Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?

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

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. N C Primária 2. Geometria da Cadeia Polipeptídica 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. 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. V(r) r 3. Mecânica Molecular  Quando F = 0 (estado de equilíbrio)  -dV/dr = 0  V(r) é mínima 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. Cb H O H r Ca N Cb’ C N C q Ca’ H O H 3. Mecânica Molecular  Potenciais ligantes harmônicos: aproximação massa-mola Adaptado P. Pascutti, UFRJ

18. Cb H H  Ca N Cb’ C C Ca’ O H 3. Mecânica Molecular Potencial ligante de torção 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: Repulsão (sobreposição nuvens eletrônicas) Dispersão London Aproximação de hard-sphere m=12: potencial de Lennard-Jones

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

22.  O  + C  N + H +0.28 +0.38 -0.28 -0.38 3. Mecânica Molecular (C) Potencial dipolo-dipolo: 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. V(r1,r2,...,rNat) = ½ Kqn(q - q0n)2 + ½ Kbn(bn - b0n)2 + ½ Kxn(xn - x0n)2 + Kn[1 + cos(nnn - dn)] + [C12(i,j)/rij12 - C6(i,j)/rij6 + qiqj/4pe0erij] 3. Mecânica Molecular Função Energia Potencial Total V({ri}) 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 jde 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. 3. Mecânica Molecular Profile energia potencial para Ala em função de  Adaptado van Holde

27. 3. Mecânica Molecular 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 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. 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