hiera 1"3"*


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7+3+ C&n#)!ccin de %" T&


58/147

>i8ura ,",: A%ine"(ien)& de %"# #ecenci"# FASTA de C!6*A" 6 C!67B" !e"%i>"d" c&n e% #&;)"!e

C%#)"%'+ En donde Z2Z se reiere a residuos id?nticos# M:N para sustituciones conser'adas . M"N para

sustituciones seiconser'adas


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4oo parte de nuestros resultados presentaos la secuencia en orato >A/TA de la

nue'a to5ina odiicada" >i8ura ,"3

>i8ura ,"3: Secenci" FASTA de C!6*M" Protena odiicada por sustitucin de ainocidos"

6odiicacin reali7ada con el pro8raa 6$J!E= 3"0

Ta%i?n se uestran las i8enes coparati'as entre las * dierentes to5inas 4r.

utili7adas en esta in'esti8acin# con la inalidad de coparar los taaos de los

loops H'er >i8ura ,"+" En esta 8rica se o%ser'a -ue la odiicacin en 4r.16os-

antu'o la conoracin< en los loops en los cuales se reali7 las odiicaciones

coparando la to5ina 4r.1Aa . 4r.,Ba" 6ediante la odiicacin ta%i?n se

recort la lon8itud del loop 2 de 4r.1Aa . se siul la lon8itud de 4r.,Ba"


60/147

Ha H%

Hc

>i8ura ,"+: T&


61/147

7+/+ E#)"$i%id"d de e#)!c)!"# )e!ci"!i"#

Para %uscar la esta%ilidad de las estructuras terciarias reali7aos una siulacin de

Din@(ic" M&%ec%"!" Para las to5inas de las cuales se o%tu'ieron las estructuras

terciarias# se procedi a una siulacin de 3000 ps H3 ns# reali7ando un total de 3

illones de pasos# anteniendo una teperatura de 2


62/147

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,"9: E#)"$i%id"d Ene!g)ic" C!6*A" " 3:*+*2 en n en#"($%e c"nnic& NVT, 1&!

2888 1#+ " Ener8a Potencial# $ Ener8a 4in?tica# c Ener8a Total . d Ener8as de la siulacin"

Jas 8ricas se o%tu'ieron con el coandogenergy de (R$6A4/ ,"3", Hess# 200;" Jas 8ricas

se reali7aron con el pro8raa (=Uplot ,","

Ja edia cuadrtica de la distancia entre toos H'er >i8ura ,";# nos conira -ue

no hu%o disrupcin de la cadena de ainocidos" Jue8o de sa%er -ue entre el lapso

+30;30 ps# se present un eneno -ue caus una pertur%acin ener8?tica#

utili7aos la R6/># para sa%er -ue ainocidos presentan una a.or luctuacin#

los cuales son la Treonna


63/147

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,";: E#)"$i%id"d E#)!c)!"% C!6*A" " 3:*+*2 en n en#"($%e c"nnic& NVT, 1&! n

1e!i&d& de 2888 1#+ " Radio de (iro# $=ero de enlaces de idr8eno# c R6/! . d R6/>

de ainocidos" Jas 8ricas se o%tu'ieron con los coandosggyrate#gh&ond#gr$s .gr$s' de

(R$6A4/ ,"3", Hess# 200;" Jas 8ricas se reali7aron con el pro8raa (=Uplot ,","


64/147

C!67B"

Para el caso de 4r.,Ba H>i8ura ,"


65/147

1,# no presenta una conoracin ; ni


66/147

C!6*M

Para la to5ina odiicada 4r.16os-# se reali7 una siulacin de 3000 ps H3 ns"

!urante la siulacin# se present esta%ilidad a partir del iso lapso de tiepoH130 ps -ue la 4r.1Aa"

En las i8uras ,"11# podeos apreciar las dierentes 8ricas para la Ener8a Total# al

i8ual -ue la Ener8a Potencial . 4in?tica" En esta siulacin de !inica

6olecular# no se present a.or pertur%acin en las Ener8as# lo -ue nos indica -ue

nuestra estructura se halla en la 7ona de e-uili%rioK esto de%ido a -ue la 4r.16os- se

odiic a partir de la estructura en e-uili%rio de la protena 4r.1Aa"

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,"11: E#)"$i%id"d Ene!g)ic" C!6*M " 3:*+*2 en n en#"($%e c"nnic& NVT,

d!"n)e 2888 1#+ " Ener8a Potencial# $ Ener8a 4in?tica# c Ener8a Total . d Ener8as de la

siulacin" Jas 8ricas se o%tu'ieron con el coando genergy de (R$6A4/ ,"3", Hess# 200;"

Jas 8ricas se reali7aron con el pro8raa (=Uplot ,","


