by

La bioinformática nos hace la vida mas fácil

Soy Carolina Calero, estudiante de Grado en Bioquímica de la Universidad de Murcia. Como futura Bioquímica, aparte de interesarme la Química como tal, y la Biología, creo que hay muchísimas otras áreas que debemos conocer y que nos hacen la vida un poco más fácil. Una de estas áreas es la Bioinformática.

Para estudiar cualquier enzima, cualquier ruta metabólica o simplemente para conocer las características de algún microorganismo, podemos buscarlo en la web, consiguiendo obtener información mucho más rápida y detallada que en algunos libros. Muchos programas informáticos, y diversas plataformas virtuales, nos abren las puertas a información novedosa, y a menudo, muy fiable.

Bajo mi punto de vista, uno de los ciclos más interesantes es el Ciclo de los ácidos tricarboxilicos, ya que es una de las fases de la respiración celular, vía por la que obtenemos la energía en el organismo. Es una vía metabólica cíclica por la que el acetil-CoA se oxida a CO2 y H2O. El ciclo se basa en 8 pasos consecutivos:

  1. Condensación: es la primera reacción del ciclo y es la condensación de acetil-CoA con oxalacetato dando lugar a citrato, en una reacción catalizada por la citrato sintasa.
  2. Deshidración-hidratación: es la formación de isocitrato via cis-aconitato. La enzima aconitasa cataliza la transformación reversible del citrato en isocitrato a través de la formación intermedia del acito tricarboxilico cis-aconitato.
  3. Descarboxilacion oxidativa: es la oxidación de isocitrato a alfa-cetoglutarato y CO2 catalizado por la isocitrato deshidrogenasa.
  4. Descarboxilacion oxidativa: oxidación del alfa-cetoglutarato a succinil-CoA y CO2 catalizado por la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa.
  5. Fosforilacion a nivel de sustrato: es la conversión de succinil-CoA en succinato catalizada por la succinil-CoA sintetasa.
  6. Deshidrogenacion: oxidación de succinato a fumarato catalizada por la succinato deshidrogenasa.
  7. Hidratación: hidratación del fumarato a malato catalizado por la fumarasa.
  8. Deshidrogenación: es la oxidación de malato a oxalacetato catalizado por la L-malato deshidrogenasa.

Hemos cubierto hasta ahora una vuelta completa al ciclo del ácido cítrico. Un grupo acetilo de dos átomos de carbono entro en el ciclo combinándose con el oxalacetato. Dos atomos de carbono salieron del ciclo como CO2 debido a la oxidación del isocitrato y alfa-cetoglutarato. La energía liberada en estas oxidaciones se conservó reduciendo 3 NAD+ y un FAD, y la producción de un ATP o GTP. Al final del ciclo se regenero una molecula de oxalacetato.

A pesar de que el ciclo del ácido cítrico en sí genera directamente sólo un ATP por vuelta, los cuatro pasos de oxidación en el ciclo proporcionan un gran flujo de electrones hacia la cadena respiratoria vía NADH Y FADH2 y de este modo posibilita la formación de un gran número de moléculas de ATP durante la fosforilación oxidativa. Una molécula de glucosa rinde 32 ATP.

En organismo aeróbicos el ciclo de los ácidos tricarboxílicos es una ruta anfibólica, es decir, que sirve tanto para procesos anabólicos como catabólicos. Aparte de su papel en el catabolismo oxidativo de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos, el ciclo proporciona precursores para muchas vías biosintéticas.

- Rutas que generan compuestos intermediarios del ciclo: las degradaciones de Asp, Phe y Tyr conducen a fumarato; la degradación de Ile, Met y Val y la de los ácidos grasos de número impar de átomos de carbono obtienen succinilCoA; y la de los ácidos grasos de numero par de átomos de carbono genera AcetilCoA.

- Rutas que consumen intermediarios: la obtención de glucosa por medio de la gluconeogenésis, utiliza el malato transportado a través de la membrana mitrocondrial; la biosíntesis de ácidos grasos y colesterol a partir del citrato, pues es el intermedio que abandona el ciclo, en lugar del acetil CoA, que es el auténtico precursor de los mismos.

- La biosíntesis de aminoácidos, nucleótidos y urea, a partir de las interconversiones de alfa-cetoglutarato y oxalacetato, con los aminoácidos glutamato y aspartato respectivamente.

- La biosíntesis de porfirinas, que utiliza como precursor el succinilCoA.

