Aula7_Evolucao_Bioinformatica
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Campos de força em mecânica molecular
\u2022 Estudar proteínas usando métodos ab initio
(como mecânica quântica) é inviável. Uma 
abordagem possível é a mecânica molecular. 
\u2022 Assim, todo um sistema molecular pode ser 
descrito como um modelo de interações 
baseado em processos como o estiramento e 
compressão de ligações, a abertura e 
fechamento de ângulos e rotações em torno 
de ligações.
Campos de força em mecânica molecular
Boas FE & Harbury PB (2007)
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Campos de força e estrutura de proteínas
\u2022 Mesmo usando a abordagem simplificada dos 
campos de força (mecânica molecular), ainda 
assim é excessivamente custoso, do ponto de 
vista computacional, utilizar essa abordagem 
para descobrir, apenas a partir da seqüência, a 
conformação de uma molécula.
\u2022 Porém, uma grande ajuda provém da 
conhecida relação entre identidade seqüencial
e similaridade estrutural. Essa propriedade 
permite a modelagem por homologia.
Etapas da modelagem por homologia
1. Identificação de estruturas relacionadas
2. Escolha de um ou mais moldes
3. Alinhamento entre o molde e a proteína a 
ser modelada
4. Construção do modelo
5. Validação do modelo
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Escolha dos moldes e alinhamento
\u2022 A escolha da(s) proteína(s) em geral tem como 
principal critério a identidade seqüencial
\u2022 O alinhamento entre estrutura a ser modelada 
e estrutura tridimensional dará o modelo 
inicial a ser otimizado pelo programa de 
modelagem, e/ou por intervenção humana
Construção do modelo
\u2022 O programa utilizado para a modelagem (ou 
intervenção humana) deverá lidar com 
mutações, inserções e deleções
\u2022 A construção do modelo em geral envolve a 
minimização energética do modelo, através de 
campos de força.
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Validação do modelo
\u2022 O modelo gerado deve ser avaliado para 
verificar possíveis erros de construção.
\u2022 Há inúmeros critérios de validação, e boa 
parte deles são os mesmos utilizados em 
validação de estruturas experimantais, como o 
mapa de Ramachandran e outros parâmetros 
estereoquímicos, análise da vizinhança 
química dos resíduos, etc.
CASP: Critical Assessment of
Techniques for Protein Structure
Prediction
\u2022 De forma a avaliar a evolução das 
metodologias de predição de estruturas de 
proteínas, um evento bianual reúne os grupos 
de pesquisa envolvidos nessa área, 
disponibilizando seqüências de proteínas 
prestes a serem resolvidas para serem 
modeladas, comparando em seguida os 
modelos apresentados.
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CASP: Critical Assessment of
Techniques for Protein Structure
Prediction
\u2022 Mais de 100 grupos participam regularmente 
das edições do CASP.
\u2022 Há várias categorias, como o método de 
predição (ab initio, modelagem por 
homologia, threading, métodos híbridos), o 
grau da predição (estrutura secundária ou 
terciária), predição da rede de contatos, 
regiões desordenadas, etc.
CASP
\u2022 São avaliados pontos como:
\u2013 Proximidade do modelo à estrutura experimental.
\u2013 Qualidade do alinhamento estrutural.
\u2013 Capacidade de identificar templates.
\u2013 Capacidade de um preditor avaliar a qualidade de 
seus próprios modelos (geralmente vários deles 
são gerados).
\u2013 Os modelos por homologia são melhores que 
simplesmente copiar o template?
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Dinâmica Molecular
Adicionando uma dimensão: tempo
\u2022 Usando a minimização de energia, é possível 
encontrar conformações mais favoráveis para 
uma proteína, como feito na modelagem por 
homologia.
\u2022 Porém, uma forma diferente de usar os 
campos de força é fazer com que eles evoluam 
no tempo. Isto é, definindo as condições 
iniciais de um sistema proteína-solvente, 
calcular suas trajetórias ao longo do tempo.
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Como funciona
1. Determinar configuração inicial
2. Calcular forças que atuam em cada átomo
3. Determinar condição seguinte
4. Voltar ao passo 2 e repetir
Dificuldades computacionais
\u2022 Como a cada passo é preciso calcular a força 
resultante que atua em cada átomo, isso 
significa que, para cada um deles, é preciso 
quantificar:
\u2013 A contribuição de todos os átomos 
covalentemente ligados a ele;
\u2013 As forças de van der Waals relativas aos átomos 
próximos
\u2013 As forças eletrostáticas relativas aos átomos até 
uma dada distância.
