Uso del programa de bioinformática que transforman los informes del banco de datos por homología para la generación de una estructura espacial de proteína

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA LIBERTAD – TRUJILLO ESCUELA DE POST - GRADO. DE. PO. SG. RA DO. DOCTORADO EN CIENCIAS E INGENIERIA. Intitulo: DEL. PROGRAMA. TE CA. “USO. DE. BIOINFORMÁTICA. QUE. TRANSFORMAN LOS INFORMES DEL BANCO DE DATOS POR HOMOLOGIA PARA LA GENERACION DE UNA ESTRUCTURA. IO. ESPACIAL DE PROTEÍNA”. TESIS. BL. PARA OPTAR EL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS E INGENIERIA.. BI. Autor:. Mg. Juan Roosvelt Guardia Jara. Asesor: Dr. Luís Alberto Rodríguez Delfín. TRUJILLO - PERU 2009 -1Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/. Nº de Registro ……………………...

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTO Al Doctor Torsten Schwede, Director del Instituto Suizo de Bioinformática “Biozentrum” de la Universidad de Basilea de Suecia, por accederme a la. RA DO. dirección de Base de datos de Protein Data Bank de los Centros de Investigación de Biología Molecular de USA y de Europa. Además, de facilitarme el software del programa de bioinformática. Swiss-Model. Este. beneficio me permitió ejecutar y terminar con Proyecto de Tesis Doctoral.. SG. Al Doctor Luis Rodríguez Delfín, por su orientación académica, exigencia y. PO. motivación para la culminación de la tesis doctoral.. Al Doctor Pablo Aguilar, por su sugerencia en la organización y claridad para la. DE. redacción de la tesis.. Al Doctor Sixto Prado Cáceres, quien hizo sugerencia para hacer análisis del. TE CA. comportamiento y disposición de las macromoléculas con los modelos de la física molecular como estructura de la tesis. Al Licenciado Físico Hernán Guardia J. por apoyarme en forma permanente. IO. para la culminación de la tesis.. A mis hijos, mi esposa y mi familia, que gracias al optimismo, la fortaleza y la. BL. dinámica de comprensión que me brindaron, permitió culminar con la ejecución. BI. y redacción de la tesis doctoral.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA. Dios siempre fue mi guía y me ayudó en los. RA DO. momentos más difíciles a superar y hacer bien las cosas. ¡Siempre estaré contigo!. A mis padres, Eliseo y Jeremías, que con sus. SG. vivencias me brindan sabiduría, me orientan y me. PO. impulsan fortaleza e imaginación.. A mis hijos, Wilhem, Fiorella y Juan Carlos. Ellos siempre optimizan al tiempo y buscan adquirir más. DE. conocimientos de los modelos existentes, por ello,. TE CA. gracias hijos.. A mis hermanos: Hernán, Celia, Amelia, Abel, Ely,. BI. BL. IO. Ida, Gracias a todos ustedes por estar conmigo.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. INDICE AGRADECIMIENTO ..................................................................................................................2 DEDICATORIA ...........................................................................................................................3. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................11 1.1.. Los aminoácidos .......................................................................................................12. 1.2.. El enlace peptidico....................................................................................................15. 1.3.. Estructura molecular de las proteínas. ..................................................................17 La estructura primaria ...................................................................................17. 1.3.2.. La estructura secundaria (2D).........................................................................18. 1.3.3.. La estructura terciaria o tridimensional (3D).................................................21. 1.3.4.. Estructura cuaternaria ......................................................................................25. 1.3.5.. La proteína G.....................................................................................................26. PO. SG. 1.3.1.. 1.3.5.1.. Fotorreceptores de la retina ....................................................................28. 1.3.5.2.. Complejo proteico fotorreceptor. ............................................................29. 1.3.6.. DE. 1.. RA DO. Resumen ........................................................................................................................................9. Mecánica molecular..........................................................................................31 Interacciones débiles entre las moléculas ............................................31. 1.3.6.2.. La energía potencial molecular entre dos iones ..................................32. TE CA. 1.3.6.1.. 1.3.6.3. La energía potencial de interacción entre dos dipolos de aminoácidos...................................................................................................................33 Fuerzas inducidas por la polarización de los aminoácidos ................34. 1.3.6.5.. Puente de hidrógeno de los aminoácidos de la proteína....................35. 1.3.6.6.. Interacciones de Van der Waals.............................................................36. IO. 1.4.. 1.3.6.4.. Técnicas de espectroscopia para el estudio de la estructura de la proteína ..38 Resonancia Magnética Nuclear (RMN) .........................................................38. 1.4.2.. Cristalografía de rayos X. ................................................................................40. 1.4.3.. Espectroscopia Raman ....................................................................................42. 1.4.4.. Espectroscopia de infrarrojo............................................................................43. BI. BL. 1.4.1.. 1.5.. Simulación geométrica de la proteínas: modelamiento ......................................45. 1.5.1.. Método estructural. ...........................................................................................45. 1.5.2.. Validación del modelo estructural. ................................................................46. 1.5.3.. Algoritmos para el calculo de las estructuras terciarias..............................48. 1.5.4.. Método de simulación computacional con campos de fuerzas elásticas.51. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.5.5.. 1.5.5.1.. Inicialización del programa de dinámica molecular .............................53. 1.5.5.2.. Generación de las configuraciones en dinámica molecular ...............54. 1.5.5.3.. Análisis del comportamiento dinámico molecular en bioinformática.55. Justificación................................................................................................................56. 1.7.. Marco filosófico..........................................................................................................58. 1.7.1.. Ontología de los ácidos nucleídos .................................................................59. 1.7.2.. Fenómeno lógico de ADN................................................................................59. 1.7.3.. Concepción epistemológica de la estructura general del ADN..................59. Problema ....................................................................................................................60. 