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Paulino Gomez-PuertasBioinformática.2007-2008
Generalidades
“Acoplamiento molecular”Proteína – LigandoProteína – ProteínaProteína – Ácidos Nucleicos
¿Para qué sirve?
- Racionalización de interacciones y estructuras.- Diseño de nuevas moléculas.- Cribado virtual de quimiotecas (librerías de compuestos).- Búsqueda de modelos estructurales de interacción proteína-proteína.- Búsqueda de modelos estructurales de interacción ligandos-DNA.
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Interacciones de proteínas y función
- Una nueva visión en biología molecular
Genoma
Proteoma
Interactoma
“Complexoma”
~30.000 genes del genoma humano ~106 proteínas (modificaciones postraduccionales y splicing)
¿Por qué se estudian las interacciones en las que intervienen proteínas?
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¿Cómo trabajan las proteínas en la célula?
Interacciones de proteínas y función
La mayoría de las proteínas trabajan “en grupo” :
- la mayoría de las proteínas operan en concierto con otras proteínas,
- formando complejos moleculares,
- constituyendo redes de interacción.
Ejemplo: complejo Ácido-graso-sintasa (PDB:2cf2)PROCESOS COMPLEJOS
?
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- Alterar las propiedades cinéticas de enzimas frente a sustratos e inhibidores (kinasas)
- Permitir la canalización de sustratos entre subunidades.
- Crear nuevos sitios de unión (pequeñas moléculas efectoras)
- Inactivar o destruir proteínas (proteasas)
- Cambiar la especificidad de una proteína por sus sustratos por medio de la interacción con diferentes
- Servir de intermediarios de regulación en cascadas de transducción de señales
- …
Interacciones proteína:proteína
La función a escala molecular y bioquímica
1
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Desde el punto de vista del la naturaleza fisíco-química de la interacción:
- FUERTES / DÉBILES.
- RÁPIDAS / LENTAS.
¿Qué tipos de interacciones de proteínas podemos encontrar?
Desde un punto de vista su naturaleza evolutiva:
- ESTABLES : ++ asociadas con proteínas caracterizadas como COMPLEJOS integrados por múltiples
subunidades, idénticas o diferentes.
Ejemplos clásicos: Hemoglobina, FFA sintasa.
- TRANSITORIAS : ++ asociadas con proteínas que median en el CONTROL de la mayoría de procesos
celulares, incluyendo el plegamiento, señalización, ciclo celular, etc.
: La energía de interacción (binding), expresada como ∆G, permite cuantificar
sobre una base termodinámica las propiedades macroscópicas del sistema.
Interacciones proteína:proteína in silico
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Interfaces proteína:proteína: descripción general de los sitios de unión
-Las interfaces proteína:proteína tiene lugar entre residuos de dos cadenas polipeptídicas.
- Un criterio de contacto: ej. di,j ≤ vdW radii + 0.5 Å
- Un criterio de proximidad: dCα-Cα(i,j) < 6.0 ÅInteractions
Interface scaffold
- Ejemplo: Granzyme B (Homodímero).
· Cadena A :
· Cadena B:
- Contacto : 9
- Contacto : 14
- Proximidad : 20
- Proximidad : 14
Interacciones proteína:proteína
Puntos “Calientes”
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Interfaces proteína:proteína: descripción general de los sitios de unión
Interacciones proteína:proteína in silico
El perfil de conservación de los puntos calientes no es uniforme, sino que se encuentran rodeados por residuos moderadamente conservados en la interfaz; todos ellos se agrupan a su vez en “regiones calientes”.
Las “regiones calientes” resultan del empaquetamiento denso de “puntos calientes” junto con una serie de residuos adicionales en distinto grado de conservación.
Los puntos calientes no están distribuidos
uniformemente en las interfaces, sino que se
agrupan en varias “regiones calientes”
dependiendo del tamaño de la interfaz.
Los “puntos calientes”pueden considerarse
como dispositivos de acoplamiento molecular
dirigidos por gradientes de potencial en las
interacciones proteína-proteína.
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Information extracted from multiple sequence alignments
Integration of Evolutive Information
correlated mutations
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SINGLEMUTATION
DECREASEDSTABILITY
"RESTORED"STABILITY SECOND COMPENSATORY
MUTATION
Correlated Mutations
Pazos et al.J. Mol. Biol., 1997
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Correlated mutations: CorrMut & PlotCorri j
1 ....S..........P......
2 ....V..........L......
3 ....L..........M......
