Análisis de estructuras
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Análisis de estructurasAnálisis de estructuras
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ProblemasProblemas
No hay diferencias evidentes entre No hay diferencias evidentes entre un modelo correcto y uno incorrectoun modelo correcto y uno incorrecto
La utilización de una estructura La utilización de una estructura desde el punto de vista cuantitativo desde el punto de vista cuantitativo requiere que sea “químicamente requiere que sea “químicamente correcta”correcta”
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ObjetivosObjetivos
Valorar si una estructura experimental es Valorar si una estructura experimental es suficientemente correcta para ser utilizada suficientemente correcta para ser utilizada como modelo.como modelo.
Valorar si el modelo construido es Valorar si el modelo construido es correcto.correcto.
Comparar varios modelos alternativos.Comparar varios modelos alternativos.
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¿cuál es la situación?¿cuál es la situación?
Hasta 1994 el PDB no realizó Hasta 1994 el PDB no realizó chequeos automáticos de las chequeos automáticos de las estructuras depositadas.estructuras depositadas.
Es difícil incluir herramientas de Es difícil incluir herramientas de chequeo durante el refinado.chequeo durante el refinado.
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peligrospeligros
Una estructura experimental mal Una estructura experimental mal resuelta no puede usarse como resuelta no puede usarse como modelo.modelo.
Puede que sólo una parte de la Puede que sólo una parte de la estructura sea incorrectaestructura sea incorrecta
Contactos cristalográficos pueden Contactos cristalográficos pueden falsear la estructurafalsear la estructura
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Tipos de herramientasTipos de herramientas
FormatoFormato SimetríaSimetría GeometríaGeometría EstructuraEstructura
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Programas de análisisProgramas de análisis
PROCHECK PROCHECK WHATCHECKWHATCHECK Suite Biotech Suite Biotech PROSAPROSA
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Fuentes de la informaciónFuentes de la información
300 mejores estructuras depositadas 300 mejores estructuras depositadas en PDBen PDB
Datos geométricos de la base de Datos geométricos de la base de datos CSDdatos CSD
Datos teóricos (Ramachandran, p. Datos teóricos (Ramachandran, p. Ej.)Ej.)
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Estadística - WhatCheckEstadística - WhatCheck
Los criterios de análisis se basan en Los criterios de análisis se basan en la estadística realizada sobre la estadística realizada sobre estructuras conocidasestructuras conocidas
X
scoreZ
21 ZNZRMS
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Estadística – Valores correctosEstadística – Valores correctos
-4 < Z – score < 4-4 < Z – score < 4
RMS – Z =1.0 RMS – Z =1.0
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0
EstadísticaEstadística
Z0 1 2-2 -1
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FormatoFormato
NomenclaturaNomenclatura Resíduos o átomos no definidosResíduos o átomos no definidos
• Reconstruir o eliminar del modeloReconstruir o eliminar del modelo Resíduos o átomos con factor de Resíduos o átomos con factor de
ocupación pequeñoocupación pequeño• Reconstruir o eliminar del modelo, la Reconstruir o eliminar del modelo, la
estructura puede ser incorrecta.estructura puede ser incorrecta.
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SimetríaSimetría
Dimensiones y consistencia de la Dimensiones y consistencia de la celda cristalográficacelda cristalográfica
Número de moléculas en la celdaNúmero de moléculas en la celda• Si hay mas de una podemos Si hay mas de una podemos
Escoger modelos diferentesEscoger modelos diferentes Valorar la movilidad de la estructuraValorar la movilidad de la estructura
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GeometríaGeometría
Quiralidad, planaridadQuiralidad, planaridad• Errores son indicativos de estructuras Errores son indicativos de estructuras
forzadas o de estructuras realmente mal forzadas o de estructuras realmente mal resueltasresueltas
Geometría de enlace (distancia, Geometría de enlace (distancia, angulo, torsión). Mapas de angulo, torsión). Mapas de RamachandranRamachandran• Indicativo general de la calidad de la Indicativo general de la calidad de la
estructura. Los errores de geometría son estructura. Los errores de geometría son raros.raros.
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RamachandranRamachandran
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Parámetros de estructuraParámetros de estructura
AccesibilidadAccesibilidad• Si la distribución es anómala, indicativo Si la distribución es anómala, indicativo
de estructura incorrecta, probablemente de estructura incorrecta, probablemente debido a un alineamiento incorrecto.debido a un alineamiento incorrecto.
ContactosContactos• Usuales en estructuras RX. Incorrectos Usuales en estructuras RX. Incorrectos
en modelos. en modelos.