1.9.. Hipótesis.....................................................................................................................60. SG. 1.8.. Objetivos.................................................................................................................61 Objetivo general ............................................................................................61. 1.10.2.. Objetivos específicos. ..................................................................................61. PO. 1.10.1.. Materiales y métodos .......................................................................................................62 Muestra de estudio ...................................................................................................62. 2.2.. Programas bioinformáticos......................................................................................63. DE. 2.1.. 2.2.1.. Programas bioinformáticos..............................................................................64 Swiss – Model............................................................................................64. 2.2.1.2.. SIB...............................................................................................................64. 2.2.1.3.. DataBase: Prosite .....................................................................................64. 2.2.1.4.. ProRule Descriptions................................................................................64. 2.2.1.5.. PDB structure viewer................................................................................65. Estructura secundaria y terciaria ....................................................................66 Celda unitaria.....................................................................................................67. IO. 2.2.3.. TE CA. 2.2.1.1.. 2.2.2.. Resultados y discusión ....................................................................................................69. BL. 3.. RA DO. 1.6.. 1.10.. 2.. Procesos de una simulación con dinámica molecular y Monte Carlo.......53. Estructura primaria de fosducina............................................................................69. 3.2.. Estructura de la celda unitaria ................................................................................71. 3.3.. Estructura secundaria ..............................................................................................72. BI. 3.1.. 3.3.1.. Hélice alfa...........................................................................................................73. 3.3.2.. Hojas beta ..........................................................................................................75. 3.3.3.. Giros y lazos de horquillas...............................................................................77. 3.3.4.. Giros beta...........................................................................................................78. 3.3.5.. Lazos beta..........................................................................................................78. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 3.3.6. 3.4.. Estudio de rotación para los ángulos phi y psi .............................................79. La estructura terciaria de la proteína fosducina...................................................84. 3.4.1.. Predicción de la estructura terciaria de la proteína fosducina. ..................84. 3.4.2. Fuerzas moleculares que estabilicen la estructura tridimensional de la proteína fosducina. ...........................................................................................................87 Puente de disulfuro de proteína fosducina............................................88. 3.4.2.2.. Interacciones de Van der Waals de proteína fosducina .....................89. 3.4.2.3.. Puentes de hidrógeno de proteína fosducina.......................................90. 3.4.2.4.. Interacciones electrostáticas de fosducina. ..........................................92. RA DO. 3.4.2.1.. Dominios estructurales de la proteína. ..................................................................93. 3.6.. Formación complejo proteico durante el proceso de la visión...........................93. SG. 3.5.. Proteína transducina ........................................................................................94. 3.6.2.. Proteína gamma................................................................................................94. 3.6.3.. Proteína fosducina............................................................................................94. 3.7.. PO. 3.6.1.. Flujo electromagnético en la transmisión de la información visual ..................95. Conclusiones y recomendaciones..................................................................................96. 5.. Referencias Bibliográficas ...............................................................................................98. 6.. Anexos..............................................................................................................................104. BI. BL. IO. TE CA. DE. 4.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABREVIATURA Y SIMBOLOS ADN:. ácido desoxirribonucleico. ARN:. ácido ribonucleico. Agonista. Es una sustancia que se une a un receptor y provoca una. CBP:. condiciones de borde periférico. c:. velocidad de la luz. Citoplasma. RA DO. respuesta en la célula. citoplasma es la parte del protoplasma que, en una célula eucariota, se. SG. encuentra entre el núcleo celular y la membrana plasmática. dinámica molecular. E:. campo eléctrico. Erot:. energía cinética de rotación. F:. fuerza de interacción (segunda ley de Newtón). Fasta:. es un algoritmo de alineamiento de secuencia de. DE. PO. DM:. aminoácidos de proteína. fico segundos (unidad de tiempo f = 10-15). G:. proteína G. GDP:. un nucleótido difosfato de guanina (guanosin difosfato). GTP:. un nucleótido trifosfato de guanina (guanosin trifosfato). constante de Planck. Momento de inercia de centro de masa. BL. ICM :. mono fosfato de guanina no cíclico (nucleótido de guanilato). IO. GMP: h:. TE CA. fs:. momento de inercia de la ubicación de los átomos.. I(v):. intensidad de radiación electromagnética absorbida en. BI. Iqq:. función de frecuencia.. K:. grados Kelvin (unidad de temperatura). k:. constante universal de la carga eléctrica. KB:. constante de Boltzmann. KD:. kilo datón (unidad de masa) 7. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. momento angular de rotación. |Lij|. vector de posición relativa espacial de las hojas β. MC:. mecánica cuántica. MIR:. espectroscopia infrarrojo. m i:. masa de molécula i. ARNm:. ácido ribonucleico mensajero. nm:. 1 nanómetro (10-9 m). P:. momento dipolar eléctrica. PPm:. partes por millón. PDB:. Protein Data Bank (banco de datos de las proteínas). pH:. potencial de hidrógeno. Rij. vector de posición relativa espacial de las hélices de la proteína. R. grupo radical variable de los aminoácidos. SIB:. Instituto Suizo de bioinformática. Tq:. torque de una fuerza que actúa sobre una molécula. U:. energía potencial eléctrica. Uij:. energía potencial de interacción entre las moléculas polarizabilidad eléctrica de los aminoácidos. Δx:. desplazamiento de la partícula. subunidades del complejo proteico de la familia de la proteína G frecuencia de radiación electromagnética dipolo eléctrico de las moléculas. BL. µ:. desplazamiento infinitesimal de la molécula. IO. Δr:. :. SG. PO. DE. TE CA. χ:. αβγ:. RA DO. L:. permisividad del medio acuoso (constante dieléctrica). σ:. distancia de máximo acercamiento atómico.. R:. constante universal de los gases ideales. |Rij|. vector de posición relativa espacial de las hélices. NCBI. Centro Nacional de Información Biológica Molecular. RCSB. Recursos para estudios Biológicos macromoleculares. BI. ε:. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Resumen. En esta investigación se reporta la predicción del plegamiento globular de la cadena polipeptídica de los aminoácidos que conforman la estructura terciaria de durante el proceso de la visión. Se ha. RA DO. la proteína fosducina de la retina de un bovino, activado por la radiación luminosa utilizado algoritmos del programa de. bioinformática que transforman los informes del banco de datos por homologa para la generación de una estructura espacial de proteína, con el programa Swiss-Model y el banco de datos “Protein Data Bank”, accesible vía página Web como el servidor de ExPasy o el programa DeepView, Pdb-Expectador suizo. En. SG. primer lugar, se modelo por análisis de aminoácidos a la estructura primaria de fosducina, obteniéndose una estructura secundaria conformada por ocho hélices, generados. PO. cinco grupos de hojas beta y 16 giros beta. Las hélices α y hojas β fueron por efecto de polarización de los aminoácidos que rotan a través de. la cadena polipeptídica. Se predijo la formación de la estructura terciaria de la. DE. proteína fosducina como plegamiento globular compacta de las hélices α, hoja β y de los 16 giros de los aminoácidos, se originó mayor acumulación de los electrones en el entorno del plegamiento globular, siendo más probable la mayor. TE CA. acumulación del flujo de información biológica para ser transmitida a otra proteína.. IO. Palabras Clave: aminoácidos, proteína fosducina, plegamiento de proteínas,. BI. BL. estructura terciaria.. 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Abstract. This study reports the prediction of the folding of the globular polypeptide chain of amino acids that form the tertiary structure of the protein phosducin of the. RA DO. retina of an animal, activated by light radiation during the process of vision. It has used the program of bioinformatics algorithms that transform data reports for approval by the generation of a spatial structure of protein, with the SwissModel and Data "Protein Data Bank", accessible via the Web page as ExPasy server or program DeepView, Swiss pdb-Prospects. Firstly, a model for analysis. SG. of amino acids to the primary structure of Phosducin, obtaining a secondary structure composed of eight helices, five sets of beta sheets and beta turns 16. The α helices and β sheets were generated by the polarization effect of amino. PO. acids that rotate through the polypeptide chain. Predicted the formation of the tertiary structure of globular protein folding phosducin as compact propellers α, β sheet and turns of the 16 amino acids, originated a greater accumulation of. DE. electrons around the globular folding was more likely greater accumulation of. TE CA. the flow of biological information to be transmitted to another protein.. BI. BL. IO. Keywords: amino acids, protein phosducin, folding of proteins, tertiary structure.. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1. INTRODUCCIÓN. El genoma de las células está formado por ADN constituido por secuencias de nucleótidos y la transferencia de esta información genética se manifiesta en la síntesis de proteínas, representada a su vez por secuencia de aminoácidos. Los. RA DO. avances tecnológicos en el secuenciamiento de ADN han superado la capacidad de análisis de las estructuras proteicas, generando y almacenando secuencias primarias de miles de proteínas. Como es conocido la forma tridimensional es esencial para las funciones que cumpla las proteínas en las células. Frente a esta limitación, la informática ha generado programas computacionales que. SG. modelan la secuencia de los aminoácidos para predecir la forma biológica con la cual las proteínas realizan sus funciones en la célula.. PO. Las estructuras tridimensionales de las proteínas evolucionaron para desarrollar esas funciones con eficiencia y bajo un control preciso (Hernández y Villaescusa;. 2005). En este proceso, la naturaleza ha seleccionado apenas. DE. veinte aminoácidos (aa) para establecer más de cien mil proteínas diferentes en las células (Vásquez y Contreras. 2003).. TE CA. Las proteínas están diseñadas para unirse a cualquier molécula biológica, desde iones simples hasta grandes moléculas complejas como grasas, azúcares, ácidos nucléicos y otras proteínas (Lodish et. al 1998). Catalizan un extraordinario rango de reacciones químicas, proporcionan rigidez estructural a la célula, controlan el flujo de sustancias a través de la membrana de la célula,. IO. regulan las concentraciones de metabólitos (Miale, J. 1985), actúan como. BL. sensores e interruptores, producen movilidad y controlan la función genética. El avance científico en biología molecular a través de la bioinformática,. BI. se utiliza como tecnología de la información para procesar, almacenar, organizar, analizar, visualizar y distribuir la información con la finalidad de responder preguntas complejas en biología molecular (Zepeda, 2003﴿. Bioinformática es el área de investigación multidisciplinaria, la cual puede ser ampliamente definida como la interface entre dos ciencias: Biología Molecular y Computación. La bioinformática con modelos de algoritmos 11. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. hace análisis aleatoriamente al comportamiento de las proteínas cuando se enrollan, se doblan formando ángulos diedros en la cadena polipeptídica, dichos giros y acoplamientos se ejecuta tomando como centro al carbono alfa (C), estos procesos están basados en la localización profunda de aminoácidos y la forma significativa en el desarrollo tridimensional de las limitaciones metodológicas en la obtención y análisis. RA DO. proteínas,. fisicoquímicas de la misma, dificultan la determinación de las estructuras dinámicas moleculares de un gran número de proteínas (Laskowski, R., et.al 2005).. SG. 1.1. Los aminoácidos. La unidad estructural de las proteínas son los aminoácidos, denominados. PO. monómeros, que está constituido por un átomo de C al que se unen un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH2), un hidrógeno (-H) y una cadena lateral R, ver figura 1. Esta última determina las propiedades fisicoquímicas de. TE CA. DE. los aminoácidos, variando en tamaño, forma, carga, hidrofobicidad y reactividad.. IO. Figura 1. Estructura básicas de los aminoácidos. BL. Dependiendo de la solubilidad en el agua, que a su vez depende de la. polaridad de las cadenas laterales, los aminoácidos se clasifican en. BI. ácidos,. básicos o neutros. En la tabla 1 se muestran algunas. características químicas de los veinte aminoácidos (Lázaro, E. et. al, 2003). El ácido aspártico y glutámico tienen grupo carboxílico extra en sus cadenas laterales (R); la lisina, arginina y histidina tienen grupos amino básico en la cadena R. A pesar que la cisteína (con grupo tiol) y la tirosina (con grupo fenol) han sido clasificados como aminoácidos neutros, se 12. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. comportan como ácidos débiles y se pueden desprotonar en una solución básica. En disolución acuosa, los aminoácidos muestran un comportamiento anfótero, es decir pueden ionizarse, dependiendo del pH, como un ácido NH2 captan protones, quedando como. RA DO. liberando protones y quedando (-COO-), o como base donde los grupos o pueden aparecer como. ácido y base a la vez. En este caso los aminoácidos se ionizan doblemente, apareciendo una forma dipolar iónica. Teniendo en cuenta estas cualidades. los aminoácidos se han clasificado en aminoácidos. SG. polares (hidrófílicos) y no polares (hidrofóbicos).. Los aminoácidos hidrófílicos se ubican en la superficie externa de. PO. las proteínas al interactuar con el agua, posibilitando la solubilidad de la molécula. Los aminoácidos hidrofóbicos repelen las moléculas de agua, agrupándose en el núcleo de las proteínas. En consecuencia, la polaridad. DE. de las cadenas laterales de los aa es una de las fuerzas responsables de dar forma a la estructura tridimensional final de las proteínas. Los aa hidrófilos tienen cadenas laterales ionizadas o polares (Lozano, J., 1994).. TE CA. A pH neutro, arginina y lisina presentan cargas positivas; los ácidos aspártico y glutámico las tienen negativas y se encuentran como aspartato y glutamato. Estos cuatro aminoácidos son los principales contribuyentes de la carga global de una proteína. Un quinto aa, histidina, tiene una cadena lateral imidazol (débilmente ionizado) con un pK de 6.8, fue el pH. IO. de citoplasma. En consecuencia, pequeñas variaciones de pH celular. BL. modificará la carga lateral de la histidina. Las cadenas laterales de la alamina, valina, leucina, isoleucina, y. metionina son en su totalidad hidratos de carbono, salvo el átomo de. BI. azufre de la metionina, que son todas no polares. Las mismas fuerzas hacen que los aminoácidos hidrófobas se agrupen en el interior de las proteínas, lejos del medio acuoso. Por. último, la cisteína, glicina y prolina exhiben funciones. especiales en las proteínas, debido a las propiedades singulares de sus. 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. cadenas laterales (Creighton, T. 1990). La cadena lateral de la cisteína contiene un grupo sulfhídrilo. (-SH) que se puede oxidar para formar un. enlace disulfuro (-S-S-) con otra cisteína en la misma cadena polipeptídica. Tabla 1. Características fisicoquímica de los aminoácidos. RA DO. AMINOÁCIDOS NO POLARES (Hidrofóbicos) Aminoácidos. Código de tres letras. Código de una letra. Carácter de la cadena lateral. Forma puente de hidrógeno. Glicina. Gly. G. Alifática. No. Alanina. Ala. A. Alifática. Valina. Val. V. Alifática. Leucina. Leu. L. Alifática. Isoleucina. Ile. I. Alifática. No. No No No. SG. No. Met. M. Fenilalanina. Phe. F. Aromática. No. tirfosfato. Trp. W. Heterciclo aromático. Acepta. Prolina. Pro. P. Alifático. No. PO. Metionina. Alifática. AMINOÁCIDOS POLARES (Hidrofílicos) Ser. Treonina. Thr. Cisteína. Cys. Tirosina. Tyr. Glutamina. Alifática. Acepta y dona. T. Alifática. Acepta y dona. C. Alifática. Acepta y dona. Y. Alifática. Acepta y dona. Asn. N. Alifática. Acepta y dona. Gln. Q. Alifatica. Acepta y dona. TE CA. Asparagina. S. DE. Serina. AMINOÁCIDOS ELÉCTRICAMENTE CARGADOS (Negativo e hidrofílico). Acido aspártico. Asn. D. Alifática. Acepta y dona. Ácido glutamico. Glu. E. Alifática. Acepta y dona. IO. AMINOÁCIDOS ELÉCTRICAMENTE CARGADOS (Positivo e hidrofílico) Lys. K. alifática. Acepta y dona. Arginina. Arg. R. alifática. Acepta y dona. Histidina. El suyo. H. Heterocíclico alifático. Acepta y dona. BI. BL. Lisina. En ocasiones se encuentran enlaces covalentes cruzados por. enlaces disulfuro en regiones dentro de una cadena proteica o en cadenas separadas. Si bien los enlaces de dIsulfuro son poco frecuentes en proteínas intracelulares, se encuentran a menudo plegados de estos enlaces. El aminoácido de menor tamaño, la glicina, tiene un único átomo 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. de hidrógeno como grupo R, su pequeño tamaño permite su introducción en espacios más estrechos de la proteína (Christopher, M. y Kevin, A. 2005). A diferencia de todos los demás aminoácidos frecuentes, la prolina posee un añillo cíclico creado por la formación de un enlace. covalente entre el. grupo R y el grupo amino sobre el carbono alfa. La prolina es muy rígida,. RA DO. produce curvaturas e interrumpe la estructuras secundarias alfa-hélices y láminas-beta, produciendo una flexión en la molécula. La prolina y glicina se encuentran a veces, en puntos de la superficie de la proteína donde la cadena forma un asa y vuelve sobre la proteína.. SG. 1.2. El enlace peptidico. La unión de los aminoácidos en la cadena polipeptídica es tipo. PO. covalente y la reacción de condensación entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente desprende una molécula de agua. Este enlace da estabilidad cinética a la cadena polipeptídica. Pauling y .cols. utilizando difracción de rayos X, determinan que el enlace peptídico. DE. es rígido y plano. Además, encuentran que la distancia de los átomos C-N del enlace peptídico es menor al de otros enlaces C-N, y proponen un carácter parcial de doble enlace. Esto porque hay una compensación de. TE CA. polaridades debido a la resonancia de electrones de los átomos de N, C y O del enlace peptídico. El plano donde se forma el enlace peptídico esta formado por seis átomos: 2C, C, N, H, O (Figura 2).. IO. Cuando dos aminoácidos se unen, la molécula se llama dipéptido (Figura 3); con tres los aminoácidos se denomina tripéptido y así. BL. sucesivamente. Cadenas con menos 10 aminoácidos constituye un péptido, por encima de este valor estamos frente a un oligopéptido y mayor de 50 aminoácidos la molécula se denomina polipéptido. Como se menciona. BI. anteriormente, la rigidez del enlace peptídico limita la rotación de los planos entorno al carbono , específicamente de los enlaces. C y carbono. carboxílico (C-C) y C con el nitrógeno del grupo amino (C-N). Estos giros se denominan  (psi) y  (phi) respectivamente (Figura 4).. 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. SG. Figura 2. Estructura coplanar de los átomos que forman en el enlace peptídico (Mark et al 2008). El eje central de las proteínas la constituye los grupos amino,. PO. carboxilo y el carbono alfa que se repiten en las proteínas; los radicales R son perpendiculares al eje central. Esto origina que la molécula tenga una polaridad, un extremo amino (N terminal). BI. BL. IO. TE CA. DE. terminal).. y el otro carboxilo (C. 