12º-Modelos moleculares tridimensionais

MODELOS MOLECULARES TRIDIMENSIONAIS

• REPRESENTAÇÃO • GRÁFICA DE UMA MOLÉCULA

• Vimos até agora o estudo da relação estrutura/actividade efectuado por vários processos sem ter em linha de conta a estrutura tridimensional das substâncias em estudo.

• Nestes últimos anos, graças ao desenvolvimento das técnicas de informática, desenvolveram-se novos e potentes métodos que estudam as relações actividade/estrutura por meio de descritores moleculares que têm em conta as posições relativas no espaço, dos átomos que formam as moléculas.


• A complexidade dos cálculos necessários e das representações gráficas das moléculas fazem com que os computadores sejam instrumentos imprescindíveis para o desenvolvimeto e aplicação destes novos métodos.

• Estes novos métodos designam-se por modelização molecular e desenho de fármacos.


• Existem várias maneiras de representar uma molécula tridimensionalmente algumas delas imaginadas há bastantes anos atrás. Foram usados modelos em madeira, metal e plástico que ainda hoje se usam tais como o CPK (Corey, Pauling, Koltun) e representações gráficas como as de Dreiding e usadas por um grande número de programas de computador.


• Modelos CPK, são modelos à escala


• Dreiding modelos, são modelos de “sticks”


• Nos modelos CPK, cada átomo é representado por uma cor distinta e o seu raio é proporcional ao de Van der Waals e podem ser ligados a distâncias equivalentes às existentes na realidade.

• Nos modelos gráficos de Dreiding, segmentos de recta representam as ligações entre os diferentes átomos que podem ou não ser representados pelos seus símbolos oficiais.


• Estes tipos de concepções podem ser representadas por modelos computurizados que têm vantagens, entre as quais:

• 1º Obtêm-se projecções de moléculas tridimensionais

• 2º Podem ser facilmente manipuláveis• 3º Podem ser corados, permitindo o

reconhecimento imediato dos átomos em jogo• 4º Podem ainda criar-se modelos

tridimensionais virtuais, ou com imagens estereoscópicas ou usando lentes especiais.


• 5ºPodem permitir mudanças rápidas entre sistemas de representação

• 6º Modificam as distâncias e ângulos de ligação• 7º A sobreposição de várias moléculas para

demonstrar semelhanças e diferenças• 8º Visualizar propriedades físico-químicas• 9º Evitar complexidades de estrutura, como no

caso de proteínas


• COORDENADAS MOLECULARES• As moléculas e os sistemas moleculares são

univocamente definidos pela natureza dos átomos que os compõem, posição relativa dos núcleos dos diferentes átomos e a sua carga eléctrica bruta (diferença entre o número de protões e de electroes do sistema).

• Os processos mais correntes de especificar as posições dos núcleos são as Coordenadas Cartesianas e as Coordenadas Internas.


• Nas Coordenadas Internas define-se a posição de cada núcleo em relação aos outros, tomando como origem um qualquer núcleo, figura 1. Figura 1


• Os valores dos ângulos diedro, são imprescindíveis para definir as distintas geometrias (confórmeros) que se podem obter ao girar uma parte da molécula em relação à outra parte que lhe está ligada por uma ligação simples.

• Deste modo, no caso do 1,2-dicloroetano, o valor 0º do ângulo diedro Cl-C-C-Cl, indicará o confórmero cisóide dos átomos de cloro, enquanto que o valor de 180º, do referido ângulo indicará o confórmero transóide.


• Os espectros de difracção de Raios X constituem o método mais vulgar para determinar experimentalmente a estrutura tridimensional das moléculas. Outras situações mais específicas podem usar difracção de electrões ou de neutrões mas todas as técnicas se baseiam no processo de difracção.

• As geometrias moleculares obtidas por espectros de refracção de estruturas cristalinas, apesar de úteis não permitem toda a informação necessária nas moléculas biolóicas.


• A geometria que interessa é a da estrutura orgânica em solução ou quando em ligação com outra molécula como acontece quando se estabelece a ligação ao seu receptr e não no estado cristalino.

