Biofísica
Biologia estrutural
Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Resumo
Por que estudar proteínas?
Estruturas de proteínas
Modelagem molecular de proteínas
Modelagem de CDKs
Referências
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Por que estudar proteínas?
1) Identificar mecanismos de funcionamento de proteínas.
2)Protein folding
3) Evolução molecular
4) Modelagem molecular
5) Engenharia de proteínas
6) Desenho de drogas
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Aminoácidos
Glicina
Gly
G
Tirosina*
Tyr
Y
Alanina
Ala
A
Metionina
Met
M
Serina*
Ser
S
Triptofano*
Trp
W
Treonina*
Thr
T
Asparagina* Asn
N
Cisteina
Cys
C
Glutamina*
Gln
Q
Valina
Val
V
Histidina*
His
H
Isoleucina
Ile
I
Aspartato*
Asp
D
Leucina
Leu
L
Glutamato*
Glu
E
Prolina
Pro
P
Lisina*
Lys
K
Fenilalanina
Phe
F
Arginina*
Arg
R
* podem formar ligações de H
http://wfdaj.sites.uol.com.br
hidrofobicidade
Escala de hidrofobicidade de aa
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
W
I
F
L
C
M
V
Y
P
A
T
H
G
S
Q
N
E
D
K
R
aminoacidos
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Diagrama de Venn para aminoácidos
Cys
Val
Gly
Met
Phe
Trp
Thr
Ser
Tyr
Gln
Asn
Ala
Asp
Ile
Leu
Pro
wfdaj.sites.uol.com.br
Glu
Lys
His
Arg
BIOFÍSICA
Cadeia peptídica
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
K23
R124
-
E341
R385
Ângulos de torção
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Ângulos de torção
Na cadeia polipetídica a definição do
enovelamento da proteína depende dos ângulos
de torção anterior ao carbono alfa, chamado de
ângulo fi (phi em inglês) (), e do ângulo de
torção após o carbono alfa, chamado ângulo psi
().
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Diagrama de Ramachandran
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Diagrama de Ramachandran
Analysis for 2 previously solved crystallographic PNP
structures present 73.9 % of residues in the most favorable,
23.1% in the additional allowed regions, 1.6% in the
generously allowed regions, and 1.4 % in the disallowed
region.
wfdaj.sites.uol.com.br
In the present structure 87.7% of the residues are found to
occur in the most favored regions, 11.9% in the additional
allowed regions and only one residue in the disallowed
region of the plot.
BIOFÍSICA
Estrutura Secundária de Proteínas
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Hélice alfa
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Hélice 
Hélice 310
Hélice 
Fita 
Folha beta anti-paralela
C
N
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Folha beta anti-paralela
C
N
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Folha beta paralela
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Folha beta paralela
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Folha beta mista
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Parâmetros estruturais
Estrutura
()
()
n
d(Å)
p(Å)
Hélice 
-57
-47
3,6
1,5
5,4
Hélice 310
-49
-26
3,0
2,0
6,0
Hélice 
-57
-70
4,4
1,1
5,0
n: número de resíduos de aminoácido por volta da hélice
d(Å) = delocamento ao longo do eixo da hélice
p(Å) = passo da hélice (delocamento total de uma volta da hélice)
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Ângulos de torção da cadeia lateral
5  4  3  2 1
Lisina (Lys)
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Superestruturas
-Combinações de elementos de estrutura
secundária
-Podem envolver hélices e fitas-
-Caracterizam classes de proteínas
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Grampo beta (beta-hairpin)
C
N
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Grampo alfa (alfa-hairpin)
C
C
N
N
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Motivo beta-alfa-beta
N
C
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Níveis de estrutura protéica
Primária
Secundária
wfdaj.sites.uol.com.br
Terciária
Quaternária
BIOFÍSICA
Classificação de proteínas
segundo estrutura secundária e
terciária
Classe
Características
Examples

Estrutura secundária de hélice alfa
Mioglobina

Estrutura secundária de folha beta
Quimotripsina

Presença de --
PNP
+
Ausência de --
Papaína
estrutura (irregulares)
wfdaj.sites.uol.com.br
Ferrodoxina
BIOFÍSICA
SCOP (Structural Classification Of Proteins)
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/
Hierarquia do SCOP (Maio de 2002)
Nível
Número de casos
Classes
7
Folds
686
Superfamílias
1073
Famílias
1827
Domínios
39893
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
SCOP (Structural Classification Of Proteins)
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/
Família: Estruturas de proteínas que exibem clara relação
evolucionária.
Superfamília: Estruturas de proteínas que exibem provável origem
evolucionária comum.
Fold: Grande similaridade estrutural.
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
SCOP (Structural Classification Of Proteins)
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/
Classe
# folds
# superfamílias
# famílias

