Materia	Carrera	Plan	Año	Periodo
ESTRUCTURA DE MACROMOLECULAS	LIC.BIOL.MOLEC.	1/99	5	1c

Docente	Función	Cargo	Dedicación
AGUILAR, CARLOS FERNANDO	Prof. Responsable	P.TIT EXC	40 Hs

La asignatura Estructura de Macromoleculas esta ubicada en el primer cuatrimestre del quinto ano de la carrera Licenciatura en Biologia Molecular. Esta decision se fundamento en el hecho de que los contenidos de la asignatura que describen la relacion estructura-funcion en macromoleculas biologicas permiten
complementar idealmente los conceptos aprendidos en cursos anteriores.

La importancia estrategica de la Biologia Molecular Estructural cuya metodologia principal es la Cristalografia de rayos X en el desarrollo de la biotecnologia y de las industrias farmaceutica y
quimica es analizado por Daniel Goldstein en el capitulo tres de su libro Biotecnologia, Universidad y Politica titulado SIN CRISTALOGRAFIA DE RAYOS X NO HAY BIOTECNOLOGIA POSIBLE. A continuacion transcribo algunas de sus palabras que ilustran claramente este tema.

"El conocimiento de la arquitectura molecular de las macromoleculas cataliticas e informativas de la
biologia hace posible:

i)Comprenderlos mecanismos quimicos de la accion catalitica de las enzimas y las ribozimas, el funcionamiento de los acidos nucleicos auxiliares y las condiciones estructurales que confieren las diversas propiedades fisiologicas a los acidos nucleicos informacionales.

ii)Modificar macromoleculas para cambiar a voluntad sus funciones y sus propiedades fisicas, quimicas y biologicas.

iii)Inventar nuevas macromoleculas con nuevas funciones

iv) Disenar a medida moleculas capaces de modificar las funciones biologicas de macromoleculas informacionales o cataliticas especificas.

Como es imposible comprender cabalmente la funcion de las macromoleculas informacionales y cataliticas sin conocer sus arquitecturas moleculares, y dada la imposibilidad de deducirla
a partir de la composicion quimica, la biologia molecular estructural constituye una disciplina fundamental y necesaria para solucionar todo problema bioquimico."

Es importante destacar que los proyectos de investigacion que se estan desarrollando como consecuencia de la implementacion de esta asignatura implican la resolucion de la estructura
tridimensional de macromoleculas y de sus complejos supramoleculares a traves de la cristalografia de rayos X. Esta es una especialidad que no existia en nuestro pais siendo la Universidad Nacional de San Luis pionera en su desarrollo.

El objetivo general de este curso es introducir los principios basicos de Estructura de Macromoleculas biologicas (Proteinas y Acidos nucleicos)con el proposito de estudiar la relacion estructura-funcion complementando idealmente los conceptos aprendidos en cursos anteriores.

Unido al aprendizaje de conceptos basicos el alumno sera capacitado en conceptos básicos de programación necesarios para el dominio de programas de computación necesarios para el analisis de estructuras.

1)Geometría de la unión peptídica. Fuerzas de interacción intra e intermoleculares:
Introducción. Interacciones, fuerzas y energía. La aproximación de Born Oppenheimer.
Interacciones covalentes: modelos simplificados de interacción. Enlace covalente, ángulos de enlace, ángulos diedros.
Interacciones no covalentes: electrostáticas, inducción y dispersión, repulsión, enlace de hidrógeno.
Efecto del solvente e interacciones hidrofóbicas. Efecto dieléctrico y efecto hidrofóbico.
Funciones de energía potencial. Miniminización de energía. Dinámica molecular.