• No entanto os resultados de difracção por Raios X a partir de complexos cristalinos fármaco-receptor têm permitido bons resultados.


• Estudos de RMN permitem a comparação de estruturas em solução com estruturas cristalinas.Esta técnica permite estudar diferentes aspectos tais como:

• 1-Efeitos do solvente• 2-rotação de anéis aromáticos• 3-variação da estrutura com o pH• 4- interacções intra e intermoleculares


• As duas bases de dados mais importantes que possuem geometrias moleculares experimentais são:

• A-Cambridge Strutural Database (CSD)• B-Brookhaven Protein Data Bank (PDB)• A CSD contém cerca de 200.000 geometrias de

compostos orgânicos e organometálicos.• A PDB contém 12.000 estruturas cristalográficas

de biopolímeros, como proteínas e ácidos nucleicos, assim como a geometria de complexos ligando-receptor.


• Existem tabelas de dados geométricos padrão que permitem constuir moléculas. Para simplificar a construção de estruturas moleculares a partir de distâncias e ângulos padrão, a maioria dos programas de modelização molecular que existem no mercado incorporam um módulo que permite realizar esta construção de forma gráfica e interactiva, a partir de átomos ou fragmentos moleculares pré -definidos.


• As coordenadas de um sistema molecular, mesmo aproximadas, são essenciais para iniciar cálculos teóricos sobre energia, funções de onda e outras propriedades.

• OPTIMIZAÇÃO GEOMÉTRICA

• A energia de um sistema molecular, seja qual fôr a estratégia usada para a calcular é função da sua geometria.


• Para calculr mínima energia de um sistema molecular leva-se a cabo a optimização geométrica pelo chamado método de gradiente.

• Neste método cada um dos parâmetros geométricos independentes que definem um composto, recebem o nome de graus de liberdade.


• Por exemplo na molécula da água existem três graus de liberdade

• 1º-Distância entre o núcleo de cada átomo de hidrogénio e o do oxigénio

• 2º-Distância entre os núcleos dos átomos de hidrogénio

• 3º Ângulo H-O-H


• Dada uma molécula podemos eleger os diferentes parâmetros geométricos como graus de liberdade, mas o seu número será constante.

• A energia molecular é uma função dos graus de liberdade.

• O método de gradiente mede o mínimo de energia introduzido por pequenas variações dos graus de liberdade.


• Se a energia diminuir significa que se está a modificar os graus de liberdade do modo correcto.

• À medida que nos aproximamos do mínimo, detectado pelo valor da inclinação da recta, como se mostra na figura 2, podemos ter um valor mínimo local , ponto 1´ ou um mínimo de energia mínima total, ponto 7.


Figura 2-relação energia mínima/graus de liberdade


• Qualquer método de optimização baseado no gradiente, apresenta o inconveniente , de nos poder conduzir a mínimos locais que não nos interessam. O modo de diminuir a probabilidade de tal acontecer é partir de uma geometria inicial não demasiado longe da energia mínima ou utilizar outras geometias alternativas.


• ANÁLISE CONFORMACIONAL

• Uma análise conformacional é uma exploração dos confórmeros que se obtêm ao realizar torsões (graus de liberdade conformacionais) em torno de ligações simples.

• Para fazer uma análise conformacional procede-se do seguinte modo:


• 1º Estabelece-se um aumento fixo para o valor de cada ângulo diedro ou rotor considerado.

• 2º Baseados nesse aumento, estabelecem-se os valores dos diedros. (0º, 30º, 60º, 90º, 120º, 150º, 180º, 210º, 240º, 270º, 300º e 330º)

• 3º As estruturas a estudar são todas as combinações possíveis dos valores de um rotor

• 4º Cada uma das estruturas resultantes optimiza-se geometricamente mantendo fixos os ângulos diedro considerados.


• 5-Os resultados visualizam-se por meio de curvas de variação de energia quando se modifica um grau de liberdade conformacional, como se mostra na figura 3.

Figura 3-Análise conformacional do tautómero N-H da histamina


• As curvas designam-se por linhas isoenergéticas num plano definido por dois graus de liberdade conformacionais como se mostra na figura 4, um exemplo no fentanilo


• Figura 4-Linhas isoenergéticas do fentanilo ao variar os ângulos de torção 1 e 2.


