M.OrozcoJ.L.GelpiM.RuedaJ.R.Blas

Curso Universitat de Barcelona –CESCAXarxa Catalana Bioinformàtica

Xarxa catalana de Bioinformàtica

No a laGuerra

No a laGuerra

Clase 1: Clase 1: Elementos de Elementos de

estructuraestructura

•Estructura de proteínasEstructura de proteínas

•Estructura de ácidos Estructura de ácidos nucleicosnucleicos

•Estructura de proteínasEstructura de proteínas

•Estructura de ácidos Estructura de ácidos nucleicosnucleicos

Secuencia DNA

Gens

RNA(m)

Proteínas

NIVELES DE ESTRUCTURANIVELES DE ESTRUCTURA

• Estructura primaria (secuencia)Estructura primaria (secuencia)

• Estructura secundaria (hélices)Estructura secundaria (hélices)

• Estructura terciaria (superhélices,...)Estructura terciaria (superhélices,...)

• Estructura cuaternaria (complejos,...)Estructura cuaternaria (complejos,...)

CONSTITUYENTES CONSTITUYENTES ESTRUCTURALES DE LOS ESTRUCTURALES DE LOS

ÁCIDOS NUCLEICOSÁCIDOS NUCLEICOS

N

N

N

HH

R

O

N

N

O

R

O

H3 C HN

N

O

R

O

H

CITOSINA TIMINA URACILO

N

NN

N

O

R

H

N

H

H

N

NN

N

N

R

GUANINA ADENINA

H H

Pirimidinas

Purinas

BASES NITROGENADAS

LAS BASES POSEEN UNA HUELLA DACTILAR UNICABASADA EN SU PAUTA DE PUENTES DE HIDROGENO

N3

C2

N1

C6

C5

C4

N4

HH

R

O2

CITOSINA

N1

C2

N3

C4

C5

C6

N9

C8

N7

O6

R

H

N

H

H

GUANINA

EL AZUCAR: RIBO: RNA; DEOXY: DNA

C2'

C3'

O4' C1'

OH

B

OH

C4 '

C5'H2HO

C2'

C3'

O4' C1'

OH

B

C4'

C5'H2HO

RIBOSA 2'deoxy RIBOSA

O4'

C4 '

C3' C2'

C1 '

Base

OHHO

HOH2C O4'

C4'

C3' C2 '

C1'

Base

OH

HOH2C

Como regla general,...Como regla general,...

• Las bases son responsables de Las bases son responsables de delimitar las propiedades de delimitar las propiedades de reconocimiento específico del DNA.reconocimiento específico del DNA.

• El esqueleto de fosforibosa El esqueleto de fosforibosa (conformación del azucar, enlaces (conformación del azucar, enlaces fosfodiester,...) marcan la flexibilidad fosfodiester,...) marcan la flexibilidad conformacional.conformacional.

El paso entre confórmeros del El paso entre confórmeros del azucar se da siempre a azucar se da siempre a través de otros especies no través de otros especies no planasplanas

C1'

C2'

C4' O4 '

HO

B

OH

HOH2C

C3'

C1'endo

C2'

C3'

'O4 C1'

OH

B

OH

C4'

HOH2C

C2'endo

O4'

C1'

C3' C4'

BCH2OH

HO

C2'

HO

O4'exo

CONFORMACION DE LA RIBOSA(PSEUDOROTACION)

La transición entrepuckerings del

azucar se da siguiendoel denominado

Círculo Pseudorotacional

360>P>0para m constante

La transición C2’endo<->C3’ endo es siempre por O4’endonunca por O4’exo

C2 '

C3'

O4' C1'

OH

B

OH

C4'

HOH2C C3'

C4 '

C1' C2 'CH2OH

OH

OH

B

O4'

C2'-endo C3'-endo

O4'

C4 '

C2' C1'

CH2OHB

HO

C3'

HO

HO

O4'

C1 '

C3' C4 'B

HO

CH2OH

C2 '

O4'-endo

O4'-exo

S<->N por Enunca por W

PUCKERINGPUCKERING

• Las formas más abundantes en Las formas más abundantes en nucleósidos son la nucleósidos son la NN (C3’endo) y la (C3’endo) y la SS (C2’endo)(C2’endo)

• La forma E (O4’endo) se encuentra a La forma E (O4’endo) se encuentra a veces, pero nunca la W (O4’exo)veces, pero nunca la W (O4’exo)

• Las formas Las formas BB del DNA presentan del DNA presentan puckerings puckerings SS y en algún caso E. y en algún caso E.

