(A) = H o
Transcripción
(A) = H o
Resonancia Magnética Nuclear en proteínas Rodolfo Rasia, Abril 2012 Esquema Cosas generales El fenómeno de RMN Parámetros El experimento de RMN Los experimentos más usuales Asignación Cálculo de estructuras Otras cosas… Muestras ¿Que nos puede decir la RMN de proteínas? Cálculo de estructuras Dinámica Proteínas desestructuradas Análsis de alteraciones estructurales Wild-type Partially destabilized & heterogeneous Partially destabilized Unfolded Ohi et al., NSB (2003) Interacción proteína-ligando Diseño de drogas Estudios estructurales in vivo High-Resolution Macromolecular NMR Spectroscopy Inside Living Cells JACS 2001, 123, 2446-2447 Estados excitados Y no está limitado a moléculas pequeñas El límite es la imaginación … Que es RMN (NMR!) Nuclear Magnética Resonancia Nuclear y Magnética: Spin nuclear Núcleo, spin Estados cuantizados m = I,I-1, … , -I+1, -I I múltiplo de 1/2 Nos interesan solamente núcleos con I = m=±1/2 Asociado nuclear, momento de spin =•I al spin, momento magnético En presencia de B0 Interacción de con B0 Se pierde la degeneración Para núcleos de spin , 2 estados Los llamamos y RMN transiciones entre y B0=0 B0>0 Propiedades de los isótopos Elementos en proteínas Lo ideal: spin y abundancia natural alta Isótopos útiles en bio-RMN Sólo 1H y 31P son naturalmente abundantes 13C y 15N baja abundancia baja sensibilidad Enriquecimiento isotópico O… no sirve 1H 13C 15N 31P ¿Por qué resonancia? E = h ¿De cuánta energía estamos hablando? Energía de un espín en un campo magnético E=IzhB0/2 E=-1/2hB0/2 E=1/2hB0/2 E=hB0/2 E= h = Bo / 2 Poniendo números Para núcleos de 1H en magnetos de uso en RMN Bo= 2.35 – 23.5 T = 100 - 1000 MHz. Para 1H a = 400 MHz (Bo = 9.5 T) E= 3.8 x 10-5 Kcal / mol < 200 cm-1 N/N = e E / kT = 1.000064 Magnetización macroscópica (señal) proporcional a la diferencia de población … muy poquito ¿Qué implica esto …? Baja relación señal-ruido (acumular experimentos) Regreso al equilibrio (relajación) lento (limita repetición) Estado excitado: tiempos de vida media s, ms Medición con mucha precisión B0 y determinan la sensibilidad E= h =B0/2 N/N = e E / kT A 300 K, kT >> hB0 N/N 1+hB0/kT A > B0 > sensibilidad Núcleos con > son más sensibles Sensibilidad •E•flujo inducido 3 1H64•13C1000•15N Cada núcleo absorbe a una dada Cada núcleo absorbe a una E= h =B0/2 600 MHz 1H No 150 MHz 13C 60 MHz 15N se pueden detectar todos los núcleos simultáneamente Se puede “trabajar” con los núcleos por separado Separar resonancias Medir interacciones Resumiendo I En RMN se miden transiciones de spin nuclear Las diferencias de energía son bajas Baja S/N Alta precisión En proteínas trabajamos con núcleos de spin : 1H (natural), 13C y 15N (precisan enriquecimiento isotópico) Cada núcleo resuena a una frecuencia particular, dependiendo de su El espectrómetro “An NMR machine is basically a big and expensive FM Bo radio” N S Magnet B1 Recorder Frequency Generator Detector Componentes necesarios Imán (superconductor a baja temp.) Sonda (bobinas) Consola Generadores de frecuencias Amplificadores Evoución de los espectrómetros comerciales 1949 1952 1956 1957 1964 1971 1972 1979 1982 1987 1988 1992 1993 1993 1994 1999 2010 First commercially available NMR instrumentation First high-resolution NMR spectrometer (30 MHz) (Varian) 40 MHz spectrometer (Varian) 60 MHz spectrometer (Varian) 220 MHz, first commercial supercond. NMR spectrometer (only 1H) (Varian) 180/270/360 MHz HFX and HX series (Bruker) 400 MHz WH (Bruker) 500 MHz WM. First commercial 500 MHz spectrometer (Bruker) AM-Series (200-500 MHz) (Bruker) AM-600. First commercial 600 MHz spectrometer (Bruker) AMX series (200-600 MHz) (Bruker) First NMR spectra at 750 MHz acquired on an AMX-750 (Bruker) Unity-plus 750. First commercial 750 MHz spectrometer installed (Varian) DMX, DRX, DSX series (300-750 MHz) (Bruker) First 800 MHz spectra, DRX-800 (Bruker) First 900 MHz spectra, DRX-900 (Bruker) First 1GHz specrometer (Bruker) B0 grande y estable: Superconductor Autopsia de un magneto 270 MHz Coraza acero inox. 3 mm Material aislante térmico (165 capas) Termo de N2 (aluminio) Autopsia de un magneto Termo de N2 (interior) Espacio lleno con N2 (77 K) Sensor de N2 Autopsia de un magneto Magneto Superconductor Aleación Cu-Nb-Ti (12 km de cable enrollado) Autopsia de un magneto Magnetos más grandes, termos más grandes 600 MHz 750 MHz O maior … Imán de 1 GHz (Lyon, France) 11.7 millones ¿Para qué gastar tanta plata? Un núcleo Una señal Una sonda Parámetros Espectrales Propiedades de cada núcleo (, J, T1, T2) Interacciones spin-spin ¿Cómo luce un espectro de RMN? Estricnina 400 en CDCl3, 22 1H MHz Cada 1H da una señal identificable En proteínas es más complicado Parámetros espectrales: desplazamiento químico () Elelctrones spin I =1/2. Producen pequeños campos magnéticos que se oponen a B0 constante de apantallamiento =B0(1-)/2 B0 En los espectros HO-CH2-CH3 low field high field o Dependencia con el campo. Desplazamiento químico en ppm Los campos producidos son proporcionales a B0 entre dos núcleos es proporcional a B0 es proporcional a B0 El apantallamiento se expresa como desplazamiento químico () = (–ref)/ref 106 (ppm) ¡ indep. B0! Rangos de variables: 1H, ca. 15 ppm 113Cd, ca. 300 ppm Desplazamientos químicos 1H en prots. Desplazamientos químicos 13C en prots. Interacciones entre núcleos Proveen información sobre conectividad (asignación) y estructural Interacciones escalares (a través de enlaces) Conexion por enlace Ángulos diedros Interacciones dipolares (a través del espacio) Distancia Orientación relativa Acoplamiento escalar Influencia del estado de un núcleo sobre otro mediada por e- a través de enlace nJ, n= nº de enlaces Constante en Hz Separación de líneas Heff (A) = Ho ± Hind (B) Acoplamientos vecinales entre 1H J entre 1H vecinales depende del ángulo diedro Relacionados por la ecuación de Karplus A, B y C, determinación empírica Estimación de la conformación molecular J() Acoplamiento vecinal HN-H Acoplamientos escalares en proteínas Acoplamiento dipolar Directa a través del espacio Si =cte, muy grande En solución, se promedia a 0… pero es la contribución más importante a la relajación NOE! 1 2 h(3cos2 1) D = 8 2 r 3 Resumiendo II Un núcleo una señal una sonda Desplazamiento químico, una resonancia por núcleo en un entorno Interacciones entre núcleos A través de enlace, acoplamiento escalar A través del espacio, acoplamiento dipolar Cómo se obtiene un espectro Al principio CW Barrido de frecuencias detección de absorción Ahora, FT Pulso de RF excita todos los núcleos Se detecta la respuesta de la muestra FT s(t) s() Espectros de proteínas RNAsa A, 1146 1H Lisozima, 959 1H La información está ahi… 40 MHz 900 MHz Dispersión de plegamiento Plegado Sac Y, regulador bacteriano (50 aa) 600 MHz Desplegado Manival et al EMBO Journal (1997) 16, 5019 - 5029 Idea experimentos 2D (o nD) Secuencias diseñadas para detectar diferentes tipos de acoplamientos Escalar: COSY, TOCSY, HMQC, HSQC, HNCO, … Dipolar: NOESY (en infinidad de variantes…) Detección de la señal antes y después del acoplamiento pulso 90º t1 t1 igual que 1D Transferencia entre espines acoplados t2 t2 Experimentos 2D RMN homonuclear Explotar acoplamientos para resolver degeneraciones t1 Espines acoplados t2 Resolución de señales superpuestas 1D 2 señales superpestas 2D 2 picos resueltos Experimentos 2D RMN homonuclear COSY, TOCSY, NOESY Experimentos 2D heteronuclear 2D HSQC Una señal por residuo Heteronuclear! no diagonal R R -15N - C- CO -15N - C H H Experimentos 3D heteronuclear Extensión del HSQC a otra dimensión Cada señal HN-N “ve” las resonancias de 1H acoplados TOCSY-HSQC Experimentos 3D, triple resonancia Se transfiere magnetización entre 1H, 15N y 13C Experimentos nD, APSY Más dimensiones, más tiempo 1D, 10s 2D, 20’ 3D, 5h 4D, 4-5d nD … APSY, proyección para nD 4D HNCACB 5D HNCOCACB … No hay superposición ! Resumiendo III Espectros de RMN: adquisición en dominio del tiempo, transformación y análsis en dominio de frecuencia (FT) Espectros de proteínas, muchas señales, muy densos Separación en n-dimensiones Correlaciones entre 1H y heteronúcleos marcados Cómo saber quien es quien? Asignación de resonancias determinar la frecuencia a la que resuena cada núcleo de la proteína Ejemplo, CS-PNP (11 kDa) 784 1H 509 13C 150 15N Determinación de correlaciones acoplamientos Posibles correlaciones H-H 6x105 Posibles corelaciones H-C 4x105 Posibles correlaciones H-N 1x105 No todo el mundo ve a todo el mundo!. Estructura covalente (acoplamiento escalar), sistemas de espín Sistemas de espín Conjunto de núcleos que se correlacionan a través de enlaces Depende del experimento TOCSY-HSQC HNCO Asignación: degeneración en Ubiquitina, 8.6 kDa, 76 residuos, 500 1H Separar las resonancias en otra dimensión Punto de partida: 1H amida Señales aisladas de la zona más poblada (alifáticos) Conexión directa al resto del sistema de espín Sidechain CH, CH2 Aromatic ring protons and pidechain NH2 Sidechain CH3 Backbone H Backbone HN 1H Chemical Shift (ppm) Punto de partida: 1H-15N hsqc Señales aisladas de la zona más poblada (alifáticos) Conexión directa al resto del sistema de espín Cada señal es base para “buscar” el resto de la cadena Estrategia de asignación homonuclear Paso 1: Acoplamiento escalar (TOCSY, COSY), para identificar las resonancias Paso 2: Acoplamiento dipolar (NOESY) para ponerlas en su lugar Basado en los NH del esqueleto región del espectro con máxima dispersión y mínima superposición Identificar cadenas laterales y ponerlas en secuencia COSY: 1H vecinales H H A N—C H H B N—C H H C N—C TOCSY: Todos los espines acoplados H H H H A N—C—C—C—COOH H H H H H H H H B N—C—C—C—C—C—NH3 H H H H H H C N—C—CH3 NOESY, une los sistemas de espín H N H C C H R H O C C N C H H R O H C N H C C H R O C N H Los picos noesy aparecen por proximidad espacial Permiten reconocer sistemas de espin secuenciales Paso 2, poner los residuos en secuencia s A-B-C Picos en los espectros NOESY Iguales que en TOCSY Pico del residuo i+1 A B (B C) En otras épocas… Asignaciones limitadas a1H PM max 10/12 kDa Limitaciones: cantidad de señales y ensanchamiento Solución marcado isotópico y experimentos heteronucleares Transferencia a través de J Tiempo de trasnferencia 1/4J (máxima transferencia) Menor J, más tiempo Más tiempo, más relajación, menos señal Correlación homonuclear (1H-1H) 3J (2-10 Hz, heterogéneo) Correlación heteronuclear 1J (90-150 Hz, homogéneo!) Tiempos de transferencia: 80 ms (1H-1H TOCSY) 5.4 ms (1H-15N HSQC) Dispersión de señales Transferencia heteronuclear, correlaciones 1H-15N, 1H-13C, 13C-15N 13C y 15N, mayor rango de ppm Dispersión de las señales en regiones espectrales diferentes e independientes Dispersión en 15N 1H-1H TOCSY tres resonancias superpuestas con el mismo ppm HN Al agregar una tercera dimensión, las separo según su 15N Dispersión en 15N 1H-1H TOCSY 3 resonancias superpuestas Mismo HN, distinto N F2 TOCSY HSQC 1H t1 1H t2 15N t3 F1 F3 TOCSY-HSQC Dispersión en 15N 1H-1H TOCSY Estrategias triple resonancia (1H,13C,15N) Un enlace por vez (todos los átomos son activos, excepto el O) Aun las superposiciones HN-N se resuelven por la dispersión de 13C 3D/4D/5D/ … incrementa la resolución Funciona en proteínas más grandes porque el acoplamiento escalar de un enlace es mayor (menor tiempo de transferencia, menor pérdida de señal) Acoplamientos escalares Superiores a los 1H-1H (<20Hz!) Experimentos triple resonancia, HNCO Visualización de espectros 3D por planos HSQC HNCO Visualización de espectros 3D por tiras Experimentos para la asignación del esqueleto Nombres basados en los átomos detectados No hace falta NOESY para linkear residuos consecutivos! Experimentos para la asignación de cadenas laterales. La redundancia aumenta la confiabilidad de la asignación Asignación con CA y CB H N CA CB O H CO N CA CB O H CO N O CA CB En principio la asignación del esqueleto se puede completar con solamente dos espectros CBCA(CO)NH CBCANH CO CBCA(CO)NH H N CA O H CO N CB CA O H CO N O CA CB CO CB N Correlaciona: Ej: Ala-Gly 115 ppm - Hi en una dimensión - Ni en otra dimensión - CBi-1, y CAi-1 en otra dimensión CA H 8.5 ppm 50 ppm CB 19 ppm C CBCANH H N CA O H CO N CB CA O H CO N O CA CB CO CB N Correlaciona: Ej: Ala-Gly 115 ppm - Hi en una dimensión - Ni en otra dimensión - CBi-1, CAi-1, CBi-1, y CAi-1 en otra dimensión H CA CA 8.5 ppm 50 ppm 45 ppm CB 19 ppm C Viendo el plano HC o NC Ej: Ala-Gly CBCA(CO)NH CBCANH HC HC NC NC N 50 ppm 115 ppm 50 ppm H 45 ppm CA CA 8.5 ppm 50 ppm 45 ppm CB 19 ppm 19 ppm 19 ppm C 8.5 ppm 115 ppm 8.5 ppm 115 ppm Alternando HNCACB (azules) con HN(CO)CACB (rojos) Identificación de tipo por desplazamiento químico Identificación de cadena lateral por tocsyhsqc Identificación cadena lateral por HCCHTOCSY Resultado del proceso Lista de desplazamientos químicos de todos los núcleos de mi proteína Permite identificar resonancias en cualquier tipo de espectro El “caballito de batalla”: 1H-15N HSQC •Un pico por residuo (N-HN backbone) •Barato, rápido, sonda distribuída homogéneamente en la proteína 11 10 9 8 31V 110 73S 34G 61G 7 6 66S 54G Asn/Asp NH2 10T 5G 56T 62E 69K 76V 83N 27S 25M 21K 52D 48V 18C 80E 43T 75A 53R 68K 32K 19L 82L 16D 72D 41R 20R 15N 57D 42F 29R 85T 84K74A 79L37A 71K 23W 81L 9F 46V 17I 40K 47R 78L 58E 55W 64M 67V 70A 4N 28Y 33E 60I 59C49N 45G 39A 15N ppm 115 120 125 Trp ole le le indole 10 115 77L 120 125 35G 44F 4 44 F 130 11 110 9 8 1H ppm 7 130 6 Resumiendo IV Asignación de proteínas, base HN(-N) Homonuclear/15N (hasta 10 kDa): COSY-TOCSY sistemas de espin NOESY posición en la secuencia Triple resonancia, 1H-13C-15N (>10 kDa) HNCXXXX correlación del HN con carbonos intra/inter Solo esqueleto, tipo de residuo CA, CB Cadenas laterales, expt. tipo TOCSY No necesita noesy!! no ambiguo Y que hacemos con la asignación? Información (no 3D) sobre la estructura y función de la proteína Evaluación del estado de la proteína en diferentes condiciones: conformación (plegada/desplegada), condiciones de solución (pH, Temp, presión, potencial redox) Determinación localizada de elementos de estructura secundaria Medición de constantes de disociación por variaciones de d en titulación con ligando Inspección de regiones de interacción Y, en algunos casos, estructuras 3d a partir de los CS Ensayo directo de mutaciones que afecten la estabilidad de proteínas Wild-type Partially destabilized & heterogeneous Partially destabilized Unfolded Ohi et al., NSB (2003) Chemical shif index Desplazamiento químico del esqueleto depende de estruct. secundaria determinación hélice/lámina Nucleus -Helix -strand 1H -0.38 0.38 1HN -0.19 0.29 13C 2.6 -1.4 13C` 1.7 -1.4 15N -1.7 1.2 Determinación de estructuras … Interacción porteína-RNA Y llegamos a las estructuras (“de verdad”) PDB, mayo de 2011 Exp.Method Proteins Nucleic Acids Protein/NA Complexes X-RAY 59271 1275 2858 NMR 7741 944 171 ELECTRON MICROSCOPY 250 22 94 HYBRID 28 3 1 other 132 4 5 Total 67422 2248 3129 NMR tiene mayor participación en ácidos nucleicos Proteins Nucleic Acids X-RAY X-RAY NMR NMR ELECTRON MICROSCOPY ELECTRON MICROSCOPY HYBRID HYBRID other other Información estructural en RMN Chemical Shift Problemas de la resolución de estructuras por RMN Las proteínas tienen cientos (miles!) de señales Hay que asignarlas específicamente Hay que asignar miles de interacciones entre átomos Convertir la representación de interacciones medidas en coordenadas espaciales Información de RMN utilizable en el cálculo de estructuras Desplazamiento Ángulos de torsión Puente H Acoplamientos de intercambio de 1H Puentes H, estructura secundaria Acoplamientos dipolares (NOEs) distancias d istancias entre núcleos Acoplamientos escalares ángulos de torsión Velocidad químico Orientación dipolares residuales NOESY: Conectividad dipolar, restricciones de distancias El problema del NOESY NOE significativo asignación no ambigua de los núcleos A y B MUY dificil Incertidumbre de Exactitud limitada en la posición de los picos Estrategia general para la resolución de estructuras de proteínas Resonance Assignment Stereospecific assignment and intraresidue-sequential distance restraints Identification of secondarystructure elements Iterative cycle 3D-structure determination Refinement Tertiary long-range distance restraints High-resolution n 3D structure Protocolo de cálculo de estructuras en CYANA Protocolo de cálculo de estructuras en CYANA Los desplazamientos químicos son sensibles a los ángulos de torsión TALOS, Torsion Angle Likelihood Obtained from Shift and sequence similarity H Cb N H Ca H C O H N Chemical Shift and Backbone Structure Motif Base de datos de CS y ángulos Comparación de tripletes de residuos con los desplazamientos medidos. CS + término de homología El residuo central predice phi y psi Estructura secundaria, patrones de NOE da(i)N(j) i+4 C i+3 dab(i, i+3) daN(i, i+3) dNN(i, i+3) daN (i, i+4) i+2 i+1 i N N C C N N i-1 -helix -sheet C Estructura secundaria, distancias cortas N H H C O C H C dNN C H N H C H dN C O dN N H Estructura secundaria, distancias cortas N H H C O C H C C H N H dNN Intense NOEs for helix < 3.6 Å for a-helix C H dN C O N H daN Intense NOEs for b-strand < 2.7 Å for b-strand Angulos diedros a partir de acoplamientos escalares • • • • 6 Hz 3JHN = 6.4 cos2 - 1.4 cos + 1.9 with = | - 60°| •J medido, múltiples soluciones •las conformaciones están limitadas Angulos diedros a partir de acoplamientos escalares • • 6 Hz •J medido, múltiples soluciones •las conformaciones están limitadas • • Estructura secundaria Sequence MALRRVETTYGDAWCSTQNLIVWRSTERLN dNN daN daN(i,i+3) 3JHNa sheet helix sheet 3JHNa > 7 Hz Estimación de la calidad de una estructura de RMN Las “estructuras” son modelos Número de restricciones RMSD del conjunto (precisión, no exactitud) Violaciones de restricciones, cantidad, dimensión Energías Comparación con estructuras conocidas (PROCHECK) Recálculo de parámetros experimentales La resolución es variable a lo largo de las estructuras • Estructura secundaria bien definida, loops variables • Interior bien definido, superficie variable • Vale para esqueleto y para cadenas laterales Dinámica en loops/superficie Menor cantidad de restricciones en loops/superficie Restricciones e incertidumbre Mayor # de restricciones = menor RMSD Mayor # de restricciones en cadenas laterales hidrofóbicas clave Resumiendo IV Cálculo de estructura: modelado de acuerdo con restricciones estructurales (distancias, ángulos) Restricciones: Distancias, NOEs Diedros: 3J CS H-bond H exchange Requerimientos de muestra para RMN Proteína soluble… en lo posible hasta 1mM (mínimo operativo, 300-500uM) MW X kDa X mg/ml Muestra 500 l X/2 mg Estable Y a, digamos, 25ºC por … unas dos semanas En lo posible estable a 40-50ºC (menor c) en lo posible a bajo pH (intercambio) y baja sal (probe) Para completar el cuadro, marcación isotópica … ¡EL CUELLO DE BOTELLA EN CUALQUIER ESTUDIO DE RMN DE PROTEINAS ES LA OBTENCION DE UNA MUESTRA DE BUENA CALIDAD! Sistema de expresión Alto costo de nutrientes marcados isotópicamente maximizar la expresión (mg/l de cultivo) En gral. se usa E. coli Vectores de expresión comerciales Optimización de condiciones de expresión pET pGEX pMAL OD inducción Temp. inducción [inductor] Nivel de expresión y solubilidad en E. Coli Etiquetas de purificación Fusiones traduccionales, purificación por resina de afinidad His-tag (1.5-2 kDa) GST (26 kDa) MBP (42 kDa) Fusiones para estabilización/solubilización Ubiquitin SUMO GB1 Salvo His-tag, consume marca “inutilmente” (rendimiento total para las dos proteínas) Sitio de digestión para proteasa (Trombina, Factor Xa, TEV…) Sistema de clonado NESG Condiciones de solubilidad (pH, sales, estabilizadores) Muestra Si pura: Sacarle sal (malo para los pulsos) Bajar el pH a 6-5 Concentrar lo más que se pueda no anda… probar cosolventes Glicerol Arg + Glu Sacarosa Detergentes (Tween, Triton, CHAPS, …) otros sitemas de Buffer/ pH Sales caotrópicas o cosmotrópicas (GdnHCl, MgSO4) Estadísticas NESG Estadísticas NESG ExpressedSoluble (ES >= 10) ExpressedInsoluble No HSQC HSQC spectra recorded Expressed (E > 0) Not purified not expressed Purified (>= 0.5 mg yield) Not good hsqc No structure/ assign "Good" or "Promising" HSQC spectra NMR structures in PDB Marcación isotópica Crecer E. coli en mínimo Baja en el rendimiento Uso de medios ricos marcados (hidrolizados de algas) $$$ M9: Medio base: pH 7-7.4. Autoclavar. Agregar: 6g Na2HPO4 3g KH2PO4 0.5g NaCl 1g NH4Cl Glucosa (0.2-0.4 %) MgSO4 CaCl2 Vitaminas/minerales/quaker/vitina…. Biomasa total conc. Glucosa Optimo para batch 2-4 g/l Que más se puede hacer? RMN para seguir interacciones Seguimiento de unión de moléculas Determinación de constantes de afinidad y velocidades Identificación de superficies de unión Mapeo de superficies de interacción Determinación de la conformación de un ligando unido Determinación de la conformación de un complejo Schematic of a spectral perturbation mapping experiment 15N (ppm) Interacción proteína-ligando unida libre 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO LENTO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO LENTO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO LENTO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO LENTO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO LENTO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO LENTO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO RÁPIDO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO RÁPIDO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO RÁPIDO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO RÁPIDO 1H (ppm) Interacción proteína-ligando 15N (ppm) INTERCAMBIO RÁPIDO 1H (ppm) Titulación seguida por hsqc 6 - Libre 5 equivalentes - 8 - 10 L3 L7 - 110 15N (ppm) 110 - L10 - 120 120 - - 130 130 - 8 1H (ppm) - - 10 6 Intercambio químico rápido titulación seguida por hsqc CSP = ( (1H)2 + (15N)2/25)1/2 ppm L3 L7 L10 Ácido 2-mercaptonicotínico Titulación seguida por hsqc L10 Las mayores perturbaciones se observan en los residuos ubicados en y cerca del sitio activo (Loop L10) 0,3 0 CSP (ppm) 1bc2 (Fabiane et al. Biochemistry, 1998) Ácido 2-mercaptonicotínico Titulación seguida por hsqc Proteínas intrínsecamente desordenadas Parámetros de RMN preferencias conformacionales exploración del espacio contactos transientes Proteínas intrínsecamente desordenadas Parámetros de RMN preferencias conformacionales exploración del espacio contactos transientes Proteínas intrínsecamente desordenadas Parámetros de RMN preferencias conformacionales exploración del espacio contactos transientes Proteínas intrínsecamente desordenadas In-cell NMR Conf.-Folding Binding Post-Trasl.modifs. In cell NMR, methods FlgM is unfolded in vitro, but is folded in the E. coli cytoplasm due to molecular crowding. FlgM in E.coli FlgM in solution Dedmon, Matthew M. et al. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12681-12684 Copyright ©2002 by the National Academy of Sciences In vivo, oocitos, microinyección (fosforilación) In vivo, HeLa, transducción (proteólisis) Tipos de marcación isotópica Uniforme Fraccional al azar Fraccional selectiva (metabólica) Uso de precursores marcados Selectiva en aminoácidos auxótrofos Vias metabólicas en E coli Sintetiza todos los aminoácidos de única fuente: Carbono: glucosa, piruvato, acetato, succinato o glicerol Nitrógeno: sales de amonio (cloruro, nitrato, sulfato) Metabolitos ciclo de Krebs mezcla precursores Inclusión de precursores directos, marcación selectiva -cetobutirato y cetoisovalerato Ile,Val/Leu Deuteración Simpifica el espectro (sólo veo 1H que decido dejar) Reduce relajación [2H]/[1H]=0.15 Anula contribuciones de relajación dipolar 1H-1H Reduce relajación dipolar 1H-13C 15x a 50-70% deuteración, T2 13C 8x Perdeuteración, uso de 2H glucosa en D2O 1H de glucosa retenidos en aromáticos Acetato, intercambia con solvente, pero poco rendimiento Deuteración H2O/D2O fraccional, 1H glucosa, fracción variable de Perdeuteración @ 30 kDa HNCA, 23 kDa, 75% 2H Reprotonación selectiva Asignación proteosoma “Core particle” del proteosoma 20S de Thermoplasma acidophilum (670 kDa) Estequiometría 2x77 Temperatura de trabajo 65º (¡!), c180 ns Muestras 25 M 350 M monómero Marcado 1H-Ile, 1H Leu + Val No expts triple resonancia estandar! Disección del complejo 2x77 670 kDa 2x7 360 kDa (formado sin ) monómero 7, 21 kDa (mutaciones) Asignación monómero estandar Transferencia al complejo (COSY-TROSY, NOESY) Completada con mutaciones (necesita asign. previa!) Asignación proteosoma Asignación proteosoma Desplazamiento químico de pseudocontacto Restricción angular y de distancia Largo alcance (>20Å) Pintacuda et al., Acc. Chem. Res., 2007, 40 (3), pp 206–212 Hay lantánidos para todos los gustos… Pintacuda et al., Acc. Chem. Res., 2007, 40 (3), pp 206–212 Determinación de estructuras de complejos Marcado de proteínas con tag “Carga” con Dy3+ y Er3+ Cálculo del tensor pcs en la prot 1 Cáclulo en prot 2 ¡Estructura del complejo! Pintacuda et al., Acc. Chem. Res., 2007, 40 (3), pp 206–212 Spin labeling polinucleótidos Radical NO unido a iodoacetamida Marcado del ácido nucleico ATP--S + T4 PNK (sólo extremo 5’) Síntesis con base modificada Cai et al, Biochemistry 2007 Spin labeling polinucleótidos Tag paramagnético, induce relajación (depende de r, hasta 25 Å) Estimación de R2 a partir de I/I0 constraint de dist. Cai et al, Biochemistry 2007 En resumen Núcleos en B0, E medición Desplazamiento químico, una resonancia por núcleo en un entorno Interacciones entre núcleos A través de enlace A través del espacio Correlación entre núcleos Anisotropía de El apantallamiento (shielding) es un tensor Distribución de e- no esférica depende de la orientación en B0 Promediado por rotación rápida: =1/3(11+22+33) ¡Contribuye a la relajación! anisotropía parcial-> RDC Alineamiento en medio anisotrópico No se muestrean homogéneamente El acoplamiento residual informa sobre orientación