• 6-Para cada molécula existe um determinado confórmero que apresenta a energia mínima (quando existem vários, são simétricos) e deverá coincidir com a geometria que se obteve ao fazer a optimização geométrica global.

• Existem outras estratégias cujo interesse é encontrar as conformações de energia mínima locais.


• As análises conformacionais estudam-se para perceber té que ponto um ligando pode adaptar a sua estrutura tridimensional e estabelecer interacções adequadas no centro activo do seu receptor biológico.

• Esta estrutura recebe o nome de “Confórmero activo”.

• Pretende-se na Análise Conformacional avaliar a diferença entre a energia mínima e a energia do confórmero activo.


• A qualquer temperatura superior a 0 K e por exemplo à temperatura fisiológica (310 K), os átomos de qualquer molécula, recebem uma energia que faz com que permanentemente executem uma série de movimentos, entre os quais torções que permitem passar de um confórmero a outro e um desses pode ser o confórmero activo.


• A equação de Boltzmann permite calcular a fracção de moléculas que, a uma dada temperatura, se encontrem conformações que têm uma dada diferença em relação a um mínimo.

• Uma forma de encontrar confórmeros activos por meio de análise conformacional consiste em comparar séries de mapas como os da figura 4, correspondentes às análises conformacionais de séries de compostos estruturalmente relacionados, que apresentem ou não actividade biológica.


• Comparando as regiões de confórmeros acessíveis dos mapas das diferentes moléculas, como se mostra nas figuras 5 e 6, em alguns

Figura 5-As duas moléculas são activas


• No caso da figura 6 uma molécula é activa e outra inactiva

Figura 6


• Podiam deduzir-se os valores dos ângulos diedros de interesse 1 e 2, que são essenciais à actividade biológica que seriam aqueles a que podiam aceder todos os compostos activos mas não os inactivos.

• Outra utilidade da análise conformacional é a monitorização de uma dada distância inter-atómica de um composto para ver se pode um dado farmacóforo adoptar o valor requerido para se tornar activo biologicamente.

MODELOS MOLECULARES TRIDIMENSIONAIS• DINÂMICA MOLECULAR

• Os programas de computadores não só permitem simular as propriedades estáticas das moléculas como também simular os movimentos relativos dos átomos quando em excitação térmica.

• Estas simulações levam-se a cabo aplicando as leis de Newton que regem o movimento clássico dos corpos.


• A trajectória de cada partícula j de massa mj obtém-se resolvendo as equações diferenciais que descrevem o movimento ao longo de cada uma das ordenadas xi, segundo a força Fxj, dada pela equação 1

2

2

ji

j

Fxd x

dr m Eq. 1


• Como a equação 1 está relacionada com a 2ª Lei de Newton F=ma, as forças Fxj sobre sobre os átomos são deduzidas dos campos de energia potencial a que estão sometidos.

• Do ponto de vista prático, as simulações de dinâmica molecular usam-se para:

• 1-Superar o problemas das energias mínimas locais• 2-Conseguir efectuar análise conformacional em

comppostos com muitos graus de liberdade como proteínas

• 3-Explorar a estabilidade de sistemas moleculares, como por exemplo, ligandos-receptores a determinadas temperaturas.

MODELOS MOLECULARES TRIDIMENSIONAIS• MECÂNICA MOLECULAR

• Há vários métodos para encontrar a energia molecular.

• Os valores obtidos pouco ou nenhum significado têm se considerarmos os seus valores absolutos. Os valores encontrados são diferenças de energia entre geometrias diferentes da mesma molécula ou entre moléculas diferentes, obtidos pelo mesmo método.


• Uma forma relativamente simples de obter uma energia relativa com uma dada geometria molecular, consiste em executar o procedimento da Mecânica Molecular.

• Este procedimento consiste em calcular a energia potencial de molécula (V), somando termos ligados à:

• A-Sujeição dos núcleos à força do campo


• C-Às tensões das ligações, dos seus ângulos e das suas torções

• D-Às interacções de Van der Waals, electrostáticas e por pontes de hidrogénio segundo a equação 2.

