Estabilidad y plegamiento de proteínas y la interacción proteína/ligando. Principios y ejemplos de simulación.
Javier Sancho

1. Estructura de Proteínas

• Los seres vivos estamos compuestos por células (una o más).  Dentro de las celulas hay moléculas con información genética (DNA), y maquinas (los ribosomas) que la utilizan para  sintetizar  las proteínas.
• Las proteínas son polímeros lineales de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos (amida para los químicos). Sólo algunos  angulos de rotación entorno a los enlaces peptídicos son favorables (diagrama de Ramachandran).  Sólo algunos angulos de rotación de las cadenas laterales son favorables
• Al plegarse, aparecen regiones con ordenamiento periódico (hélices alfa y láminas beta), unidas por giros bruscos de la cadena polipeptídica o por bucles de cierta longitud, que interaccionan dando lugar a conformaciones globulares compactas .
• Las proteínas grandes (> 200 aa) selen estar compuestas por varios dominios de plegamiento que son estables y funcionales de forma autónoma.

Bibliografía:

Get Educated in Protein Data Bank
Principles of Protein Structure
Protein Arquitecture in Biochemistry in 3D-Lehninger Principles of Biochemistry
Introduction to Protein Structure. 2nd Edition                                 C. Branden & J. Tooze. Garland Publishing, Inc. New York (1999).
Introduction to Protein Arquitecture:                                                 Arthur M. Lesk. Oxford University Press, Oxford, 2001

2. Estabilidad de Proteínas

• Las proteínas en agua constituyen un equilibrio de innumerables conformaciones entre las que predomina la nativa. La diferencia de energía libre entre el estado plegado (nativo) de una proteína y el estado desplegado es de solo unas pocas kcal mol-1 (5-15).
• Las proteínas están estabilizadas entálpicamente y desestabilizadas entrópicamente.
• Las fuerzas que operan para estabilizar la conformación nativa son: interacciones electrostáticas débiles (carga/carga, carga/dipolo, dipolo/dipolo), puentes de hidrógeno, dispersión y el efecto hidrofóbico.
• La contribución a la estabilidad de determinada interacción es difícil de medir experimentalmente. La estabilidad global de una proteína no se ha calculado todavía con precisión adecuada.

Bibliografía:

An overview of molecular forces in relation to protein structure
Principles of Physical biochemistry                                                           van Holde, Johnson & Ho, Prentice Hall, 1998
Structure and mechanism in Protein Science:                                         Alan Fersht, Freeman, New York, 1998
Introduction to Protein Structure. 2nd Edition:                                      C. Branden & J. Tooze. Garland Publishing, Inc. New York (1999).

3. Plegamiento de Proteínas

• Las proteínas seleccionadas por la evolución adoptan en agua espontaneamente de entre todas sus formas posibles una que es compacta (el estado nativo) y que crea superficies funcionales.
• El plegamiento de las proteínas es espontáneo, no catalizado, rápido y extraordinariamente selectivo.
• Estudio experimental de la reacción de plegamiento: las etapas iniciales, los intermediarios, el estado de transición observable.
• La Nueva Visión de la reacción de plegamiento.
• Estudio computacional de la reacción de plegamiento: modelos simplificados y modelos realistas.

Bibliografía:

Structure and mechanism in Protein Science:                                         Alan Fersht, Freeman, New York, 1998

4. Interacción proteína/ligando

• Las interacciónes de las proteínas con otras moléculas (proteínas, DNA, pequeños ligandos, etc) organizan la célula.
• Estas interacciones están gobernadas por los mismos principios que la estabilidad y el plegamiento de las proteínas.
• Constituyen un problema más sencillo porque intervienen un número menor de conformaciones y un número de átomos menor.
• La mayoría de los fármacos actúan bloqueando proteínas al unirse a ellas.

Bibliografía:

Molecular modelling. Principles and applications:                                         Andrew R. Leach, Prentice Hall, 2001

5. Simulaciones de estabilidad, plegamiento y unión.

• La estabilidad global de las proteínas es difícil de simular. A partir de la estructura es se pueden obtener buenas estimaciones de DH y DCp, no así de DS ni de DG.
• Sí se puede simular la flexibilidad local de las proteínas (posiblemente relacionada con intermediarios).
• También se puede simular la contribución a la estabilidad de distintos tipos de interacciones manipulando los potenciales y parametrizando o realizando mutagénesis computacional.

