Curs 2010-2011

Llicenciatura en Biologia

Biologia Estructural (12307)

 

IDENTIFICACIÓ DE L'ASSIGNATURA
L'assignatura Biologia Estructural és una matèria obligatòria del currículum de Biologia Humana que s'imparteix al tercer trimestre del tercer curs. Consta de 3 crèdits teòrics i de 6,5 crèdits pràctics.

COORDINACIÓ I PROFESSORAT
El coordinador de l'assignatura és el Dr. Baldomero Oliva. Els doctors Nuria Centeno-Boada, Jordi Villà i Jana Selent participaran en la docència.

OBJECTIUS GENERALS
Amb aquesta assignatura es pretén que l'alumne adquireixi coneixements pràctics i teòrics sobre l'estructura proteica i de les biomacromolècules, així com dels mètodes emprats per al seu estudi i caracterització. La matèria que integrarà el present curs comprèn:
- La introducció a les bases biofísiques de sistemes moleculars.
- Els principis estructurals dels biopolímers: proteïnes i DNA.
- La determinació de l'estructura tridimensional de biomol·lècules.
- La relació estructura/funció de les proteïnes.
- La simulació molecular de proteïnes.

AVALUACIÓ DELS APRENENTATGES
L'avaluació del rendiment acadèmic es farà segons el barem següent (sobre un total de 10 punts):
Preguntes d'elecció múltiple: 1,5 punts
Preguntes d'assaig: 2,5 punts
Examen de pràctiques: 3 punts
Treball de presentació i ABP: 3 punts
Qualsevol tipus de còpia dels apartats d'avaluació implica la no-superació de l'assignatura.
S'exigeix aprovar cada una de les parts per poder aprovar l'assignatura.

REQUERIMENTS
És necessari tenir un coneixement previ de l'assignatura Matemàtiques i Física dels Processos Biològics, impartida durant el primer curs, així com de les assignatures Química Analítica i Farmacèutica i Anàlisi de Drogues i de Medicaments i Bioinformàtica, que s'imparteixen al quart curs de la llicenciatura.

TEMARI TEÒRIC

PART I: INTRODUCCIÓ

Tema 1. Introducció a l'assignatura.

Disseny de l'assignatura. Distribució de les pràctiques i requeriments. Descripció del treball de biologia estructural a l'ABP. Sistema de puntuació.

PART II: PRINCIPIS DE BIOLOGIA ESTRUCTURAL

Tema 2. Proteïnes: cadena polipeptídica, estructura secundària , terciària i cuaternària.

Seqüència i informació codificada. Blocs conservadors de residus. Homologia i relació seqüencial. Entropia i solvatació. Principis energètics: conceptes de força i treball. Efecte de clatració i entropia del medi solvent. Principis termodinàmics. Principis generals del plegament de proteïnes globulars: nucli hidrofòbic i elements d'estructura secundària. Definició de l'estructura secundària. L'espai de Ramachandran. L'hèlix alfa i el full beta. Estructura supersecundària i connexions d'estructures secundàries (llaços). Empaquetament d'alfa-hèlixs. El dominis tot alfa. Dominis a/b: el plegament Rossmann i el barril TIM. Dominis a+b. Dominis tot beta: barril i super-barril de b meandres, el sandvitx greek-key i el jelly-roll.

PART III: ESPAI CONFORMACIONAL.

Tema 3. Espai conformacional i dinàmica molecular

Camps de força moleculars. Utilitzar la funció d'energia potencial per trobar estructures estables de models tridimensionals de proteïnes mitjançant processos de minimització. L'espai de fase, l'espai conformacional i la funció de partició. Entropia (S), entalpia (H) i energia lliure (G). Adonar-nos que els sistemes són flexibles i a usar la dinàmica molecular per explorar aquesta flexibilitat. Comprendre i aplicar mètodes computacionals com el potencial de força mitja o la teoria de pertorbacions de l'energia lliure per relacionar la descripció atòmica (microscòpica) amb l'informació mesurable al laboratori (macroscòpic) sobre processos bioquímics. Algoritmes de diferències finites (Verlet). Simulated Annealing. Efecte del solvent en simulacions de proteïnes. Condicions de contorn i tractament del camp electrostàtic.