2) Estructura Primaria.
Los 20 aminoácidos. Propiedades físicas y químicas. ´

3) Estructura Secundaria
Hélice alfa, hélice 310 , hélice pi, fin de hélice( helix cap), dipolos en hélices.
Lamina beta (Beta sheet). Paralela y antiparalela. Torcimientos (beta twists), protuberancias (bulges)
Vueltas (Turns) Inversas y Horquilla beta (Reverse and beta hairpins.
Conformación de la cadena lateral. Diagrama de Ramachandran
Identificación de la estructura secundaria:
Identificación en estructuras tridimensionales. Diagramas de ángulo (angle plots). Uniones puente de Hidrógeno. Diagramas de distancia.
Identificación sin la estructura tridimensional. Espectroscopía de dicroísmo circular(circular dichroism spectroscopy). Espectroscopía por resonancia magnético nuclear. Espectroscopía de infrarrojo F T (Trasformada de fourier).
Predicción de estructura secundaria. A través de homología, estadística y estereoquímica.

4) Estructura Supersecundaria
Introducción. Horquillas beta de 2 residuos. Esquinas beta (Beta corners) y horquillas de hélice(helix hairpins).
Esquinas alfa (alfa corners) y E-F hand.
Hélice-vuelta-hélice (Helix-turn-helix). Motivos beta-alfa-beta (beta-alfa-beta motifs) Coiled Coil.
Principios generales de empaquetamiento de estructura secundaria en proteínas. Introducción. Empaquetamiento hélice-hélice. Empaquetamiento sheet-sheet. Empaquetamiento hélice-sheet.

5) Estructura terciaria.
Introducción. Clasificación general de proteínas. Dominios. Proteínas de membrana.Proteínas estructurales y fibrosas. Enzimas. Otras proteínas globulares. Proteínas mosaico. Inmunoglobulinas y otros ejemplos.

6)Plegamientos en proteínas (protein folds).
Introducción. Distintos tipos de plegamiento.
Plegamientos en los cuales la estructura secundaria es casi exclusivamente alfa. Ejemplos.
Plegamientos beta.
Plegamientos alfa/beta.
Plegamientos alfa+beta.
Proteínas pequeñas con enlace disulfuro.

7)Plegamiento y Flexibilidad
Estabilidad de proteínas globulares. Factores cinéticos más importantes. Mecanismo de plegamiento. Formación de puentes disulfuro. Isomerización de prolinas. Chaperones

8) Estructura cuaternaria.
Visión de conjunto. Simetría, ejemplos. Insulina como ejemplo de la relación entre estructura terciaria y cuaternaria.
Estructura cuaternaria de enzimas: enzimas multiméricas y complejos multienzimáticos. Grandes agrupaciones: estructuras fibrosas, estructuras filamentosas y virus.

9) Interacciones en proteínas.
Interacciones proteína-proteína. Interacciones proteína-ácido nucleico. Interacciones de proteínas con otras macromoléculas biológicas: Inhibición. Regulación de ADN y proteínas. Hormonas y receptores. Lisis: de polipéptidos, proteinasas aspárticas como ejemplo. De polisacáridos, ejemplo: lisozima. De lípidos. De ácidos ribonucleicos, ejemplo: ribonucleasa A.
Cambios conformacionales: alosterismo. Hemoglobina.

10) Métodos:
Purificación y cristalización de proteínas. Cristalografía de rayos X.

11) Aplicaciones:
Diseño racional de drogas. Distintos ejemplos. El caso de los inhibidores de proteasa en SIDA y la hipertensión arterial.
Estabilidad en Proteínas: Proteínas hipertermofílicas. Factores que afectan estabilidad.