• V=Vligações+Vângulos+Vdiedros+VvdW+Velectr+Vn

• Equação 2


• A cada um dos termos corresponde um tratamento matemático específico. Existem programas de computador que se distinguem pelo número de termos usados na determinação da energia potencial mas os mais utilizados são o MM2/MM3 que se usa para moléculas pequenas e o AMBER especialmente parametrizado para proteínas e ácidos nucleicos.


• A principal vantagem que oferecem os métodos da mecânica molecular é a rapidez de cálculo. Deste modo consegue determinar-se as energias de interacção entre fármacos e receptores.

• Muitos dos programas de modelização utilizam este processo, mas tem de se ter cuidado com as estruturas energeticamente optimizadas devido à possibilidade de se encontrar não a energia mínima total mas sim a mínima local.


• FUNÇÃO DE ONDA MOLECULAR• Uma forma mais complexa mas mais

exacta para encontrar a energia associada à geometria de uma molécula é por meio da resolução das equações de Schrodinger.

• Deste modo obtém-se a energia do sistema mas também uma descrição da sua estrutura electrónica.


• Como a resolução das equações de Schrodinger só é directamente possível para o átomo de hidrogénio para serem usadas por moléculas mais complexas têm de ser introduzidos factores de aproximação:

• A-Aproximação de Born-Oppenheimer, segundo a qual os núcleos não se movem


• B-Aproximação de orbitais atómicas e moleculares, segundo a qual a função de onda de qualquer sistema polielectrónico se aproxima de um produto de funções de onda monoelectrónicas.

• A parte espacial de cada orbital atómica é representada pela função matemática de Slater (Slater Type Orbitals, STO) que é obtida por aproximação a partir de uma combinação linear de funções de Gauss (Gaussian Type Orbitals, GTO).


• C-Aproximação de LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals), segundo a qual as orbitais moleculares monoelectrónicas i, se obtém como resultado de uma combinação linear das orbitais atómicas dos átomos que compõem a molécula.

• D-Aproximação iterativa do campo auto-coerente (Self-Consistent Field, SCF), porque cada electrão se encontra debaixo da acção dos campos eléctricos gerados pelos outros electrões e cada orbital molecular i dependerá das outras.


• Se forem apenas estas as aproximações que se introduzem no cálculo, estamos perante um cálculo ab initio HF-SCF (HF, Hartree-Fock; Self-Consistent Field), cuja qualidade dependerá basicamente das dimensões da base utilizada para representar cada um dos átomos da molécula.

• A base mínima que se utiliza é a STO-3G.


• Nesta base cada átomo é representado com as suas orbitais atómicas completamente ou parcialmente ocupadas (1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, para o átomo de Carbono) e cada uma delas é representada pelas três funções Gaussianas. Este método HF-SCF é moroso e por isso está a ser substituido pela teoria da funcionalidade da densidade (Density Functional Theory, DFT).


• Este método baseia-se no Teorema de Hohenberg-Kohn que permite determinar a energia electrónica total de uma molécula baseando-se na sua função de densidade electrónica .

• Existem métodos semi-empíricos como os de MNDO e AM1 que se usam, especialmente este último.


• Há métodos ainda mais drásticos que os semi-empíricos, que prescindem totalmente do termo electrónico Velec, da equação 2, considerando que cada função de onda monoelectrónica é independentes das outras e tornando desnecessário o processo iterativo de cálculo.

• Neste tipo de método temos de considerar o de Huckle (Extended Huckel Theory, EHT).


• Nos métodos mistos QM/MM (Quantum mechanics/Molecular Mechanics) que usam o formalismo químico-quântico para modelizar um subconjunto crítico dos átomo de um sistema, como por exemplo, (os que estão directamente implicados na interacção fármaco-receptor), enquanto que o resto dos átomos se modelizam usando métodos de mecânica molecular.


• O programa computacional que permite a resolução ab initio é o GAUSSIAN e os AMPAC e MOPAC para cálculos semi-empíricos.


