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PREDIÇÃO DE

ESTRUTURAS DE

PROTEÍNAS E SUAS

APLICAÇÕES

MARCOS TADEU GERALDO

POR QUE DETERMINAR A ESTRUTURA

DE UMA PROTEÍNA?

Obtenção de informações funcionais

Ponto de partida para um programa racional de experimentos

Determinação de alvos moleculares para desenvolvimento de

drogas e vacinas

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Definição

Folding adquirido

Alto grau de complexidade

Diversas funcionalidades

Proteínas fibrosas Enzimas

Proteínas regulatórias

Anticorpos

Inibidores

Motores moleculares

Proteínas de membrana

Receptores

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Estrutura primária

É a sequência de aminoácidos de uma proteína

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Propriedades dos aminoácidos

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cadeia principal

cadeia lateral

Estrutura secundária

Principais conformações: α-hélices e folhas-β

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Alfa-hélices: estruturas cilíndricas estabilizadas por ligações de

hidrogênio no backbone

Folha-β

Paralelas ou Antiparalelas

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Ângulos Phi e Psi no gráfico de Ramachandran

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http://bioinf.cs.ucl.ac.uk/psipred/

PSIPRED

JPRED

http://www.compbio.dundee.ac.uk/www-jpred/

(consensus secondary structure prediction)

http://npsa-pbil.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.pl?page=/NPSA/npsa_seccons.html

NPSA

ENTRE OUTROS... (buscar no http://www.expasy.org/)

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Estrutura terciária

Conformação de múltiplos elementos da estrutura

secundária

FOLDING

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FOLDING

Competição entre interações intramoleculares e com moléculas de água

FOLDING

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Modificações pós-traducionais e ligação de

cofatores também podem aumentar a

estabilidade da estrutura

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Estrutura quaternária

União de subunidades proteicas

BANCO DE

DADOS DE

ESTRUTURAS

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http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do

x y z coordenadas

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MODELAGEM

MOLECULAR

Por que modelar uma estrutura?

A determinação da estrutura por métodos experimentais

ainda é um processo que consome muito tempo e tem

alto custo.

O número de sequências conhecidas é muito maior do que

o número de estruturas resolvidas.

A informação estrutural é essencial para a compreensão

da função.

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Métodos para determinação de

estrutura proteica

Cristalografia de raio-X

NMR (Nuclear magnetic resonance)

Microscopia crioeletrônica

Modelagem por homologia

Threading

Ab initio

Abordagens experimentais

Abordagens computacionais

(modelos teóricos)

Objetivo:

Ajudar no avanço dos métodos de identificação da

estrutura tridimensional de proteínas com base em

suas sequências de aminoácidos

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Homologia Threading

Ab initio

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MODELAGEM

MOLECULAR

POR

HOMOLOGIA

Modelagem por homologia

As estruturas se conservam mais durante a evolução do que a

estrutura primária das proteínas.

Na ausência de dados experimentais, a construção de modelos

baseados na estrutura tridimensional de proteínas homólogas é um

dos métodos mais confiáveis para a obtenção da informação

estrutural.

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Etapas para a modelagem

Busca por modelos experimentais similares (com base em

alinhamento de sequências e de estrutura secundária) em bancos

de dados de estruturas

Uso da estrutura com maior similaridade como template para a modelagem

Refinamento do modelo

Validação do modelo

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BUSCA POR TEMPLATES

HHpred

Busca por vários bancos de dados: PDB, SCOP, Pfam, SMART,

COGs and CDD

O scoring leva em consideração tanto o alinhamento como a

predição de estrutura secundária

http://toolkit.tuebingen.mpg.de/hhpred#

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Escolhido o template, segue-se para a etapa de geração

do modelo

Há vários programas que realizam modelagem por

homologia

http://salilab.org/modeller/

Exemplo:

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Modelos iniciais gerados (com base no template escolhido) são

submetidos a uma minimização de energia, seguida de uma

dinâmica molecular curta

A escolha do melhor modelo pode ser feita com base na energia

livre

melhor

modelo

menor

energia livre

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É avaliada principalmente a qualidade estereoquímica do modelo

http://molprobity.biochem.duke.edu/

http://mordred.bioc.cam.ac.uk/~rapper/rampage.php

https://prosa.services.came.sbg.ac.at/prosa.php

Ao final, é possível fazer um alinhamento estrutural do modelo gerado com o template utilizado

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THREADING

Forma intermediária entre o método de homologia e o ab initio

Opera através de um reconhecimento de fold (fold recognition)

Utilizado para sequências de proteínas que não possuem uma proteína

homóloga no banco de dados de estrutura

Lembre-se

Sequências diferentes podem gerar estruturas

semelhantes!

