Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?
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Análise Conformacional de Proteínas – Física na Biologia?
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Por que fazer Física +
Bioquímica + Biologia?
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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
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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).
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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
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PROTEÍNAS
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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
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PROPRIEDADESPROPRIEDADESFÍSICO-QUÍMICAS FÍSICO-QUÍMICAS
E CONFORMACIONAISE CONFORMACIONAIS
ESTRUTURAESTRUTURAFUNÇÃOFUNÇÃO
RELAÇÃOESTRUTURA E FUNÇÃO
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Técnicas Físico-QuímicasELETROFORESE SDS-PAGEFOCALIZAÇÃO ISOELÉTRICAULTRACENTRIFUGAÇÃOCROMATOGRAFIAS CALORIMETRIA RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEARRESSONÂNCIA PARAMAGNÉTICA ELETRÔNICADIFRAÇÃO DE RAIOS-X (CRISTALOGRAFIA)ABSORÇÃO ÓTICAFLUORESCÊNCIADICROÍSMO CIRICULARINFRAVERMELHOSAXSMICROSCOPIA ELETRÔNICAESPECTROMETRIA DE MASSA…
+ Modelos Teóricos
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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
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2. Geometria da Cadeia Polipeptídica
N C
Primária
Ligação Peptídica
Adaptado Branden e Tooze
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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.
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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
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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
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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
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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)
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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
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3. Mecânica Molecular
Potencial ligante de torção
C
C’
C
C’ CC
N
O
HH
H
V [1 + cos(n - )]
Adaptado P. Pascutti, UFRJ
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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
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(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
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Complementaridade estrutural
Forças van der Waals são fracas, mas em maior número
3. Mecânica Molecular
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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
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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
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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
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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
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Profile energia potencial para Ala em função de
3. Mecânica Molecular
Adaptado van Holde
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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!
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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
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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