estructura 3D carbohidratos

Reconocimiento molecular y carbohidratos
Metodologías para la determinación estructural de fármacos y el
estudio de fenómenos de reconocimiento molecular
Bacteria
Virus
Celula
Glicoproteina
Programa de doctorado en Química Médica
Toxina
Lectina
Estructura 3D de carbohidratos
Hormona
Anticuerpo
Enzima
La conformación de los carbohidratos
θ = 0º
Conformaciones del ciclo (sillas)
Orientación entre ellos dada por los
ángulos dihedros f, y (w) alrededor del
enlace glicosílico, distancias de átomos…
silla
semisilla
Q
1S
pole
θ
·
270º
·
1S
semisilla
3
O
210º
1C
4
φ
bote
O
5
equator
Bote torcido
4C
1
2S
O
O
O
O
O
330º
O
φ = 0º
O
30º
330º
2
60º
O
θ = 180º
OS
O
300º
θ = 90º
θ = 180º
O
O
O
θ = 90º
O
270º
O
O
90º
120º
240º
150º
210º
180º
O
O
O
θ = 0º
3S
O
30º
1
O
5S
1
O
90º
Análisis conformacional de carbohidratos
Efectos anoméricos
Torsiones Glicosídicas φ, y Ψ
+O
O
Efecto anomérico
H
O
H
C
φ ψ
OH
OH
O
HO
OMe
OH
HO
O
OH
OR
..
Efecto exo-anomérico
OR
..
OH
-
R
-180-120-60 0
180
O
O
O
R
O5
O5
C2
C2
R
C2
120
60
60
0
0
H1
H1
exo
no-exo
ω
H 6R
H
HO
H
6S H
H6S
HO
OR
gg ( ω ≅−60º)
3
J
H5,H6R
J
H5,H6S
ω
HO
O
O
HO
H
O -H
O
O
O
H
HO
OR
HO
O
O
OR
HO
tg (ω ≅180º)
gt ( ω ≅ 60º)
10.7
5.0
2.8
3.1
10.7
c
O
H
O
H
O
-120
-180
60 120 180
-180
-180-120-60 0
φ
Mapa relajado
60 120 180
180
120
120
60
60
0
0
-60
-120
-60
-120
-180
-180-120-60 0
φφ
-180
60 120 180
Mapa probabilidad
mapa adiabático
gtggcc
gtggcr
gtggrc
gtggrr
tgggcc
tgggcr
tgggrc
tgggrr
gtgtcc
gtgtcr
gtgtrc
gtgtrr
tggtcc
tggtcr
tggtrc
tggtrr
16 mapas
relajados
mapa de
6400 estructuras probabilidad
r
O
Modelo de disolvente H2O, GB/SA
O
H
OO R
-120
Constante Dieléctrica: 1, 80
H
H
-120
-60
-120
-180
60 120 180
16 configuraciones iniciales
H
ω H6R
HO
Torsiones de los hidroxilos secundarios
H
-60
φφ
60
0
-180-120-60 0
180
H6S
H- O
0.9
O
-60
0
-60
-180
-180-120-60 0
60 120 180
180
120
Mecánica y Dinámica Molecular con MM3*
O -H
HO
120
60
exo-anti
Torsión ω del grupo hidroximetilo
6RH
-180-120-60 0
180
Mapa rígido
R
R
H1
3
O5
60 120 180
180
120
ψ
R
ψ
C2
O
ψ
O
O5
O
O
O
H
O R
O
O
H
Simulaciones de MD
Espectros 1D
Técnicas para obtener datos experimentales
Pocos cristalizan bien y pocas estructuras se han
resuelto
Rayos-X
Se pierde la información dinámica
Desplazamientos químicos
Cosntantes de acoplamiento escalar (J)
NOEs
RMN
Residual dipolar couplings RDC
Relajación cruzada
Experimentos J-resueltos: HSQC
Aproximación basada en pares de spines aislados (ISPA)
t1 coupled CT-CE-HSQC
t2 coupled HSQC
OH
HO
OH
OH
HO
O
OH
H1-C1 Gal
OH
O
HO
1D - traces
OH
O
O
HO
HO
90.0
OH
HO
OH
O
OH
oriented
H
O
H
H
95.0
13C
4.80
ppm (f1)
4.70
4.60
4.50
4.40
4.30
4.20
4.10
OH
4.00
D2O
100.0
H1-C1 Glcβ
β
oriented
Distancia fija
Experimentos:
•COSY, TOCSY, HSQC
•NOESY, ROESY
Depende de φ/ψ
ppm(f1)
5.00
ppm(f2)
4.50
1H
H1’
90.0
Glc 1α
α
D2O
4.80
4.70
4.60
4.50
4.40
NOE H1’-H4
H1-C1 Glcα
α
95.0
NOE H1’-H3’
100.0
Gal 1
oriented
D2O
ppm(f1)
5.00
H3’
ppm (f1)
Glc 1β
β
13C
ppm(f2)
H4
1H
4.50
5.40
ppm (f1)
5.30
5.20
5.10
5.00
Tolman et al., J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1416-1424
r-6 H1’-H4
=
r-6 H1’-H3’
-180 -120 -60 0
0
180
120
120
120
120
60
60
60
60
0
0
0
0
H
H
OH
NOE H1’-H3’
-60
-60
2,0
-120
-120
-120
-120
-180
-180-120 -60 0
1,5
φ
1,0
60 120 180
180
120
120
60
60
0
0
0,0
NOE H1’-H3’
0
250 500 750 1000 1250 1500
mixing time (ms)
-180 -120 -60 0
180
-120
φ
M H1’-H3’
f(t)= P0 (1-eP2t) (1-eP1t)
M (0)= P0*P1
H1’-H3’
-60
-120
1'1'-3
-180-120 -60 0
