análise conformacional de proteínas – física na biologia?

Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?

Por que fazer Física +

Bioquímica + Biologia?

Onde a Física encontra a Biologia?

Em que a Física pode ajudar a Biologia?

Física em Bioquímica/Biologia?

Bioquímica/Biologia em Física?

Física + Biologia + Química + Matemática = BIOFÍSICA

Século XX: século da Física

Século XXI: promessa de ser o século da Biologia

Biologia Moderna (ou Biofísica Moderna)Biologia Moderna (ou Biofísica Moderna)

Técnicas experimentais complexas: difração de raios-X, espectroscopia, microscopias,

Ferramentas matemáticas poderosas

Métodos computacionais sofisticados: aplicações tanto em termos experimentais quanto teóricos (banco de dados, simulações, etc).

Técnicas de visualização direta (microscopias): perda da dinâmica dos processos

Como investigar os blocos construtores da vida?

Como a Física pode ajudar a Biologia?Como a Física pode ajudar a Biologia?

Medidas indiretas: propriedades físicas e químicas

Técnicas físicas

Interação Radiação-MatériaEspectroscopias em geral

Técnicas químicas

Métodos de separação: eletroforese, cromatografia

Técnicas bioquímicas

Ferramentas de DNA recombinante

PROTEÍNAS

PROTEÍNAS-queratina – cabelo(penas, lã, etc...) Hemoglobina –

oxigênio

Proteínas de músculo – miosina –

movimento muscular

Receptores - siganilização

Enzimas na saliva, estômago, intestino

- digestão

Proteína de canais iônicos – transporte

dentro e fora da cèlula

Anticorpos- proteínasde defesa

Complexos proteícos –divisão celular e

produção de novas proteínas

PROPRIEDADESPROPRIEDADESFÍSICO-QUÍMICAS FÍSICO-QUÍMICAS

E CONFORMACIONAISE CONFORMACIONAIS

ESTRUTURAESTRUTURAFUNÇÃOFUNÇÃO

RELAÇÃOESTRUTURA E FUNÇÃO

Técnicas Físico-QuímicasELETROFORESE SDS-PAGEFOCALIZAÇÃO ISOELÉTRICAULTRACENTRIFUGAÇÃOCROMATOGRAFIAS CALORIMETRIA RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEARRESSONÂNCIA PARAMAGNÉTICA ELETRÔNICADIFRAÇÃO DE RAIOS-X (CRISTALOGRAFIA)ABSORÇÃO ÓTICAFLUORESCÊNCIADICROÍSMO CIRICULARINFRAVERMELHOSAXSMICROSCOPIA ELETRÔNICAESPECTROMETRIA DE MASSA…

+ Modelos Teóricos

1. Problema Básico

Bases físicas para as estruturas organizadas de proteínas e polipeptídeos.

Importante já que atividade biológica é altamente sensível a variações nas conformações tridimensionais adotadas.

Biopolímeros podem ser desenovelados (calor, uréia) e depois reenovelados ao estado original conformações possíveis devem ter algo em comum

termodinamicamente favoráveis (minimização de energia)

Objetivos: discutir fatores que determinam conformaçõesI. Fatores geométricos intrínsecos (comprimento de ligações e ângulos)II. Fatores estéricos, potenciaisIII. Ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, pontes disulfeto

Se I, II e III fossem completamente entendidos + ferramentas matemáticas previsão da estrutura 3D a partir da seqüência

2. Geometria da Cadeia Polipeptídica

N C

Primária

Ligação Peptídica

Adaptado Branden e Tooze

2. Geometria da Cadeia Polipeptídica

Adaptado Cantor & Schimmel

Ao contrário das formas periódicas regulares da tabela, proteínas têm ângulos torsionais variando consideravelmente de resíduo para resíduo.

Terciária

Resíduos distantes na seqüência primária se tornam próximos quando a proteína se enovela

Interações entre as cadeias laterais contribuem para estabilização da estrutura tridimensional: potenciais não-ligantes

2. Geometria da Cadeia Polipeptídica

3. Mecânica Molecular

“A informação necessária para enovelar uma proteína em seu estado nativo está contida na sua seqüência” (Anfinsen,1961)

Simplificações:I. Comportamento médio do sistema pode ser representado por

uma única moléculaII. Remover grande parte do solventeIII. Conformação nativa é aquela correspondente a um mínimo de

energia potencial

Tratamento clássico (Newtoniano)

Princípios Básicos:1. Energia total: E = (cinética) + (potencial)2. Cinética K Movimento3. Potencial V : associada às diversas interações entre corpos4. 2ª Lei de Newton: F = (massa).(aceleração) = m (taxa da taxa de

variação temporal da posição) = m d2r/dt2

5. Força: F = -(taxa de variação espacial da energia potencial) = - dV/dr

6. Campo de forças

3. Mecânica Molecular

Quando F = 0 (estado de equilíbrio) -dV/dr = 0 V(r) é mínima

r

V(r)

