Coreografia de moléculas biológicas: o que aprendemos com o spin eletrônico? - Prof. Dr. Antônio Costa Filho

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Coreografia de moléculas biológicas: o que aprendemos
com o spin eletrônico?
Antonio José da Costa Filho
Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
Universidade de São Paulo
Laboratório de Biofísica Molecular
ajcosta@ffclrp.usp.br
www.biofisicamolecular.com.br
J.G. Rosa, “Sagarana” (1946) – "saga", radical de origem germânica
que significa "canto heroico", "lenda"; e "rana", palavra de origem
tupi que significa "que exprime semelhança".
Significa algo como "próximo a uma saga” 
Física em Biologia?
Biologia em Física?
Física + Biologia + Química + Matemática
A lymphocyte: We pass through the
living skin to enter a capillary vessel, 
where blood oozes by. Most blood
cells are the small, incomplete, short-
lived disks that give red blood its 
color; this white cell, a lymphocyte, is
a long-lived participant in the complex
cellular and chemical strategy called
the immune system.
10-5 metro = 0,000 01
http://microcosm.web.cern.ch/
Onde a Física Encontra a Biologia?
The nucleus of the cell: We have
moved outside of the cell nucleus to
see the nuclear membrane. The holes
are minute pores that allow materials
to pass between the nucleus and the
outer regions of the cell. The 
chromosomes are contained within the
nucleus. Every complete cell has such
a nucleus.
10-6 metro = 0,000 001
http://microcosm.web.cern.ch/
Onde a Física Encontra a Biologia?
The double helix of DNA is further
coiled around particles of protein
called nucleosomes to form a beaded
structure. The structure is then further
folded so that the beads associate in 
regular coils. The coiled coils of DNA 
constitute the genes and
chromosomes within the nucleus of
living cells. It is DNA that directs the
formation of proteins and enzymes
which in turn control the chemical
reactions of life. Viruses are forms of
life made up almost exclusively of
DNA.
10-7 metro = 0,000 000 1
http://microcosm.web.cern.ch/
Onde a Física Encontra a Biologia?
https://sites.google.com/a/nyu.edu/vogel-lab/research
Profusão de Prêmios
Nobel
1962
(Annus mirabilis)
e 
2009
Dógmã Central
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-
proteínas
de defesa
Complexos proteícos –
divisão celular e 
produção de novas 
proteínas
✔ O que queremos fazer?
✔ Dentre tudo já visto na Escola de Inverno
Biofísica de Moléculas
Qual Biofísica?
Métodos teóricos
Métodos experimentais
Interação radiação-matéria
Espectroscopias
Proteínas
~1020 molecules that we do not 
see directly
Reporting on Parties
Previsão de Maxwell: Ondas EM carregam momentum (pressão de radiação) e energia.
Radiação Eletromagnética
Radiação Eletromagnética
Matéria - Modelo Mais Simples
1913 Modelo de Bohr
Adaptado: Profs. Azevedo e Nunes – Aula Lab Fís IV – IFSC/USP - 2004
Cada tipo de átomo/grupo químico/molécula tem seu espectro 
característico: espectroscopia permite caracterização da matéria
Adaptado: Profs. Azevedo e Nunes – Aula Lab Fís IV – IFSC/USP - 2004
A Matéria - Exemplos de espectros atômicos
Radiação eletromagnética raios-X, radio-
frequência, microondas, UV-Vis, infravermelho
Microscopias
Estrutura Macromolecular
Função Biológica
Difração de raios X, Ressonância Magnética Nuclear, 
Crio-EM
Estaria o entendimento do funcionamento
de moléculas biológicas fechado?
Paradigma
Estrutura  Função
Diálogo entre Glauco e Sócrates:
Sócrates — “Dessa forma, tais homens não atribuirão
realidade senão às sombras dos objetos fabricados?”
Platão – Mito da Caverna – “A República”
Structure + Dynamics  Function
Structure  Function
Correlação estrutura-dinâmica-função
Dinâmica de estruturas proteicas
Subestados Conformationais:
e.g. open/close states of active 
site
Subestados Estatísticos: 
Large numbers, short lifetimes
Protein-ligand interactions
Side-chain motions
ms - s
s - ps
Bridges, Hideg, Hubbell, Appl. Mag. Res., 37,363 (2010)
Henzler-Wildman and Kern, Nature 450, 964 (2007)
Métodos Espectroscópicos
Estrutura + Dinâmica = Função
 Entender a função de proteínas requer informações sobre sua dinâmica em
uma larga escala temporal.
 Desenvolvimento de novos métodos
Ressonâncias Magnéticas!