• El plegamiento de las proteínas se puede simular utilizando modelos simplificados o realistas.
• La tendencia es simular pequeñas proteínas mediante modelos realistas (con o sin aguas explícitas).
• Es más fácil simular el desplegamiento que el plegamiento (el estado de transición debe ser el mismo).
• La estructura de las proteínas también se puede predecir por procedimientos que ignoran el proceso de plegamiento (homología y threading)

• La simulación de la unión tiene un tratamiento de cálculo energético frecuentemente apoyado en simulaciones de Monte Carlo (acoplamiento: "docking") y otro cinético (dinámica molecular para calcular trayectorias de unión).
• El diseño de fármacos utiliza acoplamiento.

Bibliografía:

Molecular modelling. Principles and applications:                                         Andrew R. Leach, Prentice Hall, 2001

PRACTICAS:

5.1. Primeros pasos en la implementación de un método general para el diseño automático de fármacos

Si la interacción proteína/ligando es un mero asunto de complementariedad: ¿porqué no hacer automáticamente ligandos con molde?

Esquema inicial de la propuesta:

1. Elegir región proteica (trivial. Si se ignora la localización del sitio activo, utilizar programas predictivos!).
2. Describir su superficie geométrica y químicamente (La superficie descrita en un espacio geométricamente tridimensional debe ser tambien descrita en terminos químicos utilizando las dimensiones adicionales que parezca oportuno).
3. Generar superficie complementaria (trivial).
4 identificar o construir moléculas que encajen con la superficie o una parte (¿comparación de patrones?). Funciones de evaluación del encaje de una molécula en la superficie.  Funciones de construcción de soluciones moleculares compatibles con la superficie.

Los objetivos de la práctica son: bosquejar formas de acometer las tareas 2 y 4 de forma realista y eficaz.

5.2. ¿Cómo calcular la contribución de las distintas interacciones a la estabilidad de proteínas mediante simulación?

¿Estabilizan los grupos formadores de puentes de hidrógeno a las proteínas?  ¿Podemos calcularlo?

Esquema inicial de la propuesta:

1. Elegir un compuesto modelo pequeño que represente bien el problema de que los grupos que forman el puente de hidrógeno sean suficientemente flexibles y esten suficientemente alejados para formarlo alternativamente con el agua.
2. Definir el número de moléculas de agua. Elegir la técnica de simulación más adecuada.
3. Realizar una simulación rigurosa en agua.  Idealmente los puentes de hidrógeno del compuesto modelo y alguno de los del agua deberían ser simulados mecanocuanticamente.
4. Calcular si la energía libre del compuesto con puente de hidrógeno intramolecular es inferior a la del compuesto con puentes con el agua.
5. Calcular la influencia que tiene la longitud que separa a los grupos que se enlazan en la estabildad de la forma enlazada intramolecularmente.

Los objetivos de la práctica son: diseñar posibles compuestos modelo, bosquejar formas de acometer la tarea 3 de forma realista yevaluar el coste computacional.

5.3 ¿Cómo generar una biblioteca virtual de mutantes de una proteína con huecos de un determinado tamaño en el interior para seleccionar el que albergará un determinado fármaco?

Esquema inicial de la propuesta:

1. Elegir un fármaco
2. Elegir una proteína modelo
3. Definidos unos límites de volumen y longitud (máximos y mínimos) diseñar un procedimiento de generación de todas las mutaciones o conjuntos de mutaciones que generarán huecos adecuados si no colapsan ni se expanden.
4. Diseñar un filtro que separe mutantes que colapsen o se expandan (ya hecho).
5. Encadenar acoplamientos masivos del ligando con los mutantes virtuales y seleccionar los mejores
6. Hacer docking fino de los mejores para calcular la energía de unión (hecho)
7. Comienza la fase experimental húmeda.

Los objetivos de la práctica son: elegir un fármaco y proteína adecuados, bosquejar formas de acometer la tarea 3 y 5 de forma realista.

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Última modificación 14/01/02