Minimizar energia potencial e achar configuração

correspondente, fornecendo figura estática do sistema em

equilíbrio

Como determinar as contribuições ao potencial

Adaptado P. Pascutti, UFRJ

3. Mecânica Molecular

Potenciais Moleculares (campo de forças): interações intramoleculares (gás ideal)

i

ibondingnonbondingTotal VVV )(

Soma sobre todos os resíduos da moléculaVbonding: associado com ligações covalentesVnon-bonding: associado com interações à distância (dipolo, eletrostática)

Átomos são esferas de van der Waals

Potenciais Ligantes (Vbonding): dominam energia potencialenergia para se quebrar uma ligação, por exemplo (entalpia)

C

C’

C

C’ CC

N

N

O

O

H

H

H

H

r

1,40 1,45 1,50 1,550

1

2

3

4

Ene

rgia

(kc

al/m

ol)

comprimento da ligaçãoN-C (ângstrons)

Potenciais ligantes harmônicos: aproximação massa-mola

95 100 105 110 115 120 1250

1

2

3

4

Ene

rgia

(kc

al/m

ol)

ângulo entre as ligações N-C-C (graus)

3. Mecânica Molecular

Adaptado P. Pascutti, UFRJ

3. Mecânica Molecular

Potencial ligante de torção

C

C’

C

C’ CC

N

O

HH

H

V [1 + cos(n - )]

Adaptado P. Pascutti, UFRJ

3. Mecânica Molecular

Potenciais Não-Ligantes (Vnon-bonding): Inlcuem todas as interações não diretamente envolvidas em ligações covalentesex.: carga-carga, dipolo-dipolo, estereoquímica

Dependem da distância

Dependem da constante dielétrica do meio (inlcuir solvente)

(A) Potencial de Coulomb:interações eletrostáticas

r

qqVCoul )4( 0

21

(B) Potencial de van der Waals:

3. Mecânica Molecular

6ij

ijA r

BV 5,...,12)(m

mij

ijR

r

AV

612ij

ij

ij

ijLJ r

B

r

AV

Dispersão London Repulsão (sobreposição nuvens eletrônicas)

Aproximação de hard-sphere m=12: potencial de Lennard-Jones

Complementaridade estrutural

Forças van der Waals são fracas, mas em maior número

3. Mecânica Molecular

3. Mecânica Molecular

(C) Potencial dipolo-dipolo:

-0.28+0.28

-0.38 +0.38C

O

N

H+

+

Diferentes orientações dos planos das ligações peptídicas ao longo da estrutura têm diferentes energias

Interações não-covalentes

OBS: Acrescentar a essas o potencial Vbond da ligação covalente (~150 até > 1000 kJ/mol)

Lennard-Jones

3. Mecânica Molecular

Adaptado van Holde

Função Energia Potencial Total V({ri})

V(r1,r2,...,rNat) =

bN

1n

½ Kbn(bn - b0n)2 +

n 1

N

½ Kn( - 0n)

2 +

n 1

N

½ Kn(n - 0n)

2 + n 1

N

Kn[1 + cos(nnn - n)] +

i j

Nat

[C12(i,j)/rij

12 - C6(i,j)/rij6 + qiqj/40rij]

Somatórias sobre Nb ligações químicas, Nq ângulos entre pares de ligações consecutivas,

Nx ângulos diedrais impróprios, N ângulos diedrais próprios

e sobre todos os pares i e j de átomos

3. Mecânica Molecular

Adaptado P. Pascutti, UFRJ

Interações intramoleculares entre resíduos de Ala em cadeia polipeptídica

H amina

C beta

H aminas separados por menos de 0,1 nm

3. Mecânica Molecular

Adaptado van Holde

Profile energia potencial para Ala em função de

3. Mecânica Molecular

Adaptado van Holde

Diagrama de contorno para a energia de um resíduo de Ala em uma cadeia polipeptídica

3. Mecânica Molecular

J. Mol. Biol. 1967

Ramachandran, J. Mol. Biol. 1963

hélice direita

hélice esquerda

Mínimo I < Mínimo II: preferência por hélice direita

Concorda com Ramachandran: impedimentos estereoquímicos cadeia principal e lateral até C é que mandam!

Diagrama de contorno para a energia de um resíduo de Gly em uma cadeia polipeptídica

3. Mecânica Molecular

J. Mol. Biol. 1967

Regiões simétricas: maior flexibilidade

Conformações mais compactas são possíveis: valores pequenos dos ângulos torsionais

ReflexõesReflexões

Áreas interdisciplinares apresentam muitos atrativos nos dias de

hoje: estão na moda!

Cuidado com a armadilha dessas áreas

Não saber nada de nada!

Mantenha-se na sua especialidade e aprenda a falar e a ouvir a

língua das outras

Ser interdisciplinar não significa deixar de fazer Física

CONCLUSÃO: ESTUDEM FÍSICA!!! E SE INTERESSEM POR OUTRAS ÁREAS