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Calidad de la estructuraCalidad de la estructura
Potenciales empíricos para valorar la Potenciales empíricos para valorar la consistencia de la secuencia y la consistencia de la secuencia y la estructuraestructura• Puentes de hidrógenoPuentes de hidrógeno• Interacciones electrostáticasInteracciones electrostáticas• Empaquetamiento hidrofóbicoEmpaquetamiento hidrofóbico
La única manera útil de “valorar” la La única manera útil de “valorar” la calidad de una estructura o modelocalidad de una estructura o modelo
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Calidad del empaquetamientoCalidad del empaquetamiento
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Otras comprobacionesOtras comprobaciones
Normalidad del backboneNormalidad del backbone Rotámeros de cadenas lateralesRotámeros de cadenas laterales
• Indicativos de soluciones no óptimasIndicativos de soluciones no óptimas
Puentes de hidrógenoPuentes de hidrógeno• Todos los puentes de hidrógeno e Todos los puentes de hidrógeno e
interacciones electrostáticas deben interacciones electrostáticas deben estar satisfechosestar satisfechos
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Optimización de estructurasOptimización de estructuras
Estimación del contenido Estimación del contenido energético de una determinada energético de una determinada estructuraestructura
Optimización de estructurasOptimización de estructuras Dinámica molecularDinámica molecular
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Campo de fuerzaCampo de fuerza
Expresión matemática que relaciona Expresión matemática que relaciona la geometría molecular con la la geometría molecular con la energía del sistemaenergía del sistema
Longitud Angulo
Torsión
Van der Waals y electrostático
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EstrategiasEstrategias
Minimización energiaMinimización energia• Modificación de la estructura para obtener un Modificación de la estructura para obtener un
mínimo de energíamínimo de energía Dinámica molecularDinámica molecular
• Simulación del comportamiento de la molécula Simulación del comportamiento de la molécula durante un cierto intervalo de tiempodurante un cierto intervalo de tiempo
Monte CarloMonte Carlo• Generación de estados en base a probabilidad Generación de estados en base a probabilidad
de Boltzmannde Boltzmann
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Minimización energíaMinimización energía
Utiliza algoritmos de minimización Utiliza algoritmos de minimización tradicionalestradicionales
Se obtienen mínimos locales. Es difícil Se obtienen mínimos locales. Es difícil alcanzar (y reconocer) mínimos alcanzar (y reconocer) mínimos globales.globales.
Permite refinar errores graves de Permite refinar errores graves de estructura, posición de cadenas estructura, posición de cadenas laterales, colisiones,...laterales, colisiones,...
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Dinámica molecularDinámica molecular
Se añade energía al sistema, dando Se añade energía al sistema, dando velocidad inicial a los átomos.velocidad inicial a los átomos.
El sistema evoluciona libremente El sistema evoluciona libremente siguiendo las leyes clásicas del siguiendo las leyes clásicas del movimiento.movimiento.• Límites prácticos actuales Límites prácticos actuales 10 ns 4 semanas 10 ns 4 semanas
de CPUde CPU El sistema no queda atrapado en mínimos El sistema no queda atrapado en mínimos
locales, por lo que la optimización es más locales, por lo que la optimización es más eficiente.eficiente.
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Dinámica molecularDinámica molecular
Si se incluye un número significativo Si se incluye un número significativo de moléculas de agua explícitas, se de moléculas de agua explícitas, se puede reproducir su efecto puede reproducir su efecto dieléctrico y el efecto hidrofóbico.dieléctrico y el efecto hidrofóbico.
Simulated annealingSimulated annealing• Utiliza alta temperatura para mejorar la Utiliza alta temperatura para mejorar la
exploración del espacio de exploración del espacio de conformacionesconformaciones
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Dinámica molecularDinámica molecular
Epot {xi}
Fi= ∂Epot/∂xi
ai= Fi/mi
vi (t+dt)=v(t)i+ai dt
xi (t+dt)=x(t)i+vi dt
Trayectoria
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NMR MD(water) 5 ns
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““Cap” de agua alrededor del centro activoCap” de agua alrededor del centro activo
Esfera de agua Esfera de agua de 25 de 25 ÅÅ de radio de radio
Potencial Potencial armónico “anti-armónico “anti-fuga” en la fuga” en la paredpared
Proteína fuera Proteína fuera del cap fijadel cap fija
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Sistema periódicoSistema periódico
Barnasa (pH=7) + Barnasa (pH=7) + contraiones + contraiones + aguaagua
Periodic Boundary Periodic Boundary ConditionsConditions
NPT (P=1 atm)NPT (P=1 atm) AMBER/OPLSAMBER/OPLS