Programas ejecutables
En esta entrada se disponen una serie de programas ejecutables y sus códigos de programación. Para cada programa se mostrará una breve explicación de su manejo y funcionamiento, así como un ejemplo haciendo uso de la AHAS de levadura libre de herbicidas. Todos los programas utilizan funciones que se recogen en el código de una libreria, cuyo código de programación en formato .pas se puede obtener con el siguiente link:
Librería de funciones: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1SUFZbnRjWU9Sdkk
Observación de proteínas
Este programa permite explorar la posibilidad de asociar programas de visualización de proteínas, como RasMol, a Lazarus. Concretamente, este programa nos permite visualizar la región alrededor de la primera fenilalanina de la proteína y por tanto su conectividad, así como visualizar el esqueleto de carbonos coloreados en función de su temperatura, o lo que es lo mismo, de su libertad de movimiento o desorden. En primer lugar, es necesario cargar la proteína en formato .pdb mediante el botón "Cargar PDB". En segundo lugar, hay que elegir el programa de RasMol que se vaya a utilizar mediante el botón "Elegir RasMol". Una vez hecho esto ya se puede observar la conectividad de la primera fenilalanina haciendo click en el botón "Observar Conectividad de la Primera PHE", para lo cual primero hay que guardar un archivo PDB generado. Para observar el desorden de la cadena polipeptídica primero hay que seleccionar los carbonos alfa de la proteína mediante el botón "Obtener CA >>". A continuación se ha de guardar el nuevo archivo .pdb generado mediante el botón "Guardar en PDB". Por último, se puede observar la cadena de carbonos coloreada según su temperatura haciendo click en el botón "Observar Desorden de la Cadena".
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1ZEIzR1Y1NkVjMzA
Utilizando como ejemplo la AHAS de levadura se observa la siguiente conectividad de la primera fenilalanina. Se observa que unos de los residuos más cercanos a esta fenilalanina son un residuo de aspartato, otro residuo de arginina, otro residuo de histidina y otro residuo de isoleucina. Con este último puede establecer alguna tipo de interacción hidrofóbica.
Utilizando la misma proteína se observa el siguiente desorden de la cadena de carbonos. Se puede observar que los residuos más superficiales tienen una mayor temperatura, es decir una mayor libertad de movimiento, mientras que el núcleo de la proteína tiene un movimiento mucho más restringido. Se puede observar que uno de los dominios de una de las dos subunidades (observado en la región más inferior de la imagen) presenta una temperatura general mayor que cualquier otro dominio de la proteína.
Cálculos geométricos de una proteína
Este programa permite obtener información geométrica de la disposición de los átomos de una proteína. Permite conocer la distancia entre dos átomos, el ángulo que forman 3 átomos y el ángulo diedro de torsión determinado por 4 átomos. Para utilizar el programa, en primer lugar hay que cargar una proteína en formato .pdb, mediante el botón superior "Cargar PDB" o bien en la pestaña "Archivo·". A continuación es necesario rellenar los campos de texto para cada átomo. El número de campos de texto que hay que rellenar varía en función del parámetro que quieras determinar, de modo que para calcular la distancia solo es necesario rellenar los primeros 2 campos, para calcular el ángulo solo es necesario rellenar los primeros 3 campos, y para calcular el ángulo de torsión es necesario rellenar todos los campos. En el caso de que todos los campos hayan sido rellenados, la distancia o el ángulo serán calculados con los átomos que ocupen las primeras posiciones. En estos campos hay que indicar el número del átomo según aparezca en el archivo PDB. Para calcular la distancia, el ángulo y el ángulo de torsión una vez rellenados los campos se pueden utilizar los botones que aparecen a la derecha de los campos de texto o bien la pestaña "Herramientas". Por último, el color del fondo puede ser modificado con la pestaña "Editar".
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1QTN4Z2pPemMxSnM
Código de programación: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1VnY2MzVRc2RQVkU
Por ejemplo, usando los 4 primeros átomos de la AHAS de levadura se obtienen los siguientes valores:
Se puede observar que estos valores son los correctos utilizando otras herramientas alternativas. Por ejemplo, se pueden utilizar herramientas de visualización de proteínas para calcular estos mismos parámetros. A continuación se muestra una tabla que representa los valores que se obtienen con el programa respecto a los valores que se obtienen con el comando "set picking torsion" de RasMol:
Se puede observar que los signos de los ángulos siempre coinciden en los dos programas, mientras que los valores varían en cuestión de décimas o centésimas.
Obtención de diagramas de Ramachandran
Este programa permite obtener un diagrama de Ramachandran a partir de una proteína en formato .pdb. Para ello primero hay que cargar la proteína mediante el botón "Cargar PDB". A continuación se puede observar el diagrama de Ramachandran haciendo click en el botón "Obtener Ramachandran". Este diagrama representa los valores de los ángulos de torsión de los enlaces entre el carbono alfa y el nitrógeno de los residuos, también denominados ángulos phi, en el eje de las abscisas, mientras que en el eje de las ordenadas se representan los valores de los ángulos de torsión de los enlaces entre el carbono alfa y el carbono carbonílico de los residuos, también denominados ángulos psi. Además, se puede observar la proteína en RasMol haciendo click en el botón "Observar en Rasmol" y buscando en el navegador que se abre el programa de RasMol en el que se quiera abrir la proteína.
