FFI0776�FFI0776��� Modelagem�e�Modelagem�e�ggEngenharia�de�ProteínasEngenharia�de�Proteínas

Prof. Rafael V. C. GuidoProf. Rafael V. C. GuidoProf.�Rafael�V.�C.�GuidoProf.�Rafael�V.�C.�Guidorvcguido@ifsc.usp.brrvcguido@ifsc.usp.br

Aula�01Aula�01Bacharelado em Ciências Físicas e BiomolecularesBacharelado em Ciências Físicas e BiomolecularesBacharelado�em�Ciências�Físicas�e�BiomolecularesBacharelado�em�Ciências�Físicas�e�Biomoleculares

Instituto�de�Física�de�São�Carlos�Instituto�de�Física�de�São�Carlos��� USPUSP

ObjetivosObjetivos

• Visualização�e�representação�de�estruturas• Estrutura de proteínasEstrutura�de�proteínas

– Estrutura�primáriaE t t dá i– Estrutura�secundária

– Estrutura�terciária– Estrutura�quaternária

Visualização e Representação deVisualização e Representação deVisualização�e�Representação�de�Visualização�e�Representação�de�EstruturasEstruturasEstruturasEstruturas

HistóriaHistória

John Kendrew e Max Perutz eJohn�Kendrew�e�Max�Perutz�e�os�modelos�3D�de�proteínas�

JonhJonh Kendrew�Kendrew�–– MioglobinaMioglobina (1958)(1958) Max�Perutz�Max�Perutz�–– Hemoglobina�(1960)Hemoglobina�(1960)

Visualização�dos�mapas�de�densidade�Visualização�dos�mapas�de�densidade�eletrônicaeletrônicaeletrônicaeletrônica

Kendrew et al Nature 1958 181 662Kendrew et al, Nature,1958, 181,�662

lPerutz et al,�Nature,�1960, 185,�416

Visualização�dos�mapas�de�densidade�Visualização�dos�mapas�de�densidade�eletrônicaeletrônicaeletrônicaeletrônica

Visualização�dos�mapas�de�densidade�Visualização�dos�mapas�de�densidade�eletrônicaeletrônica

• Avanços�nos�hardwares

eletrônicaeletrônica

ç– Refinamento�de�estruturas�cristalográficas�no�espaço�real,�

visualização�de�densidades�eletrônicasFRODO (Al J 1978)• FRODO�(Alwyn Jones,�1978);

• O (Jones�et al.,�1991)( l )• Coot�(Emsley &�Cowtan,�2004)

PymolPymol

• http://www pymol org�http://www.pymol.org•�Livre�até�a�versão�0.99.• Após a versão 1 0 livre para fins educacionais•�Após�a�versão�1.0,�livre�para�fins�educacionais

Superfície�Superfície� Superfície�colorida�por�tipo�de�átomoSuperfície�colorida�por�tipo�de�átomo

CCNNOOSS

EsferasEsferas

CCNNOOSS

Esferas�e�bastõesEsferas�e�bastões

CCNNOOSS

BastõesBastões

CCNNOOSS

LinhasLinhas

CCNNOOSS

Cadeia�principal�(CCadeia�principal�(C��)) Cadeia�principal�(CCadeia�principal�(C��)�colorido�de�acordo�com�)�colorido�de�acordo�com�a estrutura secundáriaa estrutura secundáriaa�estrutura�secundáriaa�estrutura�secundária

Hélice��Folha��AlAlça

FitasFitas

Hélice��Folha��AlAlça

FitasFitas

Hélice��Folha��AlAlça

Visão�GeralVisão�Geral

Hélice��Folha��AlAlça

Visão�GeralVisão�Geral

Representações�de�proteínasRepresentações�de�proteínas

Estrutura�de�Proteínas

Proteínas�Proteínas��� DefiniçãoDefinição

íí ííProteínasProteínas sãosão polímerospolímeros dedeaminoácidosaminoácidos unidosunidos entreentre sisiaminoácidosaminoácidos unidosunidos entreentre sisiatravésatravés dede ligaçõesligações peptídicaspeptídicas

