Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?

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1 Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?

2 Por que fazer Física + Bioquímica + Biologia?

3 Física em Bioquímica/Biologia? Bioquímica/Biologia em Física?
Física + Biologia + Química + Matemática = BIOFÍSICA Onde a Física encontra a Biologia? Em que a Física pode ajudar a Biologia?

4 Biologia Moderna (ou Biofísica Moderna)
 Século XX: século da Física  Século XXI: promessa de ser o século da Biologia 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).

5 Como a Física pode ajudar a Biologia?
Técnicas de visualização direta (microscopias): perda da dinâmica dos processos Como investigar os blocos construtores da vida? Medidas indiretas: propriedades físicas e químicas Técnicas físicas Interação Radiação-Matéria Espectroscopias em geral Técnicas químicas Métodos de separação: eletroforese, cromatografia Técnicas bioquímicas Ferramentas de DNA recombinante

6 PROTEÍNAS

7 PROTEÍNAS -queratina – cabelo (penas, lã, etc...)
Hemoglobina – oxigênio Proteína de canais iônicos – transporte dentro e fora da cèlula Proteínas de músculo – miosina – movimento muscular Enzimas na saliva, estômago, intestino - digestão Receptores - siganilização Complexos proteícos –divisão celular e produção de novas proteínas Anticorpos- proteínas de defesa

8

9 Técnicas Físico-Químicas
ELETROFORESE SDS-PAGE FOCALIZAÇÃO ISOELÉTRICA ULTRACENTRIFUGAÇÃO CROMATOGRAFIAS CALORIMETRIA RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR RESSONÂNCIA PARAMAGNÉTICA ELETRÔNICA DIFRAÇÃO DE RAIOS-X (CRISTALOGRAFIA) ABSORÇÃO ÓTICA FLUORESCÊNCIA DICROÍSMO CIRICULAR INFRAVERMELHO SAXS MICROSCOPIA ELETRÔNICA ESPECTROMETRIA DE MASSA … + Modelos Teóricos

10 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 conformações I. Fatores geométricos intrínsecos (comprimento de ligações e ângulos) II. Fatores estéricos, potenciais III. 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

11 2. Geometria da Cadeia Polipeptídica
Ligação Peptídica N C Primária Adaptado Branden e Tooze

12 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.

13 2. Geometria da Cadeia Polipeptídica
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

14 3. Mecânica Molecular  “A informação necessária para enovelar uma proteína em seu estado nativo está contida na sua seqüência” (Anfinsen,1961)  Simplificações: Comportamento médio do sistema pode ser representado por uma única molécula Remover grande parte do solvente Conformação nativa é aquela correspondente a um mínimo de energia potencial  Tratamento clássico (Newtoniano)  Princípios Básicos: Energia total: E = (cinética) + (potencial) Cinética K  Movimento Potencial V : associada às diversas interações entre corpos 2ª Lei de Newton: F = (massa).(aceleração) = m (taxa da taxa de variação temporal da posição) = m d2r/dt2 Força: F = -(taxa de variação espacial da energia potencial) = - dV/dr Campo de forças

15 Como determinar as contribuições ao potencial
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

16 3. Mecânica Molecular  Potenciais Moleculares (campo de forças): interações intramoleculares (gás ideal) Soma sobre todos os resíduos da molécula Vbonding: associado com ligações covalentes Vnon-bonding: associado com interações à distância (dipolo, eletrostática) Átomos são esferas de van der Waals  Potenciais Ligantes (Vbonding): dominam energia potencial energia para se quebrar uma ligação, por exemplo (entalpia)

17  Potenciais ligantes harmônicos: aproximação massa-mola
3. Mecânica Molecular  Potenciais ligantes harmônicos: aproximação massa-mola Ca Ca’ Cb Cb’ C N O H r q Adaptado P. Pascutti, UFRJ

18  Potencial ligante de torção
3. Mecânica Molecular  Potencial ligante de torção Ca Ca’ Cb Cb’ C N O H  V = K [1 + cos(n - d)] Adaptado P. Pascutti, UFRJ

19 3. Mecânica Molecular  Potenciais Não-Ligantes (Vnon-bonding):
Inlcuem todas as interações não diretamente envolvidas em ligações covalentes ex.: carga-carga, dipolo-dipolo, estereoquímica Dependem da distância Dependem da constante dielétrica do meio (inlcuir solvente) (A) Potencial de Coulomb: interações eletrostáticas

20 3. Mecânica Molecular (B) Potencial de van der Waals:
Dispersão London Repulsão (sobreposição nuvens eletrônicas) Aproximação de hard-sphere m=12: potencial de Lennard-Jones

21 Complementaridade estrutural
3. Mecânica Molecular Complementaridade estrutural Forças van der Waals são fracas, mas em maior número

22 3. Mecânica Molecular O  C  N + H (C) Potencial dipolo-dipolo:
-0.28 +0.28 -0.38 +0.38 C O N H +   Diferentes orientações dos planos das ligações peptídicas ao longo da estrutura têm diferentes energias

23 3. Mecânica Molecular Interações não-covalentes Lennard-Jones
Adaptado van Holde OBS: Acrescentar a essas o potencial Vbond da ligação covalente (~150 até > 1000 kJ/mol)

24 Função Energia Potencial Total V({ri})
3. Mecânica Molecular Função Energia Potencial Total V({ri}) V(r1,r2,...,rNat) = ½ Kbn(bn - b0n)2 + ½ Kqn(q - q0n)2 + ½ Kxn(xn - x0n) Kn[1 + cos(nnn - dn)] + [C12(i,j)/rij12 - C6(i,j)/rij6 + qiqj/4pe0erij] 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 Adaptado P. Pascutti, UFRJ

25 3. Mecânica Molecular Interações intramoleculares entre resíduos de Ala em cadeia polipeptídica C beta H amina Adaptado van Holde H aminas separados por menos de 0,1 nm

26 Profile energia potencial para Ala em função de 
3. Mecânica Molecular Profile energia potencial para Ala em função de  Adaptado van Holde

27 3. Mecânica Molecular hélice esquerda
Diagrama de contorno para a energia de um resíduo de Ala em uma cadeia polipeptídica Ramachandran, J. Mol. Biol. 1963 hélice esquerda  Mínimo I < Mínimo II: preferência por hélice direita  Concorda com Ramachandran: impedimentos estereoquímicos cadeia principal e lateral até C é que mandam! hélice direita J. Mol. Biol. 1967

28 3. Mecânica Molecular  Regiões simétricas: maior flexibilidade
Diagrama de contorno para a energia de um resíduo de Gly em uma cadeia polipeptídica  Regiões simétricas: maior flexibilidade  Conformações mais compactas são possíveis: valores pequenos dos ângulos torsionais J. Mol. Biol. 1967

29 CONCLUSÃO: ESTUDEM FÍSICA!!! E SE INTERESSEM POR OUTRAS ÁREAS
Reflexões  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