Modelos fisicos para filamentos de proteinas

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Las proteinas vistas desde la Fisica
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• Las proteinas son estructuras moleculares
• diseñadas para realizar innumerables funciones
• dentro de las celulas
• Catalizadores
• Elementos de estabilidad y fuerzas mecanicas
• Reconocimiento y anclaje de otras moleculas
• Auto-ensamblaje de estructuras moleculares
• Nano-maquinas
• ...

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Estructura primaria Cadena de 102 a 103
eslabones combinando 20 de tipos de aminoacidos,
unidos por un fuerte enlace covalente
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Estructura primaria Cadena de 102 a 103
eslabones combinando 20 de tipos de aminoacidos,
unidos por un fuerte enlace covalente
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Tan solo una minuscula fraccion (lt105) de las
posibles sequencias ( gt10400 ) de aminoacidos es
una proteina nativa, codificada por un gen y
fabricada en una celula. Qué tienen de peculiar
esas secuencias?
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Tan solo una minuscula fraccion (105) de las
posibles sequencias ( gt10400 ) de aminoacidos es
una proteina nativa, codificada por un gen y
fabricada en una celula. Qué tienen de peculiar
esas secuencias? Se pliegan, como resultado de
las interacciones laterales entre eslabones
(acumulacion de enlaces debiles) formando
estructuras bastante rigidas
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Insulina
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Proteina del veneno de una serpiente
9
(No Transcript)
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Estructura secundaria motivos basicos
basados en los pleagmientos naturales de los
enlaces peptidicos
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Helices-a
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Laminas-b
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Estructura terciaria Combinaciones de helices,
laminas, con giros, inversiones,...
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Proteina FtsZ
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Por que es importante como se pliega una
proteina? El plegamiento de las cadenas y
determinan las interacciones de las proteinas
entre si y con otras macromoleculas, a traves de
establecer su FORMA
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Por que es importante como se pliega una
proteina? El plegamiento de las cadenas y
determinan las interacciones de las proteinas
entre si y con otras macromoleculas, a traves de
establecer su FORMA
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Debiles interaciones van der Waals o
polares (hidrofobicas-hidrofilicas )entre las
superfies se amplifican hasta dar energias del
orden de kT si las formas son complementarias
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Debiles interaciones van der Waals o
polares (hidrofobicas-hidrofilicas )entre las
superfies se amplifican hasta dar energias del
orden de kT si las formas son complementarias
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Debiles interaciones van der Waals o
polares (hidrofobicas-hidrofilicas )entre las
superfies se amplifican hasta dar energias del
orden de kT si las formas son complementarias
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Debiles interaciones van der Waals o
polares (hidrofobicas-hidrofilicas )entre las
superfies se amplifican hasta dar energias del
orden de kT si las formas son complementarias
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Debiles interaciones van der Waals o
polares (hidrofobicas-hidrofilicas )entre las
superfies se amplifican hasta dar energias del
orden de kT si las formas son complementarias
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Se puede predecir la forma a partir de la
secuencia?
Eso permitiria traducir el genoma de una
especie en un catalogo real de
sus proteinas como estructuras
macromoleculares Aprender a leer
funcionalmente los genomas The billion
dolars question!
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La estructura primaria de las proteinas,
codificada en el ADN ha sido seleccionada para
producir las estructuras secundaria y terciaria
robustas y utiles al metabolismo Cadenas
aleatorias de aminoacidos, sistetizadas
artificialmente, no tienen en la mayor parte de
los casos un plegamiento bien definido
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Cuáles se pliegan? Diferencia entre una
proteina (natural) y un polimero aleatorio de
aminoacidosPaisaje y dinamica de
plegamientoPlegamiento espontaneo vs. inducido
Conformaciones rigidas vs. flexibles ...
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Estructura cuaternaria

• Las proteinas son piezas auto-ensamblables
• Filamentos, valvulas, motores,...
• Cómo se ensamblan?
• Cómo actuan esas estructuras?

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Filamentos de proteinas
Aparecen en todas las celulas eucariotas haciendo
diversas funciones El ejemplo mas estudiado es
la tubulina (a-b) que forman los microtubulos
Cilindros con estructura periodica helicoidal,
con una vuelta completa cada 13 monomeros.
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Los microtubulos

• Son una parte esencial del citoesqueleto
• Actuan como railes para las kinesinas
• Forman cilios y flagelos
• Forman los asteres en la mitosis

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(No Transcript)
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(No Transcript)
30
(No Transcript)
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Estas tareas son tan vitales que la tubulina es
una de las proteinas mas conservadas (con menos
mutaciones) en las celulas eucariotas.
Cómo consigue una misma pieza
llevar a cabo tareas tan variadas?
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La tubulina tiene actividad GTPasa Hidroliza
el GTP para formar GDP
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• la formacion
• el crecimiento
• la disolucion
• de los microtubulos es un proceso mas
  versatil (complejo) que una
• cristalizacion

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• La forma activada de la tubulina esta
  asociada
• al GTP
• Esa forma activada cristaliza rapidamente,
• con las moleculas de GTP en el sitio de
  enlace
• entre las proteinas
• Ese enlace cataliza la hidrólisis del GTP a GDP
• El enlace se debilita con la molecula
  hidrolizada
• Con ese enlace debil, los extremos del tubo
  son
• inestables, pero el interior se mantiene

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MonomerosGTP
Crecimiento por incorporacion de
monomerosGTP al extremo
Hidrólisis GTP a GDP
Tubulo con GDP
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Fluctuaciones en el frente de crecimiento
respecto del frente de hidrólisis
Tubulo con GDP
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Fluctuaciones en el frente de crecimiento
respecto del frente de hidrólisis
Tubulo con GDP
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Fluctuaciones en el frente de crecimiento
respecto del frente de hidrólisis
MonomerosGTP
Tubulo con GDP
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Fluctuaciones en el frente de crecimiento
respecto del frente de hidrólisis
MonomerosGTP
Tubulo con GDP
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Fluctuaciones en el frente de crecimiento
respecto del frente de hidrólisis
Tubulo con GDP
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El frente de hidrólisis llega al extremo
Tubulo con GDP
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catastrofe de disolucion
MonomerosGDP
Tubulo con GDP
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catastrofe de disolucion
MonomerosGDP
Tubulo con GDP
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catastrofe de disolucion
MonomerosGDP
Tubulo con GDP
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catastrofe de disolucion
MonomerosGDP
MonomerosGTP
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Las secuencias de
Crecimiento gradual Disolucion catastrofica
(subita)
controladas por las concentraciones de GTP/GDP
y por estabilizadores de los extremos, permite
que la tubulina actue de formas diversas
mediante las señales bioquimicas adecuadas.
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Ecuacion maestra para la distribucion de tamaños
de las caperuzas no hidrolizadas
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Crecimiento Difusion
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Fragmentacion
50
Predicciones cuantitativas en funcion de unos
pocos parametros (dependientes de las
condiciones bioquimicas)
Velocidad media de crecimiento
de las zonas no
hidrolizadas
Dispersion tipica de ese
crecimiento
Probabilidad de hidrólisis
interna (fragmentacion de
la capucha)