67/147

En cuanto a la esta%ilidad estructural de la 4r.16os-# o%ser'aos en las >i8uras

,"12# la 8rica correspondiente al Radio de (iro -ue presenta pe-ueas 'ariaciones

de 0"+ A[ . el =ero de enlaces de idr8eno se antiene constante con un 'alor

proedio de +;1";3 . una des'iacin standart de 2,",0" Toando en cuenta la

8rica R6/!# podeos decir -ue la distancia entre toos sure pe-ueas

'ariaciones de 0"3 A["

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,"12: E#)"$i%id"d E#)!c)!"% C!6*M " 3:*+*2 en n en#"($%e c"nnic& NVT, 1&!

n 1e!i&d& de 2888 1#+ " Radio de (iro# $=ero de enlaces de idr8eno# c R6/! . d

R6/> de ainocidos" Jas 8ricas se o%tu'ieron con los coandos ggyrate# gh&ond# gr$s .

gr$s' de (R$6A4/ ,"3", Hess# 200;" Jas 8ricas se reali7aron con el pro8raa (=Uplot ,","

En el caso de la R6/># los ainocidos -ue luctan con a.or intensidad son los

ainocidos Asparra8ina 3* . 10*# (lutaina ;,# Treonna


68/147

APN deManduca sexta

Para el caso de los receptores# el tiepo de siulacin de Din@(ic" M&%ec%"! es

dierente" /e to en cuenta -ue se 8eneraron las estructuras terciarias a partir de

te$plates# por lo tanto# se necesita un a.or lapso de tiepo para poder lo8rar una

rela&acin" Jue8o de ha%er reali7ado una siulacin de 3000 ps H3 ns# se o%ser'

-ue en el caso de AP= deManduca sexta la esta%ilidad ener8?tica se presenta desde

casi el coien7o de la siulacin# sin e%ar8o se present una esta%ilidad

estructural lue8o de los 10000 ps H10 ns"

Por esta ra7n se decidi esperar hasta las 23000 ps para poder o%tener as laesta%ilidad estructural deseada" HCer >i8ura ,"1*

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,"1*: E#)"$i%id"d Ene!g)ic"A#N$s " 3:*+*2 en n en#"($%e c"nnic& NVT, d!"n)e

32888 1#+ " Ener8a Potencial# $ Ener8a 4in?tica# c Ener8a Total . d Ener8as de la




69/147

Para copro%ar la esta%ilidad estructural# se o%ser' un estado de rela&acin a los

10000 ps H10 ns para el Radio de (iro . la R6/!" Ja 8rica s resaltante es la

perteneciente a la R6/>" En ?sta 8rica o%ser'aos -ue ha. por lo enos < picos

-ue superan la luctuacin de 0"23 n" Esto es de%ido a -ue lo 7ona donde se

presenta una a.or luctuacin est dada entre los ainocidos ,00 . ;09" /e

entiende -ue lue8o de utili7ar el te$plate# los ainocidos presentan una

odiicacin conoracional %uscando una 7ona de rela&acin" H>i8ura ,"1,

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,"1,: E#)"$i%id"d E#)!c)!"% de APN de Manduca sexta " 3:*+*2 en n en#"($%e

c"nnic& NVT, 1&! n 1e!i&d& de )ie(1& de 32888 1#+ " Radio de (iro# $=ero de enlaces

de idr8eno# c R6/! . d R6/> de ainocidos" Jas 8ricas se o%tu'ieron con los coandos

ggyrate#gh&ond#gr$s .gr$s' de (R$6A4/ ,"3", Hess# 200;" Jas 8ricas se reali7aron con

el pro8raa (=Uplot ,","


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APN deAedes aegypti

En el caso de AP= deAedes aegypti# se o%ser' la esta%ilidad ener8?tica desde los

200 ps H0"2 ns# sin presentar pertur%aciones de a.or consideracin" H>i8uras ,"13

En cuanto a las 8ricas en la >i8ura ,"1+# correspondientes a la esta%ilidad

estructural# se da el caso -ue ha. un descenso en cuanto a los 'alores de Radio de

(iro# el cual se presenta entre los 0 ps . 20000 ps# lo -ue nos indica -ue nuestro

receptor esta en %s-ueda del po7o 8lo%al de la supericie de potencial" Ja

esta%ilidad se lo8ra a partir de los 2000 ps" Pasado ?ste tiepo de rela&acin el centro

de asa se antiene constante"

Ha H%

Hc Hd

>i8ura ,"13: E#)"$i%id"d Ene!g)ic"A#Nae " 3:*+*2 en n en#"($%e c"nnic& NVT, d!"n)e

32888 1#+ " Ener8a Potencial# $ Ener8a 4in?tica# c Ener8a Total . d Ener8as de la