PART IV: DETERMINACIÓ DE L'ESTRUCTURA

Tema 4a. Cristal·lografia de proteïnes i difracció de raigs X

Nocions de mecànica ondulatòria. El principi de la superposició d'ones. Sèries de Fourier i la transformada de Fourier. Difracció de raigs X en cristalls. Expressió de la intensitat de reflexió. La llei de Bragg. Mapes de densitat electrònica. Factors tèrmics i estructurals de vibració. El problema de les fases. Reemplaçament isomorf únic i múltiple difracció anòmala. Refinament estructural i reemplaçament molecular. Microscòpia electrònica d'alta resolució (HREM). Combinació de mètodes experimentals: HREM + X-ray. Espectres de massa

Tema 4b. Ressonància magnètica nuclear

El fenomen de la relaxació i l'espín. La ressonància magnètica nuclear: la inducció nuclear, el camp pulsat de radiofreqüència (RF) i el free-induction decay (FID). Nuclear Overhauser Enhancement (NOE). Espectroscòpia de RMN bidimensional. Determinació de l'estructura tridimensional de proteïnes i àcids nucleics mitjançant restriccions de distància.

Tema 5. Modelatge Comparatiu

La classificació de proteïnes i les relacions evolutives de la seqüència. Definició d'homologia. Mètodes de superposició d'estructures terciàries. Caracterització dels centres actius i centres funcionals Models ocults de Markov. PFAM i SMART. Aliniament de seqüències. Selecció del motlle. Detecció de problemes en l'aliniament. Regions variables i régions conservades. Classificació de llacós. Construcció del model i de la bastida d'una proteïna. Optimització de llacós i cadenes laterals.

Tema 6. Predicció de plegament

El Teorema del plegament invers. Potencials estadístics. Xarxes neuronals i predicció d'estructura secundària (THREADER i PSIPRED). Mètodes de predicció de plegament i threading. Inferencia per funció (3DPSSM i Modlink+). Aliniament d'estructura secundària (TOPITS). Mètodes ab initio i mini-threading (ROSETTA).

Tema 7. Estructures en Biologia de Sistemes

Partició de proteïnes en dominis. Interaccions entre cadènes i entre dominis. Predicció d'interaccions físiques basades en dominis. Complexes transitius i permanents. Altres prediccions de relacions entre gens i proteïnes. Sistemes de comunicació i senyalització (fosforilacions). Estudi de xarxes d'interaccions: Interactoma. Transferencia d'informació.

PART V: ESTRUCTURA/FUNCIÓ

Presentació dels treballs sobre ABP que impliquin estudi de:
Estructura del DNA i RNA
La doble hèlix de DNA. Els solcs major i menor de la doble hèlix. Formes B, A i Z de DNA. La triple hèlix de DNA. Reconeixement de bases de DNA. El nucleosoma i la heterocromatina. Estructura de t-RNA. Estructura de la RNAsaP. Estructura del Ribozima. Predicció de l'estructura secundaria de RNA.

Reconeixement del DNA. Factors de transcripció
Estructura del "lambda Cro" i la seva interacció amb DNA: predicció per modelatge de la interacció. Motius helix-turn-helix, zinc-fingers i leucine-zippers. La transcripció del DNA i els factors de transcripció: famílies amb motius zinc-finger. Homeodominis. Leucine-zippers.

Maquinària de replicació: DNA polimerases, helicases, topoisomerases, etc.
Replicació del DNA. Estructura de la DNA polimerasa I i del fragment Klenow. Estructura d'alguns enzims de restricció i proteïnes estabilitzadores de la cadena senzilla de DNA (SSB). Topoisomerases tipus I i tipus II i l'alliberació de l'estrès torsional del DNA. Transcriptasa inversa. La recombinació del DNA: complex RuvA-RuvB-Holliday junction.

Maquinària de traducció: RNA polimerasa, Aa-t-RNA sintetasa, el ribosoma
Estructura de la RNA polimerasa de E. coli. Estructura de les aminoacil-tRNA sintetases: el domini catalític i el domini que identifica l'anticodó. El ribosoma: subunitats 30S i 50S del ribosoma procariota. Encaixament de les proteïnes del ribosoma en l'estructura de la seqüència 16S de rRNA. La combinació de la difracció de raigs X i la microscòpia electrònica d'alta resolució.