• PROPRIEDADES DERIVADAS DA FUNÇÃO DE ONDA MOLECULAR

• A função de onda molecular contém toda a informação relativa à distribuição electrónica de qualquer composto em questão.

• Como as propriedades químicas e consequentemente as biológicas dependem da distribuição electrónica, a aprtir dos resultados dos cálculos da função de onda podem deduzir-se parâmetros com um grande significado químico que se podem relacionar com a actividade biológica.


• Um dos resultados obtidos por meios de cálculos químico-quânticos são as energias associadas a cada uma das orbitais moleculares.

• Os valores de energia das orbitais moleculares obtidos, designam-se por valores próprios com sinal positivo se se encontrarem não ocupadas e negativo se se encontrarem ocupadas.


• Segundo o teorema de Koopman, o potencial de ionização de um composto é aproximadamente igual ao da última orbital molecular ocupada (Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO).

• Quanto à afinidade electrónica é aproximadamente a energia da primeira orbital não ocupada (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO), embora esta última aproximação seja bastante inexacta.


• Uma informação mais útil do que as anteriores para o estudo das interacções estrutura-actividade está relacionada com as propriedades electrostáticas da molécula.

• Por meio de um cálculo AM1 da molécula da água e a chamada análise de população de Mulliken obtém-se a densidade electrónica atribuível ao oxigénio de 6,3828 electrões de valência, enquanto que o atribuível a cada átomo de hidrogénio é de 0,8086 electrões.


• Como o átomo de oxigénio isolado tem 6 electrões de valência existe uma densidade de carga negativa sobre o átomo de Oxigénio de -0,3828 (-) e de (1-0,8086)= +0,1914 (+) sobre o átomo de hidrogénio.

• Estas cargas (i) sobre os átomos, apresentam uma certa relação com a reactividade de cada centro da molécula e constituem um parâmetro que se tem correlacionado com êxito com a actividade biológica.


• A propriedade electrostática molecular com maior interesse nas relações estrutura-actividade é o Potencial Electrostático Molecular, (PEM)

• Definição de PEM, num ponto situado na proximidade de uma molécula

• É a energia necessária ao campo eléctrico, gerado pela distribuição das cargas eléctricas de uma molécula, para movimentar uma unidade de carga positiva desde o infinito até ao ponto considerado.


• Os valores do PEM em cada ponto do espaço que rodeia a molécula podem ser representados graficamente, podendo desenhar-se as linhas isopotenciais como se mostra na figura 7.

• Outro processo consiste em representar as superfícies isopotenciais tridimensionalmente, como se mostra na figura 8.


Figura 7- linhas Isopotenciais emtorno da cafeína


Figura 8-Representação tridimensional do PEM


• Outro método é efectuar representação tridimensionais coradas dos valores isopotenciais de PEM em volta da molécula, estabelecendo mudanças de coloração em intervalos dos valores de PEM, como se mostra nas figuras 9 e 10.

Figura 9-Mapa do potencial electrostático do flúor-naftaleno no programa SPARTAN


Figura 10-Potencial electrostático de moléculas na reacção química de obtenção de 2-metil-2-buteno


• Devemos ter em linha de conta que qualquer método de estudo das relações estrutura-actividade é imperfeito, pois os modelos moleculares sempre contêm aproximações e por outro lado existe um grande número de factores que condicionam a actividade biológica, resultando praticamente impossível tomá~los todos em consideração.


• POTENCIAIS DE INTERACÇÃO MOLECULAR• Os Potenciais de Interacção Molecular (PIM)

estão relacionados com os PEM mas calculam energias de interacção entre uma molécula e sondas moleculares que representam possíveis grupos funcionais que a molécula que está em estudo poderia encontrar até atingir o receptor biológico.

• As sondas mais usadas são os grupos amina, carbonilo, carboxilo, oxidrilo, metilo e moléculas de água.


• Os cálculos efectuados para cada sonda dão diferentes valores de PIM. As zonas com potenciais negativos frente a uma sonda podem indicar possíveis interacções favoráveis com grupos funcionais semelhantes ao do ambiente em torno do receptor biológico.