151
252
393

110
205
337
/
113
185
438
+
208
295
454
Multi-dom.
34
34
46
Membrana
12
19
31
Irregulares
58
83
128
Total
686
1073
1827
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/pdb.cgi
Exemplo:5nul
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/pdb.cgi
Protein: Flavodoxin from Clostridium beijerinckii
1. Root : scop
2. Class: Alpha and beta proteins ()
3. Fold : Flavodoxin-like
3 layers, a/b/a, parallel beta-sheet of 5 strand, order 21345
4. Superfamily : Flavoproteins
5. Family : Flavodoxin-related
binds FMN
6. Protein : Flavodoxin
7. Species : Clostridium beijerinckii
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Modelagem molecular de proteínas
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Paradigma da modelagem molecular por homologia
Se uma proteína apresenta estrutura primária similar, identidade
seqüencial acima de 30%, há grande probabilidade de conservarem
sua estrutura terciária. A existência de identidade entre duas seqüências
de proteínas, muitas vezes indica relação evolutiva.
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Modelagem de CDKs
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Exemplo: Modelagem da CDK1.
Alinhamento ( http://prodes.toulouse.inra.fr/multalin/multalin.html )
>
P
1
;
1
H
C
L
2
9
4
W
e
i
g
h
t
:
1
.
0
0
M
E
N
F
Q
K
V
E
K
I
G
E
G
T
Y
G
V
V
Y
K
A
R
N
K
L
T
G
E
V
V
A
L
K
K
I
R
T
E
G
V
P
S
T
A
I
R
E
I
S
L
L
K
E
L
N
H
P
N
I
V
K
L
L
D
V
I
H
T
E
N
K
L
Y
L
V
F
E
F
L
H
Q
D
L
K
K
F
M
D
A
S
A
L
T
G
I
P
L
P
L
I
K
S
Y
L
F
Q
L
L
Q
G
L
A
F
C
H
S
H
R
V
L
H
R
D
L
K
P
Q
N
L
L
I
N
T
E
G
A
I
K
L
A
D
F
G
L
A
R
A
F
G
V
P
V
R
T
Y
T
H
E
V
V
T
L
W
Y
R
A
P
E
I
L
L
G
C
K
Y
Y
S
T
A
V
D
I
W
S
L
G
C
I
F
A
E
M
V
T
R
R
A
L
F
P
G
D
S
E
I
D
Q
L
F
R
I
F
R
T
L
G
T
P
D
E
V
V
W
P
G
V
T
S
M
P
D
Y
K
P
S
F
P
K
W
A
R
Q
D
F
S
K
V
V
P
P
L
D
E
D
G
R
S
L
L
S
Q
M
L
H
Y
D
P
N
K
R
I
S
A
K
A
A
L
A
H
P
F
F
Q
D
V
T
K
P
V
P
H
L
R
L
>
P
1
;
c
d
k
1
2
9
7
W
e
i
g
h
t
:
1
.
0
0
M
E
D
Y
T
K
I
E
K
I
G
E
G
T
Y
G
V
V
Y
K
G
R
H
K
T
T
G
Q
V
V
A
M
K
K
I
R
L
E
S
E
E
E
G
V
P
S
T
A
I
R
E
I
S
L
L
K
E
L
R
H
P
N
I
V
S
L
Q
D
V
L
M
Q
D
S
R
L
Y
L
I
F
E
F
L
S
M
D
L
K
K
Y
L
D
S
I
P
P
G
Q
Y
M
D
S
S
L
V
K
S
Y
L
Y
Q
I
L
Q
G
I
V
F
C
H
S
R
R
V
L
H
R
D
L
K
P
Q
N
L
L
I
D
D
K
G
T
I
K
L
A
D
F
G
L
A
R
A
F
G
I
P
I
R
V
Y
T
H
E
V
V
T
L
W
Y
R
S
P
E
V
L
L
G
S
A
R
Y
S
T
P
V
D
I
W
S
I
G
T
I
F
A
E
L
A
T
K
K
P
L
F
H
G
D
S
E
I
D
Q
L
F
R
I
F
R
A
L
G
T
P
N
N
E
V
W
P
E
V
E
S
L
Q
D
Y
K
N
T
F
P
K
W
K
P
G
S
L
A
S
H
V
K
N
L
D
E
N
G
L
D
L
L
S
K
M
L
I
Y
D
P
A
K
R
I
S
G
K
M
A
L
N
H
P
Y
F
N
D
L
D
N
Q
I
K
K
M
-
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Saída do alinhamento.
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
CDK1+flavopiridol
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Modelagem da CDK9
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Alinhamento das sequências das CDK2 e 9
1 CDK2
2 CDK9
1
15 16
30 31
45 46
60 61
75 76
90
--------------- --------------- -----MENFQKVEKI GEGTYGVVYKARNKL TGEVVALKKIRLDTE TEGVPSTAIREISLL
--------------- -----MAKQYDSVEC PFCDEVSKYEKLAKI GQGTFGEVFKARHRK TGQKVALKKVLMENE KEGFPITALREIKIL
1 CDK2
2 CDK9
91
105 106
120 121
135 136
150 151
165 166
180