Trabajos Prácticos de Laboratorio
1)Transformación de e. coli BL21
2)Expresión de una proteína ribosomal de T. cruzi: p2beta
3)Purificación de una proteína recombinante ribosomal p2beta usando una columna de afinidad. Problemas y análisis de publicaciones científicas relacionadas con esta metodología. Purificación de proteínas haciendo uso de aparatos. Tecnicas de Fast protein liquid cromatography (FPLC) (BIOCAD/SPRINT)
4)Cristalización de Proteínas: Cristalización de lizozima por el método de fase de vapor por gotas colgantes y metodos batch. Problemas

Trabajos Prácticos de Aula
1)Construcción de elementos de estructura secundaria hélices alfa, beta sheet, etc. usando modelos plásticos.
2)Construcción de los distintos tipos de plegamiento usando modelos Garratt.
3)Interpretación de datos cristalográficos estructurales en trabajos de investigación.
4) Técnicas de Computación:
•Manejo de base de datos de secuencia y estructura.
•Conceptos básicos de programación en idioma Fortran 77.
•Alineamiento y Análisis de Secuencias.
•Predicción de estructura Secundaria.
•Modelado Molecular por Homología.
•Problemas : Ej. Dada una sequencia x , analizarla y especular acerca de su posible función, especificidad, actividad, estructura, evolución etc

Se propone una evaluacion continua con la posibilidad de Promocion
sin examen.

I. Se requiere una asistencia del 80% a las clases teorico-practicas.

II. Se realizara una evaluacion continua del alumno a traves de su participacion
en clase y mediante seminarios a presentar por los alumnos.

III.Aprobacion de evaluaciones parciales escritas con caracter teorico practico
en las cuales se usara la modalidad de preguntas con opcion multiple cuando
sea posible.

IV. Para mantener la condicion de alumno promocional los parciales deberan ser
aprobados con el 70% en primera instancia. En caso de que no se alcance este
porcentaje en cualquiera de las evaluaciones escritas habra una evaluacion
integradora oral al finalizar el curso que comprendera todos los temas
evaluados en los examenes parciales.Esta evaluacion integradora oral estara
abierta a alumnos que habiendo aprobado con el 70% quieran aumentar su nota.

V. Aprobacion de Trabajos Practicos de Laboratorio, los cuales tienen el caracter
de irrecuperables por sus caracteristicas y el costo de los mismos.

VI.Ensayo o investigacion bibliografica sobre temas determinados por el profesor
oportunamente.

Para alumnos regulares:

Asistencia del 70%
Aprobacion de los parciales con el 40 %
Regimen de recuperaciones de acuerdo a las ordenanzas vigentes.

[1] Referencias.
[2] * Protein structures and molecular properties. T. E. Creighton. Freeman and Company. New York.
[3] * Introduction to protein structure. C. Branden and J. Tooze. Garland Publishing, Inc. New York and London.
[4] * Protein architecture. A. M. Lesk. IRL Press.
[5] .
[6] * Proteins. A theoretical perspective of dynamics, structure, and thermodynamics. C. Brooks, M. Karplus, B. M. Pettitt. Wiley Interscience.
[7] .
[8] * Structure determination by X-ray crystallography. A. Ladd and R. Palmer. Plenum.
[9] * X-ray structure determination. G. Stout, L. Jensen. Wiley and Sons.
[10] * Protein crystallography. T. L. Blundell and L. N. Johnson. Academic Press.
[11] * Protein structure. T. E. Creighton. IRL Press.
[12] * Principles of protein structure. G. E. Schulz and R. H. Schirmer. New York. Springer-Verlag.

