cartoon only # renderiza como "cartoon"
color structure # modifica a coloração do modelo em função de sua estrutura 2a.
spin 10 # rotaciona o modelo a determinada velocidade
spin off # para interromper a rotação6 Proteínas
6.1 O que tem na página do PDB (RSBC - Protein Data Bank)
O banco de dados PDB consiste no maior repositório digital de proteínas, contando hoje com quase 200 mil estruturas macromoleculares depositadas a partir de dados de difração de raios-X e ressonância magnética nuclear, e empregados para pesquisa e educação. Acesse a página e veja seu conteúdo.
Acesse a página do PDB e digite no campo de busca 1AL1 (tanto faz se maiúscula ou minúscula). Também é possível renderizar a estrutura no JSmol diretamente, digitando load=1al1 na janela que se abre abaixo.
Se desejar um link direto experimente 1AL1.
Verifique que o modelo carregado na página do PDB refere-se uma estrutura denominada alfa-hélice. Existem informações variadas e links para acesso à informação da estrutura, tais como as abas Structure summary, 3D View, Sequence, e as caixas Macromolecules, Small molecules (ligantes, resíduos modificados), ou Experimental data (como foram obtidos os dados). Em Macromolecules, por ex, verá que a estrutura 1AL1 revela um peptídio de sequência ELLKKLLEELKG, considerando as abreviações de uma letra para aminoácidos. No canto superior direito, é possível baixar a estrutura (Download files) em diversos formatos, incluso o formato PDB, que é lido pelo Jmol e outros visualizadores moleculares. Na aba Experiment é possível se identificar como foram obtidos os dados (metodologia).
6.2 O que tem no arquivo PDB
Utilizando-se o sítio do PDB, o Jmol ou o applet JSmol, baixe no computador ou dispositivo móvel o arquivo 1acj.pdb. Abra o arquivo num editor de texto simples e observe as informações de cabeçalho (header), o composto (compnd), a fonte (source), o dado experimental de origem (expdta), autores, data de revisão, periódico em que foi publicada a estrutura, resolução, e demais dados.
Ilustrando-se dinamicamente o modelo, carregue o arquivo 1acj.pdb no JSmol.
Observe agora no arquivo de texto a informação que consta em uma grande tabela cuja primeira coluna possui o termo ATOM. Trata-se da informação estrutural de todos os átomos do composto (veja que a 1acj, acetilcolinesterase, possui 4193 átomos no cristal !)
Logo abaixo encontra-se outra tabela, esta começando com a coluna HETAM, e referente à informação estrutural de um composto formado por heteroátomos, ou seja, átomos que não participam da estrutura da proteína, como por exemplo, um ligante.
Nessas duas tabelas a última coluna refere-se ao tipo de átomo, e a penúltima ao fator de temperatura (B-factor). Esse fator exprime valores elevados (>50) quando o átomo encontra-se em alta vibração (superfície da proteína, por exemplo, pelo contato com o solvente) ou baixos, quando a vibração é reduzida (interior da proteína, por conseguinte). A coluna logo a seguir refere-se ao grau de ocupação (occupancy) do átomo no cristal; 1.00 indica a mesma conformação para os átomos, enquanto valores distintos indicam múltiplas conformações.
As três colunas anteriores referem-se às coordenadas X,Y e Z de cada átomo, as quais são utilizadas para a construção tridimensional da estrutura e cálculos geométricos (distância interatômica, por ex).
6.3 Visualizadores 3D da Página do RCSB - PDB
O portal de moléculas do PDB também possui visualizadores para modelos renderizáveis a partir do arquivo da estrutura PDB. Verifique isso na página principal do RSCB-PDB. Digite 1mbo ou qualquer outro identificador PDB no campo de busca vá à aba 3D View. Observe que o modelo apresenta-se renderizado tridimensionalmente. Este é um aplicativo do próprio site do PDB, e cuja implementação tem por base o visualizador Mol* desenvolvido pela Molstar.
Por outro lado, indo ao canto inferior direito da página, é possível a observação da estrutura renderizada por outros dois programas, em Select a different viewer: NGL (WebGL), e o próprio JSmol !
6.4 Anatomia Geral de Uma Proteína
Abra o Console e baixe o arquivo que segue do banco de estruturas, ou ainda pela página do próprio PDB:
De que estrutura se trata ? Domínio da frutose-1,6-bifosfatase de rim suíno complexada a um ligante (veja a informação do Console pelo Jmol, ou pelo sítio do PDB, ou ainda pelo comando show file já visto. Apesar de refletir uma molécula apenas, o modelo não permite distinção de peculiaridades da estrutura. Nesse sentido, experimente as ações abaixo para uma melhor visualização e estudo, colando cada linha no Console e executando uma por vez.