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1U0JtdEswVE9tWDg
Código de programación: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1WHNZaFdOM2pPVWs
Por ejemplo, usando la AHAS de levadura se obtiene el siguiente diagrama de Ramachandran:
La posición de los puntos es indicativa del tipo de estructuras secundarias a las que pertenecen. La agrupación de puntos situada en la zona media-izquierda de la gráfica pertenecerían a los residuos que forman hélices alfa con giros a la derecha. La agrupación de puntos situada en la esquina izquierda superior pertenecería a los residuos que forman láminas beta. Los puntos situados en otras zonas de la gráfica corresponderían a regiones no ordenadas de la proteína, en las que los ángulos de torsión adquirirían valores más aleatorios que en las regiones ordenadas.
La posición de los puntos es indicativa del tipo de estructuras secundarias a las que pertenecen. La agrupación de puntos situada en la zona media-izquierda de la gráfica pertenecerían a los residuos que forman hélices alfa con giros a la derecha. La agrupación de puntos situada en la esquina izquierda superior pertenecería a los residuos que forman láminas beta. Los puntos situados en otras zonas de la gráfica corresponderían a regiones no ordenadas de la proteína, en las que los ángulos de torsión adquirirían valores más aleatorios que en las regiones ordenadas.
Obtención de estereodiagramas
Este programa permite obtener un estereodiagrama que permite observar de forma tridimensional la conectividad de la primera fenilalanina de la proteína. Para ello primero hay que cargar una proteína en formato .pdb mediante el botón "Cargar PDB". Después se selecciona el programa de RasMol que se desea utilizar mediante el botón "Elegir Programa". A continuación es necesario hacer click en el botón "Obtener Fenilalanina" para guardar el archivo PDB de la fenilalanina y observarla en RasMol. Por último hay que hacer click en el botón "Obtener Estereodiagrama" para guardar el PDB de la fenilalanina girada 3º y observarla en RasMol. Es importante que estos dos botones se utilicen en este orden ya que el estereodiagrama se genera a partir del PDB generado mediante el botón "Observar Fenilalanina".
Utilizando como ejemplo la AHAS de levadura, se observa el siguiente estereodiagrama:
Para observar los estereodiagramas, aconsejo fijar la mirada en el infinito, por detrás de la imagen. Se observará como cada imagen se desdobla. Cuando un "doble" de cada imagen se solape con el "doble" de la otra imagen, hay que intentar enfocar poco a poco la mirada en la imagen tridimensional.
Manipulación espacial de un segmento proteico
Este programa permite observar la proyección de los 10 primeros aminoácidos en el plano XY y llevar a cabo su transformación espacial para que el primer y el último aminoácido coincidan en sus coordenadas X e Y, así como observar la proyección del polipéptido resultante. Para ello primero se carga la proteína en formato .pdb mediante el botón "Cargar PDB" y se espera que se terminen de "extraer" los carbonos alfa. A continuación se obtiene la proyección no manipulada gracias a al botón "Proyectar en el plano". Una vez obtenida esta proyección, la manipulación espacial del fragmento peptídico y su proyección se consiguen haciendo click en el botón "Superponer primer y último carbono".
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1NmNtSjRiTlJKYTg
Utilizando la AHAS de levadura se obtienen las siguientes proyecciones, las cuales pueden ser confirmadas usando RasMol.
Cálculo del RMSD de las 3 primeras cisteínas
Este programa permite calcular el RMSD de las 3 primeras cisteínas de una proteína. No tiene función más allá de comparar la estructura espacial de estas cisteínas. Para utilizar el programa solo es necesario cargar la proteína mediante el botón "Cargar PDB" y obtener los RMSD de las 3 parejas posibles de cisteínas haciendo click en el botón "Calcular RMSD".
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1OERVaEs2SjR0ZWc
Código de programación: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1ZnJiUUlOUlcyLUk
Utilizando como ejemplo la AHAS de levadura se obtienen los siguientes valores para los RMSD:
Hay que tener en cuenta que la AHAS de levadura presenta solo dos cisteínas por subunidad. De este modo, la cisteína número 3 es la misma cisteína que la 1 pero en la otra subunidad. Esto nos permite explicar por qué estas dos cisteínas (1 y 3) presentan una RMSD menor en comparación con la que presentan las dos frente a la cisteína 2. Podemos observar más detenidamente las diferencias entre las cisteínas haciendo uso de RasMol:
Mutación de la primera PHE en una TYR
Este programa permite producir una mutación específica en una proteína, sustituyendo la primera fenilalanina por una tirosina. Además permite observar la proteína mutada y la zona mutada mediante RasMol. Para utilizar el programa, primero hay que cargar una proteína en formato .pdb mediante el botón "Cargar PDB". Para mutar la proteína y guardar el nuevo archivo PDB generado se hace click en el botón "Mutar y Guardar PDB Mutado". Para observar la proteína, primero hay que elegir el programa de RasMol con el que se quiere observar la proteína mutada mediante el botón "Seleccionar RasMol", tras lo cual hay que hacer click en el botón "Observar Proteína Mutada". Por último, para observar de forma más detallada la zona mutada, se puede usar el botón "Observar Zona Mutada" para guardar un archivo PDB de la región mutada y observarlo en el programa de RasMol seleccionado anteriormente.
