Análisis de estructuras

1. Análisis de estructuras

2. Problemas • No hay diferencias evidentes entre un modelo correcto y uno incorrecto • La utilización de una estructura desde el punto de vista cuantitativo requiere que sea “químicamente correcta”

3. Objetivos • Valorar si una estructura experimental es suficientemente correcta para ser utilizada como modelo. • Valorar si el modelo construido es correcto. • Comparar varios modelos alternativos.

4. ¿cuál es la situación? • Hasta 1994 el PDB no realizó chequeos automáticos de las estructuras depositadas. • Es difícil incluir herramientas de chequeo durante el refinado.

5. peligros • Una estructura experimental mal resuelta no puede usarse como modelo. • Puede que sólo una parte de la estructura sea incorrecta • Contactos cristalográficos pueden falsear la estructura

6. Tipos de herramientas • Formato • Simetría • Geometría • Estructura

7. Programas de análisis • PROCHECK • WHATCHECK • Suite Biotech • PROSA

8. Fuentes de la información • 300 mejores estructuras depositadas en PDB • Datos geométricos de la base de datos CSD • Datos teóricos (Ramachandran, p. Ej.)

9. Estadística - WhatCheck • Los criterios de análisis se basan en la estadística realizada sobre estructuras conocidas

10. Estadística – Valores correctos • -4 < Z – score < 4 • RMS – Z =1.0

11. Estadística 0 -2 -1 0 1 2 Z

12. Formato • Nomenclatura • Resíduos o átomos no definidos • Reconstruir o eliminar del modelo • Resíduos o átomos con factor de ocupación pequeño • Reconstruir o eliminar del modelo, la estructura puede ser incorrecta.

13. Simetría • Dimensiones y consistencia de la celda cristalográfica • Número de moléculas en la celda • Si hay mas de una podemos • Escoger modelos diferentes • Valorar la movilidad de la estructura

14. Geometría • Quiralidad, planaridad • Errores son indicativos de estructuras forzadas o de estructuras realmente mal resueltas • Geometría de enlace (distancia, angulo, torsión). Mapas de Ramachandran • Indicativo general de la calidad de la estructura. Los errores de geometría son raros.

15. Ramachandran

16. Parámetros de estructura • Accesibilidad • Si la distribución es anómala, indicativo de estructura incorrecta, probablemente debido a un alineamiento incorrecto. • Contactos • Usuales en estructuras RX. Incorrectos en modelos.

17. Calidad de la estructura • Potenciales empíricos para valorar la consistencia de la secuencia y la estructura • Puentes de hidrógeno • Interacciones electrostáticas • Empaquetamiento hidrofóbico • La única manera útil de “valorar” la calidad de una estructura o modelo

18. Calidad del empaquetamiento

19. Otras comprobaciones • Normalidad del backbone • Rotámeros de cadenas laterales • Indicativos de soluciones no óptimas • Puentes de hidrógeno • Todos los puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas deben estar satisfechos

24. Optimización de estructuras • Estimación del contenido energético de una determinada estructura • Optimización de estructuras • Dinámica molecular

25. Longitud Angulo Torsión Van der Waals y electrostático Campo de fuerza • Expresión matemática que relaciona la geometría molecular con la energía del sistema

26. Estrategias • Minimización energia • Modificación de la estructura para obtener un mínimo de energía • Dinámica molecular • Simulación del comportamiento de la molécula durante un cierto intervalo de tiempo • Monte Carlo • Generación de estados en base a probabilidad de Boltzmann

27. Minimización energía • Utiliza algoritmos de minimización tradicionales • Se obtienen mínimos locales. Es difícil alcanzar (y reconocer) mínimos globales. • Permite refinar errores graves de estructura, posición de cadenas laterales, colisiones,...

28. Dinámica molecular • Se añade energía al sistema, dando velocidad inicial a los átomos. • El sistema evoluciona libremente siguiendo las leyes clásicas del movimiento. • Límites prácticos actuales 10 ns 4 semanas de CPU • El sistema no queda atrapado en mínimos locales, por lo que la optimización es más eficiente.

29. Dinámica molecular • Si se incluye un número significativo de moléculas de agua explícitas, se puede reproducir su efecto dieléctrico y el efecto hidrofóbico. • Simulated annealing • Utiliza alta temperatura para mejorar la exploración del espacio de conformaciones

30. Dinámica molecular Epot {xi} Fi= ∂Epot/∂xi Trayectoria ai= Fi/mi vi (t+dt)=v(t)i+aidt xi (t+dt)=x(t)i+vidt

31. NMR MD(water) 5 ns

32. “Cap” de agua alrededor del centro activo • Esfera de agua de 25 Å de radio • Potencial armónico “anti-fuga” en la pared • Proteína fuera del cap fija

33. Sistema periódico • Barnasa (pH=7) + contraiones + agua • Periodic Boundary Conditions • NPT (P=1 atm) • AMBER/OPLS