A medida que los intermedios del ciclo son retirados para servir como precursores biosintéticos, son repuestos mediante reacciones anapleróticas. En circunstancias normales, las reacciones mediante las cuales intermediarios del ciclo se dirigen hacia otras vías y aquellas que permiten reponerlos se encuentran en equilibrio dinámico. Así pues, las concentraciones de los intermediarios del ciclo permanecen prácticamente constantes. Entre ellas cabe destacar:

-La piruvato carboxilasa, que depende de la vitamina biotina, y es activada por acetilCoA.

- La fosfoenolpiruvato carboxilasa está presente en plantas, levaduras y bacterias y es activada por la fructosa 1,6-difosfato.

-La enzima málico, ampliamente distribuida en eucariotas y procariontes.

Es uno de los ciclos mejor regulados del organismo, ya que la obtención de energía es necesaria en todas las células. Existe un control primario que es el control respiratorio, de manera que la actividad del ciclo depende:

- Suministro de cofactores oxidados, como NAD+,FAD.

-Acoplamiento con la fosforilación oxidativa, por tanto de la disponibilidad de ADP.

-La velocidad de utilización del ATP.

El control secundario, radica en la actividad enzimática, que está en principio dependiendo de:

-Las reacciones de no-equilibrio del ciclo: la citrato sintetasa, isoctitrato deshidrogenasa y alfa-cetoglutarato deshidrogenasa son las enzimas que catalizan dichas reacciones, puesto que las   ΔG son fuertemente de signo negativo. Piruvato deshidrogenasa a la entrada del ciclo.

-La disponibilidad de sustrato: puesto que el acetilCoA y el oxalacetato están presentes en mitocondrias, a concentraciones que no saturan la citrato sintetasa, el flujo metabólico a través de esta enzima variará con la cocentración de oxalacetato. La diponibilidad de oxalacetato, controlada por la malato deshidrogenasa, depende de la relación [NADH]/[NAD+].

- La inhibición por producto: el citrato inhibe la citrato sintetasa y el succinilCoA inhibe la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa.

-La regulación alostérica: inhibición de succinato deshidrogenasa por oxalacetato; inhibición de la citrato sintasa por ATP y acil-CoA de ácidos graos de cadena larga; activación alostérica de isocitrato deshidrogenasa por ADP.

De todas las reacciones del ciclo, la que me interesa, es la formación de oxalacetato a partir de malato catalizada por la L-malato deshidrogenasa. El oxalacetato puede convertirse posteriormente a fosfoenolpiruvato o ser precursor de aspartato y asparragina.

La bioinformática me proporciona muchos programas de los que yo puedo obtener información sobre esta enzima. Por ejemplo, podría ver la cristalografiada en PDB o podría obtener mucha información sobre ella en BRENDA. Además, podría comparar su secuencia de aminoácidos en distintas especies utilizando BLAST. Todas estas bases de datos, recogen información procedente de artículos de todo el mundo y las pone al alcance de nosotros, evitándonos muchísimo trabajo.

by

LA BIOQUINFORMÁTICA

En esta entrada voy a relacionar la bioquímica con la bioinformática intentando explicar la utilización de programas y aplicaciones bioinformáticas para una utilización bioquímica.

Para ello vamos a escoger una enzima, por ejemplo: Topoisomerasa I

Para obtener información sobre esta enzima recurrimos a programas y aplicaciones que nos la facilitan.

Para empezar podemos utilizar Brenda, http://www.brenda-enzymes.org/ . Poniendo Topoisomerase I nos da la información sobre esta enzima como por ejemplo la reacciones en las que interviene, diferentes formas de nombrar a la enzima, enzimas similares, información relacionada con la interacción enzima-sustrato y datos numéricos como Km, pH óptimo, temperatura; y todo ello para diferente organismos.

Algunos datos de nuestra proteína son:

Número EC: 5.99.1.2

Nombre recomendado: ADN topoisomerasa.

Tipo de reacción: isomerización.

El pH, tª óptimo, km, etc tienen diferentes valores dependiendo del organismo.

Otra pagina es Protein Data bank (Banco de Datos de Proteínas) http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do ; es una base de datos de la estructura tridimensional de las proteínasy ácidos nucleicos. Estos datos, generalmente obtenidos mediante cristalografía de rayos X o resonancia magnética nuclear, son enviados por biólogos y bioquímicos de todo el mundo. Están bajo el dominio públicoy pueden ser usados libremente.

Cada proteína tiene un código de búsqueda, en nuestro caso es 1T8i, introduciendo este código nos aparece información sobre nuestra enzima empezando por un pequeño resumen que habla de la enzima de una forma general dando una descripción molecular, tipos, entre otros. Otros apartados son relacionado con la secuencia de la proteína, anotaciones, secuencias parecidos, 3D parecidos, etc.

Todas estas páginas se relacionan con los nombre y los códigos, aunque algunas informaciones varían de unas a otras.

