A.4.7 - FÍSICO-QUÍMICA
Cálculo do efeito da água na estrutura eletrônica do Dinucleótido de Flavina e Adenina (FAD)
utilizando simulação QM/MM sequencial.
1
*Renan F. Guerra , Eduardo F. Franca²
1. Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Uberlândia - UFU; *[email protected]
2. Pesquisador do Instituto de Química da Universidade Federal de Uberlândia – UFU.
Palavras Chave: FAD, Efeito do Solvente, QM/MM Sequencial.
Introdução
As flavoproteínas utilizam a estrutura original e
versátil das porções de flavina para catalisar reações
1
redox bioquímicas de cinética lenta . O FAD é a mais
2
complexa e abundante forma de flavina exercendo papel
relevante como cofator de diversas enzimas (FADdependent) dado o seu elevado potencial de redução.
A Acetohidroxiácido Sintate (AHAS) enzima
inibidora de herbicidas, por exemplo, para sua atividade
necessita fundamentalmente de cofatores como o TPP e
2+
+
os íons Mg e K , mas também do FAD. No entanto, o
papel do mesmo na enzima, ainda permanece um enigma,
mas sabe-se que é essencial para a integridade estrutural
3
e atividade enzimática .
O presente trabalho objetivou estudar a
conformação estrutural e as propriedades moleculares da
molécula de FAD em solução aquosa, haja vista que os
meios líquidos podem afetar significativamente as
propriedades eletrônicas e conformacionais das moléculas.
Para tanto, foi utilizado um método híbrido de mecânica
quântica e mecânica molecular (clássica), conhecido como
QM/MM Sequencial, considerado adequado para estudos
com esse foco já que a região de interesse (FAD) é tratada
quanticamente e o meio no qual se encontra inserida
(solvente) é tratada por cálculos clássicos demandando
menor custo computacional que os métodos puramente
quânticos.
Resultados e Discussão
Inicialmente foi realizada uma simulação por
dinâmica molecular da estrutura do FAD em solvente
explícito (Single Point Charge – SPC), com parâmetros de
campo de força obtidos online pelo programa
4
SwissParam , inseridos
numa caixa de simulação
retangular a 1,5 nm do sistema mantido em ensemble
isotérmico-isobárico NPT (298 K e 1 bar). O programa
GROMACS 4.5.3 foi utilizado nas simulações com o
campo
de
força
CHARMM
2.7.
O tempo total de simulação foi de 4 ns. A cada ps de
simulação a estrutura eletrônica do FAD foi determinada
utilizado cálculos semi-empíricos single point, utilizando o
Hamiltoniano PM7 e o programa MOPAC 2012.
a)
O cálculo da raiz quadrada do desvio quadrático
médio (RMSD) aponta para um desvio máximo de 0,46 nm
relacionado a flutuações conformacionais da estrutura ao
longo da trajetória. Já o cálculo da raiz quadrada média da
flutuação (RMSF) das estruturas mostra que os grupos
centrais da molécula de FAD, ou seja, aqueles contendo
grupos sulfonados são os que apresentam menor
mobilidade estrutural.
Em relação aos orbitais de fronteira, HOMO e
LUMO, verificou-se que a variação estrutural resultou na
diminuição de energia em aproximadamente 0,295 eV.
Os orbitais HOMO encontram-se localizados no
agrupamento SO4 tanto para a estrutura inicial (Fig. 1a)
quanto para a mais estável (Fig 1b), no entanto, ocorre um
deslocamento diminuindo a extensão do mesmo de 5 para
apenas 2 átomos, conforme observa-se ao comparar as
representações das Fig. 1a e 1b.
Figura 2. Ligações de Hidrogênio (em vermelho)
responsáveis pela conformação da estrutura mais estável
A estrutura mais estável se apresenta numa
conformação mais fechada ocasionada pela ocorrência de
duas ligações de hidrogênio intramoleculares (Fig. 2) tempo de vida médio de 3,49 ps - com momento dipolar
em solução maior em 1,97 Debyes.
Conclusões
O método de QM/MM Sequencial permitiu a
descrição adequada do efeito do solvente explícito,
temperatura e pressão na estrutura eletrônica do FAD,
reafirmado a validade da metodologia híbrida no estudo
das propriedades termodinâmicas de moléculas com
elevado grau de liberdade como é o caso do FAD.
Portanto, as moléculas de água tratadas como cargas
pontuais amostraram conformações mais estáveis para a
estrutura do dinucleotídeo em questão. As informações até
então obtidas servem de base para o estudo da
importância da estrutura do FAD como cofator da enzima
AHAS.
b)
Agradecimentos
CNPq, FAPEMIG
____________________
1
Monteira, M. Cambridge, UK: The Royal Society of Chemistry. p. 94. 2013.
Macherouxd, P; Kappes,B.; Steven, E. EalickFEBS Journal. 278, p. 2625–
2634, 2011.
3
Mccourt, J. A. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Brisbane, 103 (3), p. 569-73,
2006.
4
Zoete, V.; Cuendet, M. A.; Grosdidier, A.; Micheelin, O. J. Comput. Chem.
32 (11), p. 2359-68, 2011.
2
Figura 1. Orbitais moleculares HOMO nas estruturas inicial (a) e
mais estável em solução aquosa (b).
67ª Reunião Anual da SBPC