• Las formas Las formas AA del DNA y el RNA presentan del DNA y el RNA presentan siempre puckerings siempre puckerings NN

O4'

C4'

C3' C2'

C1'

OHHO

HOH2C

N

N

N

N

NH2

ADENOSINA

NUCLEOSIDO (base + azucar)

O4'

C4'

C3' C2'

C1'

OHHO

O9P3OH2C

N

N

N

N

NH2

ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP)

NUCLEOTIDO (base + azucar + fosfato)

Para ver esta película, debedisponer de QuickTime™ y deun descompresor TIFF (LZW).

syn anti

ENLACE GLICOSIDICOENLACE GLICOSIDICO

ENLACE GLICOSIDICOENLACE GLICOSIDICO

• Normalmente los nucleósidos y Normalmente los nucleósidos y nucleótidos están en la conformación nucleótidos están en la conformación antianti

• La Guanosina es el único nucleósido (de La Guanosina es el único nucleósido (de los A.N.) con posibilidad de estar en los A.N.) con posibilidad de estar en conformación conformación synsyn

• Grupos voluminosos en la posición 8 de Grupos voluminosos en la posición 8 de la purina pueden forzar la conformación la purina pueden forzar la conformación synsyn..

gauche-gauche trans-gauche gauche-trans

ENLACE C4’-C5’ENLACE C4’-C5’

ENLACE C4’-C5’ENLACE C4’-C5’

• Las tres conformaciones se detectanLas tres conformaciones se detectan

• La gg parece un poco más estable, La gg parece un poco más estable, pero la diferencia es muy pequeñapero la diferencia es muy pequeña

• El puckering del azucar influye El puckering del azucar influye mucho en la conformación del enlace mucho en la conformación del enlace C4’-C5’C4’-C5’

EL DNA ES EL FRUTO DE EL DNA ES EL FRUTO DE LAS INTERACCIONES DE LOS LAS INTERACCIONES DE LOS

NUCLEOTIDOSNUCLEOTIDOS

• Interacciones de puente de hidrógeno.Interacciones de puente de hidrógeno.

• Interacciones de stacking Interacciones de stacking (apilamiento).(apilamiento).

• Screening (apantallamiento de la Screening (apantallamiento de la repulsión fosfato-fosfato)repulsión fosfato-fosfato)

• Efecto solvatación del agua y Efecto solvatación del agua y contraionescontraiones

Apareamientos canónicos Apareamientos canónicos (Watson-Crick)(Watson-Crick)

Los apareamientos W.C no Los apareamientos W.C no son los únicos posibles!son los únicos posibles!

N

NN

N

O

R

NN

N

H

N

H

H

H

H

R

O

N

NN

N

N

R

NN

O

R

O

H

H H

Me

Los apareamientos WC Los apareamientos WC nono saturan todas las saturan todas las

posibilidades posibilidades de reconocimientos de reconocimientos

específicosespecíficos

Apareamiento d(A:T)

INTERACCIONES DE INTERACCIONES DE STACKINGSTACKING

• Son interacciones (básicamente de Son interacciones (básicamente de van der Waals) entre anillos van der Waals) entre anillos aromáticos de las bases nitrogenadasaromáticos de las bases nitrogenadas

• Intensas, pero menos específicas que Intensas, pero menos específicas que los ptes de hidrógenolos ptes de hidrógeno

• Menos dependientes del solvente que Menos dependientes del solvente que los ptes de hidrógenolos ptes de hidrógeno

• Las purina-purina son las más intensasLas purina-purina son las más intensas

d(A:T)2

El stacking y elpuente de hidrógenomantienen la estructurade la doble hélice

El stacking y elpuente de hidrógenomantienen la estructurade la doble hélice

d(A:T)2

EL DNA PRESENTA ES UNA HELICE NO PLANASINO CON PERFILES (SURCOS)

LOS SURCOS SON TOTALMENTE DIFERENTES EN ELA- Y EN EL B- DNA

EN CADAPAR DE BASES

SE DEFINENDOS SURCOS

EL MAJOR YEL MINORGROOVES

EL DNA PRESENTA ES UNA HELICE NO PLANASINO CON PERFILES (SURCOS)