1 2 3
1 - SV SL
2 - - VL
3 - - -
1 2 3
1 - PL PM
2 - - LM
3 - - -
i
j
r = 0.743
Goebel, Sander, Schneider & Valencia. Proteins, 1994Olmea & Valencia. Folding & Design, 1997Pazos, Olmea & Valencia. CABIOS, 1997
1 2 3
1 - 1 2
2 - - 3
3 - - -
1 2 3
1 - 0 1
2 - - 5
3 - - -
McLachlan matrix
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Correlated mutations
D415 (monomer A)
R297 (monomer B)
Phenylalanine hydroxylase (PAH)
homotetramer.
intra-protein contacts
inter-protein contacts
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Ig-like domain
TIM barrel
Human acid-b-glucosidase Saposin C
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Inner mitochondrial membrane
carnitine palmitoyl-carnitine
CPT2
CoA palmitoyl-CoA
carnitine/acyl-carnitine transporter
Outer mitochondrial membrane
3 CPT1 - transmembrane segments
CoA
palmitoyl-CoA
malonyl-CoA
ACC2 - dimer
ACBP
CoApalmitoyl-CoA
Acyl-CoA synthetase
CPT1trimer
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Predicción in silico de los complejos estructurales proteína-ligando a partir de sus conformaciones y orientaciones.
Las orientaciones que maximizan la interacción sugieren la estructura más probable del complejo.
DOCKING proteína-ligando.
Extracción de información estructural y evolutiva.
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REPRESENTACIÓN PROTEÍNA. GRIDS.
- Modelos estructurales Rx (& Modelado comparativo)
- Representación compleja: metodologías de grid.
- Rígida.
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- Funciones de puntuación (scoring functions)
REPRESENTACIÓN PROTEÍNA. GRIDS.
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LIGANDOS. FLEXIBILIDAD.
- Moléculas de bajo peso molecular.
- Enlaces rotables Flexibilidad
- El problema de la generación de confórmeros.
- Conformación variable Propiedades del medio
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LIGANDO. BÚSQUEDA CONFORMACIONAL
- Número de posibles confórmeros mn
- Búsqueda restringida
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DOCKING proteína-ligando. RESULTADOS
- Colección de modelos estructurales: Biotina vs. Estreptavidina
22.875 Å
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DOCKING proteína-ligando. RESULTADOS
- Colección de modelos estructurales: XK-263 vs. Proteasa HIV-1
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MODELADO DE INTERACCIONESCONOCIDAS
- Modelado de centros activos, sitios alostéricos, etc.
- Construcción de nuevas hipótesis: desarrollo dirigido de fármacos.
- Ingeniería de proteínas.
APLICACIÓN I.
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compoundcollections
receptorstructure
Protein3D model
virtuallibraries
computationalscreening
no. compounds
filtering criteria:docking energy
spatialcomplementarity3D simmilarity
profiles
1.000.000
100.000
5.000
250
in vitro screen smaller focused libraries
APLICACIÓN II. VIRTUAL SCREENING.
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\hex /heks/ v. & n. US { v. 1. practise witchcraft. 2. bewitch. { n. 1. a magic spell. 2. a witch. [GK hex six]." (The ConciseOxford Dictionary).
-Computational method of docking pairs of proteins by using spherical polar Fourier correlations.
- Accelerate the search for candidate low-energy conformations.
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Docking using Polar Fourier correlation with Hex
Double skin model: enhancing the harmonic surface representation
Special orthogonal radial functions: 3D density functions
- tau (τ) :exterior; volume bounded by the molecular surfaceand the solvent-accessible surface
-sigma (σ) :interior; van der Waals volumes of all atoms justinside the molecular surface
τ
σ
Protein representation based on 2 vectors of expansioncoefficients on the Polar Fourier space.
Exploring the conformational space: 6-D docking search using tessellated icosahedra
For localized search:
- known binding site on protein A- assumed to be centered on the z-axis,
The angular coordinates of each tessellation vertex providemolecular rotational increments (β, γ).
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Strategy to find good docking orientations
RECIPROCALLY MAXIMIZE the degree of overlap between the surface skinof one protein with the interior density of the other.
Scoring Function
- steric clashes can be penalised by subtracting an interior-interior overlap term from the scoring function.
- expression for the volume of solvent expelled from theprotein surfaces upon association .
Docking using Polar Fourier correlation with Hex (II)
- rigorous but “soft” model of electrostatic complementarity based on the OPLS forcefield.
BASIC: steric complementarity
ENHANCED: electrostatic complementarity
- search over all six rigid-body degrees of freedom- performed by rotating and translating only the initial expansion coefficients- rapid elimination of many infeasible orientations using only low-resolution
terms- correlations easily localized around known binding epitopes when this
knowledge is available.- FAST!!!