KELNHPNIVKLLDVI HT--------ENKLY LVFEFLHQDLKKFMD AS-------ALTGIP LPLIKSYLFQLLQGL AFCHSHRVLHRDLKP
QLLKHENVVNLIEIC RTKASPYNRCKGSIY LVFDFCEHDLAGLLS N--------VLVKFT LSEIKRVMQMLLNGL YYIHRNKILHRDMKA
1 CDK2
2 CDK9
181
195 196
210 211
225 226
240 241
255 256
270
QNLLINTEG----AI KLADFGLARAFGVPV RT----YTHEVVTLW YRAPEILLGCKYYST AVDIWSLGCIFAEMV TRRALFPGDSE---ANVLITRDG----VL KLADFGLARAFSLAK NSQPNRYTNRVVTLW YRPPELLLGERDYGP PIDLWGAGCIMAEMW TRSPIMQGNTE ----
1 CDK2
2 CDK9
271
285 286
300 301
315 316
330 331
345 346
360
-----IDQLFRIFRT LGTPDEVVWPGVTSM PDY-KPSFPKWARQD FSKVVPPLDED---- ----GRSLLSQMLHY DPNKRISAKAALAHP
-----QHQLALISQL CGSITPEVWPNVDNY ELYEKLELVKGQKRK VKDRLKAYVRDP--- ---YALDLIDKLLVL DPAQRIDSDDALNHD
1 CDK2
2 CDK9
361
375 376
390 391
405 406
420 421
435 436
450
FFQDVTKPVPHLRL- --------------- --------------- --------------- --------------- --------------FFWSDPMPSDLKGML STHLTSMFEYLAPPR RKGSQITQQSTNQSR NPATTNQTEFERVF- --------------- ---------------
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
CDK2+Flavopiridol
De Azevedo et al., PNAS. 1996
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
CDK2+Flavopiridol
wfdaj.sites.uol.com.br
CDK9+Flavopiridol
BIOFÍSICA
CDK2+Flavopiridol
wfdaj.sites.uol.com.br
CDK9+Flavopiridol
BIOFÍSICA
Ligações de hidrogênio intermoleculares.
Inibidor
Staurosporine
Distância entre
inibidor e C=O do
Glu81 (Å)
2.75
Distância entre
inibidor e N-H da
Leu83 (Å)
2.63
Distância entre
inibidor e C=O
da Leu83 (Å)
NO
Purvalanol B
3.73
3.18
2.54
Hymenialdisine
2.76
2.74
3.17
NU2058
2.57
3.11
2.34
NU6027
2.84
2.97
2.49
U55
NO
3.30
2.74
PKFO 49-38
2.71
3.13
3.27
Deschloroflavopirido
2.86
2.91
NO
Roscovitine
NO
3.38
2.82
Olomoucine
NO
2.94
2.65
Isopentenyladenine
NO
3.39
NO
Indirubin
3.04
2.72
3.10
l
NO: Não Observada
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
CDK2+Flavopiridol
wfdaj.sites.uol.com.br
CDK9+Flavopiridol
BIOFÍSICA
CDK2+Flavopiridol
wfdaj.sites.uol.com.br
CDK9+Flavopiridol
BIOFÍSICA
Parâmetros estruturais para CDK e flavopiridol.
Parâmetros
CDK2
Superfície de contato entre a
320
2
CDK e o flavopiridol (Å)
Número de ligações de
5
hidrogênio entre CDK e
flavopiridol
Principais resíduos envolvidos Lys 33, Asp
no contato da CDK com o
89, Cys 91,
flavopiridol
Asn 139,
and Asp152
0.4
IC50 (M)
CDK9
332
6
Lys33,
Glu81,
Leu83, and
Asp152.
0.2
De Azevedo et al., Biochemical and Biophysical Research Comm., 293, 566-571 (2002).
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Trabalho
1) A poli-L-leucina em um solvente orgânico como o dioxano fica em hélice , mas não a
poli-L-isoleucina. Por que esses aminoácidos com os mesmos números e tipos de átomos
têm diferentes tendências de formação de hélice?
2) A tropomiosina, uma proteína muscular de 70 kd, é uma superfície bifilamentar de
hélices . Qual é o comprimento dessa molécula? Considere que a translação por
aminoácido em uma hélice  é de 1,5 Å.
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA
Referências
Canduri, F. & De Azevedo, W. F. Jr. Structural Basis for interaction of
inhibitors with Cyclin-Dependent Kinase 2. Current Computer-Aided Drug
Design 1, 53-64, 2005.
Alberts, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora,
Porto Alegre, 2004 (Capítulo 3).
wfdaj.sites.uol.com.br
BIOFÍSICA