GRAN PARTE DE LA REACTIVIDADESTA LOCALIZADA EN LOS SURCOS

Diversos Diversos fármacosfármacos interaccionan interaccionan específicamente con las específicamente con las bases por el MINOR bases por el MINOR groove. groove. Muchas Muchas proteínasproteínas lo hacen lo hacen por el MAJOR groove.por el MAJOR groove.Otros Otros oligonucleótidosoligonucleótidos pueden hacerlo por el pueden hacerlo por el MAJOR grooveMAJOR groove

LA ESTRUCTURA LA ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL DNA ES SECUNDARIA DEL DNA ES POLIMORFICAPOLIMORFICA• Depende de la secuenciaDepende de la secuencia

• Varía con la humedad del medioVaría con la humedad del medio

• Cambia con la fuerza iónica Cambia con la fuerza iónica

• Depende de la presencia de drogasDepende de la presencia de drogas

• Puede ser alterada por la acción de Puede ser alterada por la acción de proteínasproteínas

• Ciertas sales pueden hacerla cambiarCiertas sales pueden hacerla cambiar

La estructura secundaria La estructura secundaria nativa del DNA es “siempre” nativa del DNA es “siempre” helicoidalhelicoidal

• Dobles hélices (A, B, Z)Dobles hélices (A, B, Z)

• Triples hélices (d(Pu:Py:Pu); Triples hélices (d(Pu:Py:Pu); d(Pu:Py:Py))d(Pu:Py:Py))

• Cuadruples hélices (motivo G-DNA)Cuadruples hélices (motivo G-DNA)

COMO REGLA GENERALCOMO REGLA GENERAL

• El DNA fisiológico adopta la forma El DNA fisiológico adopta la forma dextrógira Bdextrógira B

• El RNA fisiológico adopta la forma El RNA fisiológico adopta la forma dextrógira Adextrógira A

• Los híbridos B:A adoptan la forma Los híbridos B:A adoptan la forma dextrógira Adextrógira A

TRIPLES HELICESTRIPLES HELICES• Se forman por una tercera cadena de Se forman por una tercera cadena de

oligonucleótidos reconoce a un duplex.oligonucleótidos reconoce a un duplex.

• Los motivos pirimidina (3a cadena poly-Y) son los Los motivos pirimidina (3a cadena poly-Y) son los más conocidosmás conocidos

• Se pueden formar con DNA, RNA, PNA,...Se pueden formar con DNA, RNA, PNA,...

• Son estructuras que existen Son estructuras que existen in vivoin vivo y pueden y pueden tener gran impacto biotecnológico y terapéuticotener gran impacto biotecnológico y terapéutico

Triplexes motivos pirimidinaTriplexes motivos pirimidina

LOS TRIPLEX SEFORMAN AL

RECONOCER ELSURCO ANCHOUNA CADENASIMPLE A UNDNA DUPLEX

ES POSIBLE INFLUIR EN LA FUNCIONALIDAD DEL DNA MEDIANTE LA FORMACION DE ESTRUCTURAS HIBRIDAS

DNA(T): ANTI-GENE & DNA-RNA: ANTISENSE

TETRAPLEXES: G-DNATETRAPLEXES: G-DNA

• Se forman fundamentalmente en Se forman fundamentalmente en secuencias ricas en poly(G)secuencias ricas en poly(G)

• Claves para la estabilización de los Claves para la estabilización de los telómerostelómeros

• Una de las dianas más prometedoras Una de las dianas más prometedoras en tratamiento antineoplásico.en tratamiento antineoplásico.

El G-DNA SE FORMA POR LA INTERACCION EN EL PLANODE 4 GUANINAS. LA REPETICIÓN DE ESTE MOTIVO DA

LUGAR A UNA HELICE TETRACATENARIA DEXTROGIRA

EL G-DNA NECESITA PARA SU ESTABILIDAD ELEVADAS CONCENTRACIONES DE NA+ O K+

ESTRUCTURAS ORDEN ESTRUCTURAS ORDEN SUPERIORSUPERIOR

• El DNA DEBE COMPACTARSE MUCHO El DNA DEBE COMPACTARSE MUCHO EN LA CELULAEN LA CELULA

• ESTO DA LUGAR A ESTRUCTURAS DE ESTO DA LUGAR A ESTRUCTURAS DE ORDEN SUPERIORORDEN SUPERIOR

• LA PRIMERA ES EL NUCLEOSOMA, LA LA PRIMERA ES EL NUCLEOSOMA, LA ULTIMA EL CROMOSOMAULTIMA EL CROMOSOMA

NUCLEOSOMANUCLEOSOMA

Los nucleosomas se Los nucleosomas se ordenan en superfibrasordenan en superfibras

