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Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?

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Apresentação em tema: "Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?"— Transcrição da apresentação:

1 Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?

2 Por que fazer Física + Bioquímica + Biologia?

3 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

4 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 Técnicas de visualização direta (microscopias): perda da dinâmica dos processos Como investigar os blocos construtores da vida? Como a Física pode ajudar a Biologia? 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 -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- proteínas de defesa Complexos proteícos – divisão celular e produção de novas proteínas

8 RELA Ç ÃO ESTRUTURA E FUN Ç ÃO

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 N C Primária Ligação Peptídica 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 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

14 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 molécula II.Remover grande parte do solvente III.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 Movimento 3.Potencial V : associada às diversas interações entre corpos 4.2ª Lei de Newton: F = (massa).(aceleração) = m (taxa da taxa de variação temporal da posição) = m d 2 r/dt 2 5.Força: F = -(taxa de variação espacial da energia potencial) = - dV/dr 6.Campo de forças

15 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 V bonding : associado com ligações covalentes V non-bonding : associado com interações à distância (dipolo, eletrostática) Átomos são esferas de van der Waals Potenciais Ligantes (V bonding ): dominam energia potencial energia para se quebrar uma ligação, por exemplo (entalpia)

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

18 3. Mecânica Molecular Potencial ligante de torção C C C C C C N O H H H V [1 + cos( n - )] Adaptado P. Pascutti, UFRJ

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

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

22 (C) Potencial dipolo-dipolo: C O N H + + Diferentes orientações dos planos das ligações peptídicas ao longo da estrutura têm diferentes energias

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

24 Função Energia Potencial Total V({r i }) V(r 1,r 2,...,r Nat ) = ½ Kb n (b n - b 0n ) 2 + ½ K n ( - 0n ) 2 + ½ K n ( n - 0n ) 2 + K n [1 + cos( n n n - n )] + [C 12 (i,j)/r ij 12 - C 6 (i,j)/r ij 6 + q i q j /4 0 r ij ] Somatórias sobre N b ligações químicas, N q ângulos entre pares de ligações consecutivas, N x ângulos diedrais impróprios, N ângulos diedrais próprios e sobre todos os pares i e j de átomos 3. Mecânica Molecular Adaptado P. Pascutti, UFRJ

25 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

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

27 Diagrama de contorno para a energia de um resíduo de Ala em uma cadeia polipeptídica 3. Mecânica Molecular J. Mol. Biol Ramachandran, J. Mol. Biol 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!

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

29 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


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