Nuevos métodos para el ajuste flexible de estructuras macromoleculares a distintas resoluciones ...

230 Pages·2012·18.14 MB·Spanish

Universidad Complutense de Madrid
Facultad de Ciencias Químicas
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular I
Nuevos métodos para el ajuste flexible de
estructuras macromoleculares a distintas
resoluciones empleando modos normales de
vibración en coordenadas internas
Tesis Doctoral
José Ramón López Blanco
2012

Universidad Complutense de Madrid
Facultad de Ciencias Químicas
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular I
Memoria presentada para optar al grado de
Doctor por
José Ramón López Blanco
Esta tesis doctoral ha sido llevada a cabo en los Departamentos de Biología Físico-Química del
Centro de Investigaciones Biológicas y de Química Física Biológica del Instituto de Química-Física
Rocasolano (ambas instituciones del CSIC) bajo la dirección del Dr. Pablo Chacón Montes.
Firma del Doctorando Conformidad del Director

_________________ _________________
José Ramón López Blanco Dr. Pablo Chacón Montes

A toda mi familia...

Índice general
1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1. Análisis vibracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.1. El modelo físico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.2. Modelos reduccionistas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.3. Análisis vibracional en coordenadas internas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2. Validación del análisis vibracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1. Correlación con las fluctuaciones atómicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2. Correspondencia con dinámica esencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.3. Correlación con conjuntos de conformaciones obtenidos por RMN . . . . . . 22
3.3. Aplicaciones del análisis vibracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.1. Predicción de flexibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.2. Refinamiento estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.3. Transiciones conformacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.4. Predicción de interacciones proteína-proteína . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.5. Predicción de interacciones proteína-ligando . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.6. Respuesta mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.7. Ajuste flexible de mapas de microscopía electrónica . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4. Microscopía electrónica y análisis de partículas individuales . . . . . . 29
3.4.1. Preparación de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.2. Toma de micrografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.3. Procesamiento de imagen y reconstrucción tridimensional . . . . . . . . . . . 32
3.5. Ajuste macromolecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.1. Ajuste rígido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5.2. Ajuste flexible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5.3. Métodos de ajuste flexible basados en el análisis vibracional . . . . . . . . . . 35
i
3.5.4. Métodos de ajuste flexible basados en dinámica molecular . . . . . . . . . . . 36
3.5.5. Métodos de ajuste flexible basados en otras aproximaciones . . . . . . . . . . 40
4. Materiales y métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1. Análisis vibracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.1. Análisis vibracional en coordenadas generalizadas . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.2. Análisis vibracional en coordenadas cartesianas . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.3. Análisis vibracional en coordenadas internas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.4. Implementación del método rápido de Go – Cálculo del Hessiano . . . . . . . 49
4.1.5. Implementación del método rápido de Go – Cálculo del tensor métrico . . . . 54
4.1.6. Mover en coordenadas internas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2. Representaciones reduccionistas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1. Modelos de coordenadas internas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.2. Modelos atómicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.3. Modelos de red elástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3. Aplicaciones del análisis vibracional en coordenadas internas . . . . . 61
4.3.1. Análisis vibracional – iMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.2. Visualización - iModview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.3. Animación de modos - iMove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.4. Simulación de Monte Carlo - iMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.5. Simulación de transiciones conformacionales - iMorph . . . . . . . . . . . . 65
4.3.6. Ajuste flexible de estructuras atómicas en mapas de densidad de microscopía 
electrónica - iModfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4. Reconstrucción tridimensional de RepB y su complejo con ADN . . . 69
4.4.1. Preparación de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.2. Adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.3. Procesamiento de imagen y reconstrucción tridimensional . . . . . . . . . . . 69
4.5.   Herramientas auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5.1. Métricas de comparación de modos normales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5.2. Actualización del programa de análisis vibracional – DefProt . . . . . . . . . 72
4.5.3. Dinámica esencial y análisis de componentes principales – iPca . . . . . . . . 72
4.6. Datos de validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
ii
4.6.1. Conjuntos de pruebas de estructuras atómicas . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6.2. Casos de ajuste flexible con mapas simulados . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.6.3. Casos de ajuste flexible con ruido simulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.6.4. Casos de ajuste flexible basados en modelado por homología . . . . . . . . . 77
4.7.   Ajuste flexible con otras herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.8. Detalles técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5. Resultados y discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1. Diseño e implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1.1. Implementación del análisis vibracional en coordenadas internas . . . . . . . 81
5.1.2. Eficiencia del análisis vibracional en coordenadas internas y cartesianas . . . 85
5.2. Validación del análisis vibracional en coordenadas internas . . . . . . . 88
5.3. Validación de las representaciones reduccionistas . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.1. Validación de los modelos atómicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.2. Validación de la reducción del número de coordenadas internas . . . . . . . . 93
5.4. Validación del análisis vibracional en ARN . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5. Validación del análisis vibracional en sistemas muy grandes . . . . . . 95
5.6. Simulación de trayectorias de transiciones conformacionales . . . . . . 96
5.6.1. Simulación de trayectorias de transiciones conformacionales en proteínas . . . 96
5.6.2. Simulación de trayectorias de transiciones conformacionales con distintos modelos
atómicos de proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.6.3. Simulación de trayectorias de transiciones conformacionales en ARN . . . . .100
5.6.4. Simulación de trayectorias de transiciones conformacionales reduciendo el número
de coordenadas en proteínas y ARN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.7. Validación de las simulaciones de Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . 101
5.7.1. Muestreo restringido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
5.8.   Validación de la herramienta de ajuste flexible – iModfit . . . . . . . . 104
5.8.1. Validación de iModfit en casos simulados de proteínas . . . . . . . . . . . . .104
5.8.2. Validación de los modelos atómicos reduccionistas de proteínas . . . . . . . .106
5.8.3. Validación de la reducción del número de coordenadas internas en proteínas .111
iii
5.8.4. Dependencia de los ajustes con el número de modos . . . . . . . . . . . . . .118
5.8.5. Dependencia de los ajustes con la orientación inicial . . . . . . . . . . . . . .120
5.8.6. Validación de iModfit en casos simulados de ARN . . . . . . . . . . . . . . .121
5.8.7. Comparación con otros métodos basados en análisis vibracional . . . . . . . .126
5.8.8. Comparación con métodos basados en dinámica molecular . . . . . . . . . . 130
5.8.9. Comparación con métodos basados en dinámica molecular utilizando estructuras
modeladas por homología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
5.8.10. Comparación con métodos basados en otras aproximaciones . . . . . . . . .140
5.8.11. Efecto del ruido en los modelos obtenidos con iModfit, NMFF y YUPSCX .143
5.8.12. Comparación entre los tiempos de cálculo de iModfit, NMFF y YUPSCX  . .148
5.8.13. Validación de iModfit en casos experimentales de ajuste flexible . . . . . . .149
5.8.14. Comparación de iModfit con NMFF y YUPSCX en casos experimentales . .171
5.8.15. Validación de iModfit con mapas experimentales del ribosoma . . . . . . . .174
5.9. Reconstrucciones tridimensionales del sistema RepB . . . . . . . . . . .177
5.9.1. Resolviendo la ambigüedad cristalográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
5.9.2. Reconstrucción en presencia de ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
5.9.3. Ajuste flexible de las reconstrucciones de RepB con iModfit  . . . . . . . . . 182
5.10. Diseminación de la metodología desarrollada . . . . . . . . . . . . . . .185
6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7. Apéndice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8. Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
iv