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. PO. 1.3. Estructura molecular de las proteínas.. SG. Figura 4. Generación de los ángulos Psi y Phi. (Mark et al 2008). Las proteínas son biomoléculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Además, pueden contener azufre, fósforo, polímeros, estos son. DE. hierro, magnesio y cobre entre otros elementos. Pueden considerarse como unidades de aminoácidos, por lo tanto, los. aminoácidos están unidos mediante enlace peptídico (Itz, R. 2008). TE CA. La estructura de las proteínas es muy compleja, existe proteínas constituida por una sola cadena polipeptídica, otras con dos, tres, cuatro o más cadenas polipeptídicas. En general las proteínas presentan estructura primaria, secundaria, terciara o cuaternaria.. IO. 1.3.1. La estructura primaria. Se refiere a la secuencia lineal de los aminoácidos, resultante de. BL. la expresión del código genético (ARNm) determinado por los genes. La fuerza estabilizadora de esta estructura es el enlace covalente. BI. (peptídico), que se forma entre el grupo amino (-NH2) de un aminoácido con el grupo carboxilo (-COOH) del siguiente aminoácido.. La unión. peptídica sólo permite formar estructuras lineales; en consecuencia, las cadenas polipeptídica no presentan ramificaciones (Mount, 2001). La determinación de la estructura primaria de una proteína es actualmente una técnica accesible a la mayor parte de los laboratorios de bioquímica.. 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Ella se obtiene a partir del análisis de las secuencias de las proteínas previamente procesadas, como la técnica de modelamiento por homología La otra manera de obtener la secuencia de aminoácidos, sin análisis experimental, es deduciéndola de la secuencia de los ARNm. Como se sabe que existe un código genético que determina el. RA DO. aminoácido segundo la clave del codón del ARNm 1.3.2. La estructura secundaria (2D). Las colisiones e interacciones entre los átomos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno de los aminoácidos generan una. SG. disposición bidimensional y repetitiva de la misma conformación, produciendo que se formen pliegues periódicamente. Estos patrones se producen por la formación de enlaces de hidrógenos entre los grupos. PO. carboxilos y aminos del esqueleto polipeptídica.. Las principales estructuras secundarias de las proteínas son:. DE. hélice alfa () y lámina plegada beta (), giros y bucles. Una proteína puede presentar todos los tipos de estructuras secundarias y los. TE CA. patrones más frecuentes son hélice  y lámina . La hélice  se forma por rotación de los aminoácidos en sentido. antihoraria, en forma helicoidad. En este tipo de estructura secundaria, la cadena polipeptídica se pliega adoptando una forma helicoidal con giros a la derecha (Figura 5). Debido a la rigidez del enlace peptídico y. IO. limitaciones en la rotación de los ángulos psi y phi algunos aminoácidos no estimula la formación de hélice . Es el caso del grupo R de la. BL. glicina, es tan pequeño que la cadena polipeptídica puede ser demasiado flexible; la prolina contiene un anillo rígido que impide que. BI. gire el enlace N-C. Además la prolina no tiene grupo N-H para formar los enlaces de hidrógeno intracadena que son básicos en la estructura de hélice. Las secuencia de aminoácidos con un número de aminoácidos cargados (glutamato y aspartato) y grupos R voluminosos (triptófano) son también incompatible con las estructuras hélice.. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) SG. Figura 5. Hélice α, (a) muestra la representación de la cadena polipeptídica y los átomos involucrados en la formación de los puentes de hidrógeno, (b) como resultado de interacción de los átomos se forma la cadena helicoidal de la hélice α (Delvin, 2004). RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. También, Pauling y Corey, propusieron la estructura secundaria β, conformada por dos o más cadenas polipeptídica que pueden estar. PO. direccionadas en el mismo sentido (cadenas paralelas, figura 6a) o en direcciones opuestas (antiparalelas, figura 6b) por la polaridad del enlace peptídico. Los puentes de hidrógeno se forman en los grupos N-H y. DE. carbonilo de las cadenas adyacentes y estabilizan la estructura. Las láminas β antiparalelas son más estables que las láminas β paralelas debido a que se forman enlaces de hidrógenos totalmente colineales. En. TE CA. algunas proteínas se observan láminas β antiparalelas y paralelas. BI. BL. IO. mezcladas (Lodish y matsudiaria 1998).. Figura 6. Estructura de la hoja β. (a) representan lámina paralela. (b) representa lámina antiparalela. ( c) Plano horizontal de la estructura de lámina β. Las esfera negra representa los átomos de Carbono; esferas celestes representa a los átomos de Nitrógeno; las esferas rosadas a los átomos de Oxigeno. Las líneas perpendiculares a las esferas celestes representan al puente de hidrógeno (Devlin, 2004). 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Mientras la hélice  es una cadena polipeptídica enrollada, la hoja plegada está extendida y se dispone a la manera de un acordeón (zigzag). Donde los grupos R se proyectan por encima y por debajo de los planos generados por las cadenas polipeptídica (Devlin. 2004).. RA DO. Los giros están constituidos por tres o cuatro residuos que una estructura secundaria compacta, en forma de U, estabilizados mediante enlaces de hidrógeno entre sus aminoácidos terminales (figura 7). Se localiza en las superficies de las proteínas y redirigen la cadena polipeptídica hacia el interior, determinando un cambio en la dirección de. SG. las cadenas polipeptídicas. Son elementos de conexión entre hélices alfa y/o láminas beta. Se forma un puente de hidrógeno entre un residuo (n) y el residuo situado tres aminoácidos después (n + 3). La prolina y la. PO. glicina abundan en los giros beta. La ausencia de una gran cadenas lateral, en el caso de la glicina, y la presencia de un plegamiento, incluido en la prolina, permiten que el eje central de la cadena. DE. polipeptídica se pliegue y forma una estructura rígida en forma U (Figura 7). Sin los giros las proteínas serian grandes, extendidas y con. (c). BI. BL. IO. TE CA. agrupaciones laxas.. Figura 7. Estructura secundaria tipo giro y direcciones: (A) antiparalelas, (B) paralelas, (C) puente de hidrógeno entre los residuos terminales (McMuray, J. et al 2004). Una columna polipeptídica también puede contener largas. curvaturas o asas (coil). A diferencias de los giros, que presentan escasas estructuras definidas, las asas pueden formar de muchas formas diferentes no reconocidas.. 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Las combinaciones especiales de estructuras secundarias constituyen los “motivos” de las proteínas. Definidas con una topología particular y organizada en una estructura tridimensional característica,. que. puede. definirse. como. estructura. suprasecundaria. Existen varios tipos de motivos como el motivo de. RA DO. resorte enrollado, motivo hélice-asa-hélice, dedo de cinc, entre otros. El primero se caracteriza por presentar dos, tres o cuatro hélice  anfipáticas (aminoácido hidrófilos en un. extremo y. aminoácidos hidrofóbicos en el lado opuesto). El motivo hélice-asahélice, es típico de proteínas fijadores de Calcio y se caracterizan. SG. por la presencia de ciertos restos hidrófilos en posiciones invariables del asa. Los átomos de oxígenos de estos restos fijan un. PO. ión calcio mediante enlace de hidrógeno. Otro motivo frecuente, dedo de cinc, están constituida por dos hélice  y dos hebras β con orientación antiparalelas, forman un haz digitiforme que se. DE. mantienen unidos mediante un ion cinc. Este motivo es muy común en proteínas que fijan a ADN o ARN.. TE CA. 1.3.3. La estructura terciaria o tridimensional (3D) El plegamiento de la cadena polipeptídica con sus estructuras. secundarias: hélice  y hoja, conforman la estructura tridimensional de las proteínas (Figura 8). Donde se describe la posición de cada uno de sus átomos en el