No método de threading, cada aminoácido da sequência a ser modelada é

posicionado (alinhado) à estrutura de um possível template

É avaliado o quão bem cada aminoácido “se encaixa” no template

Isto é feito até que o melhor template seja escolhido

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Há duas premissas básicas no método de threading

1 Número de folds diferentes na natureza é relativamente pequeno

Maioria das novas estruturas submetidas ao banco de dados

possuem estruturas similares àquelas já presentes no banco 2

CATH

1 Class the overall secondary-structure content of the

domain

2 Architecture high structural similarity but no evidence

of homology. Equivalent to a fold in SCOP

3 Topology a large-scale grouping of topologies which share

particular structural features

4 Homologous

superfamily

indicative of a demonstrable evolutionary

relationship. Equivalent to the superfamily level of

SCOP.

Semi-automatic hierarchical classification of protein domains

Fonte: wikipedia

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Structural Classification of Proteins (SCOP)

Manual classification of protein structural domains based on

similarities of their structures and amino acid sequences

Class: Types of folds, e.g., beta sheets.

Fold: The different shapes of domains within a class.

Superfamily: The domains in a fold are grouped into superfamilies, which

have at least a distant common ancestor.

Family: The domains in a superfamily are grouped into families, which have a

more recent common ancestor.

Protein domain: The domains in families are grouped into protein domains,

which are essentially the same protein.

Species: The domains in "protein domains" are grouped according to species.

Domain: part of a protein. For simple proteins, it can be the entire protein.

Fonte: wikipedia

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http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER/

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AB INITIO

Ab initio / de novo

Construção de modelos estruturais baseado nas

propriedades físicas dos aminoácidos (sem template!)

Método ainda em desenvolvimento (imprecisão)

Somente é possível modelar pequenos trechos de

sequências

É o método mais custoso computacionalmente

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Identificação/descrição de domínios funcionais

Com base em estruturas já conhecidas

Alinhamento estrutural facilita a identificação

Combinar os dados de pressão de seleção com a estrutura proteica

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Análise de Interações

Ligações de hidrogênio

Pontes salinas

Interações hidrofóbicas

http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/software/LIGPLOT/

http://www.ebi.ac.uk/msd-srv/prot_int/pistart.html

http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/

http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/

Visualização de estruturas

http://www.pymol.org/

http://rasmol.org/

http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/

http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/

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MAS A ESTRUTURA É ESTÁTICA...

É possível calcular a dinâmica da estrutura

Modelos tentam se aproximar da dinâmica funcional da proteína

no meio aquoso

MÉTODOS PARA ESTUDO DINÂMICO DE

PROTEÍNAS

Simulações de dinâmica molecular clássica

Análise de modos normais

QM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics)

Modelos coarse-grained

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SIMULAÇÃO DE

DINÂMICA

MOLECULAR

SIMULAÇÃO DE DINÂMICA MOLECULAR

Simula as leis da mecânica de Newton

Calcula os movimentos dos átomos (da ordem de nano-segundos até micro-segundos)

mas o cálculo pode levar dias (até meses)

Muito custoso computacionalmente

Maior parte do movimento é térmico (baixa amplitude e alta frequência)

Montagem do sistema: caixa cúbica de moléculas de água (solvente explícito)

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Pacote versátil para realizar dinâmica

molecular

Elaborado principalmente para estudos de

movimento de moléculas como proteínas,

lipídeos e ácidos nucléicos

http://www.gromacs.org/

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ETAPAS PARA REALIZAR UMA

SIMULAÇÃO

PROTEÍNA EM SOLVENTE EXPLÍCITO

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EFEITO PERIÓDICO DE CONTORNO (PBE)

Vídeo de uma simulação

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http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/index.html

OUTROS PROGRAMAS PARA SIMULAÇÃO

http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/

http://ambermd.org/

http://www.charmm.org/

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ANÁLISE DE

MODOS NORMAIS

Movimentos oscilatórios das moléculas

(tendências de movimentos)

Número de modos = 3 x número de átomos

Possibilita a análise de movimentos mais globais

(alta amplitude e baixa frequência)

ANÁLISE DE MODOS NORMAIS

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aproximação do potencial total por uma função harmônica em torno de uma (não necessariamente a) estrutura mínima de energia

Desvantagem

Vantagem Rapidez nos cálculos

Movimentos globais

ANÁLISE DE MODOS NORMAIS

Um bom programa para o cálculo de modos normais

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Vídeo de modos normais

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