Estructura, Predicció i Dinàmica de Proteïnes

Tècniques de Determinació Estructural

• X-RAY (Difracció de Raigs X): Permet reconstruir la densitat electrònica i, si tenim bona resolució, podem determinar la posició dels àtoms. Necessitem moltes macromolècules en la mateixa posició (cristal·lització).
• RMN (Ressonància Magnètica Nuclear): Detecta distàncies entre protons i després reconstrueix estructures proteiques. No cal cristal·litzar la mostra.
• Microscòpia Electrònica (Cryo-EM): S'obté a partir d'un núvol d'imatges; és ideal per a proteïnes bastant grans.

Superfícies Moleculars i Visualització

Tipus de Superfícies

• VdW (Van der Waals): Representa només la part exterior dels àtoms (model CPK).
• Connolly: Mostra el canvi de contacte entre una molècula prova i la proteïna.
• SASA (Solvent Accessible Surface Area): Mesura la superfície de la proteïna exposada al solvent.

Eines de Visualització

• Visualitzadors web: Fàcils d'utilitzar, com ara JsMol, NGL o LiteMol.
• Visualitzadors d'escriptori: Més potents (permeten mutacions, etc.), com PyMol, Chimera, VMD o Molden.

Energia i Estabilitat Estructural

L'energia s'utilitza com a font de puntuació: com més baixa és, més estable és l'estructura.

Mecànica Quàntica (QM)

És el mètode més rigorós; calcula la densitat electrònica.

• Aplicacions: Parametrització per a altres mètodes, estudi de reaccions químiques, estructures molt distorsionades i càlcul precís d'interaccions.
• Inconvenients: És un procés molt lent.

Mecànica Clàssica (MM)

Utilitza paràmetres derivats de la QM. És més ràpida i permet estudiar milions d'àtoms.

• Inconvenients: Només funciona si la molècula ja està descrita; no permet estudiar reaccions químiques i no inclou l'entropia inicialment.
• Càlcul de l'energia:
  • Termes enllaçants: Stretching (1,5 Å), bending (109,5º) i torsions. Els enllaços es modelen com a molles.
  • Termes no-enllaçants: Forces de Van der Waals i electrostàtica (influenciada pel pH, llei de Coulomb, etc.).
• Aplicacions: Canvis conformacionals, plegament de proteïnes, simulacions moleculars i refinament d'estructures.

Solvatació i Entropia

• Solvatació entàlpica (electrostàtica): Es pot calcular mitjançant els mètodes PB (Poisson-Boltzmann) i GB (Generalized Born).
• Solvatació entròpica (hidrofòbica): Es pot estimar directament amb una estructura estable per SASA.
• Entropia: Mesura el nombre de conformacions possibles. Una proteïna desplegada té una entropia alta, mentre que una plegada la té baixa. No es pot calcular amb una sola estructura; calen simulacions moleculars.

Potencials Estadístics

Comparen una proteïna amb les estructures del PDB (si s'assemblen, obtenen bona puntuació). PROSA avalua la hidrofobicitat, distàncies i altres propietats per validar estructures. La probabilitat es transforma en energia mitjançant l'equació de Boltzmann: E = -RT ln(P).

Predicció d'Estructures i Docking

L'objectiu és predir estructures 3D i interaccions per entendre la relació estructura-funció (complexos proteïna-proteïna, lligand-proteïna o ADN-proteïna).

Nivells de Predicció

1. Comparative Modeling (Homologia): Utilitza estructures conegudes del PDB. Es copien les regions conservades i es modelen les variables. Mètode fiable: SWISS-MODEL.
2. Threading (Reconeixement de plegament): No busca seqüències semblants, sinó plegaments compatibles en una biblioteca. Permet detectar homologies remotes (ex: PHYRE).
3. Predicció 1-D: Analitza propietats al llarg de la seqüència (hidrofobicitat, accessibilitat, estructures secundàries) per predir dominis transmembrana.
4. Predicció Ab-initio: Predicció des de la seqüència sense plantilla (template), basada en física i simulacions. Mètodes: Dinàmica Molecular (MD), Rosetta (muntatge de fragments), coevolució i IA (AlphaFold).

Predicció d'Estructures de RNA

Són més flexibles que les proteïnes. El seu plegament depèn dels aparellaments i l'apilament de bases. S'utilitzen mètodes d'homologia i de novo.

Docking Lligand-Proteïna

• Docking molecular: Un receptor + pocs lligands. Alta precisió, usat en disseny de fàrmacs.
• Virtual Screening: Un receptor + milions de lligands per seleccionar candidats.
• Reverse Screening: Un lligand + molts receptors per detectar efectes secundaris.
• Farmacòfor: Conjunt de característiques necessàries perquè un lligand s'uneixi al receptor.

Docking Proteïna-Proteïna

Sistemes més grans amb més graus de llibertat i flexibilitat. S'utilitza docking rígid amb flexibilitat local.

Dinàmica Molecular i Flexibilitat

Estudia el paisatge energètic (mínims globals i locals) per optimitzar estructures i obtenir propietats termodinàmiques.

• Monte Carlo: Canvis conformacionals aleatoris acceptats segons Boltzmann. Explora moltes configuracions sense incloure el temps.
• Dinàmica Molecular (MD): Assigna velocitats als àtoms i aplica les lleis de Newton. L'ensemble més utilitzat és NPT (Temperatura i Pressió constants).
• Estratègies: Representació atomística o Coarse-Grained; solvent implícit o explícit; i PBC (condicions de contorn periòdiques) per simular un sistema infinit.
• Anàlisi de Flexibilitat: Mesura la fluctuació (RMSf, equivalent als B-factors). El PCA (Anàlisi de Components Principals) identifica els moviments més importants (al·lostèria, docking flexible).

Tècniques d'Alt Rendiment