Ja esta%ilidad estructural# se puede corro%orar con la 8rica de la edia cuadrtica

de la distancia entre toos HR6/!" Jos ainocidos -ue presentan una a.or


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luctuacin son los ainocidos de ainocidos" Jas 8ricas se o%tu'ieron con los coandos

ggyrate#gh&ond#gr$s .gr$s' de (R$6A4/ ,"3", Hess# 200;" Jas 8ricas se reali7aron con

el pro8raa (=Uplot ,","

Para copro%ar la esta%ilidad estructural de nuestras protenas ediante la

siulacin de !inica 6olecular# se hi7o uso de las 8ricas de Raachandran# elcual nos perite 'alidar los conoraciones de los n8ulos . O . apro5iar a

priori cual ser la estructura terciaria de la protena# .a -ue e5isten co%inaciones de

n8ulos para cada estructura coo son las ; h?lice . ho&as< H,*" Jos (raicas de

Raachandran sern presentados en las si8uientes ho&as"


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>i8ura ,"19: G!@;ic" de R"("c="nd!"n C!6*A"+ Prier cuadrante corresponde a los casos

8enerales# en donde se 'e en la parte superior i7-uierda las conoraciones


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En cuanto a la 4r.,Ba H>i8ura ,"1;# se o%tu'o *88 de residuos en 7onas

peritidas# pero 322 de 33+ ainocidos Hi8ura ,"1;: G!@;ic" de R"("c="nd!"n C!67B"+ Prier cuadrante corresponde a los casos

8enerales# en donde se 'e en la parte superior i7-uierda las conoraciones


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>i8ura ,"1


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>i8ura ,"20: G!@;ic" de R"("c="nd!"n A(in&1e1)id"#" N deManduca sexta+ Prier cuadrante

corresponde a los casos 8enerales# en donde se 'e en la parte superior i7-uierda las conoraciones i8ura ,"20" El

con&unto de 12 ainocidos -ue se hallan uera de 7onas peritidas# se encuentran

uera de la 7ona -ue puede ser potencialente un sitio acti'o para la interaccin

To5ina Receptor# la 7ona -ue presenta ho&as


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presente in'esti8acin# se halla uera de nuestro alcance# de%ido a los re-uisitos

coputacionales"

>i8ura ,"21: G!@;ic" de R"("c="nd!"n A(in&1e1)id"#" N de Aedes aegypti+ Prier cuadrante

corresponde a los casos 8enerales# en donde se 'e en la parte superior i7-uierda las conoraciones


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ainocidos restantes# se resalta -ue no se encuentran en una posi%le 7ona de

interaccin"

E#)!c)!"# )e!ci"!i"# 6 ## #1e!;icie# de P&)enci"% E%ec)!)@)ic&

Para un e&or entendiiento de nuestros resultados# presentaos una 'ista

iso?trica de las 3 protenas# las cuales sern utili7adas en el si8uiente paso de

nuestra in'esti8acin# la interaccin To5ina Receptor"

Ha H% Hc

Hd He H

>i8ura ,"22: Vi#)" i#&()!ic" de C!6*A" %eg& de %" #i(%"cin de Din@(ic" M&%ec%"!+ En donde

" uestra la 'ista >rontal# $ la 'ista Jateral i7-uierda# c una 'ista Posterior# d la 'ista Jateral

derecha# e la 'ista /uperior . ; la 'ista Inerior" /e arca con una lecha ne8ra el !oinio II

responsa%le de la to5icidad H(rochulsDi# 1


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En la >i8ura ,"22Ha# se presenta con un color 'erde el !oinio II# responsa%le de la

to5icidad H,," Para identiicarlo . copararlo# se seala con una lecha ne8ra la

7ona responsa%le de la to5icada . el sitio de interaccin en la protena 4r.1Aa"

4uando calculaos utili7ando el sotare APB/ las 8ricas en donde se aprecia la

hper supericie del P&)enci"% E%ec)!)@)ic& de la 4r.1Aa H>i8ura ,"2*#

o%ser'aos -ue la 7ona del !oinio II# en 4r.1Aa# presenta un potencial

electrosttico positi'o" Esto es de sua iportancia cuando se %usca 7onas de

interaccin electrosttica en una protena"

Ha H% Hc

Hd He H

>i8ura ,"2*: Vi#)" i#&()!ic" de C!6*A" %eg& de %" #i(%"cin de Din@(ic" M&%ec%"!+

P&)enci"% E%ec)!)@)ic&+ En esta i8ura se uestra ta%i?n la supericie de potencial electrosttico#

el cual se 8raico con APB/ HBaDer# 2001# en donde el potencial electrosttico ne8ati'o es de color en

tonos de ro&o . potencial electrosttico positi'o de color en tonos de a7ul" /e utili7a la seal ne8ra

para arcar de i8ual anera el !oinio II de la To5ina 4r.1Aa" >i8ura o%tenida ediante la

utili7acin del 4hiera 1"3"*"