espacio. La 3D de las grandes proteínas suelen estar. IO. subdivida en diferentes regiones globulares o fibrosas, denominadas Dominios. Por su estructura, un dominio, es una región compacta. BL. plegada de un polipéptido. Estas regiones se distinguen o están fisicamentes de otras partes de la proteína, aunque estén conectadas a. BI. través de la cadena polipeptídica. Es el caso, de la hemoglobina, que tiene un dominio globular y un dominio fibroso. Un dominio estructural esta constituido por 100-200 aminoácidos en distintas combinaciones de hélice,. láminas. , giros y. enrollamientos al azar. A menudo un dominio se caracteriza por presentar alguna particularidad estructural interesante. Por ejemplo la 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. abundancia de ciertos aminoácidos (dominio rico en prolina, dominio ácido, dominio rico en glicina), secuencias comunes (conservadas) en muchas proteínas (SH, o región 3 de homología) o un motivo particular de estructura secundaria (motivo de dedo de cinc en un dominio en. RA DO. rosquilla). En ocasiones, un dominio estructural se define en términos funcionales, sobre la base de observaciones de que la actividad de la proteína se localiza en una pequeña región en su longitud. Por ejemplo, una región o regiones particulares de una proteína pueden ser. SG. responsables de su actividad catalítica (un dominio de cinasa) o de capacidad de unión (dominio de fijación ADN, dominio de fijación a membrana).. PO. La definición funcional de un dominio es menos rigurosa que la definición estructural. Sin embargo, si no se ha determinado la estructura 3D, la identificación de los dominios funcionales pueden proporcionar. DE. información útil. Debido a que la actividad de una proteína suele depender de una estructural tridimensional adecuada, un dominio funcional suele constar por lo menos uno, y a menudo varios, dominios. TE CA. estructurales.. La organización de la estructura terciaria en dominios ilustra aún. más el principio de que moléculas complejas se construyen a partir de componentes simples. Al igual que los motivos de la estructura. IO. secundaria, los dominios de la estructura terciaria se incorporan como módulos en diferentes proteínas y codifican así las actividades. BL. funcionales. Las proteínas presentan varios dominios mediante la cual. BI. pueden realizar funciones diversas al mismo tiempo. La homología de secuencias indican relaciones funcionales y. evolutivas entre las proteínas. Esto fue descubierto en 1960 por Perutz al analizar las secuencias de aminoácidos de las proteínas mioglobina y hemoglobina con técnicas radiográficas y cristolográfico. Si bien en ese momento se desconocía la secuencia de las dos proteínas, Perutz propuso que la disposición similar de la hélice  de dos proteínas era 22. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. consecuencia de que ambas poseen secuencias de aminoácidos similares. El descubrimientos posterior y su comparación entre mioglobina y hemoglobina reveló que en todo la secuencia de ambas proteínas se encuentran numerosos restos idénticos o químicamente semejantes en posiciones idénticas. Las dos proteínas tienen funciones. RA DO. similares: hemoglobina transporta oxígeno en la sangre y la mioglobina. PO. SG. transporta oxígeno en el músculo.. DE. Figura 8. La estructura espacial con deferentes estructuras secundarias (McMuray J. et al 2004). La estructura tridimensional presenta varias características. 1). TE CA. Muchas cadenas polipeptídicas, aminoácidos distantes en la estructura. primaria. se. aproximan.. 2). debido. al. eficaz. empaquetamiento al plegarse la cadena polipeptídica, las proteínas globulares son compactas (Urdiales,J. 2005). Durante este proceso la mayoría de las moléculas de agua quedan excluidas del interior de la. IO. proteína permitiendo las interacciones en tre los grupos polares y apolares. 3) las proteínas globulares grandes (es decir aquellas con. BL. más de 200 residuos) suelen contener varias unidades compactas. BI. denominadas dominios (Trudy, M. y Mckee, J. 2 003). Los dominios son. segmentos. estructuralmente. independientes. que. poseen. funciones específicas (unión de un ión o moléculas). La estructura tridimensional se estabiliza por las interacciones hidrofóbicas, interacciones electrostáticas, enlaces covalentes, y puentes de hidrógenos.. 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Interacciones hidrofóbicas: ocurren cuando. los grupos R. hidrófobos se acercan debido a la exclusión del agua del interior de la proteína. . Interacciones electrostáticas: las interacciones electrostáticas son fuertes (como las de cargas opuesta) o débiles (como ion-dipolo,. . RA DO. dipolo-dipolo y Van der Walls).. Las interacciones fuertes se producen entre los grupos iónicos de carga opuesta: carboxílicos, carga negativa) con el grupo amino (carga positiva). Denominados también como. puentes salinos,. estos enlaces no covalentes solo son significativos en las. SG. regiones de la proteína donde esta excluido el agua, debida a que la energía que se requiere para eliminar las moléculas de agua de. PO. los grupos iónicos esta cerca de la superficie. Las interacciones débiles son significativas en el interior de la proteína plegada y entre las subunidades o en las interacciones proteínas-ligando. DE. (proteínas que son constantes de varias cadenas polipeptídicas). Los ligando son moléculas que se unen a lugares específicos en moléculas mayores, como la proteína, los bolsillos de la unión del. . TE CA. ligando son regiones sin agua de las proteínas. Puentes de hidrógeno: se forman un número significativos de enlaces. hidrógenos en el interior de una proteína y sobre su. superficies. Además de formar enlaces de hidrógeno entres ellas,. IO. las cadenas laterales polares de los aminoácidos pueden interaccionar con el agua o con el esqueleto polipeptídica. De. BL. nuevo, la presencia de agua permite la formación de enlace de. BI. hidrógeno con otras moléculas.. . Enlaces covalentes: las uniones covalente más destacadas en la proteína tridimensional son los puentes disulfuro, que se encuentran en muchas proteínas extracelulares. En los ambientes extracelulares estos enlaces protegen, en parte a la estructura proteica de los cambios. adversos de pH o de concentración. salina (Mercy, D. 1991). Las proteínas intracelulares no contienen. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. enlace. disulfuro. debido. a. las. elevadas. concentraciones. citoplasmáticas de agentes reductores. La estructura terciaria se realiza de manera que los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior y los polares hacia. RA DO. el exterior en medios acuosos. Esto provoca una estabilización por interacciones hidrofóbicas, de fuerzas de Van der Waals y de puentes disulfuro (covalentes, entre aminoácidos de cisteína convenientemente orientados) y mediante enlaces iónicos.. SG. 1.3.4. Estructura cuaternaria. Generalmente las proteínas con alto peso molecular están formadas por varias cadenas polipeptídicas y cada cadena se denomina. PO. una subunidad proteíca. Estas subunidades pueden ser idénticas (proteínas oligoméricas) o diferentes (heteroméricas). Las subunidades polipeptídica se ensamblan y se mantienen unidas por interacciones no. DE. covalentes, como el efecto hidrófobo, electrostáticas, enlaces de hidrógeno y entrecruzamiento covalentes como se muestra en la fig. 9.. TE CA. Existen varias razones para hallar proteínas con más de una subunidad: 1) la síntesis de subunidades individuales es más eficaz que aumentar sustancialmente el tamaño de la molécula. 