 Matéria é magneticamente neutra
 Maioria das proteínas sem elétron desemparelhado – ESR não factível
NMR
ESR
Explorando o mundo diamagnético
Phospholipid derivatives
Columbus and Hubbell, Biochemistry, 43, 7273, 2004
Site-directed Spin Labeling (SDSL)
Às vezes é melhor não ver demais!!!!!
Um repórter desemparelhado
MS=±½
Electron
S (½)
Nucleus
I (1)
B
triplet
a
E = gbBSz + (hA0)SzIz
E = gbBSz + (a)SzIz
(hA0 (Hz) -> a (G) via g-factor)
-½
+½
Ms
+1
-1
-1
+1
MI
+0
+0
Hyperfine Interaction
Monitoring Dynamics
Prof. Wayne Hubbell
UCLA
Adapted from Hubbell’s website
Site directed spin labeling
R. Queiroz, “O quinze” (1930) 
"Por que, em menino, a inquietação, o calor, o cansaço, sempre
aparecem com nome de fome?"
Diidroorotato Desidrogenase
 de novo synthesis of pyrimidine nuleotides
 Class 2 - membrane associated
electron acceptor: quinones
N-terminal extensions
What happens to the membrane and to the protein N-terminal?
Sheila Couto
 
 
ubiquinone 
DHODH
wikipedia
Model Membranes
DPPTC
5-PC
10-PC
12-PC
16-PC
n-position down the 
carbon chain
headgroup
DHODH – Membrane Perspective
Couto, Nonato, Costa-Filho, Biophys. J. (2008)
5-PC 10-PC
Couto, Nonato, Costa-Filho, Biophys. J. (2008)
DHODH – Membrane Perspective
Site directed spin labeling
DHODH – Protein Perspective
Couto, Nonato, Costa-Filho, BBRC 414 (2011), 487
“(…) another brick in the wall.” (Pink 
Floyd)
Putting things together - docking to membranes
Couto, Nonato, Costa-Filho, BBRC 414 (2011), 487
Fatty Acid Binding Protein (FABP)
39
Furuhashi and Hotamisligil, Nat. Rev. Drug Discovery, 2008 
Putative functions in the cell: lipid chaperones
Fatty Acid Binding Protein (FABP)
40
I-FABP: Falomir-Lockhart et al, J. Biol. Chem, 2006
L- and I-FABP: Thumser and Storch, J. Lip. Res., 2000
B-FABP: Thumser et al, J. Mol. Neurosci., 2001
Proposed delivery mechanisms for FABP’s
41
Dyszy, F. et al. PLoS ONE 8(3): e60198, 2013.
Spin Normalized Spectra
ESR of helix A1 residues
Dyszy, F. et al. PLoS ONE 8(3): e60198, 2013.
Spin Normalized Spectra
ESR of helix A2 residues
Group I residues
✓ Side chains pointing outwards
✓ Transition to an environment of more
restriction of motion
✓ Structurally stabilized in the membrane
interior probably contributing to keep the
portal region in an open configuration.
Group II residues
✓ Side chains oriented in between helices
✓ Transition from a more to a less packed
(or more mobile) conformation upon
membrane binding
Dyszy, F. et al. PLoS ONE 8(3): e60198, 2013.
What is data telling us?
Fim da Sagarana?
Função
Espectroscopias
Modelagem
Nova Física?
s
Dados estruturais
Novos métodos
Sagarana continua…
Acknowledgements
Dr. José Fernando de Lima
IFSC/USP
Prof. Eduardo Cilli
UNESP/Araraquara
Luís Basso
Eduardo Vicente
Edson Crusca
Patricia Kumagai
Priscilla Freddi
Prof. Cristina Nonato
USP/Ribeirão Preto
Prof. Jon ClardyHarvard Medical School
Prof. Richard Garratt
IFSC/USP
COLLABORATORS
Peptides
B-FABP
DHODH
HS100A12
Prof. Jack Freed
Cornell University
Prof. Gunnar Jeschke
ETH Zürich
Ana Paula Citadini
Luís Felipe Mendes
Ana Helena Casé
Fábio Dyszy
Luís Basso
Andressa P. A. Pinto
Bianca Borba
Sheila Gonçalves do Couto
TNAP
Assuero Faria Garcia
Prof. Ana Paula Araújo
IFSC / USP
Prof. Pietro Ciancaglini
USP/Ribeirão Preto
TECHNICAL
ASSISTANCE
www.biofisicamolecular.com.br
Twitter: @ajcosta484
http://biofisicajb.blogspot.com.br/
NEXT GENERATION? “But I'm just a soul whose intentions are good
Oh Lord, please don't let me be misunderstood” (The Animals)
ajcosta@ffclrp.usp.br