Aspectos especiais e temporais do problema do enovelamento protéico; - FIGUEIRÊDO, Pedro Hugo de (2006)
A maneira na qual uma proteína se enovela a partir de uma espiral aleatória para um estado nativo único, em um intervalo de tempo relativamente curto, é um dos problemas fundamentais da biofísica molecular. É bem aceito que esta estrutura tridimensional única, característica de cada proteína e de sua seqüencia de aminoácidos, determina as funções da proteína. Nesta Tese, duas abordagens distintas serão empregadas para estudar aspectos gerais deste problema: 1) uma modelagem estocástica da cadeia principal e de formação de estruturas secundárias, para explorar os aspectos espaciais do estado nativo; 2) uma modelagem de dinâmica molecular, para analisar e caracterizar estatisticamente a evolução temporal da energia conformacional, durante o processo de enovelamento. Na primeira abordagem, o modelo proposto gera uma cadeia principal com uma fração de estruturas secundárias através de um caminhante aleatório angular no espaço tridimensional, cuja trajetória, com passo de tamanho fixo e os ângulos diedrais (? e ?) das ligações peptídicas escolhidos por duas distribuições de probabilidades gaussianas, cujas médias estão associadas com as estruturas secundárias e a variância ?2 como um parâmetro ajustável do modelo. Este modelo permite construir uma grande variedade de cadeias distintas, desde aquelas totalmente aleatórias às condizentes com dados experimentais. Algumas propriedades geométricas de proteínas globulares compostas por uma fração f de ?-hélices e/ou fitas-? são particularmente estudadas. O comportamento de escala obtido para o raio de giração (Rg) em função do tamanho da cadeia (N); o grau de compactação (?); a distribuição do número de coordenação (zc) de carbonos C? na estrutura e a energia total envolvida, nestes contatos, foram explorados e comparados com dados extraídos de centenas de proteínas depositadas do wwPDB (worldwide Protein Data Bank). Os resultados encontrados mostram que, para a fração média f ~ 0.6 de estruturas secundárias (hélice-? e/ou fita-?), as cadeias geradas com distribuições de desvio padrão finito e próximo de ? ~ 0.15? são mais compactas do que aquelas construídas com outros pares de ângulos diedrais. Independente dos detalhes dos mecanismos físico-químicos subjacentes, a construção de cadeias principais de proteínas com método geral proposto nesta Tese sugere que tais estruturas são governadas por distribuições de probabilidades estreitas e a estocasticidade desempenha um papel fundamental na sua compactação. Na segunda abordagem, investigamos as propriedades multifractais de séries temporais da energia conformacional de pequenas estruturas em hélice-?, especificamente de uma família das polialaninas. Através do método de análise multifractal de flutuações destendenciadas (MF-DFA, do inglês multifractal detrended fluctuation analysis), estimamos o expoente de Hurst generalizado h(q) e os associados expoentes de escala multifractal ?(q), para diversas séries, geradas numericamente por simulações de dinâmica molecular de sistemas em diferentes conformações iniciais. As simulações foram realizadas utilizando-se o campo de força GROMOS implementado no programa THOR. Os resultados mostram que todas as séries analisadas exibem um comportamento multifractal que depende do número de resíduos e da temperatura do sistema. Além disso, as propriedades multifractais das séries revelam aspectos importantes sobre a evolução temporal do sistema e sugerem que o processo de nucleação de estruturas secundárias, durante às visitas da proteína à sua hiper-superfície de energia potencial conformacional, são essenciais no processo de enovelamento