2) el reemplazo de segmentos de aminoácidos dañados o gastados es más eficaz en subunidades independientes que en una supramolécula proteíca. 3) las. IO. interacciones complejas de varias subunidades sirven para regular la. BI. BL. función biológica de una proteína. (Martínez. J 1997).. Figura 9. Proteína hemoglobina, con sus cuatro unidades polipeptídica (Mark et al 2008. 25. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.5. La proteína G La proteínas G esta situada en la parte interna de la membrana plasmática que se unen alternativamente con los nucleótidos de guanina las señales desde el. RA DO. (GDP y GTP) y tiene la función de transmitir. exterior hacia el interior, vía receptores de membrana (acoplados a las proteínas G), hasta adenilato ciclasa (se producen las polarizaciones en las moléculas), que cataliza la información dentro de la célula de. SG. segundo mensajero AMP cíclico (Mark et.al 2008).. La estructura de la proteína G es muy similar en todas y forman. PO. complejos de unidades polipeptídica. La proteína G aislada de la membrana celular está formada por una cadena polipeptídica de 30000 a 35000 Daltons (Reina, M. 2003). Sin embargo, la estructura de esta. DE. proteína está compuesto por tres subunidades diferentes: α (37 kDa), β(39-46 kDa) γ (8 kDa). Las subunidad α posee única disposición de alta afinidad con GDP o GTP, de manera que la α-GDP se une. TE CA. fuertemente al grupo de las proteínas. βγ dando lugar al complejo. αGDPβγ inactivo, y cuando los estímulos externos polarizan a las moléculas del receptor,. del. éste los atrae,. ligando lo en forma. instantánea a la proteína G, en ese instante se producen la unión de la subunidad α con GTP (Dawsen et.al 2005). Esta proteína se encuentra. IO. en forma activa, por lo que αGTP se disocia de βγ, por un breve periodo de tiempo, y ambos grupos están separadas como αGTP y βγ, durante. BI. BL. ese proceso transmiten la información a segundos mensajeros. La actividad funcional de las proteínas G implica su disociación y. reasociación en respuesta a señales extracelulares. En estado de reposo, las proteínas G funcionan como heterodímeros que están unidos a GDP y no están asociados con receptores extracelulares o con proteínas efectoras intracelulares (la proteína G se encuentran en estado de equilibrio estable).. 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Cuando un neurotransmisor (proteína secretada por las células del sistema nervioso) se une a un receptor, dando lugar a un cambio conformacional en el receptor, lo que provoca el acoplamiento de la proteína G al receptor, esto altera la conformación de las subunidades. RA DO. αβγ y conduce a: (1) al desplazamiento del GDP por el GTP uniéndose solamente con la subunidad α, (2) a la separación de las subunidades βγ desde la proteína G, y (3) a la liberación de la unión receptor-proteína G. durante este proceso la subunidad α esta unida a guanosin trifosfato (GTP), que biológicamente es activa y que puede regular la actividad. SG. funcional de las proteínas efectoras dentro de la célula. Cuando el neurotransmisor. es liberado del receptor y la. PO. actividad de la Gtpasa que hidroliza al GTP se disocia, nuevamente la subunidad α vuelve a unirse con guanosin difosfato (GDP), regresando a su estado de reposo. La acción posterior conduce a la reasociación de. DE. las subunidades α (fosducina) libres con las subunidades βγ. Es decir, para restaurar el heterodímero original de la proteína G. sin embargo, las proteínas G provocan la fosforilación por medio de proteínas. TE CA. quinasas dependientes de AMPc y calcio-dependientes. de los. receptores de quinasas tirosina. Esta proteína se asocia con algunos receptores de los. IO. neurotransmisores de los canales iónicos. En la mayoría de los casos, la subunidad. α. liberada. por. la. interacción. receptor-proteína. G,. BL. directamente abre o cierra un canal iónico específico, como en el caso, de. receptores. opiáceos. (son. receptores. celulares. para. BI. neurotransmisores presentes en el sistema nervioso humano) (Herrera y Montero, 2005) Algunos de los receptores de los neurotransmisores han demostrado su asociación con los canales de Ca2+ dependientes del voltaje generados por diferentes tipos de proteínas G, aunque los canales son inhibidos por esta interacción.. 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.5.1.. Fotorreceptores de la retina. El ojo humano es un órgano muy complejo que nos permite ver. Para entenderlo, debemos primero entender la biología del ojo. La pupila es una abertura que permite a la luz pasar al interior del ojo. La pupila está controlada por el iris. El iris está cubierto por la. RA DO. cornea (lente). El lente del ojo está colocado tras el iris. El lente enfoca la luz en la retina, está actúa como una pantalla y aquí se fija. PO. SG. la imagen en forma invertida y es absorbida. DE. Figura 10. Retina del ojo: conos y bastones (Makelo, 1998). La estructura de los bastoncillos y conos, son de forma. TE CA. cilíndrica casi para ambas células (los bastoncillos son tubos angostos llenos de aproximadamente 2 000 discos apilados que contienen grandes cantidades de proteínas que absorben a la luz e inician la respuesta de excitación). están formados como. segmento externo, contienen a los pigmentos que detectan y. IO. absorben la luz, así como toda la maquinaria molecular encargada de la transmisión de la señal y del inicio del impulso nervioso que. BL. se dirige hacia el cerebro (Figura 10). La parte inferior del cilindro. BI. contiene los organelos y el núcleo, especializados en la generación. de la energía que requiere la célula para su. funcionamiento y renovación de las moléculas necesarias en el segmento externo (Bubis, 1993). Además, el segmento interno incluye una terminación sináptica que provee la base para la comunicación con otras células de la retina. La membrana externa. 28 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. de la célula, por otro lado, sirve para convertir la señal química en una señal eléctrica. Embebido en la membrana lipídica de los discos de los segmentos externos de los bastoncillos se encuentra el pigmento. RA DO. visual denominado, rodopsina. La rodopsina contiene siete hélices que atraviesan la bicapa lipídica (Figura 11). Se identifica a la rodopsina como uno de los miembros de la superfamilia de receptores tipo serpentina, con la función de transmisión de flujo de información; están acoplados a proteínas enlazadoras de. SG. nucleótidos de guanina o proteína G.. La función de los fotorreceptores comienza con la. PO. conversión de paquetes de energía electromagnética llamados fotones o cuántos de luz a una señal eléctrica que es analizada por el cerebro (Makelo, 1998). Esta conversión es llevada a cabo. DE. por las células fotorreceptores de la retina, que constituyen un conjunto de células especializadas que se localizan en la retina.. TE CA. La excitación visual es la responsable de transmitir la señal luminosa a las otras proteínas en la ruta de señalización visual. Por ello, se considera