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Para la to5ina 4r.,Ba# ta%i?n sealaos el !oinio II# en color 'erde# responsa%le

de la to5icidad H'er >i8ura ,"2,"

Ha H% Hc

Hd He H

>i8ura ,"2,: Vi#)" i#&()!ic" de C!67B" %eg& de %" #i(%"cin de Din@(ic" M&%ec%"! En donde

" uestra la 'ista >rontal# $ la 'ista Jateral i7-uierda# c una 'ista Posterior# d la 'ista Jateral

derecha# e la 'ista /uperior . ; la 'ista Inerior" /e arca con una lecha ne8ra el !oinio II

responsa%le de la to5icidad HBoonser# 2003" >i8uras o%tenidas ediante el pro8raa 4hiera 1"3"*

En las 8ricas de la >i8ura ,"23 -ue uestran la hper supericie del Potencial

Electrosttico# la 7ona perteneciente al !oinio II# presenta un potencial positi'o"

!e la isa anera al ser una 7ona con una caracterstica de aceptacin de densidad

electrnica"


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Ha H% Hc

Hd He H

>i8ura ,"23: Vi#)" i#&()!ic" de C!67B" %eg& de %" #i(%"cin de Din@(ic" M&%ec%"!,

P&)enci"% E%ec)!)@)ic&+ En esta i8ura se uestra ta%i?n la supericie de potencial electrosttico#

el cual se 8raico con el sotare APB/ HBaDer# 2001 en donde el potencial electrosttico ne8ati'o esde color en tonos de ro&o . potencial electrosttico positi'o de color en tonos de a7ul" /e utili7a la

seal ne8ra para arcar de i8ual anera el !oinio II de la To5ina 4r.,Ba" >i8ura o%tenida ediante

la utili7acin del 4hiera 1"3"*"


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En cuanto a las >i8uras ,"2+# -ue uestran la to5ina odiicada diseada en esta

in'esti8acin# el !oinio II ha sido sealado con la una lecha" El !oinio II es

responsa%le de la to5icidad# ades de ser la 7ona en donde se reali7 la

odiicacin por sustitucin de ainocidos"

Ha H% Hc

Hd He H

>i8ura ,"2+: Vi#)" i#&()!ic" de C!6*M %eg& de %" #i(%"cin de Din@(ic" M&%ec%"!+ En

donde " uestra la 'ista >rontal# $ la 'ista Jateral i7-uierda# c una 'ista Posterior# d la 'ista

Jateral derecha# e la 'ista /uperior . ; la 'ista Inerior" /e arca con una lecha ne8ra el !oinioII responsa%le de la to5icidad HJiu# 2003" >i8uras o%tenidas ediante el pro8raa 4hiera 1"3"*

El Potencial Electrosttico H>i8ura ,"29 para el caso de la 4r.16os-# rele&a 7onas

con un potencial positi'o" Esta caracterstica es iportante para todas las to5inas# .a

-ue coo 'ereos a continuacin# los receptores presentan potenciales

electrostticos ne8ati'os"


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Ha H% Hc

Hd He H

>i8ura ,"29: Vi#)" i#&()!ic" de C!6*M %eg& de %" #i(%"cin de Din@(ic" M&%ec%"!,

P&)enci"% E%ec)!)@)ic&+ En esta i8ura se uestra las dierentes 'istas -ue en la >i8ura,"29" /e

uestra ta%i?n la supericie de potencial electrosttico# el cual se 8raico con el sotare APB/

HBaDer# 2001 en donde el potencial electrosttico ne8ati'o es de color en tonos de ro&o . potencial

electrosttico positi'o de color en tonos de a7ul" /e utili7a la seal ne8ra para arcar de i8ual anera

el !oinio II de la To5ina 4r.16os-" >i8ura o%tenida ediante la utili7acin del 4hiera 1"3"*"

Para el caso deA#N$s# o%ser'aos en la >i8ura ,"2;# -ue en la 7ona a7ul se oran

linas< antiparalelas" Jas linasi8ura ,"2


83/147

Ha H% Hc

Hd He H

>i8ura ,"2;: Vi#)" i#&()!ic" de %" A(in&1e1)id"#" N de Manduca sexta %eg& de %" #i(%"cin

de Din@(ic" M&%ec%"!+ En donde " uestra la 'ista >rontal# $ la 'ista Jateral i7-uierda# c una

'ista Posterior# d la 'ista Jateral derecha# e la 'ista /uperior . ; la 'ista Inerio

“HERRAMIENTAS BIOINFORMÁTICAS EN EL ESTUDIO TERMODINÁMICO SOBRE LA ESPECIFICIDAD DE LAS TOXINAS...

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