Em qualquer estrutura proteica em meio aquoso, os resíduos de aminoácidos hidrofóbicos tendem a situar-se no cerne (interior) da proteína, ao passo que os polares em sua superfície. Para testar isso, visualize a proteína seguindo o trecho de código abaixo.
spacefill only; select hydrophobic; color green; select positive; color blue; select negative; color red; select aromatic; color magenta # distribui cores para classes de aminoácidos
rotate # observe a distribuição de resíduos carregados e aromáticos
slab on; slab 50 # realiza um corte sagital nos orbitais atômicos (fatiamento, 50% no caso)
slab off # retirada do recurso de fatiamentoPara visualizar a estrutura da proteína com renderizações distintas, experimente:
backbone only; backbone 50
trace only; trace 1006.4.1 Hierarquia estrutural de proteínas
No intuito de se facilitar a observação e estudo de partes de uma proteína, sua estrutura é didaticamente subdividada em sequências (ou estruturas), de primária à quinquenária.
6.4.1.1 Estrutura primária
A estrutura ou sequência primária de uma proteína é definida pela sequência de seus resíduos de aminoácidos, numerados da extremidade amino terminal (-NH\(_{2}\)) à carboxi terminal (-COOH).
Para visualizar a estrutura primária da enzima em estudo, digite: show sequence.
O conhecimento da sequência primária de uma proteína permite grande diversidade de cálculos preditivos estruturais, incluindo sua massa molecular, ponto isoelétrico (pI), características de polaridade e anfipaticidade, bem como sua predição estrutural no espaço tridimensional.
6.4.1.2 Estrutura Secundária
A estrutura secundária de proteínas é formada basicamente por hélices, dobramentos (folhas) e alças. A identificação de cada é facilitada pelo visualizador, como mostrado acima (comando color structure). Quando a alça é formada por menos de seis resíduos e provoca uma mudança brusca na direção da cadeia polipeptídica, constitui uma volta.
Para um estudo interativo da estrutura secundária, carregue o arquivo 8cat.pdb. Como a visualização inicial padrão no Jmol é de ball&stick (bolas&varetas), experimente:
restrict protein;cartoon only; color structureTrata-se da catalase bovina, enzima com atividade hidroperoxidase, comumente presente em hemácias. A representação default (por definição) da coloração structure confere cor amarela às folhas, vermelha às helices e branca às voltas.
Para confirmar essas estruturas, digite:
show info # informações de cadeias e estrutura 2a. no modeloTambém existem outros tipos de estruturas secundárias além das mencionadas. Para visualizá-las além da coloração padrão, é necessário que o programa calcule as estruturas secundárias por um algoritmo interno denominado DSSP - Define Secondary Structure . Para tanto:
calculate structureObserve que o modelo da proteína desapareceu. Para voltar a visualizá-la, digite ou volte com as setas do teclado para o comando de representação por cartoon e coloração por estrutura (cartoon only; color structure).
Veja agora que, após o cálculo pelo algoritmo de estruturas secundárias, a imagem sofreu alterações, surgindo novas cores, púrpura para algumas hélices e azul para algumas voltas. Essas estruturas possuem uma identificação codificada como abaixo, e visualizada pelo Console em cada trecho:
H - alfa-hélice
E - fita estendida de um beta-folha
T - volta com ligação de H
B - resíduo em ponte beta isolado (somente duas ligações H)
G - hélice 3/10
I - hélice pi
S - torsão (mudança mínima de 70 graus na curvatura da estrutura)6.4.1.2.1 Dobramentos ou beta-folhas
Dobramentos ou folhas podem ser paralelos ou antiparalelos, os primeiros mais comuns pela natureza própria da estrutura primária. Para visualizar um dobramento paralelo, carregue 2pec.pdb)
Forneça uma visualização prática por cartoon ou rockets, e uma coloração por grupo:
cartoon only # ou rockets only
color group # ou Group, ou groups, ou GroupsEsse esquema de coloração tinge a proteína da região amino terminal (NH\(_{2}\)-t) em azul para a região carboxil terminal (COOH-t) em vermelho.