Enzims amb motius d'unió a nucleòtid
Els processos d'oxidoreducció i els grups prostètics nucleotídics NAD, FAD i FMN. El domini d'unió de NAD: el plegament de Rossmann i la hipòtesi de Rossmann. Transferència estreoespecífica del protó de NADH. El motiu d'unió de nucleòtid NAD-binding. Fusió de gens entre el motiu FMN-binding del barril a/b i el citocrom b5. Els motius Walker A i B. Quinases: CDK, MAPK, Tyr-quinases i Ser-quinases.

Exemples d'enzims catalítics: proteases
La catalització mitjançant enzims. L'estat de transició, el centre actiu i l'encaixament enzim-substrat. Centres específics d'unió a substrat (subsites). Les serin-proteases: aminoàcids de la tríada catalítica i de l'oxyanion hole. Metal·loproteases: carboxipeptidases.

Proteïnes del sistema immunitari
Recombinació somàtica implicada en la varietat dels anticossos. Dominis conservats i variables i les regions determinants de la complementarietat. El complex antigen-anticòs. Estructura dels complexos d'histocompatibilitat (MHC): human lymphocyte antigen (HLA). Polimorfismes de la cadena pesada de MHC de classe I.

Proteïnes de membrana
Dificultats en la cristal·lització de les proteïnes de membrana. Hèlixs transmembrana i gràfics d'hidropaticitat de l'estructura primària. Bacteriorodopsina. Centre de reacció fotosintètica de Rhodopseudomonas viridis. Reacció de fotosíntesi, transferència d'energia i efecte túnel. Estructura de les proteïnes b-transmembrana: porines.

Famílies de receptors i proteïnes G
Proteïnes G i receptors de factors de creixement. El factor de creixement epidèrmic (EGF) i el seu receptor. L'oncogèn v-erb B. Els receptors d'insulina, EGF i PDGF. Transducció del senyal: tirosina-quinases. L'amplificació del senyal. Estructura de l'adenilat ciclasa. Estructura d'una forma truncada de ras p21 (cH-ras p21). El motiu d'unió a GTP: mutacions implicades en l'activació oncogènica.

Encaix proteïna-proteïna, proteïna-DNA
Comparació complementària de superfícies. Programes automàtics d'encaix proteïna-proteïna i proteïna-DNA. Combinació dels mètodes d'encaix rígid de molècules i de mètodes de simulació molecular.

Estructura del RNA
Tipus d'enllaços , empaquetament i ponts d'hidrogen. Estructura secundaria. Predicció de l'estructura secundaria. Estructura del t-RNA: El T-loop i els U-turns. Ubicació de l'anticodó. Formacions d'hibrids. Estructura del Ribozima. Estructura de la RNAsa P.

Capsides de virus
Simetría icosaédrica del virus esférics. Utilització de més d' una cadena polipeptídica en un virus complexe. La cápside del picorna virus. Virus animals i vegetals.

Spliceosoma
Components U1. snRNA. snRNP U1A.  Unitat de l'anell  Sm. Proteina C. Factors auxiliars A2F. Estructura del U2 i U5

Xaperones
Plegament ajudat per proteines. Hsp 60, Hsp70 , Hsp 90, Hsp100, GroEL i GroES. Dominis d'unió a ATP.

Sistema d'ubiquitinació. Proteosoma
Sistema d'ubiquitinació i eliminació de proteines desplegades. Estructura del proteosoma. Estructura de les Ubiquitines i dels ring finger. Formació de complexos.

Nucleosoma
Empaquetament del DNA.Heterocromatina. Histones H1, H2, H3 i H4

TEMARI PRÀCTIC
El programa teòric es complementa amb les pràctiques següents (sessions de dues hores):

Pràctica 1. Introducció a linux i als programes gràfics

Part1: Iniciació Linux: comandes principals, espais de disc. Navegació en directoris. Editors de texte.