a la rodopsina como fotoexcitada o fotoactivada (Bubis, 1993). El siguiente paso a la excitación visual es la activación de la proteína transducina por la rodopsina.. La. IO. transducina es una proteína periférica de la membrana que pertenece a la familia de las proteínas G heterotriméricas. Por. BL. efecto de la luz, la rodopsina interacciona fuertemente con la. BI. transducina que está ligada a la GDP. La rodopsina promueve el intercambio de GDP por GTP sobre la unidad alfa.. 1.3.5.2.. Complejo proteico fotorreceptor.. La proteína fosducina forma de la proteína G y se encuentra localizada la parte interna de membrana celular. Esta proteína en su estado estable (inactivo o desfosforilado) se encuentra acoplado a. 29 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. complejo tridimerico de la proteína G, como subunidades αβγ, y. SG. RA DO. acoplados a guanisin difosfato (GDP).. PO. Figura 11. Esquema representativo de la membrana neuronal y integrada con 7 hélices transmembranales de la rodopsina. Se acopla a proteína G (García et al 2005). La proteína fosducina inactivo esta unida al receptor rodopsina de membrana. fotorreceptora.. neurotransmisoras. La. DE. la. por. la. traducción. excitación. de. de. luz. los. residuos. electromagnética. produciendo la secreción de las sustancia aguanita, los mismos que. TE CA. activan a la rodopsina produciendo polarización del complejo trimétrico, a través de la transducina.. Este flujo energético hace que el complejo. trimétrico se polarice y se disocie en fosducina y complejo dimero βγ. Además de la liberación de la molécula GDP, de la fosducina (Bubis, 1993). Recién la subunidad α se une con la molécula GTP.. Esta. IO. enlazamiento energético de GTP da una emergía potencial química a la. BL. fosducina para activar a los segundos mensajeros. La función de la proteína fosducina ejerce un control sobre las. BI. subunidades βγ y garantiza la activación de la proteína quinasa (es una enzima. que. modifica. otras. proteínas. mediante. fosforilación. y. desfosforilación) que se unen a estos dímeros para transmitir la información a los segundos mensajeros Adenosín Monofosfato Cíclico (AMPc) para que llegue a la célula (.Martin, A. 2 003). 30 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Este proceso dura un periodo de tiempo necesario para procesar todo el mecanismo de transferencia de información a los segundos mensajeros. Luego, después de un ciclo de actividad de la proteína fosducina se produce la hiperpolarización por los moléculas inhibidos como la subunidad γ, por lo que, la subunidad α se unen nuevamente. RA DO. con las subunidades βγ, también con las moléculas GDP y además se produce la inactivación de los receptores por fosforilación. 1.3.6. Mecánica molecular. La Mecánica molecular es una parte del modelado molecular, ya que físicas. tras. los. modelos.. Los. SG. implica el uso de mecánica clásica newtoniana para describir las bases modelos. moleculares. describen. PO. normalmente átomos (núcleos y electrones en conjunto) como cargas puntuales con una masa asociada. Las interacciones entre los átomos vecinos (aminoácidos) son descritas por interacciones tipo "resortes". DE. (representando enlaces químicos) y Fuerzas de Van der Waals. El Potencial de Lennard Jones es mayormente usado para describir las Fuerzas de Van der Waals.. TE CA. Las interacciones electrostáticas son calculadas por la Ley de Coulomb. A los átomos se les asignan coordenadas en el espacio cartesiano o en coordenadas internas, y también se les pueden asignar velocidades al realizar simulaciones dinámicas. Las velocidades. IO. atómicas están relacionadas a la temperatura del sistema, una cantidad macroscópica. La expresión matemática completa se conoce como una. BL. Función potencial Los métodos que minimizan la energía potencial, son conocidos como técnicas de disminución energética, mientras que los métodos que crean el comportamiento del sistema con el correr del. BI. tiempo son conocidos como dinámica molecular 1.3.6.1.. Interacciones débiles entre las moléculas. Enlace iónico (enlace iónico se define como un suceso, cuando un átomo pierde o gana electrón de su última capa,. por. 31 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ejemplo en el caso de los aminoácidos son grupos susceptibles a los cambios de pH, por eso, en el pH de la célula, prácticamente ningún aminoácido se encuentra de esa forma, sino que se encuentra ionizado. Los aminoácidos a pH bajo (ácido) se encuentran mayoritariamente en su forma catiónica (con carga positiva), y a pH. RA DO. alto (básico) se encuentran en su forma aniónica (con carga negativa). Sin embargo, existe un pH específico para cada aminoácido, donde la carga positiva y la carga negativa se encuentran en equilibrio, y el conjunto de la molécula es. SG. eléctricamente neutro.. Este comportamiento fue descrito por la ley de Coulomb (Hayt y Buch, 2001). Todas las interacciones son de naturaleza protónica,. PO. entendiendo como enlaces no covalentes en el comportamiento de los aminoácidos Estas interacciones son intensas a nivel de átomos de las moléculas, estas garantizan la formación de los sólidos entre. DE. las moléculas, fue difícil lograr la separación entre aniones y cationes, para el cambio de la estructura lineal de los aminoácidos de la proteína, podemos observar al comportamiento de dos moléculas. BL. IO. TE CA. ionizadas como en la Figura. 12. +. -. BI. Figura 12 ionización de la moléculas H3N y COO de los aminoácidos obedecen a la ley de Coulomb (Hayt y Buch, 2001). 1.3.6.2.. La energía potencial molecular entre dos iones. Las moléculas altamente polares como los aminoácidos de la proteína se atraen entre el grupo amino y el grupo hidroxilo mediante 32 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. un tipo especial de interacción dipolo – dipolo denominado enlace de hidrógeno, en el cual los átomos de oxígeno o nitrógeno de una molécula son atraídos hacia los átomos de hidrógeno de otras moléculas. Estas son las fuerzas intermoleculares más potentes y alcanzan energías hasta de 10 Kcal/mol por unidad de repetición.. RA DO. Los enlaces de hidrógeno intermoleculares son responsables de las configuraciones en hélice, que se observan en la estructura secundaria de la proteína (Raymod y Charles, 1997). La energía molecular de interacción entre dos iones de los. ion. n. . k. i, j1. q q i. j. d. (1). PO. U. . SG. aminoácidos, está descrito por la relación:. donde d es la distancia de separación entre los iones, k = 1/4пε, ε es. DE. la constante dieléctrica de permeabilidad del medio acuoso de las moléculas de los aminoácidos. La sumatoria abarca a todas las energías potenciales de los átomos ionizadas que corresponden a. TE CA. los 20 aminoácidos de la cadena polipeptídica de la proteína. 1.3.6.3. La energía potencial de interacción entre dos dipolos de aminoácidos La interacción entre dos dipolos de. aminoácidos es. IO. inversamente proporcional al cubo de la distancia entre ellos. BI. BL. (Jackson, 1 978). (2). donde μ1 es un dipolo eléctrico entre dos cargas de signos opuestos, r es la distancia entre protones y los electrones polarizados. Es el caso de las moléculas de los aminoácidos, tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, se convierte en una 33. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.