Para melhor compreensão da estrutura secundária, carregue o arquivo 2lyz.pdb referente à lisozima, uma hidrolase de glicanos. E em seguida:
show info # observação das estruturas 2as.
cartoon only; color structure
calculate structure # algoritmo para otimização de estruturas 2as.
cartoon only; color structure # basta clicar na seta pra cima no teclado para recuperar a linha de comando
Agora...
restrict 42-60 # restrinje a visão de folhas beta na proteína a uma determinada regiãoObserve que a folha selecionada possui uma direção antiparalela; se não estiver claro, altere a renderização para:
rockets only
spin 20 # spin off para desligar
wireframe only; wireframe 50; color cpk
calculate hbonds; hbonds 0.2 # visualização das ligações de H na estrutura
zoom 1506.4.1.2.2 Hélice alfa
A primeira estrutura 2a. de proteínas teve sua conformação observada por Linus Pauling and Robert Corey em 1950 a partir das coordenadas atômicas do modelo de mioglobina. Sua conformação abrange as cadeias laterais voltadas para fora do eixo da hélice, também mantida em equilíbrio por ligações de H. Dando sequência ao modelo da catalase, o mesmo pode ser realizado para o entendimento das ligações de H em uma hélice alfa. Para tanto, retorne à estrutura original e realize as modificações que seguem:
Veja que surgiram os códigos estruturais no Console e colorações distintas na imagem.
select all; cartoon only; color structure; zoom 0
calculate structure
cartoon only; color structure # visualiza-se as estruturas 2as calculadasAgora selecione uma \(\alpha\)-hélice. Para isto, veja que no Console, as \(\alpha\)-hélices estão representadas por H, como já explicado. Escolha uma região contendo H e restrinja sua observação. Você pode selecionar uma com a região descrita no Console (por ex: H : A:109_A:114), ou clicar no ínicio e final de uma hélice que deseja na imagem, conferindo a posição do resíduo de aminoácido no Console. Exemplificando:
restrict 26-36 # restringe a visualização a uma alfa-hélice selecionada
wireframe 50; color cpk
calculate hbondsRotacione a molécula e veja como se distribui a cadeia lateral dos resíduos na estrutura. Uma \(\alpha\)-hélice possui 3,6 resíduos por volta em média, e com passo de 0,54 nm (distância axial entre duas voltas). Essa distância pode ser conferida com dantes, clicando-se duas vezes num ponto da volta, arrastando-se o mouse para o ponto da próxima volta na mesma linha, e clicando-se neste. Por fim, observe como também se distribuem as ligações de H. Também existem outros tipos de hélices, como a hélice 3/10, a ser explorada na seção sobre Estrutura Terciária.
6.4.1.2.3 Diagrama de Ramachandran
Em síntese o diagrama de Ramachandran refere-se a um gráfico representado no plano indicando os valores dos ângulos diedrais potenciais para a formação de \(\alpha\)-hélice, folhas-\(\beta\) e voltas, sendo bastante utilizado na predição estrutural de proteínas. Para observá-lo digite no Console:
load=9pap # carrega o odelo da papaína, enzima proteolíca do mamão
plot rama # ou...plot ramachandran A representação cromática pode ser interpretada no Jmol com o mesmo esquema de cores da renderização original. Dessa forma, folhas-\(\beta\) são colorizadas em amarelo, \(\alpha\)-hélices em vermelho, e hélices 3/10 em púrpura. Observe o teor de folhas beta e de \(\alpha\)-hélices em quadrantes distintos, e dependente dos ângulos diedrais \(\phi\) e \(\psi\).
Observe também o espalhamento de pontos brancos fora dessas regiões. Clique em algumas que estão fora e identifique o aminoácido. Não por acaso, há um grande número de resíduos de Gly, provavelmente participando de estruturas secundárias de voltas. Você pode generalizar essa visualização por display gly. E também pode verificar onde encontram-se esses resíduos na estrutura tridimensional da proteína digitando model 1. Agora, retorne à representação original:
plot rama;
display all;Memorize a região coberta por hélices alfa (vermelha), e identifique os resíduos de Pro:
display all;
display proObserve que apenas um resíduo de Pro encontra-se numa região de predição de hélice alfa. Na prática, Pro não participa de hélices alfa por possuir um anel de pirrolidina na cadeia lateral, o qual bloqueia a orientação dessa estrutura, um impedimento estérico.
Outras representações de propriedades são também possíveis com o Jmol, como explicitado no capítulo Comandos, tais como massa, hidrofobicidade, carga parcial. Para ilustrar um plot tridimensional dos ângulos diedrais em função do número do resíduo, por exemplo, digite:
plot properties phi psi resnoO portal do Proteopedia possui um link interativo bem interessante para aprendizado do Diagrama de Ramachandran denonminado Ramachandran Plot Inspection.