• Por exemplo as zonas negativas obtidas numa distribuição de PIM com uma sonda Metilo indicam posições favoráveis para as interacções hidrofóbicas.

• Um dos programas mais utilizado para os cálculos dde PIM é o programa GRID.


• RELAÇÃO ESTRUTURA-ACTIVIDADE (MÉTODOS INDIRECTOS)

• Nos métodos indirectos há vários sistemas para avaliar a semelhança molecular.

• Podem ser estratégias de encontrar :• 1-Semelhanças sob o ponto de vista estrutural• 2-Semelhanças na actividade em relação a um

dado receptor biológico• 3-moléculas com estruturas diferentes mas com

a mesma acção biológica


• Como se dispõe de instrumentação informática que permite construir modelos moleculares tridimensionais e sobrepolos uns aos outros este procedimento é o mais simples para comparar compostos entre si. Este método é qualitativo.

• Para diminuir os problemas de subjectvidade na comparação definem-se coeficientes que permitem medir a semelhança ou diferença entre s substâncias.


• No caso de apenas comparação estrutural, mede-se a diferença entre duas moléculas pela soma das distâncias entre as posições de deteminados núcleos que são seleccionados por existirem em todas as moléculas que estão a ser comparadas. Esta soma depende do número de núcleos considerados (n).


• Este coeficiente designa-se por RMS ou RMSD (Root Mean Squared Distance) e é dado pela equação

2

1

n

ii

dRMSD

n Equação 3

A escolha da posição relativa de comparação é feita tendo em vista a de máxima semelhança ou a da diferença mínima, por meio de um coeficiente de medida.


• Tem de se ter em conta os graus de liberdade que intervêm no processo de optimização e que são aqueles que definem a posição relativa no espaço de um composto em relação ao outro.

• Esses graus de liberdade são sempre seis:• I-As translacções sobre os três eixos

perpendiculares• II-As rotações sobre os mesmos eixos• A comparação de estruturas moleculares sem

ter em conta as suas propriedades é sempre imperfeita.


• Para que não apareçam estas imperfeições utilizam-se também os valores de PEM e de PIM. A definição da posição dos mínimos permite a definição dos farmacóforos. Os farmacóforos são difíceis de observar se não fôr por meio desta técnica.

• A comparação quantitativa de propriedades moleculares que têm valores distintos em pontos em torno das moléculas, como a densidade electrónica , o PEM e os PIM pode realizar-se por diferentes técnicas.


• 1ª Técnica• Comparação analítica das funções que definem as

distribuições, obtendo coeficientes de semelhança entre pares de compostos.

• 2ª Técnica• Esta é a mais usada na prática, partindo do cálculo dos

valores da propriedade numa rede de pontos definidos em torno das moléculas consideradas como se mostra na figura 11.

• A partir destes valores pode-se calcular os coeficientes de semelhança molecular ou realizar análises 3D-QSAR.


• Figura 11-Esquema de rede de pontos em torno de uma molécula


• ESTUDOS QUANTITATIVOS DAS RELAÇÕES ENTRE PROPRIEDADES MOLECULARES 3-D DE LIGANDOS

E A ACTIVIDADE BIOLÓGICA (3D-QSAR)• As propriedades ou descriptores moleculares que se

podem obter a partir das estruturas moleculares de séries de ligandos permitem um grande número de de estudos de relações estrutura-actividade.

• A nível quantitativo pode-se analisar se existe paralelismo entre uma classificação gerada a partir de coeficientes de semelhança ou dessemelhança molecular e outra classificação gerada por meio de perfis biológicos ou farmacológicos dos compostos.


• Um grupo de técnicas actualmente muito utilizadas são as chamadas CoMFA (Comparative Molecular Field Analysis) ou GRID/GOLPE.

• Nesta técnica parte-se de uma matriz de dados, onde se incluie, por um lado, as medidas da actividade biológica que se pretendem predizer baseando-se em propriedades moleculares e por outro lado incluem-se valores de PIM obtidos com diferentes sondas moleculares e calculados nos pontos de uma rede tridimensional definida em torno de todos os compostos considerados.


