Bioinformática 2013 B

Ing. César Arturo Zapata-AcevedoDr. Alfonso Méndez-Tenorio

Introducción a la Dinámica Molecular en biomoléculas

• Las biomoléculas no son estáticas. Se encuentran en constante movimiento.

• Su conformación y plegamiento se debe a condiciones diferentes del entorno.

• Estas características son críticas para su correcto funcionamiento.

Llave y cerradura

• Fischer en 1894, afirmó que las interacciones proteicas se podían describir como una llave y una cerradura.

• No se consideraron los cambios conformacionales sino hasta 1958.

• pH, temperatura, cercanía de sustratos, son muchos los factores que pueden afectar su estructura secundaria/terciaria/cuaternaria.

• Las proteínas se consideran como “de carga negativa” pero incluso dentro de su estructura tenemos grupos R sin carga o con carga +. Son estructuras complejas.

Dinámica Molecular o “DM”

• Simulación de la realidad con detalle atómico: el microscopio final.

• Estudio del comportamiento de las proteínas en una simulación de su entorno. No es exclusiva para biomoléculas.

• Importante en nanotecnología, aeronáutica, diseño de fármacos, mecánica de materiales, determinación de vías metabólicas.

• Parte de la BIOINFORMÁTICA ESTRUCTURAL.• La simulación está sujeta a limitaciones

computacionales, como memoria computacional, velocidad y precisión.

• A nivel atómico, no es relevante la procedencia de la molécula.

• No importa si la proteína o el DNA es de E. coli, Homo sapiens o un Archea, los átomos están regidos por leyes lo suficientemente simples.

• Combinación de matemáticas, química, física y biología.

Técnica de DOCKING• Consiste en simular el ambiente de una

proteína y colocarla junto a un fármaco o ligando. Permite visualizar su interacción antes incluso de la síntesis del fármaco.

• Si el fármaco se une a la proteína donde el investigador busca, sugiere que el fármaco es buen candidato para sintetizarse experimentalmente.

• En el Docking la proteína está estática. Los programas de Docking como AutoDockcalculan energías entre ligando y proteína.

Dinámica Molecular

• A diferencia del Docking, todo el sistema simulado se encuentra en movimiento. Las reglas del movimiento las determina un CAMPO DE FUERZA.

• Se hace a partir de un archivo PDB de coordenadas.

• Los términos incluyen energía, temperatura, y presión en el sistema.

• TODOS los átomos del sistema interactúan entre sí, TODOS los átomos del sistema afectan a los demás.

3 pasos fundamentales de la dinámica molecular

• 1. Se especifican posiciones iniciales y se hacen interaccionar en el campo de fuerza.

• 2. Se calculan nuevas posiciones en el sistema a partir de la segunda Ley de Newton.

• 3. Se miden las propiedades físicas en la nueva posición como funciones de momentum, aceleración y posición.

La DM es un proceso de optimización

• Concepto de “optimización”: mejorar un modelo.

• El PDB fue obtenido por NMR o cristalografía de rayos X, o quizá por modelado por homología, ab-initio, etc.

• Las coordenadas del PDB es una forma que la proteína adquiere en algún momento del tiempo…

• No necesariamente es la conformación óptima y no necesariamente funciona con esa forma.

Máximos y mínimos, locales y globales (energéticos).

• La proteína se descarga del PDB en un estado energético de mínimo local.

Dinámica Molecular (DM)• El fundamento básico de un algoritmo de

dinámica molecular es calcular la trayectoriade cada partícula en un sistema al integrar laecuación de la segunda ley de Newton.

Usos en biología molecular

• Estudios de estabilidad proteica.

• Cambios conformacionales

• Reconocimiento molecular de proteínas, DNA y membranas.

• Transporte iónico en sistemas biológicos.

• Diseño de fármacos.

• Refinamiento de la estructura obtenida experimentalmente.

DM en proteínas• La más usada. Interés en interacción con

fármacos, sitios activos de enzimas, reconocimiento extracelular, cambios ocasionados por mutaciones, señalización, vías metabólicas, conservación de estructura terciaria..

DM en ácidos nucleicos

(Cui, et al., 2007)

DM en lípidos

• Casi siempre simulando membranas y usadas en la simulación de proteínas transmembranales y de reconocimiento extracelular.

Consideraciones de la técnica

• Los núcleos y los electrones están unidos en una solapartícula que representa al átomo.

• Las partículas atómicas son esféricas, con un radiodeterminado obtenido a través de mecánica cuántica.

• Las interacciones están basadas en resortes ypotenciales clásicos (leyes de Hooke y de Coulomb).

• Las interacciones deben ser preasignadas a un conjuntoespecífico de átomos. – archivo PSF.

• Las interaciones determinan la distribución espacial delas partículas atómicas y sus energías.

• Para modificar la temperatura en el sistema, sereescalan las velocidades de los átomos.

Ley de Hooke

Ley de Coulomb

Interacciones enlazadas y sin enlace

(Schlick, 2010).

Interacciones atómicas y su energía potencial

(Pintilie, 2007, Schlick, 2010).

Fundamentos de Dinámica Molecular

• Energía potencial:

(Ley de Hooke)

• Por segunda ley de Newton, F= m*a

• La aceleración es derivada de la velocidad, la cual es derivada de la posición.

• Se integra con respecto al tiempo dos veces para obtener la posición de cada átomo

Solvatación en agua

• Ley de Coulomb

Algoritmo fundamental de DM

Proporciones de tiempo en el algoritmo

Campo de fuerza o de potencial

• Parámetros y funciones matemáticas que describen la energía potencial de un sistema de partículas.

• Deben tener parámetros para todos los tipos diferentes de átomo de un sistema.

• Aproximaciones derivadas de diferentes tipos de datos experimentales. Son EMPÍRICOS. Se refinan por medio de mecánica cuántica.

• Incluye datos como masa atómica, radio de las fuerzas de van der Waals, cargas parciales para cada átomo, valores de equilibrio de las longitudes de enlace, ángulos de unión, diherdro, constantes de Hooke para cada enlace, incluso polarizabilidad, para dipolos inducidos.

• Todos los campos de fuerza y potencial están en constante actualización.

Campos de fuerza o de potenciales

• CHARMM: Chemistry at Harvard Molecular Mechanics. –Universidad de Harvard.

• Charmm27, Charmm36• AMBER: Assisted Model Building with Energy

Refinement. – Universidad de California, San Francisco.

• Parm94, parm99, Parmbsc0• GROMOS – Universidad de Groningen, Holanda.• GROMOS87, GROMOS96, GROMOS05, GROMOS1

1

CHARMM

Software que permite hacer DM

• NAMD

• GROMACS

• AMBER

• LAMMPS

• Desmond

• X-PLOR

Archivos utilizados en una DM

• Archivo de coordenadas cartesianas de la molécula, PDB.

• Archivo de estructura puntual (información sobre las interacciones entre átomos), PSF.

• Archivo de parámetros y campo de fuerza, TOP o INP. (Campo de fuerza CHARMM27)

• Archivo .conf con instrucciones del usuario.