PROGRAMA DE ESTRUCTURA DE MACROMOLECULAS

PROGRAMA DE ESTRUCTURA DE MACROMOLECULAS
Licenciatura de Bioquímica, UAM.
Curso 2006/2007.
Profesor: Mauricio G. Mateu. Centro de Biología Molecular "Severo Ochoa", Fac.
Ciencias, módulo C-V, lab. 118, tel. 4978462.
PARTE A- ASPECTOS GENERALES
TEMA 1. MACROMOLECULAS BIOLOGICAS.
El dogma central de la Biología Molecular. Ácidos nucleicos y proteínas.
Reconocimiento molecular. Monómeros y polímeros. Biomacromoléculas. Complejos
supramacromoleculares. Funciones de las biomacromoléculas. Relaciones estructurafunción.
TEMA 2. DETERMINACION DE LA ESTRUCTURA ESPACIAL DE
BIOMACROMOLECULAS Y COMPLEJOS SUPRAMACROMOLECULARES.
Microscopía electrónica. Microscopía de fuerzas atómicas. Cristalografía de rayos X.
Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (NMR). Bancos de datos de
estructuras. Gráficos moleculares. Modelado molecular. Otras técnicas estructurales.
PARTE B- ESTRUCTURA DE PROTEINAS
TEMA 3. ESTRUCTURA PRIMARIA DE PROTEINAS.
Aminoácidos naturales y no naturales. Características estructurales y propiedades. El
enlace peptídico. Síntesis química de péptidos. Biosíntesis de proteínas.
Determinación de la estructura primaria de proteínas: secuenciación de péptidos.
Modificaciones covalentes post-traduccionales de proteínas: procesamiento
proteolítico, puentes disulfuro, modificaciones de cadenas laterales.
TEMA 4. ESTRUCTURA SECUNDARIA DE PROTEINAS.
Mesomería y conformación del enlace peptídico. Conformaciones permitidas del
esqueleto polipeptídico: Representación de Ramachandran. Tipos de estructura
secundaria. α-hélice y otras estructuras helicoidales. Cadenas y láminas β. Bucles.
Giros. Determinación de estructura secundaria en proteínas.
TEMA 5. ESTRUCTURA TERCIARIA Y CUATERNARIA DE PROTEINAS.
Proteínas globulares. Estructura espacial. Dominios estructurales. Núcleo hidrofóbico
y empaquetamiento. Superficie expuesta al solvente. Tipos y familias estructurales
Sitios de unión de ligandos. Centros activos. Motivos (estructuras supersecundarias).
Proteínas multidominio. Proteínas oligoméricas. Simetría. Diferencias con las
proteínas monoméricas. Flexibilidad y dinámica de proteínas. Proteínas de membrana.
Proteínas fibrosas. Otros tipos estructurales
TEMA 6. ESTABILIDAD Y PLEGAMIENTO DE PROTEINAS.
Estados nativo y desnaturalizado. Estabilidad termodinámica de proteínas.
Plegamiento de proteínas. Plegamiento en la célula: chaperonas moleculares.
TEMA 7. PREDICCION DE LA ESTRUCTURA DE PROTEINAS. Predicción de
estructura secundaria: Aproximaciones probabilísticas y quimico-físicas. Predicción
de estructura terciaria por homología.
PARTE C- ESTRUCTURA DE ACIDOS NUCLEICOS
TEMA 8. ESTRUCTURA PRIMARIA DE ACIDOS NUCLEICOS.
Bases derivadas de purina y pirimidina: Tautomería y mesomería; conformación.
Pentosas: conformaciones. Nucleósidos. Nucleótidos. Nomenclatura. Propiedades de
bases, nucleósidos y nucleótidos. Enlaces fosfodiéster. Relevancia biológica de la
estructura primaria del DNA: información genética. Síntesis química de
oligonucleótidos y biosíntesis de ácidos nucleicos. Determinación de la estructura
primaria de ácidos nucleicos: secuenciación de DNA.
TEMA 9. ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL DNA.
Determinación de la estructura secundaria del DNA. Modelo de Watson y Crick de la
doble hélice. Parámetros estructurales del DNA. DNA monótono y DNA irregular:
Conformación detallada del DNA y dependencia de la secuencia. Deformabilidad y
curvatura. Polimorfismo del DNA: DNA B, DNA A, DNA Z, DNA H, DNA G. Otras
estructuras.
