En el programa desarrollado para esta actividad se han implementado tres funcionalidades. Para lograrlas ha sido necesario desarrollar un conjunto de funciones, incluidas en BioTools, que permiten calcular de forma automática las distancias interatómicas, los ángulos de enlace y los ángulos de torsión a partir de las coordenadas, en TPunto, obtenidas desde un TPDB. Además, se han desarrollado otras dos funciones que permiten modificar una tabla de datos y representarla en un gráfico.
Calculadora
Permite introducir los átomos del PDB que se deseen y permite seleccionar entre realizar el cálculo de las distancias intermoleculares, el ángulo que forman tres átomos (siendo uno de ellos el central) o el ángulo de torsión formado por cuatro átomos.
Se ha comprobado que la calculadora obtiene una muy buena aproximación a los resultados esperados obtenidos con Rasmol, aunque con variaciones en los decimales.
Comprobación de la corrección de los cálculos
Se ha introducido una tabla en la que se muestran los valores de los ángulos de torsión Phi y Psi esperados (calculados con set picking torsion de Rasmol) de los 5 primeros residuos de la proteína y, por otro lado, se calculan estos mismos ángulos de torsión con las funciones desarrolladas.
Como se puede observar en la siguiente imagen extraída del programa (figura 1), los valores de los ángulos son muy parecidos a los calculados con Rasmol, aunque con diferencias del orden de décimas o de centésimas.
Figura 1. Comparación de los ángulos de torsión de los 5 primeros residuos de la proteína calculados con Rasmol (esperado) y el programa desarrollado (calculado).
Ramachandran
En una proteína, los enlaces entre el N y el C alfa y el C alfa con el C del esqueleto son relativamente libres de rotar.[1] Los ángulos de torsión Phi y Psi describen estas rotaciones del esqueleto del polipéptido. En concreto, el ángulo Phi describe la rotación entre el N y el C alfa, mientras que el ángulo Psi describe la rotación entre el C alfa y el C del esqueleto.[2] Sin embargo, hay determinadas combinaciones de ambos ángulos no permitidas debido a que pueden resultar en importantes impedimentos estéricos.
La representación de Ramachandran permite observar las regiones permitidas y no permitidas de la combinación de ambos ángulos. Esto es en muchas ocasiones utilizado como indicador de la calidad de la estructura tridimensional obtenida.[2] Además, los ángulos de torsión son uno de los parámetros estructurales más importantes para controlar el plegamiento de las proteínas hasta el punto de que se postula que siendo capaces de predecir estos ángulos para una proteína particular, sería posible predecir su plegamiento en tres dimensiones. La razón es que estos ángulos aportan la flexibilidad necesaria para que el esqueleto del polipéptido adopte un determinado plegamiento.[2]
En este programa se han calculado todos los ángulos de torsión de la proteína y se han representado según el diagrama de Ramachandran. Antes de comentar los resultados, la comprobación de que el diagrama obtenido con el programa es correcto, se ha comparado con el creado gracias a la herramienta online Rampage: Assessment of the Ramachandran Plot, que permite introducir la proteína de interés en formato PDB y devuelve el diagrama de Ramachandran. Como se puede apreciar en la siguiente imagen, la distribución de los puntos en ambos diagramas de Ramachandran es idéntica, de manera que se puede confirmar que el programa funciona correctamente.
Figura 2. A la izquierda se muestra el diagrama de Ramachandran obtenido con la herramienta online y a la derecha el obtenido con el programa desarrollado.
Además, esta herramienta online permite evaluar la calidad de la estructura tridimensional e indica que en este caso todas las combinaciones de ángulos se encuentran en la región favorecida o permitida.
Se ha realizado una búsqueda de las regiones del diagrama que se corresponden a una determinada estructura secundaria (figura 3)[3] y al superponer con el diagrama obtenido por el programa, se puede observar como la mayor parte de los residuos se encuentran formando hélices alfa. Este resultado concuerda con la estructura tridimensional de la proteína, que es predominantemente alfa. También se observa un porcentaje elevado de láminas beta, lo que también concuerda con la estructura tridimensional resuelta de la proteína.
Figura 3. Correspondencia de los ángulos de torsión con el tipo de estructura secundaria del que forma parte el residuo.[3]
De hecho, esta proporción de los residuos que forman parte de un tipo de estructura secundaria u otro se puede observar que es muy parecido al predicho con el gráfico de distribución de estructuras secundarias obtenido en PDBSum (figura 4).
Figura 4. Gráfico de distribución de la estructura secundaria de la proteína obtenido en PDBSum.[4]
El programa se ha desarrollado de tal manera que permite la representación del diagrama de Ramachandran de varias proteínas a la vez. Así, se ha representado sobre el diagrama del fichero PDB asignado otro fichero PDB (4moy) diferente correspondiente a la misma proteína (holoenzima PP1) para comprobar si hay variaciones importantes en la distribución de los ángulos.
El resultado se muestra en la figura 5. Como se puede observar, la distribución de ángulos es muy similar, aunque existen pequeñas diferencias. A grandes rasgos, parece que la distribución de estructuras secundarias entre ambas proteínas es muy parecida. De hecho, si se toma la distribución de 4moy de PDBSum y se compara con la del PDB asignado, ambas son idénticas (figura 6)
Figura 5. Diagramas de Ramachandran del PDB asignado (amarillo) y de 4moy (azul).
Figura 6. Comparación de la distribución de las estructuras secundarias del PDB asignado (arriba) y de 4moy (abajo).
Bibliografía
[1] Ramachandran Plot.
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS95/course/3_geometry/rama.html
[2] Torsion Angles and the Ramachandran Plot.
http://www.proteinstructures.com/Structure/Structure/Ramachandran-plot.html
[3] The Three-Dimensional Structure of Proteins.
http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt07/171.jpg