[1] * Protein purification. R. K. Scopes. Springer-Verlag.
[2] * Methods in Enzymology. Guide to protein purification. Edited by M. P. Deutscher.
[3] * Methods in Enzymology. Diffraction methods for biological macromolecules. Volume 114. Part A.
[4] * Methods in Enzymology. Diffraction methods for biological macromolecules. Volume 115. Part B.
[5] * Protein Folding. T. E. Creighton. W. H. Freeman. New York.
[6] * The anatomy and taxonomy of protein structure. J. S. Richardson. Adv. Protein Chem 34, 167-339.
[7] * NMR of proteins and nucleic acids. K. Wüthrich. Wiley. New York.
[8] * Conformation of polypeptides and proteins. G. N. Ramachandran & V. Sasisekharan. Adv. Prot. Chem. vol 23, 283-437.
[9] * Structure and action of proteins. R. E. Dickerson and Y. Geis. Harper and Row. London.
[10] * The nature of the chemical bond. L. Pauling. Cornell University Press. New York.
[11] * Solvent induced disortion and curvature of alpha-helices. T. Blundell, D. Barlow, N. Borkakoti and J. Thornton. Nature 306, 281-283.
[12] * Helix geometry in proteins. D. Barlow and J. Thornton. J. Mol. Biol. 201, 601-619.
[13] Conformation of beta-hairpins in protein structures. A systematic classification with applications to modelling by homology, electron density fitting and protein engineering. B. L. Sibanda and J. M. Thornton. J. Mol Biol. 206, 759-777
[14] * Stereochemical quality of protein structures. A. L. Morris, M. W. MacArthur, E. G. Hutchinson and J. M. Thornton. Proteins 12, 345-364.
[15] * Prediction of protein structure and the principles of protein conformation. G. D. Fasman. Plenum Press, New York.
[16] * Virus structure and assembly. Casjens, Sherwood, ed. Jones and Bartlett Publishers, Inc., Boston.
[17] * Biochemistry. L. Stryer. W. H. Freeman & Co., New York.

La importancia estrategica de la Biologia Molecular Estructural cuya metodologia principal es la
Cristalografia de rayos X en el desarrollo de la biotecnologia y de las industrias farmaceutica y
quimica es analizado por Daniel Goldstein en el capitulo tres de su libro Biotecnologia, Universidad
y Politica titulado SIN CRISTALOGRAFIA DE RAYOS X NO HAY BIOTECNOLOGIA POSIBLE. A continuacion
transcribo algunas de sus palabras que ilustran claramente este tema.

\"El conocimiento de la arquitectura molecular de las macromoleculas cataliticas e informativas de la
biologia hace posible:

i)Comprenderlos mecanismos quimicos de la accion catalitica de las enzimas y las ribozimas, el
funcionamiento de los acidos nucleicos auxiliares y las condiciones estructurales que confieren
las diversas propiedades fisiologicas a los acidos nucleicos informacionales.

ii)Modificar macromoleculas para cambiar a voluntad sus funciones y sus propiedades fisicas,
quimicas y biologicas.

iii)Inventar nuevas macromoleculas con nuevas funciones

iv) Disenar a medida moleculas capaces de modificar las funciones biologicas de macromoleculas
informacionales o cataliticas especificas.

Como es imposible comprender cabalmente la funcion de las macromoleculas informacionales y
cataliticas sin conocer sus arquitecturas moleculares, y dada la imposibilidad de deducirla
a partir de la composicion quimica, la biologia molecular estructural constituye una disciplina
fundamental y necesaria para solucionar todo problema bioquimico.\"

Es importante destacar que los proyectos de investigacion que se estan desarrollando como
consecuencia de la implementacion de esta asignatura implican la resolucion de la estructura
tridimensional de macromoleculas y de sus complejos supramoleculares a traves de la cristalografia
de rayos X. Esta es una especialidad que no existia en nuestro pais siendo la Universidad Nacional
de San Luis pionera en su desarrollo.

Fuerzas de interaccion intra e inter moleculares.
Estructura primaria. Propiedades Fisico-quimicas de los 20 aminoacidos.
Estructura Secundaria. Helices. Lamina beta. Vueltas.
Diagrama de Ramachandran
Identificacion de la estructura secundaria
Estructura Super-secundaria
Principios generales de empaquetamiento de elementos estructura secundaria en proteinas.
Estructura Terciaria
Tipos de Plegamientos en Proteinas
Estructura Cuaternaria. Virus
Interacciones en Proteinas. Inhibicion
Metodos. Purificacion, cristalizacion y cristalografia de rayos X
Aplicaciones.Diseno racional de drogas