Upload
internet
View
117
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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