TEMA 10. ESTRUCTURA TERCIARIA DEL DNA.
DNA rígido y DNA flexible. Bucles de DNA. Superenrollamiento de DNA y formas
topológicas. Análisis del superenrollamiento. Proteínas que interaccionan con el DNA
modificando su topología: topoisomerasas.
TEMA 11. ESTRUCTURAS SECUNDARIA Y TERCIARIA DE RNAs.
Estructura secundaria y terciaria de tRNA y otros RNA pequeños. Predicción de la
estructura secundaria de RNAs. Estructura secundaria y terciaria de rRNAs y otros
RNAs.
PARTE D- INTERACCIONES Y COMPLEJOS MACROMOLECULARES
TEMA 12. INTERACCIONES MACROMOLECULARES.
Especificidad. Afinidad. Constante de afinidad y constantes de asociación y
disociación. Métodos para el estudio de interacciones macromoleculares. Ejemplos:
Interacciones proteína-proteína; Interacciones proteína-DNA; Interacciones proteínaRNA; Interacciones proteína-lípido; Interacciones proteína-pequeños ligandos.
PARTE E- INGENIERIA DE PROTEINAS
TEMA 13. INGENIERIA DE PROTEINAS. Aproximaciones a la Ingeniería de
proteínas: diseño racional y métodos de mutación al azar-selección. Estudios
estructura-función con proteínas modificadas. Ingeniería de proteínas de estructura o
función alterada. Ingeniería de nuevas actividades en proteínas. Diseño de proteínas
"de novo".
BIBLIOGRAFIA PARA ESTRUCTURA DE MACROMOLECULAS
Licenciatura de Bioquímica. Curso 2006/2007. Profesor: Mauricio G. Mateu.
A-LIBROS GENERALES DE BIOQUIMICA, GENETICA MOLECULAR Y
BIOLOGIA CELULAR
Para seguir esta asignatura es muy conveniente recordar principios básicos sobre
estructura de proteínas y ácidos nucleicos leyendo, lo antes posible, el/los capítulos
correspondientes en uno de estos libros. Algunas opciones:
1-Mathews, Van Holde, Ahern, BIOCHEMISTRY, 3ºed Benjamin/ Cummings,
2000. Traducción: BIOQUIMICA, Addison Wesley, 2002. Posiblemente los mejores
capítulos básicos sobre estructura de proteínas y ácidos nucleicos y aspectos
relacionados. Muy recomendado.
2-Stryer, BIOCHEMISTRY, 4ºed. Freeman, 2002. Traducción: BIOQUÍMICA,
Reverté, 2003.
3-Zubay, BIOCHEMISTRY, 4ºed. WCB 1998.
B-LIBROS ESPECIFICOS SOBRE ESTRUCTURA DE ACIDOS NUCLEICOS O
PROTEINAS:
Ningún libro cubre enteramente la materia de esta asignatura, pero se recomiendan
especialmente las refs. 5 (aspectos más básicos) y 6 (aspectos más avanzados)
(complementadas en algunos temas con la ref. 7) para estructura de proteínas, y la
ref.12 para estructura de DNA.
5-Whitford. PROTEINS. STRUCTURE AND FUNCTION. Wiley, 2005. Muy
básico, demasiado en algunos temas, pero muy apropiado para estudiar aspectos
fundamentales de la estructura de proteínas. Recomendado.
6-Gómez-Moreno, Sancho (coordinadores). ESTRUCTURA DE PROTEÍNAS. Ed.
Ariel, 2003. Excelente, muy actualizado y muy completo. Incluye direcciones en
Internet y prácticas de visualización de estructuras por ordenador. Muy recomendado.
7-Creighton, PROTEINS. STRUCTURE AND MOLECULAR PROPERTIES, 2ºed.
Freeman, 1993. Excelente (aunque en bastantes aspectos se ha quedado anticuado y
necesitaría una nueva edición). Útil sobre todo para complementar algunos aspectos
básicos que se tratan con menor detalle o de modo más avanzado en las refs. 5 o 6.
8-Branden, Tooze, INTRODUCTION TO PROTEIN STRUCTURE, 2ºed. Garland,
1999. Excelente para entender la arquitectura de proteínas, pero no trata otros
aspectos importantes. Nivel intermedio.
9-Lesk, INTRODUCTION TO PROTEIN ARCHITECTURE. THE STRUCTURAL
BIOLOGY OF PROTEINS. Oxford University Press, 2001. Centrado sobre todo en la
arquitectura de proteínas, otros aspectos se tratan con menor profundidad. Muchas
ilustraciones, en estéreo. Nivel intermedio.
10-Kyte, STRUCTURE IN PROTEIN CHEMISTRY. Garland, 1995. Completo pero
tratamiento irregular y antivuado en diversos aspectos. Nivel avanzado.
11-Darby, Creighton, PROTEIN STRUCTURE. IRL Press. Oxford University
Press, 1993. Sólo conceptos muy básicos. Innecesario si se dispone de la refs. 5 o 7.
12-Sinden, DNA STRUCTURE AND FUNCTION. Academic Press, 1994. Muy
completo para estructura de DNA (aunque ciertos aspectos pueden requerir la
consulta de otros libros). Recomendado.
13- Blomfield, Crothers, Tinoco, NUCLEIC ACIDS: STRUCTURE, PROPERTIES
AND FUNCTION. University Science Books, 2000. Libro bastante completo y
actualizado. Nivel avanzado.
14-Blackburn, Gait, NUCLEIC ACIDS IN CHEMISTRY AND BIOLOGY, 2ºed.
Academic Press, 1996. Incluye un tratamiento relativamente completo pero en general
muy poco detallado de la estructura y función de ácidos nucleicos.
C-LIBROS PARA CONSULTA ESPECIALIZADA:
15-Cantor, Schimmel, BIOPHYSICAL CHEMISTRY. Freeman, 1980. Libro clásico
sobre fundamentos quimico-físicos de la Bioquímica. Anticuado en algunos aspectos.
Avanzado.
16-Van Holde, Johnson, Ho, PRINCIPLES OF PHYSICAL BIOCHEMISTRY.
Prentice Hall, 1998. Para entender en profundidad los fundamentos quimico-físicos de
la estructura de biomacromoléculas. Avanzado.
17-Rhodes, CRYSTALLOGRAPHY MADE CRYSTAL CLEAR, 2ª ed. Academic
Press, 2000. Un libro que permite entender claramente los fundamentos y técnica de
la cristalografía de rayos X. Nivel intermedio.
18-Blow, OUTLINE OF CRYSTALLOGRAPHY FOR BIOLOGISTS. Oxford
University Press, 2002. Similar a la referencia 17. Nivel intermedio.
19-Lesk, PROTEIN ARCHITECTURE. IRL Presss, Oxford University Press, 1991.
Para arquitectura de proteínas exclusivamente. Avanzado.
20-Creighton, PROTEIN FOLDING. Freeman, 1992. Para aspectos de plegamiento
de proteínas. Algo anticuado pero útil. Avanzado.
21-Fersht, STRUCTURE AND MECHANISM IN PROTEIN SCIENCE. Freeman,
1999. Para diferentes aspectos de la estabilidad y plegamiento de proteínas, de
reconocimiento proteína-ligando y de catálisis enzimática. Avanzado.
22-Ellis, THE CHAPERONES. Academic Press, 1996. Para profundizar en
chaperonas moleculares. Avanzado.
23- Lesk, INTRODUCTION TO BIOINFORMATICS. Oxford University Press.
2002. Buena introducción a las bases de datos y bioinformática.
24-Saenger, PRINCIPLES OF NUCLEIC ACID STRUCTURE. Springer-Verlag,
1984. Adecuado para algunos aspectos de estructura 1ª, 2ª y 3ª de DNA y RNA.
Anticuado en muchos aspectos, especialmente en interacciones ácido nucleicoproteína. Avanzado.
25-Shabarova, Bodganov, ADVANCED ORGANIC CHEMISTRY OF NUCLEIC
ACIDS. VCH, 1994. Para propiedades químicas de nucleótidos y estructura primaria
de ácidos nucleicos. Avanzado.
26-Calladine, Drew, UNDERSTANDING DNA, 2ºed. Academic Press, 1997. Muy
bueno para ciertos aspectos de estructura secundaria y terciaria de DNA. Nivel
intermedio.
27-Neidle, DNA STRUCTURE AND RECOGNITION. IRL Press, 1994. Breve
resumen de diversos aspectos de estructura secundaria de DNA e interacción con
ligandos.
28-Bates, Maxwell, DNA TOPOLOGY. IRL Press. Oxford University Press, 1993.
Muy bueno para estructura terciaria de DNA. Avanzado.
29-Travers, DNA-PROTEIN INTERACTIONS. Chapman and Hall, 1993. Aspectos
de estructura secundaria y terciaria de DNA. Sobre todo, estudio de interacciones
DNA-proteína. Avanzado.
30-Steitz, STRUCTURAL STUDIES OF PROTEIN-NUCLEIC ACID
INTERACTION. Cambridge University Press, 1993. Similar al anterior, pero
enfocado más a las proteínas. Avanzado.
31-Nagai, Mattaj (eds.), RNA-PROTEIN INTERACTIONS. IRL Press. Oxford
University Press, 1994. Para estructura secundaria y terciaria de RNA e interacciones
RNA-proteína. Avanzado.
32-Moody, Wilkinson, PROTEIN ENGINEERING. IRL Press. Oxford University
Press, 1990. Breve introducción a la Ingeniería de proteínas. Anticuado. Elemental.
33-Cleland, Craik, PROTEIN ENGINEERING. Wiley-Liss, 1996. Únicamente da
una visión parcial y anticuada.
Para referencias más avanzadas o específicas (artículos de revisión y otras) consultar
con el profesor. No existen libros de problemas para esta asignatura. Varios de los
libros citados y otros disponibles en la biblioteca del CBM (módulo C-X) o en la
general traen problemas y cuestiones relacionadas al final de los capítulos
correspondientes. Se darán otros problemas en clase.
Algunas direcciones de Internet:
http://www.rcsb.org/pdb
Acceso al Protein Data Bank (PDB). Contiene archivos con las coordenadas atómicas de las
proteínas y ácidos nucleicos cuya estructura ha sido resuelta, y otra información relevante. Estas
coordenadas son necesarias para la visualización y manipulación de estructuras en el ordenador.
http://oca.ebi.ac.uk/oca-bin/ocamain
Sitio de acceso al PDB desde el European Bioinformatics Institute. Más fácil de usar que el sitio
original. Recomendado para buscar e importar archivos con estructuras de proteínas y ácidos
nucleicos.
http://ndbserver.rutgers.edu/NDB/ndb.html
Acceso al Nucleic Acids Data bank (NDB). Contiene archivos con las coordenadas atómicas de
todos los ácidos nucleicos cuya estructura ha sido resuelta, y otra información relevante. Estas
coordenadas son necesarias para la visualización y manipulación de estructuras en el ordenador.
http://www.umass.edu/microbio/rasmol/index2.htm
Acceso a la página del programa de visualización de estructuras RasMol. Este programa, de libre
acceso, puede importarse a través de la red en versiones apropiadas a PC o MacIntosh, junto al
correspondiente manual, y utilizarse para la visualización de estructuras de proteínas o ácidos
nucleicos. Para ello se necesita además importar del PDB o del NDB (direcciones anteriores) los
archivos de coordenadas atómicas de las moléculas de interés.
Existen otros programas de visualización, incluyendo Protein Explorer que es una versión más
actual basada en RasMol. No obstante, de entre los programas de visualización de uso general en
laboratorios de Bioquímica no especializados en estructura, RasMol sigue siendo el programa
más utilizado y es el que se manejará en las clases. Se recomienda por tanto utilizar RasMol
sobre otros programas alternativos. NO se recomienda aprender a manejar varios programas de
visualización simultáneamente.
RasMol se encuentra también disponible en las Aulas de Informática del Edificio de Biológicas
bajo el directorio:
C:\win32app\rasmol
http://www.usm.maine.edu/~rhodes/RasTut
Un "tutorial" sobre RasMol.
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/
Curso on-line sobre estructura de proteínas. No sustituye las clases de esta asignatura!
http://www.rcsb.org/pdb/education.html
Lista de recursos educativos en Internet que contemplan la estructura de proteínas.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov
National Center for Biotechnology Information (NCBI). Base de datos anotada sobre secuencias
de ácidos nucleicos (GenBank). En coordinación con el European Bioinformatics Institute.
Análisis de secuencias y estructuras y diversos enlaces
http://www.ebi.ac.uk
European Bioinformatics Institute (EBI). Base de datos anotada sobre secuencias de ácidos
nucleicos (EMBL Data Library). En coordinación con el National Center for Biotechnology
Information. Análisis de secuencias y estructuras y diversos enlaces.
http://www.expasy.ch
Swiss Institute of Bioinformatics. Base de datos anotada sobre secuencias de proteínas (SWISSPROT). En colaboración con la EMBL Data Library. Análisis de secuencias y estructuras y
diversos enlaces.
NUMEROS DE ACCESO PDB PARA LISTADOS DE COORDENADAS ATOMICAS DE
ALGUNAS PROTEÍNAS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
Estructura de Macromoléculas- 1º de Bioquímica
Mauricio G. Mateu
PROTEÍNAS GLOBULARES
Ejemplo de interacción específica proteína-ligando
-Fragmento Fab de anticuerpo IgG unido a fosfocolina
2MCP
Ejemplos de proteínas modificadas post-traduccionalmente
-Insulina (procesamiento proteolítico y puentes disulfuro) (hormona)
-Inmunoglobulina G, IgG (glicosilación) (anticuerpo)
1APH
1IGT
Proteínas monodominio pertenecientes a diferentes clases (alfa, beta o alfa y beta):
-Miohemeritrina (todo alfa, four-helix bundle) (almacenamiento de oxígeno en ciertos gusanos)
2MHR
-Proteína de unión a retinol (todo beta, barril beta) (unida a retinol; lo transporta) 1RBP
-Triosafosfato isomerasa (alfa y beta, barril TIM) (enzima)
1AMK
-Flavodoxina (alfa y beta) (unida a FMN) (implicada en fijación de nitrógeno)
1RCF
Proteínas multidomininio
-Fosfoantranilato isomerasa-indolglicerolfosfato sintasa de E.coli (dos actividades enzimáticas de la
misma ruta metabólica; cada una se encuentra en un dominio)
1PII
(comparar con Fosfoantranilato isomerasa de Thermotoga maritima, 1NSJ, que contiene
únicamente uno de los dos dominios de la anterior y una actividad enzimática)
-Gamma-cristalino (implicada en las propiedades ópticas del cristalino del ojo) 1A5D
Proteínas oligoméricas
-Hemoglobina
(comparar con mioglobina, 1MBD, proteína monomérica de la misma familia)
-Apoferritina (almacena grandes cantidades de hierro en la cavidad)
-Chaperonina GroEL (ayuda al plegamiento de ciertas proteínas)
1A3N
1DAT
1KP8 (tb. 1DER)
Proteínas que unen DNA
-Catabolite Activator Protein, CAP (unida a DNA) (activa la transcripción de ciertos genes.
Contiene motivo hélice-giro-hélice de unión a DNA)
1RUN
-GCN4 (unida a DNA) (activa la transcripción de ciertos genes. Contiene dominio de dimerización en
cremallera de leucinas)
1DGC
-Nucleosoma (octámero de histonas unido inespecíficamente a DNA)
1AOI
PROTEÍNAS DE MEMBRANA
-Centro de reacción fotosintético (de bacterias purpúreas; clave en la fotosíntesis) 1PRC
-Rodopsina (implicada en el proceso de la visión)
1F88
-Hemolisina (ionóforo, genera canales en la membrana celular)
7AHL
-Porina (unida a sacarosa) (transporte de solutos polares)
1AOT
PROTEINAS FIBROSAS
-Fibroína (telas de araña, capullos de lepidópteros, etc) (modelo teórico)
1SLK
DNA
-Oligonucleótido de doble banda (en forma B)
-Oligonucleótido de doble banda (en forma A)
-Oligonucleótido de doble banda (en forma Z)
2BNA
401D
279D
RNA
-tRNAPhe (RNA de transferencia para fenilalanina)
1EHZ