Part 2: Visualització i anàlisi de biomol.lècules: Com es un fitxer del PDB. Visualització amb Rasmol i VMD d'estructures del PDB. Estudi de complexes de proteines. Separació en cadenes. Exploració de interaccions entre proteínes i entre mol.lécules: Càlcul de distancies i reconeixement de la interfície i analitzar ponts d'hidrogen. Ús del DSSP.

Pràctica 2. Caracterització de motius, estructura secundària i terciària.

Part 1: Caracterització de motius d'estructura supersecundària (b-hairpin, a-hairpin, b-a-b). Estudi dels tipus de plegament: tot alfa, tot beta, alfa/beta, i alfa+beta. Lectura d'un fitxer de PDB.

Part 2: Conceptes bàsics de la determinació per difracció de raigs X d'estructura de proteïnes i biomol.lécules. Extracció d'informació d'estructures de proteïnes.

Pràctica 3. Optimització de l'energia

Part 1: Principis d'optimizació energètica. Funció d'energía, camp de forces, mètodes de minimitació (Newton-Rapson, Conjugate Gradient, Steepest Descent). Optimització de l'energia d'una proteína.

Part 2: Anàlisi i avaluació dels resultats de l'optimització energètica.

Pràctica 4. Cristal^.lografia de proteïnes

Part 1: Principis de cristal.lografia de proteines. Com funciona la transformada de Fourier. Resolució del problema de les fases.

Part 2: Mapa de densitat electronica. Obtenció d'una estructura a partir de l'espectre de difracció. Optimització i anàlisi amb COOT.

Pràctica 5. Alineament de seqüències i cerca d'homologia remota

Part 1: Alineaments múltiples mitjançant ClustalW. Position Specific Substitution Matrix (PSSM). Mètode de cerca mitjançant Psi-Blast.

Part 2: Models ocults de Markov (HMMER). Bases de dades PFAM.

Pràctica 6. Superposició estructural i caracterització de plegaments

Part 1: Superposicio de proteines dirigida i càlcul de RMSD.

Part 2: Caracterització del tipus de plegament de diverses estructures problema utilitzant els programes d'alineament estructural (STAMP) i els programes gràfics. Estudi detallat de SCOP. Superposició d'estructures.

Pràctica 7. Modelatge comparatiu

Part 1: Cerca de proteïnes homòlogues a la proteïna problema i alineament múltiple per ClustalW.

Part 2: Alineament estructural de les proteïnes homòlogues. Alineament múltiple per Hidden Markov.

Part 3: Modelatge mitjançant MODELLER.

Part 4: Comparació estructural i caracterització del model entre les estructures homòlogues amb les quals aquest es va generar i la forma optimitzada del model. Utilització de PROCHECK.

Pràctica 8. Predicció de plegament (threading )

Part 1: Anàlisi de potencial estadístics mitjançant Prosa II. Estudi estructural mitjançant ProsaII dels models generats per homologia

Part 2: Predicció d'estructura secundària per Internet i mètodes de predicció mitjançant Machine Learning (Psi-Pred). Estudi predictiu de l'estructura d'una proteïna mitjançant algoritmes de plegament invers, threading. Utilització de FUGUE, LOOPP i 3DPSSM a internet.

Pràctica 9. Encaix de proteïnes (Docking)

Part 1: Repàs de superfícies de potencial i funcions de puntuació (scoring)

Part 2: Càlculs de docking de proteïnes amb PyDock

Pràctica 10. Simulació per dinàmica molecular

Part 1: Estudi del sistema (proteïna) construcció de la topologia i optimització de l'estructura. Simulació per dinàmica molecular del model dissenyat per homologia.

Part 2: Anàlisi de la trajectòria: Fluctuacions, RMSD, modes essencials i ponts d'hidrogen.

BIBLIOGRAFIA
BRANDEN, Carl; TOOZE, John. Introduction to Protein Structure. 2a. ed. Garland Publishing, 1998.
CANTOR; SCHIMMEL. Biophysical Chemistry. WH Freeman & Co, 1980.
DAUNE, M. Molecular Biophysics. Oxford: University Press, 1999.
DRENTH. Principles of Protein X-ray Crystallography. Nova York: Springer-Verlag Inc, 1998.
LEACH, A. Molecular Modelling: Principles and Applications. 2a. ed. Harlow: Pearson Education, 2001.