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1Z0d1VjY5QlJlTzg
Usando la AHAS de levadura se obtiene la siguiente zona mutada, la cual se compara con la misma zona no mutada:
Se puede observar que el nuevo átomo de oxígeno cae en una zona cercana a las cadenas laterales de un glutamato, una metionina y una asparragina (esta última se observa en la zona superior de la imagen). Es bastante probable que entre algún átomo de la asparragina y el grupo hidroxilo de la nueva tirosina se pueda establecer un puente de hidrógeno.
Se puede observar que el nuevo átomo de oxígeno cae en una zona cercana a las cadenas laterales de un glutamato, una metionina y una asparragina (esta última se observa en la zona superior de la imagen). Es bastante probable que entre algún átomo de la asparragina y el grupo hidroxilo de la nueva tirosina se pueda establecer un puente de hidrógeno.
Búsqueda de puentes disulfuro
Este programa permite identificar la posible presencia de puentes disulfuro en una proteína al detectar parejas de cisteínas que se encuentren a una longitud máxima determinada. En primer lugar, se ha de cargar la proteína en formato .pdb mediante el botón "Cargar PDB". A continuación se elige la distancia umbral, en amstrongs, por debajo de la cual se considera que dos cisteínas formarán un puente disulfuro. Por último se hace click en el botón "Calcular Puentes Disulfuro".
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1QTd1TlAwSm15eFU
Código de programación: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1c2xlbWlta3N4aU0
Ya que la AHAS de levadura no presenta puentes disulfuro, para este programa utilizaremos otro ejemplo. La insulina es un ejemplo de un polipéptido sencillo con varios puentes disulfuro, específicamente 3 de ellos. De este modo, seleccionando una longitud umbral de 3 Amstrongs se pueden detectar los puentes disulfuro:
En esta última imagen se muestra la insulina con los puentes disulfuro resaltados como líneas gruesas amarillas. Hay que tener en cuenta de que si una proteína tiene más de una cadena igual, y estas cadenas presentan puentes disulfuro, en el resultado del programa aparecerá repetida la misma combinación de cisteínas tantas veces como cadenas polipeptídicas tenga la proteína.
En esta última imagen se muestra la insulina con los puentes disulfuro resaltados como líneas gruesas amarillas. Hay que tener en cuenta de que si una proteína tiene más de una cadena igual, y estas cadenas presentan puentes disulfuro, en el resultado del programa aparecerá repetida la misma combinación de cisteínas tantas veces como cadenas polipeptídicas tenga la proteína.
Obtención de perfiles hidrofóbicos
Este programa permite obtener un perfil hidrofóbico de un fragmento de tamaño ajustable de la proteína que se elija. Este perfil puede calcularse en función a distintos criterios, ya sea mediante una función de ponderación, mediante el cálculo de momentos de Eisenberg o bien mediante el espectro de potencias de Fourier de Stroud. Para utilizar el programa hay que seguir el siguiente procedimiento:
- Cargar la proteína en formato .pdb mediante el botón "Cargar PDB".
- Elegir el fragmento del polipéptido a analizar, determinando el primer aminoácido y el último aminoácido mediante los SpinEdit que aparecen en el programa.
- Determinar el tamaño de la semiventana que se va a utilizar para elegir el tamaño de la región peptídica que afecta a la hidrofobicidad de un residuo.
- Elegir un archivo de texto mediante el botón "Cargar Tabla de Hidrofobicidad". Se proporciona a continuación una carpeta con diversas tablas de hidrofobicidad que asignan distintos valores de hidrofobicidad a los residuos siguiendo diferentes criterios.
- Por último, se consiguen los distintos perfiles hidrofóbicos haciendo uso de los botones que se disponen.
Programa ejecutable: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1Q1dlN29UTzlPS1k
Tablas de Hidrofocidad: https://drive.google.com/open?id=0B6036yPvBCH1MTlReGlYV2Vpc1U
Tomando la AHAS de levadura como ejemplo se consiguen los siguientes perfiles usando la tabla de hidrofobicidad de DooLittle. Se ha tomado un fragmento de 500 residuos y un tamaño de semiventana de 7:
- Función de Ponderación:
- Cálculo de momentos de Eisenberg:
- Espectro de potencias de Fourier de Stroud:
