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Tecnicas estructurales y funcionales, Apuntes de Fisiología

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Tipo: Apuntes

2019/2020

Subido el 08/03/2020

claudiapascuaal
claudiapascuaal 🇪🇸

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TEMA 1 FA
Se Sube la presión para obtener cristales. Pero para cristalizar una proteína primero tenemos que purificarla.
Hay muchas técnicas que permiten cristalizar proteínas para posteriormente tirarle rayos X y obtener su
estructura interna. Bota colgante.
Cristalización: tenemos la proteína purificada y soluble, pero así es imposible aplicarle la difracción de rayos
x. Se usan concentraciones 2-50 mg prot/mL.
GRAFICA: eje vertical: diferente concentraciones de proteína soluble. Estas concentraciones se muestran con
un precipitante el cual va aumentando de forma paulatina. EL más común es el polietilenglicol (precipitante).
Zona amarilla: por mucho que aumente concentración de precipitante la proteína se mantiene soluble. Si no
consigo precipitar la proteína, aumentamos su concentración y volvemos a aumentar la concentración de
precipitante y pasamos a la zona roja donde tenemos un cristal de la proteína, pero no vale cualquier cristal,
debe tener un tamaño determinado (0’1-0’5 mm). Este tamaño es el adecuado para aplicar la difracción de
rayos X. Obtención del cristal de la proteína para aplicar la difracción de rayos X: nucleación. En la zona azul
los cristales no tienen el tamaño adecuado.
Hay que optimizar el procedimiento.
Método de la gota colgante
En el fondo de las placas con pocillos se mete una mezcla de la proteína soluble con un poco de
polietilenglicol. Una vez se ha mezclado a diferentes concentraciones, por eso se usa placas con diferentes
pocillos optimizando así, se le da la vuelta y el pocillo se pone en contacto directo con una solución rica con
solo precipitante. Se deja así, físicamente no se mezclan, pero químicamente sí. Como la gota esta menos
concentrada, el sistema tiende a equilibrar concentraciones, con eso se consigue que poco a poco la gota se
va a ir secando porque el precipitante va pasando hacia la zona mas concentrada quedándose el precipitado
cristalizado. La gota se queda pegada por la fuerza que ejerce la tensión superficial.
Difracción de rayos X
Wilhelm Conrad Röntgen, fue la primera persona que usó los rayos X para ver el interior de una mano. Max
von Laue y Paul P. Ewald descubrió que eran radiaciones electromagnéticas.
Max Von Laue coloco un cristal de sulfato de cobre y descubrió que los cristales podían pasar la muestra y se
refractaban a un panel de refracción. Estos rayos X refractados tienen una naturaleza ondulatoria, formados
por un componente eléctrico y otro magnético. Describió que los rayos X se comportan como ondas
electromagnéticas.
Diferencia entre rayos X blandos y duros únicamente es la longitud de onda (diferencia entre los picos). Se
pueden generar por una lanza de rayos X. Los rayos X duros implica que su longitud de onda es menor. Si la
longitud de onda es más pequeña, tienes mayor probabilidad de que “choque” más y se vea más su
estructura pro dentro, ves con más precisión. La frecuencia que utilizan es de 14THz, genera mucha calor, la
proteína se desnaturaliza. DE modo que se usan rayos X blandos, que también generan calor, pero los
cristalógrafos refrigeran la muestra con nitrógeno gaseoso sobre el cristal de la proteína cuando se esta
aplicando la difracción de rayos X, así hacen que se desnaturaliza del todo.
Aportaciones de este señor
1. Rayos X tienen una naturaleza ondulatoria
2. Los cristales se comportan como rendija de difracción: sobre la placa fotográfica se generan una
serie de manchas. Se genera un cambio de dirección del rayo X por las celdillas unidades que se
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TEMA 1 FA

Se Sube la presión para obtener cristales. Pero para cristalizar una proteína primero tenemos que purificarla. Hay muchas técnicas que permiten cristalizar proteínas para posteriormente tirarle rayos X y obtener su estructura interna. Bota colgante. Cristalización: tenemos la proteína purificada y soluble, pero así es imposible aplicarle la difracción de rayos x. Se usan concentraciones 2-50 mg prot/mL. GRAFICA: eje vertical: diferente concentraciones de proteína soluble. Estas concentraciones se muestran con un precipitante el cual va aumentando de forma paulatina. EL más común es el polietilenglicol (precipitante). Zona amarilla: por mucho que aumente concentración de precipitante la proteína se mantiene soluble. Si no consigo precipitar la proteína, aumentamos su concentración y volvemos a aumentar la concentración de precipitante y pasamos a la zona roja donde tenemos un cristal de la proteína, pero no vale cualquier cristal, debe tener un tamaño determinado (0’1-0’5 mm). Este tamaño es el adecuado para aplicar la difracción de rayos X. Obtención del cristal de la proteína para aplicar la difracción de rayos X: nucleación. En la zona azul los cristales no tienen el tamaño adecuado. Hay que optimizar el procedimiento. Método de la gota colgante En el fondo de las placas con pocillos se mete una mezcla de la proteína soluble con un poco de polietilenglicol. Una vez se ha mezclado a diferentes concentraciones, por eso se usa placas con diferentes pocillos optimizando así, se le da la vuelta y el pocillo se pone en contacto directo con una solución rica con solo precipitante. Se deja así, físicamente no se mezclan, pero químicamente sí. Como la gota esta menos concentrada, el sistema tiende a equilibrar concentraciones, con eso se consigue que poco a poco la gota se va a ir secando porque el precipitante va pasando hacia la zona mas concentrada quedándose el precipitado cristalizado. La gota se queda pegada por la fuerza que ejerce la tensión superficial. Difracción de rayos X Wilhelm Conrad Röntgen , fue la primera persona que usó los rayos X para ver el interior de una mano. Max von Laue y Paul P. Ewald descubrió que eran radiaciones electromagnéticas. Max Von Laue coloco un cristal de sulfato de cobre y descubrió que los cristales podían pasar la muestra y se refractaban a un panel de refracción. Estos rayos X refractados tienen una naturaleza ondulatoria, formados por un componente eléctrico y otro magnético. Describió que los rayos X se comportan como ondas electromagnéticas. Diferencia entre rayos X blandos y duros únicamente es la longitud de onda (diferencia entre los picos). Se pueden generar por una lanza de rayos X. Los rayos X duros implica que su longitud de onda es menor. Si la longitud de onda es más pequeña, tienes mayor probabilidad de que “choque” más y se vea más su estructura pro dentro, ves con más precisión. La frecuencia que utilizan es de 14THz, genera mucha calor, la proteína se desnaturaliza. DE modo que se usan rayos X blandos, que también generan calor, pero los cristalógrafos refrigeran la muestra con nitrógeno gaseoso sobre el cristal de la proteína cuando se esta aplicando la difracción de rayos X, así hacen que se desnaturaliza del todo. Aportaciones de este señor

1. Rayos X tienen una naturaleza ondulatoria

  1. Los cristales se comportan como rendija de difracción : sobre la placa fotográfica se generan una serie de manchas. Se genera un cambio de dirección del rayo X por las celdillas unidades que se

comportan como espejos. El manchurrón grande es porque no todos atraviesan la muestra difractando. William H Bragg y William L. Bragg (padre e hijo) Estos señores dijeron que el patrón da información indirecta de como está organizado el cristal. Utilizaron la información obtenida de forma secundaria en las manchas para obtener la estructura del cloruro sódico (ganaron el premio nobel por esto). Como conseguir rayos X Pelota roja: fotón de un rayo X Requerimos de una fuente de iluminación, una lampara capaz de hacer rayos X. Tiene que estar refrigerada. Hay un filamento que de normal es de cobre, que tiene una elevada resistencia V=I·R. Si la resistencia es muy elevada la corriente le cuesta pasar. Generas un paso de corriente que le cuesta mucho pasar y los electrones del cobre saltan. Se dirigen hacia un ánodo que normalmente es de cobre y molibdeno (con carga positiva), obligando que los electrones choquen. A: átomos de cobre y molibdeno que forman el ánodo. Como cualquier otro átomo, estos están hechos por orbitales y al llega run electrón choca con uno de los electrones que forma el ánodo y al chocar lo desplaza y queda un orbital vacío. Es rellenado por electrones de orbitales superiores, entonces el superior salta al inferior(B) y en ese momento del salto es cuando se generan los rayos X (C). El electrón cambia de dirección a causa de que pasa cerca del núcleo y se ve atraído y cambia de dirección. Este movimiento también genera rayos X. Hay un gran problema con estos ánodos y es que son fijos, al estar incidiendo electrones todo el rato al ánodo al final lo agotas. Hoy en día se usan ánodos líquidos, y al ser líquido va fluyendo de forma continua y es prácticamente inagotable. El rayo X que ah incidido se difracta con un determinado átomo, si ponemos un detector podemos medir este ángulo y sobre todo las intensidades, que son fundamentales para obtener información del cristal de la proteína. Ley de Bragg SI los ayos X chocan sobre los átomos vamos a conseguir que el haz se difracte, pueden pasar dos cosas: que las ondas difractadas están en fase y se produce un fenómeno que se denomina interferencia constructiva (sol preguntar-ho en el exàmens). La onda resultante es la suma de las dos porque están en la misma fase. Puede suceder también que los rayos al chocar y al difractar no estén en fase (cuando una onda sube la otra baja). No hay onda resultante, a esto se le conoce como interferencia destructiva. De modo que interesa que las ondas estén en fase, para poder recoger intensidades y poder determinar la estructura interna de las proteínas. Hay un factor que se denomina factor de estructura, que no es más que la suma de todos los rayos dispersados que son muy importante para obtener información del cristal de la proteína. Difracción de rayos X Si ponemos dos estructuras cristalinas, los rayos chocan con los dos y los patrones de difracción chocan unos con otros, es una interferencia destructiva porque las ondas están desfasadas. Sin embargo también

Hay tres vías alternativas para arreglar el problema:

  • MIR : remplazamiento isomórfico múltiple. Se obtiene dos cristales de la misma proteína. No es el cristal nativo pero el otro se han substituido átomos de la proteína por metales pesados, para tener una mayor nube electrónica y tener un patrón de difracción mayor y se comparan uno frente a otro.
  • MAR : difracción anómala de longitud de onda múltiple. Si ya se conoce la estructura proteica de la proteína, obtienen el cristal de la proteína con metales pesados y comparan con bases de datos.
  • MR: Reemplazamiento molecular. Es la que más se usa. Si dos proteínas diferentes tienen una secuencia de aminoácidos similar, su estructura terciaria y cuaternaria será parecida. Si una de ellas ya la tengo cristalizada porque es conocida, mediante movimientos de rotación y traslación de la proteína encajan la proteína nueva con la ya conocida. Hay un factor para indicar si lo que se ha obtenido con modelos matemáticos se parece a lo obtenido experimentalmente factor de desacuerdo. Si el desacuerdo es nulo, el factor es 0 y lo calculado y lo observado coinciden. Si el factor de desacuerdo esta entorno del 10%, se asume que es el adecuado para obtener el cristal de una proteína. Validación del modelo Se refina el modelo teniendo en cuenta las distancia interatómica que hay entre los átomos, pero además se tiene que saber que las vibraciones térmicas pueden generar que la proteína cambie de estructura.
    1. El factor de desacuerdo tiene que estar en torno a 0’10 o 10%
    2. Una vez refinado el modelo que las distancia interatómicas en las bases de datos cuadren con nuestro modelo experimental
    3. Factores de vibración térmica físicamente razonables Los colores son fatores térmicos (rojo=calor) la estructura de la proteína no es fija, hay partes de la proteína cambian con la temperatura y estos colores marcan que zonas son más susceptibles a la temperatura. Resolución estructural para macromoléculas  es el mismo modelo, pero en el de la derecha se tiene en cuanta la temperatura. (enlace csic) DIFRACCIÓN DE ELECTRONES EL ojo humano es capaz de ver diferencias cuando están separados unas 100 um. Si queremos ir más allá tenemos que usar un microscopio óptico. Pero si queremos más aún tenemos que usar microscopio electrónico. Dos microscopios electrónicos distintos:  TEM: 2D, la muestra tiene que ser más fina para que los electrones que inciden sobre la muestra la puedan atravesar para dar información  SEM: 3D, el grosor aquí no es importante. Los electrones chocan y rebotan y nos dan información sobre la superficie. Transmission electron microscopoe Tiene un filamento de wolframio o de hexaboruro de lantano (LaB6), que soportan una gran diferencia de potencial entre un extremo y otro de modo que tienen una gran resistencia y el filamento libera un gran

cantidad de electrones que inciden sobre la muestra. Aparecen una serie de condensadores que inciden los electrones sobre la muestra en cuestión. Las muestras se bañan en tetróxido de osmio que marca/se une la bicapa lipídica o acetato de uracilo marca/se une proteínas. Estos compuestos se utilizan para aumentar el contraste, favoreciendo que los electrones choquen con más probabilidad. Se recoge la información de los electrones que han incidido en la muestra en una lámpara fluorescente que convierte todo esto en impulsos eléctricos. Scanning electron microscope Aquí la muestra se sitúa en la parte de abajo, a diferencia de en TEM que está en la mitad. Esto pasa porque la información se saca de los electrones que han chocado y rebotado contra la muestra. Es parecido a rayos x donde se recogen los haces de luz difractados ( pregunta examen: diferencias y similitudes entre difracción de rayos X y electrones) Es un átomo que forma parte de un cristal de la proteína, al incidir el rayo X la información se obtiene de la dispersión de cundo choca. Diferencias con SEM Si le hacemos incidir en SEM un chorro de electrones, cuando estos inciden sobre la muestra biológica inciden en dos zonas principales de la muestra pueden incidir sobre el núcleo y sobre los electrones. Esto es posible ya que la longitud de onda es mucho más pequeña, de modo que el poder de resolución aumenta mucho más. DIFERENCIA FUNDAMENTAL Consecuencia: el electrón puede atravesar la muestra sin incidir sobre nada y tendiéramos electrones que se iluminan en la lampara que se llaman electrones no dispersados ( no se obtiene información en SEM pero si en difracción). La velocidad que tiene es siempre la misma porque no choca con nada. También puede suceder que los electrones choquen con el núcleo y que cambien su cinética en este caso hablamos de electrones dispersados primarios (dan información en SEM y podrían dar en difracción). También puede pasar que se choquen con la nube de electrones y se cambie su dirección y cinética, en este caso tendremos electrones dispersados secundarios (dan información en SEM y podrían dar en difracción). Se generan rayos X porque si tenemos un desplazamiento de electores en el orbital el salto de orbitales superiores a inferiores puede generar rayos X. También podría pasar que chocara con el núcleo y volviese hacia atrás, estos se llaman electrones primarios retroreflejados (se obtiene información en SEM pero no en difracción). Las diferencias fundamentales entre una técnica y otra: La difracción de rayos X:  Está muy estandarizada, sigue un protocolo muy estándar  Hay muy poca interacción del experimentador.  Se requiere una cantidad de muestra bastante importante. En la difracción de electrones  La interacción con el experimentador para obtener información es mucho mayor  La cantidad de muestra requerida es mínima, aunque necesite más procesamiento  Permite combinar el análisis estructural con el morfológico: en la difracción de rayos X no se puede saber la orientación de la proteína en la membrana biológica porque la hemos purificado. EN difracción de electrones puedes ver si la proteína esta embebida en la membrana  Se obtienen resultados más rápidamente  Inconveniente : destrucción de la muestra, sobre todo si son muestras orgánicas

una resistencia. Un capacitador y una resistencia unida se comportan como un circuito, como una bicapa lipídica. AL meter el electrodo dentro medimos la diferencia de cargas entre el interior y el exterior pasamos de un valor 0 a -70mV. Podemos obliga a que l célula este más hiperpolarizada o despolarizada inyectado corriente en el electrodo (current-clamp). Básicamente consiste en inyectar cargas positivas o negativas  se necesita otro electrodo, el electrodo de corriente que inyecta la corriente como quiera el experimentador para hacer cambiar el voltaje. Si hacemos que el electrodo sea negativo, lo cual atraerá cargas positivas y por tanto se hiperpolariza , porque estamos obligando a que salgan cargas positivas y el interior es cada vez más negativo Si el electrodo tiene carga positiva, se atraen cargas negativas el interior se hace más positivo y por tanto la célula se despolariza