• Los nucleosomas Los nucleosomas forman un rosario forman un rosario que se enrrolla que se enrrolla sobre si mismo sobre si mismo para dar una para dar una superfibra e 30 nmsuperfibra e 30 nm

• El modelo El modelo propuesto es el del propuesto es el del solenoidesolenoide

MODELO SOLENOIDEMODELO SOLENOIDE

Las fibras de nucleosomas Las fibras de nucleosomas definen el CROMOSOMAdefinen el CROMOSOMA

• Niveles de Niveles de estructura-ción en estructura-ción en lazos permiten la lazos permiten la formación del formación del cromosomacromosoma

• El cromosoma es el El cromosoma es el nivel máximo de nivel máximo de empaquetamiento empaquetamiento del DNA.del DNA.

PARA REALIZAR SU PARA REALIZAR SU FUNCIÓN BIOLÓGICA EL FUNCIÓN BIOLÓGICA EL

DNA DEBE SER CAPAZ DE DNA DEBE SER CAPAZ DE DISTORSIONARSE: DISTORSIONARSE:

DOBLARSE, DOBLARSE, DESENROLLARSE, DESENROLLARSE,

ALARGARSE,... ALARGARSE,...

EL DNA ES DÚCTILEL DNA ES DÚCTIL

Complejo DNA-UvrB

EL DNA ES MOVILEL DNA ES MOVIL

DNA bending

Ejemplo demovimiento clave

para la funcióndel DNA

•Estructura de proteínasEstructura de proteínas

•Estructura de ácidos Estructura de ácidos nucleicosnucleicos

Secuencia DNA Secuencia Proteína

Estructura 3DReconocimiento Molecular

Catálisis enzimática

Comunicación entre tejidos

Generación y transmisión del impulso

nervioso

Permebilidad de membranas

Control crecimiento y diferenciación

DefensaMovimiento

Transporte y almacenaje

Síntesis “fine chemicals”

Aditivos de alimentación

Transformación alimentos

Tratamiento tejidos

Aditivos limpieza

Reactivos laboratorioTerapia

Diagnóstico clínico

NIVELES DE ESTRUCTURANIVELES DE ESTRUCTURA

• Estructura primaria (secuencia)Estructura primaria (secuencia)

• Estructura secundaria (hélices Estructura secundaria (hélices , , cadena cadena , giros , giros , lazos,...), lazos,...)

• Estructura supersecundariaEstructura supersecundaria

• Dominio estructuralDominio estructural

• Estructura terciariaEstructura terciaria

• Estructura cuaternariaEstructura cuaternaria

NH3+O

O

NH3+O

O

NH3+O

S

O

NH3+O

O

NH2+O

ONH3+O

NH

O

NH3+O

O

NH3+O

O

Ala (A) Val (V) Leu (L) Ile (I)

Met (M) Trp (W) Phe (F) Pro (P)

Aminoácidos hidrofóbicosAminoácidos hidrofóbicos

NH3+O

ONH2

O

NH3+O

O

NH2

O

NH3+O

SH

O

NH3+O

O

NH3+

OH

O

NH3+

OH

O

ONH3+

O

OH

O

Gly (G) Asn (N) Gln (Q)

Ser (S) Thr (T) Tyr (Y)

Cys (C)

Aminoácidos polares neutrosAminoácidos polares neutros

NH3+O

NH

H2NNH2

O

NH3+O

OO

O

NH3+O

O

O

O

NH2

O

NH3+

O

NH3+O

NH

NH+

O

Arg (R) Lys (K) His (H)

Glu (E) Asp (D)

Aminoácidos cargadosAminoácidos cargados

NH3+ O

R2

O

NH3+ O

R1

O

NH3+

R1

O

NH

R2

O

O

+

El enlace amida define la formación del polímero

NH

R1

O

NH

R2

O

NH

O

R3NH

R4

O

......

... aa1 - aa2 - aa3 - aa4 ...

La estructura secundaria es debida a la ordenación local de residuos contiguos

Esto se da por rotación de los enlacessencillos (C-C) y (N-C)

¿son posibles todas las ¿son posibles todas las conformaciones?conformaciones?

Diagrama deRamachandran

¿son posibles todas las ¿son posibles todas las conformaciones?conformaciones?