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Dificuldades computacionais
\u2022 Por conta da enorme quantidade de forças 
que precisa ser calculada a cada passo, e pelo 
fato de que os passos devem ser pequenos (do 
contrário perde-se resolução), a dinâmica 
molecular geralmente é capaz de simular 
apenas curtos períodos de tempo, da ordem 
de nanossegundos.
O que é possível \u201cver\u201d pela DM?
\u2022 Uma vez que a dinâmica molecular simula 
eventos da ordem de nanossegundos, é 
possível observar apenas efeitos nessa ordem 
de grandeza, como:
\u2013 Pequenos movimentos em uma proteína
\u2013 Mudanças conformacionais restritas a uma região, 
como um sítio ativo
\u2013 Rearranjos estruturais
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Exemplo: o GC-1 e a seletividade 
em receptores do hormônio 
tireoidiano
O receptor tireoidiano humano (hTR)
\u2022 Pertence à família dos receptores nucleares, fatores 
de transcrição com 48 representantes na espécie 
humana.
\u2022 Os receptores nucleares são proteínas que 
apresentam regiões com diferentes funções, 
organizados como na figura abaixo:
\u2022 As regiões de maior importância para a função da 
proteína são o DBD (C) e o LBD (E)
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O receptor tireoidiano
\u2022 Dois genes distintos (c-erbA-1 
e c-erbA-2) codificam para o 
TR, sendo as diferentes 
isoformas geradas por 
processamento alternativo de 
RNAm
\u2022 Quatro produtos gênicos 
(TR\u3b11, TR\u3b12, TR\u3b21 e TR\u3b22) 
possuem simultaneamente 
LBD e DBD.
Relevância da \u3b2-seletividade
\u2022 Os hormônios tireoidianos apresentam 
conhecida atividade redutora de colesterol no 
soro e estímulo à taxa metabólica.
\u2022 Efeitos deletérios estão também relacionados 
a eles, como taquicardia e arritmia atrial.
\u2022 Tais problemas parecem poder ser 
contornados valendo-se da ativação 
preferencial da isoforma \u3b2 preferencialmente 
à \u3b1.
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Relevância da \u3b2-seletividade
\u2022 A isoforma \u3b1 é a mais expressa no coração.
\u2022 O efeito de redução do colesterol ocorre por 
ativação do receptor tireoidiano no fígado, 
onde a isoforma \u3b2 é a mais expressa.
O composto GC-1
\u2022 Tiromimético \u3b2-seletivo atualmente submetido a 
diversos testes in vitro e in vivo em diversos 
organismos.
T3
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O sítio de ligação do TRO sítio de ligação do TR
His Arg
Ser/Asn
Ligação do composto à proteína
\u2022 As diferenças de interação entre o composto e as 
duas isoformas ocorre na região 3
\u2022 Nessa região há a troca 
de uma serina (\u3b1) para 
uma asparagina (\u3b2), e 
interação com três 
resíduos de arginina
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T3 e GC-1 para TR\u3b1 e TR\u3b2
A. T3+TRs
B. GC-1:TRA
C. GC-1:TR\u3b2/TR\u3b1
Conformações
\u2022 Para o TR\u3b1, há uma 
conformação não 
produtiva, que se alterna 
com uma similar à do 
TR\u3b2.
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Conclusões
\u2022 A análise da ligaç\ufffd\ufffdo do T3 ao sítio ativo, com 
base apenas na estrutura cristalográfica, 
permite entender como modificações no 
hormônio se relacionam à sua ligação ao 
receptor.
\u2022 Já a análise por dinâmica molecular permite 
compreender porque o ligante sintético GC-1 
é \u3b2-seletivo
Triagem virtual de ligantes 
(Docking)
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Como se faz triagem de ligantes?
\ufffd Enzimas podem ser sua atividade ativada 
através de inibidores.
\ufffd Receptores podem ser ativados ou 
inativados por moléculas que mimetizem 
seus ligantes naturais.
\ufffd Interações proteína-proteína podem ser 
evitadas por moléculas que interajam com 
suas interfaces de mimetização.
\ufffd Moléculas como as citadas acima podem 
ser testadas através de ensaios 
experimentais!
Como se faz triagem de ligantes?
\u2022 Na triagem de alto desempenho (high 
throuput screening), a padronização de 
um ensaio pode ser feita de forma a 
automatizar o teste de centenas de 
moléculas contra a mesma proteína, de 
forma a buscar moléculas bioativas.
\u2022 Obviamente, esse tipo de ensaio é caro!
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Triagem virtual
\u2022 Uma alternativa ao HTS é a triagem virtual: 
com base na estrutura da proteína, pode-se