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


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


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


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


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)




Potencial ligante de torção

C

C’

C

C’ CC

N

O

HH

H

V [1 + cos(n - )]



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:


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



(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


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



Interações intramoleculares entre resíduos de Ala em cadeia polipeptídica

H amina

C beta

H aminas separados por menos de 0,1 nm


Adaptado van Holde

Profile energia potencial para Ala em função de


Adaptado van Holde

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


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


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

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