• Sobre a matriz resultante faz-se uma análise estatísitca multivariante chamada PLS (Partial Least Squares) que consiste em ajustar os coeficientes das equações.

• Os resultados são visualizados pelas zonas em torno dos compostos em que determinadas interacções com cada uma das sondas são favoráveis ou desfavoráveis.


• Para ter bons resultados nesta técnica é preciso ter um conjunto de compostos adequado e que estes sejam correctamente sobrepostos numa rede de pontos nos quais se calcularam os potenciais de interacção.


• PREVISÃO DA ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DE PROTEÍNAS

• A estrutura tridimensional da maioria dos biopolímeros é desconhecida e o que se conhece está disponibilizado na base de dados PDB.

• Conhecem-se as sequências de aminoácidos de um grande número de proteínas e por isso, um dos maiores desafios actuais é predizer a estrutura tridimensional de proteínas a partir da sua estrutura primária.


• Em Bioinformática, um alinhamento de sequências é uma forma de organizar sequências primária de DNA, RNA ou Proteína, para identificar regiões semelhantes que possam ser consequência de relações funcionais, estruturais ou evolucionárias entre elas. Sequências alinhadas de nucleotídeos ou resíduos de aminoácidos são representadas tipicamente como linhas de uma matriz. Espaçamentos (gaps) podem ser inseridos entre os resíduos para que caracteres semelhantes (por algum critério) sejam alinhados em colunas sucessivas.


• Exemplo de alinhamento entre duas sequências, produzido pelo programa ClustalW entre duas proteínas dedo-de-zinco humanas (human zinc finger proteins) identificadas por seus números de acesso no GenBank. (Key)


• Métodos téoricos• A- Ab initio• B-Baseado em conhecimento• B1-Montagem de fragmentos• B2-Reconhecimento de enovelamento• B3-Modelagem comparativa ou por homologia:• A-Os ab initio• B-Os de Modelização de proteínas por homologia• A- Nos métodos ab initio é proposto um certo

enrolamento ou pregueado para a proteína problema com base na aplicação de regras empíricas ou por meio de cálculos energéticos.


• B-Os métodos de modelização por homologia que propõem uma estrutura terceária a partir da estrutura secundária da proteína problema, cuja estrutura é semelhante à de uma conhecida.

• Numa modelização por homologia, o primeiro passo consiste em localizar entre as proteínas incluidas na PDB (Brookhaven database) uma proteína cuja sequência seja semelhante à da proteína problema.


• Para avaliar a semelhança entre sequências procura-se o melhor alinhamento das sequências observadas, deslocando-as uma em frente da outra, procurando o número máximo de aminoácidos idênticos ou com características semelhantes.


• Os passos estão descritos na figura 12, a partir de uma sequência de aminoácidos (estrutura primária), proceder à comparação com biomoléculas

Figura 12-Passos de determinação de estrutura de biopolímeros por homologia


• Alinhamento


• Para melhorar o alinhamento introduzem-se fragmentos de uma das proteínas, que se consideram maiores numa que noutra (gaps). Para determinar o melhor alinhamento usa-se uma pontuação que “premeia” as identidades e os aminoácidos semelhantes, castigando a introdução de “gaps”.

Figura 13-Modelo tridimensional


• Quando já se estabeleceu um bom alinhamento a construção de um modelo tridimensional começa pela substituição numa estrutura 3D da proteína padrão dos aminoácidos que não coincidem com os da proteína problema. Há alguns “softwares” disponíveis que podem ser utilizados para a busca de sequências homólogas em bancos de dados, como por exemplo, o “software Basic Local Alignment Search Tool” (BLAST).


• Para gerar um alinhamento final entre as sequências-molde seleccionadas na busca e a sequência-alvo a ser modelada, são utilizados “softwares” mais específicos que o BLAST para identificação de similaridade sequencial, como por exemplo, o pacote computacional “Alignment of Multiple Protein Sequences” (AMPS). Em “softwares” dessa categoria, o alinhamento obtido estende-se por toda a sequência polipeptídica, sendo denominado, então, de alinhamento global.