Os�20�aminoácidosOs�20�aminoácidos

Organização�estruturalOrganização�estrutural

AsAs proteínasproteínas sãosão organizadasorganizadas eedescritasdescritas emem quatroquatro níveisníveis hierárquicoshierárquicosdede complexidadecomplexidade sendosendo cadacada nívelníveldede complexidade,complexidade, sendosendo cadacada nívelnívelrepresentadorepresentado dede formaforma distintadistinta

Organização�estruturalOrganização�estrutural

Estrutura�PrimáriaEstrutura�Primária

A�estrutura�primária�consiste�na�descrição�sequencial dos�resíduos�de�á í

N C

aminoácidos�presentes�na�cadeia�polipeptídica

Sequência�de�aminoácidos

N C

Ligação peptídicaLigação peptídica

Conformação�da�cadeia�polipeptídicaConformação�da�cadeia�polipeptídica

• A�ligação�peptídica�é�planar�(características�de�dupla�ligação�parcial);

Difícil de girar (�)estruturaestrutura

planar

• Ligações�do�tipo�cis (� ��0o)�e trans (� ��180o);• Isômero�trans é�mais�estável;• A�diferença�de�energia�entre�a�forma�cis e�trans é�bastante�grande�(85�KJ/mol);

Cadeia�principalCadeia�principal

A�cadeia�principal�possui�liberdade�de�rotação�somente�ao�redor�das�ligações formadas pelo C� ou seja:ligações�formadas�pelo�C�,�ou�seja:

• N�C� =��(Phi)• C��C =� (Psi)• C��C�=���(Psi)

O ângulo � possui apenas dois grausO�ângulo�� possui�apenas�dois�graus�de�liberdade�conformacional�0o e�180o• C�N�=�� (Omega)( g )

Ângulos�internos�Ângulos�internos��� e�e���

• A�conformação�da�cadeia�i i l d d íd éprincipal�de�cada�resíduo�é�

determinada�pelos�ângulos�� e��;g � �;• Algumas�combinações�de�� e���levam�a�conformações�ã itidnão�permitidas�

(impedimento�estérico);

Diagrama�de�RamachandranDiagrama�de�Ramachandran

• As�duas�grandes�regiões�Hélice�tripla�de�

correspondem�a���hélice e�folha��

Folhas��antiparalelas

Folhas �

pcolágeno

�Folhas��paralelas Folhas��

distorcidas���hélice�

(mão�esquerda)

��hélice�(mão direita)(mão�direita)

A�estrutura�secundária�ilustra�a�organização�dos�elementos�estruturais�estáveis�observados�em�uma�cadeia�polipeptídica

Exemplo�experimental�Exemplo�experimental�–– ConformaçõesConformações

Legenda:Regiões�permitidas�mais�favoráveisRegiões adicionaisRegiões�adicionais�permitidas

Regiões�generosamente�permitidas

Regiões�não�permitidas

Baseado�na�análise�de�118�estruturas de proteínas comestruturas�de�proteínas�com�resolução���2�Å�e�Rfactor <�20%

Um�bom�modelo�deve�apresentar�>�90%�dos�resíduos�em�regiões�permitidas�mais�favoráveis

Estrutura�secundáriaEstrutura�secundária

• As�estruturas�secundárias�de�proteínas�são�caracterizadas�pcomo�conformações�locais�estáveis�da�cadeia�polipeptídica;

• As�limitações�de�rotações�impostas�pela�ligação�peptídica�e�os�padrões�de�ligação�de�hidrogênio�determinam�as�p g ç gestruturas�secundárias�(conformações�locais)�possíveis�em�um�proteína;

• Dois�tipos�de�conformações�locais�são�predominantes�em�estruturas�de�proteínasp

��hélices�Folhas��

Ligações�de�hidrogênio�em�hélicesLigações�de�hidrogênio�em�hélices

27 ribbon• Hélices�são�originadas�a�partir�de�uma�

curvatura na cadeia principal que

A héli ã

27 ribbonLigação�de�H�=�n�– n+2Período�=�2,0�aa/volta

curvatura�na�cadeia�principal�que�determina�um�forma�helicoidal;

• As�hélices�são�estabilizadas�por�ligações�

de hidrogêniohélice�310 de�hidrogênio�(intramoleculares)�entre�os�resíduos�adjacentes�

10Ligação�de�H�=�n�– n+3Período�=�3,0�aa/volta

na�cadeia�principal,�onde,�o�oxigênio�da�carbonila (C=O) atua

� héliceLigação�de�H�=�n�– n+4 carbonila (C=O)�atua�

como�centro�receptor�e�o�nitrogênio�da�amida�(NH)�

g çPeríodo�=�3,6�aa/volta

g ( )como�centro�doador�de�

hidrogênio.� héliceLigação de H = n – n+5Ligação�de�H� �n� n+5Período�=�4,4�aa/volta

Estrutura�secundária�Estrutura�secundária�–– �� héliceshélices• Estrutura�regular�e�energeticamente�estável,�pois�todas�as��ligações�de�H�possíveis entre a cadeia principal são estabelecidas ao longo do eixo da hélice;possíveis�entre�a�cadeia�principal�são�estabelecidas�ao�longo�do�eixo�da�hélice;• O�comprimento�médio�das�� hélices�é�10�15�resíduos�(12�22�Å)

� +

� +

Ligação�de�H� +

Estrutura�Estrutura�secundária�secundária�–– folhas�folhas���• Folhas�� são�formadas�por�ligações�de�H�(intermoleculares)�entre�cadeias�polipeptídicas�

• Seções�das�cadeia�polipeptídica��que�pertencem�

(intermoleculares)�entre�cadeias�polipeptídicas�adjacentes;

as�folhas�� são�denominadas�fitas��;• O�comprimento�médio�das�folhas�� é�3�10�resíduos (7 30 Å)

Fitas�antiparalelas Fitas�paralelasresíduos�(7�30�Å).

� = �139o � 119o�� � 139

��=�135o��=��119o

��=�113o

Ligações�de�hidrogênio�em�folhas�Ligações�de�hidrogênio�em�folhas���

Fitas�paralelas

Fitas�antiparalelasp

Estrutura�secundária�Estrutura�secundária�–– folhas�folhas���

• Frequentemente,�proteínas�enoveladas�apresentam��a�maioria�das�folhas�� com�estrutura�distorcida�(0�30o);

90o90

Estrutura�secundária�Estrutura�secundária�–– alçasalças• Aproximadamente�1/3�dos�resíduos�de�uma�proteína�globular�estão�envolvidos�em regiões de alça;em�regiões�de�alça;• Frequentemente�as�alças�são�observadas�conectando�folhas�� antiparalelas.�Nestes�casos,�são�denominadas�alça�� ou�“grampo��”�(��hairpin);• Aproximadamente�70%�das�alças�� são�compostas�por�até�7�resíduos.

Porcentagem�Porcentagem�de�de�héliceshélices���� e�folhase�folhas���� em�em�proteínasproteínasproteínasproteínas

Estrutura�SecundáriaEstrutura�Secundária Estrutura�Secundária�Estrutura�Secundária��� TopologiaTopologia

Domínio�de� Domínio�de�Ligação�do�

Cofator�(NAD+)Ligação�do�Substrato

EstruturasEstruturas supersecundáriassupersecundárias((motivosmotivos estruturaisestruturais))((motivosmotivos estruturaisestruturais))

Barril �

Chave grega

Estrutura�TerciáriaEstrutura�Terciária

A�estrutura�terciária�envolve�a�organização�estrutural�3D�referente�ao�enovelamento�da�proteína�(topologia)

Hidroximetil�glutaril� Proteína verdeProtease�de�HIVgcoenzima�A�redutase

(HMGR)

Proteína�verde�fluorescente

(GFP)

Interações�Interações�–– Estrutura�terciáriaEstrutura�terciária Estrutura�QuaternáriaEstrutura�Quaternária

DímeroDímero TetrâmeroTetrâmero

TrímeroTrímero

Interações�Interações�–– Estrutura�quaternáriaEstrutura�quaternária Estrutura�QuaternáriaEstrutura�Quaternária

DodecâmeroDodecâmeroDecâmeroDecâmero

Estrutura�QuaternáriaEstrutura�Quaternária

Vírus da poliomeliteVírus�da�poliomelite

EstruturaEstrutura de�de�proteínasproteínas e�e�análiseanálise de�de�textotexto

TCGHY aminoácidoletras

abcdeTCGHYletras

estrutura�secundáriapalavras

estrutura supersecundáriaestrutura�supersecundáriafrases

estrutura�terciáriacapítulocapítulo

estrutura�quaternárialivro�completo