El gráfico de Ramachandran define las estructuras secundarias: repetitivas (hélices o cadenas), y no repetitivas (giros, lazos)

Hélice Hélice

Estructuras Estructuras paralelasparalelas

Estructuras Estructuras antiparalelasantiparalelas

Estructuras no periódicasEstructuras no periódicasgiros, lazosgiros, lazos

Estructura supersecundariaEstructura supersecundaria

• Agrupaciones sencillas de elementos Agrupaciones sencillas de elementos de estructura secundariade estructura secundaria

• Es un nivel de estructuración localEs un nivel de estructuración local

• A menudo coincide con el concepto A menudo coincide con el concepto de dominio estructuralde dominio estructural

Dominio estructuralDominio estructural

• Primer nivel de estructura Primer nivel de estructura tridimensional con entidad propiatridimensional con entidad propia

• Es la unidad básica de plegamientoEs la unidad básica de plegamiento

• Puede contener una o varias Puede contener una o varias estructuras supersecundariasestructuras supersecundarias

alfa-loop-alfaalfa-loop-alfa

• Unión de Unión de metalesmetales

• Unión a DNAUnión a DNA

alfa-loop-alfaalfa-loop-alfa

alfa-loop-alfaalfa-loop-alfa

beta - hairpinbeta - hairpin

beta - hairpinbeta - hairpin

Greek keyGreek key

Greek keyGreek key

Este motivo tiene un plegamiento especialmente favorable

alfa - betaalfa - beta

La hélice se sitúa siempre en el mismo lado de la hoja

Agrupaciones todo Agrupaciones todo

OrtogonalOrtogonal - sandwich - sandwich

– – jelly rolljelly roll

- barrel- barrel

Porina

barrelbarrel

doubly wounddoubly woundRossman foldRossman fold

Estructura terciariaEstructura terciaria

• Nivel de estructuración tridimensional Nivel de estructuración tridimensional global de las proteínas monoméricasglobal de las proteínas monoméricas

• Puede contener uno o varios dominiosPuede contener uno o varios dominios•En unión ligeraEn unión ligera

•En unión íntimaEn unión íntima

•En disposición abrazadaEn disposición abrazada

Estructura cuaternariaEstructura cuaternaria

• Nivel de estructuración tridimensional Nivel de estructuración tridimensional global de las proteínas oligoméricasglobal de las proteínas oligoméricas

• Es el resultado de agrupar diversas Es el resultado de agrupar diversas estructuras terciariasestructuras terciarias

• Pueden ser temporales o permanentesPueden ser temporales o permanentes

Fuerzas que estabilizan la Fuerzas que estabilizan la estructura de las proteínasestructura de las proteínas

• Términos de enlace deben ser Términos de enlace deben ser favorables (Mínimos en el mapa de favorables (Mínimos en el mapa de Ramachandran)Ramachandran)

• Puentes de hidrógeno (claves a nivel de Puentes de hidrógeno (claves a nivel de estructura secundaria)estructura secundaria)

• Puentes disulfuroPuentes disulfuro• Puentes salinosPuentes salinos• Interacciones de van der WaalsInteracciones de van der Waals• Efecto hidrofóbicoEfecto hidrofóbico

El número de estructuras El número de estructuras terciarias es enormeterciarias es enorme

Pero es posible agruparlas Pero es posible agruparlas estructuralmenteestructuralmente

Proportion of "new folds" (light blue) and "old folds" (orange) for a given year as a number of protein chain.

Jerarquía CATHJerarquía CATH

• C: ClaseC: Clase (contenido en estructura (contenido en estructura secundaria)secundaria)

• A: ArquitecturaA: Arquitectura (disposición de los (disposición de los elementos de estructura secundaria)elementos de estructura secundaria)

• T: TopologíaT: Topología (disposición de las (disposición de las conexiones entre elementos)conexiones entre elementos)

• H: HomologíaH: Homología (homología estructural) (homología estructural)• S: SecuenciaS: Secuencia (homología de secuencia) (homología de secuencia)

ClassNumber of folds

Number of superfamilies

Number of families

All alpha proteins 138 224 337

All beta proteins 93 171 276

Alpha and beta proteins (a/b) 97 167 374

Alpha and beta proteins (a+b) 184 263 391

Multi-domain proteins 28 28 35

Membrane and cell surface proteins

11 17 28

Small proteins 54 77 116

Total 605 947 1557

SCOP. EstadísticasSCOP. Estadísticas