• No que diz respeito à faixa aceitável de identidade sequencial para a execução da modelagem molecular por homologia, a literatura descreve como significante um valor acima de 30 % de identidade sequencial entre a(s) proteína(s)-molde e a proteína-alvo.


• SIMULAÇÃO DO ENVOLVIMENTO DE BIOMOLÉCULAS

• SOLVATAÇÃO• As moléculas biológicas não se encontram

isoladas no vazio mas estão rodeadas por outras moléculas entre as quais moléculas de água. Esta situação origina que as estruturas moleculares obtidas por difracção de Raios X a partir de cristais, ou de modelos obtidos por cálculos sobre uma molécula isolada, possam não ser adequados para modelizar um fenómeno biológico.


• Como a água é o meio em que se encontram inseridas as moléculas biológicas a simulação da sua influência sobre a estrutura e as propriedades das biomoléculas é um aspecto com o máximo interesse na modelização molecular.Existem diferentes graus de aproximação ao considerar o solvente. A mais simples consiste em modificar a constante dieléctrica do termo electrostático do campo de forças nos cálculos de mecânica molecular da molécula estudada, para a adequar ao envolvimento pela água.


• O outro método consiste em representar o solvente como um contínuo que envolve a molécula estudada e que tem certas propriedades dieléctricas. A forma mais sofisticada de considerar o solvente consiste em realizar os cálculos da molécula no seio de um sistema molecular constituido por esta e um grande número de moléculas de água.


• SIMULAÇÃO DA INTERACÇÃO LIGANDO-RECEPTOR

• A estrutura tridimensional dos complexos ligando-receptor podem ser determinadas por cristalografia de Raios X. A partir da estrutura destes complexos podem desenhar-se ligandos com maior ou igual afinidade. Existem programas informáticos que permitem, de forma automática, propôr estruturas que podem interagir adequadamente com locais de ligação previamente identificados.


• Na simulação de uniões ligandos-receptores proteicos é conveniente ter em linha de conta que as duas moléculas possuem flexibilidade conformacional e que os confórmeros existentes antes da união podem não coincidir com os existentes no complexo ligando-receptor.

• Por outro lado temios de ter em linha de conta que o local de união não tem de ser o mesmo para todos os ligandos de um mesmo receptor. Os agonistas e os antagonistas ligam-se de diferente modo ao mesmo receptor.


• Muitas vezes nestes processos de estudo de ligação ligando-receptor só se obtêm informações de tipo qualitativo.

• A ambição de obter informação quantitativa é a de determinar a constante de ligação Ki de cada um dos ligandos por modelização teórica dos correspondentes valores de G, que se relacionam pela equação

G=-RT ln K


• Quando se dispõe do modelo da proteína pode conseguir-se simular ligações a ligandos, podendo inclusivé fazê-lo manualmente, a partir da informação disponível dos resíduos implicados na ligação e do farmacóforo correcto, ou automaticamente mediante programas informáticos que exploram exaustivamente as possíveis uniões entre o receptor e os ligandos.


• Bibliografia• Hugo Kubinyi-QSAR:Hansch analysis and

related approaches. VCH. ISBN 1-56081-768-2 • Biological correlations-The Hansch Approach,

Robert F. Gould, American Chemical Society, Series 114, Washington, 1972

• C. Avendaño, Introducción a la Química Farmacéutica, MacGrawHill-Interamericana, 2ª edición, Madrid 2001


• http://www.abq.org.br/cbq/2007/trabalhos/13/13-641-778.htm potencial electrostático de uma reacção química

• http://images.google.pt/imgres?imgurl=http://br.geocities.com/moniquebrito/poten.jpg&imgrefurl=http://br.geocities.com/moniquebrito/aplicacoes.html&usg=__o96-uBlrCpEwY1P7dwXYVD__k0Y=&h=241&w=299&sz=80&hl=pt-PT&start=8&tbnid=zdpHMubDo2TOTM:&tbnh=93&tbnw=116&prev=/images%3Fq%3Dpotencial%2Beletrost%25C3%25A1tico%2Bmolecular%26gbv%3D2%26hl%3Dpt-PT%26sa%3DX Imagens de Potenciais electrostáticos

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12º-Modelos moleculares tridimensionais

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