Análisis de estructurasAnálisis de estructuras

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”

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.

¿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.

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

Tipos de herramientasTipos de herramientas

FormatoFormato SimetríaSimetría GeometríaGeometría EstructuraEstructura

Programas de análisisProgramas de análisis

PROCHECK PROCHECK WHATCHECKWHATCHECK Suite Biotech Suite Biotech PROSAPROSA

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.)

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

Estadística – Valores correctosEstadística – Valores correctos

-4 < Z – score < 4-4 < Z – score < 4

RMS – Z =1.0 RMS – Z =1.0

0

EstadísticaEstadística

Z0 1 2-2 -1

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.

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

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.

RamachandranRamachandran

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.

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

Calidad del empaquetamientoCalidad del empaquetamiento

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

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

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

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

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,...

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.

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

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

NMR MD(water) 5 ns

““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

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