Jmol es un visor open source de estructuras químicas 3D.Jmol devuelve una representación en 3D de una moléculaque puede ser usada como herramienta de enseñanza,o para la investigación por ejemplo, en químicay bioquímica. Es software libre y de código abierto, escrito en javay por lo que se puede ejecutar en Windows, Mac OS X, Linuxy sistemas Unix. Existe una aplicación independiente y un kit de erramientasde desarrolloque puede ser integrado en otras aplicaciones Java. La característica más notable es un applet que se puede integrar en páginas web para mostrar las moléculas de muchas formas. Por ejemplo, las moléculas se pueden mostrar como modelos de “bola y palo”, modelos “que llenan el espacio”, modelos de “cinta”, etc. Jmol es compatible con una amplia gama de formatos de archivo moleculares, incluyendo Protein Data Bank(AP), archivo de información cristalográfico(CIF), MDL Molfile(mol).

Con jmol podemos mostrar la estructura de la proteínas que se hayan estudiado su estructura y con el podemos mostrar las partes de la estructura que deseemos, así como de la forma y colores que queramos, a demás podemos ver los aminoácidos, las distancias que los separa, los angulos que forman, entre otras muchas cosas más.

En la siguiente imagen podemos ver la estructura tridimensional de la topoisomerasa I, por Jmol:

Una vez introducida esta información vamos hablar de nuestra enzima:

Tomoisomerasa I.

Las topoisomerasas (tipo I: EC 5.99.1.2, y tipo II: EC 5.99.1.3) son enzimas capaces de actuar sobre la topología del ADN, ya sea enredándolo para permitir que se almacene de manera mas compacta o desenredandolo para que controle la síntesis de proteínas y para facilitar la replicación del mismo. Estas enzimas son necesarias debido a los inherentes problemas causados por la configuración estructural del ADN.

El ADN posee una estructura en forma de doble hélice en la cual dos hebras o cadenas de azúcar 2-desoxiribosa unidas por puentes fosfato se encuentran enrolladas una sobre la otra, con cuatro bases, adenina, timina, citosinay guaninaapareadas y apiladas en el hueco central de esta hélice casi como los escalones en una escalera caracol, esta estructura permite conservar de manera estable el material genetico. Pero ya Watsony Crickhabían notado que las dos hebras de ADN se encontraban enrrolladas y retorcidas una sobre la otra, y que esto necesariamente requeriría de un mecanismo capaz de desenrollar y separar las hebras para permitir el acceso a la información almacenada.

Con la finalidad de solventar los problemas causados por esta configuración de doble hélice, las topoisomerasas son capaces de cortar y pegar ya sea una o dos de las hebras de azucar fosfato que forman el armazón o esqueleto del ADN. Este clivaje selectivo permite al ADN desenmarañarse y desenrollarse para permitir el acceso de otras enzimas a la infomación contenida en su interior. Al final del proceso el ADN es restaurado a su configuración inicial. Y ya que el ADN enrredado y desenrredado poseen la misma composición química y los mismos enlaces organizados de la misma forma,las dos formas de ADN, la enredada y la desenrredada, son isómeros que difieren sólo en su configuración global. De allí el nombre de las enzimas. Las topoisomerasas son enzimas somerasas que actúan sobre la topología del ADN.

En este video podemos observa como actuan:

La Topoisomerasa tipo I corta una hebra de ADN, permitiendo de esta forma liberar las tensiones internas debidas a un exesivo enrrollamiento o a un enrrrollamiento deficiente. Una vez que la tensión se ha relajado, pega los extremos de la hebra cortada. Al cortar una de las hebras se permite que la molécula rote alrrededor del enlace que permanece íntegro reduciendo el estrés debido al enrrollamiento. Las topoiosmerasas de tipo I no requieren de ATP para su funcionamiento. Las topoisomerasas de tipo I son frecuentemente subdivididas en dos subclases: Topoisomerasas IA; las cuales tienen muchas similitudes estructurales y mecanísticas con las topoisomerasas de tipo II. Y topoisomerasas IB; las cuales utilizan un mecanismo de rotación controlada.

Algunos ejemplos de topoisomerasas de tipo IA incluyen a la topo I y a la topo III. En el pasado las topoisomerasas de tipo IB eran frecuentemente referidas como topoisomerasa de tipo I eucariotica, pero las topoisomerasas de tipo IB se encuentran presentes en los tres dominios de la vida. Es interesante notar que las topoisomerasas de tipo IA forman un intermediario covalente con el extremo 5′ de la simple hebra de ADN, mientras que las topoisomerasas de tipo IB lo hacen con el extremo 3′.