180
120
120
60
60
60
0
0
0
0
-60
-60
-60
-60
-120
-120
-120
-120
-180
60 120 180
-180
-180-120 -60 0
ANTI φ /ψ : 60º / 180º
60 120 180
180
120
φ
2’
4
H2O
-180
60 120 180
φ /ψ : 180º / 0º
G-G
Conformación “virtual”
de alta energía
Consecuencias de la flexibilidad de oligosacáridos
rAB
-120
-180
60 120 180
60
φ
A
-60
120
-180
-180-120 -60 0
ε =80
0
-180
-180 -120 -60 0
60 120 180
180
1’
60
1'1'-4
z
2'2'-4
φ
-180-120 -60 0
180
ψ
= r-6
0
3
120
60
z
-180
60 120 180
-180
-180-120 -60 0
r-6 H1’-H4
φ /ψ : 60º / 0º
60 120 180
180
120
-60
-60
-120
M H1’-H4
SYN
-180
60 120 180
φ
-180 -120 -60 0
180
0,5
-180
-180-120 -60 0
-180
60 120 180
ψ
OH
H
O
4
-60
ψ
OH
O
1’
ε =1
-60
ψ
HO
HO
MM3*
60 120 180
180
2,5
ψ
OH
HO
NOE(%)
O
60 120 180
ψ
ψ
HO
180
-180-120-60 0
180
Aproximación basada en un par de spines aislado (ISPA)
2.7-3.0 A
RO
OH
B
H
H2N
O
NOE AB = f
(r-6
AB
)
φ/ψ 0/−
0/−60
H
H
A
B
O
H
H
R
A
B
H
H
OH
H
NH2
H
OH
2.5 A
NOE AB = f ( <r-6 AB> )
E (Kcal/mol)
d14=2.3A
180
350
300
60
250
-150
-100
0
-50
-60
0
Proceso de intercambio
Conformación “virtual” de alta energía
17%
120
50
-120
100
150
-180
d15=2.5A
83%
Simulación de NOE: programa NOEPROM
Simulación de NOE: programa NOEPROM
OH
OH
O Me
OH
O
Características:
HO
O
HO
OH
•
•
•
•
NOE estacionario, 2D NOESY y 2D ROESY
Equilibrio conformacional
Simulación simultánea de toda la red de protones
Flexibilidad: modelos dinámicos
Gal
φ
O
ψ
1
-180 -120 -60 0
% NOE
Distancias
modelo/s
Matriz de
relajación
OH
Glc
60 120 180
180
180
120
120
60
ψ
60
Intensidades NOE
0
0
-60
-60
-120
-120
-180
-180 -120 -60 0
φ
-180
60 120 180
Resumen de la determinación estructural en disolución con RMN
Comparación con los datos de RMN
NOE
OH
OH
OMe
6’
4’
5’
HO
HO
1’
O
4
3’
OH
Gal
Pareja de
protones
H-1’/H-2’
H-1’/H-3’
H-1’/H-4’
H-1’/H-5’
H-1’/H-3
H-1’/H-4
H-1’/H-5
H-1’/H-6R
H-1’/H-6S
EXP.
MM3-1
500MHz
6.5
9.1
-2.3
10.0
3.5
12.7
-1.0
1.0
6.4
8.4
-1.8
10.9
0.2
17.0
-0.1
0.5
0.2
Acoplamientos
1
5
2
2’
Restricciones de desplazamiento
Corr. cruzada
O
Enlaces de H
6
1
de ~1.8 a 4.5 Å
OH
Restricciones
de distancia
Glc
Intensidad NOE ( % )
MM3-80
MM3-H2O
MM3-80
MD
6.6
6.5
6.6
7.6
8.0
8.2
-1.7
-1.8
-1.7
11.2
10.8
10.9
0.0
-0.2
1.5
17.8
17.8
15.2
0.0
-0.1
-0.3
0.8
1.3
-0.4
1.9
-0.2
1.0
(proteinas)
HN, Hα y Cα
Correlacionados con estructura
secundaria
OH
3
O
Desplazamientos
Estructura localizada
MM3-H2O
MD
6.7
7.7
-1.8
11.0
AM1
1.1
12.9
9.2
10.7
-0.1
0.3
2.0
1.9
1.6
0.5
5.7
8.0
-1.5
8.0
csa,d
1.8 < dOH < 2.0 Å
1 - 3 enlaces
Restricciones de ángulos
O
H
ΓIM,IS
d
2.7 < dON < 3.0 Å
Restricciones de distancia
Estructuras con largas distancias
Residual dipolar couplings (RDC)
Orientación de un fragmento “rigido”
En relación al campo magnético
Sin límite de distancia entre fragmentos
I
N
Estructura localizada
S
M
2 - 3 enlaces
Restricciones de ángulos
Estructura con larga distancia
Acoplamientos residuales dipolares (RDC)
Acoplamientos dipolares
Alineamiento al azar
Cristal líquido
Acoplamientos dipolares ∝ < 3 cos2 θ –1
1 > / < r3 >
DMPC
DHPC
+
Bicela
B
Bo
0
En RMN de líquidos se promedia a 0
Aunque se observa como NOE
Bo
θ
O
C
r
Típicos medios
En sólidos estáticos causa desdoblamiento
H
Bicelas DMPC : DHPC
OH
OH
En sólidos con MAS (Magic spinning
angle) se promedia a 0
Bicelas CHAPSO:DMPC
O
O
CPCl : Hexanol : Brine
HO
HO
H O
H O
OH
Reordenamiento isotrópico
No RDC
acoplamiento: J (escalar)
OH
Reorientación anisotrópica
RDC
desdoblamiento: J + D
Fagos de bacterias
Suspensión de V2O5
…..
…..