6.4.1.2.4 Estruturas supersecundárias
Possuem esse nome por situar-se numa organização intermediária entre as secundárias e as terciárias. Trata-se de uma combinação de poucas estruturas secundárias com arranjo geométrico específico (motivos). Como exemplo inicial, carregue o arquivo 1yme.pdb, referente à enzima carboxipeptidase.
cartoon only;color structure
restrict 61-108 # restrição visual para uma estrutura supersecundária
backbone only; backbone 100; color grey
spin 15Essa estrutura é formada por uma unidade beta-alfa-beta. Com um pouco de criatividade a imagem parece assemelhar-se a um grampo. Não à toa, sua definição estrutural é grampo de cabelo” ou hairpin, no original. Outro grampo apresentado pela carboxipeptidase, numa visualização distinta, pode ser obtido por: restrict 201-242; rockets only; color structure.
Agora restrinja a imagem à outra estrutura supersecundária:
restrict 73-102; cartoon only; color structureEmbora esteja inserida em um estrutura supersecundária alfa-beta-alfa, trata-se de um motivo, estrutura que se repete em larga extensão em proteínas. No caso, o motivo alfa-volta-alfa, ou grampo alfa-alfa.
Outra estrutura supersecundária curiosa até no nome é o sanduiche beta apresentado pela estrutura 1bmw.pdb. Efetue a renderização padrão de cartoon e coloração por estrutura, e observe a razão do nome pela justaposição de duas folhas beta antiparalelas.
É possível conhecer todas as estruturas secundárias e motivos de uma proteína por um sítio correlato ao PDB: PDBSum Database. Acesse-o, busque a carboxipeptidase (1yme), escolha a aba Protein, e veja a riqueza de estruturas secundárias e motivos da carboxipeptidase, todos com links para outras informações e sítios correlatos na internete.
Para interagir com o Jmol carregado com a carboxipeptidase acima, selecione no sítio do PDB Sum a estrutura beta hairpin clicando em seu link na aba Protein. A janela aberta informa que esse grampo beta} vai do resíduo Val33 a Arg40. Pois bem, identifique-o selecionando no Jmol, marcando antes a proteína com representação de arame. Dica: copie e cole o trecho de código abaixo no Console Jmol/JSmol. Separando-se os comandos por ponto-e-vírgula em linhas sucessivas simula-se o Script Editor no próprio Console.
select all;
backbone only;
color grey;
select 33-40;
wireframe only;
wireframe 50;
color magenta Para uma outra estrutura supersecundária, carregue agora o arquivo 1kt7.pdb, proteína ligadora de retinol. Visualize-a como de praxe em cartoon. Gire a estrutura. O trecho em amarelo compreende a estrutura supersecundária denominada barril-beta.
Da mesma forma também existe o barril-alfa. Para visualizá-lo, carregue o modelo 3lay.pdb, uma sequência da proteína ligadora de zinco em salmonela. Experimente a renderização padrão (estrutura e coloração) e rotacione a molécula.
Outra estrutura supersecundária muito comum na interação com fendas de ácidos nucleicos é denominada hélice-volta-hélice. Um exemplo pode ser encontrada no domínio da proteína ligadora de DNA do repressor lac, 1lcc.pdb. Carregue a estrutura, forneça uma visualização adequada, e veja como se dá sua interação com a molécula de DNA.
Várias outras estruturas supersecundárias podem ocorrer nas proteínas, exemplificando o dedo de zinco, o zíper de leucina, a mão EF, e a chave grega.
O dedo de zinco e o ziper de leucina são comumente encontrados na interação com DNA. Experimente carregar 1aay.pdb e digitar ou copiar/colar a sequência:
cartoon only;
color structure;
select hetero and not solvent;
spacefill 300;
color cpkJá para se ter uma ideia do ziper de leucina, carregue 1ysa.pdb e digite:
cartoon only;
color structure;
select leu;
spacefill 300;
color cpk
select positive;
wireframe 100;
color lightblueAlém do caráter anfipático das hélices, sua interação com o DNA dá-se por resíduos positivos frente à natureza ácida da dupla fita.
Por sua vez, a chamada mão EF é um motivo encontrado comumente em proteínas ligadoras de íons cálcio, tais como a calmodulina, 1cll.pdb. Carregue a estrutura, forneça a visualização de costume e digite:
select hetero and not solvent;
spacefill 300;
color cpkClicando em uma esfera verde, surge no Console sua identificação, um átomo de cálcio. Para destacar o motivo, digite:
select 117-147;
color white Como já deve ter percebido, esse motivo é semelhante ao de hélice-volta-hélice, mas distingui-se desse por ser específico de ligações com cálcio.
A chave grega, outra estrutura supersecundária, compreende um arranjo de fitas antiparalelas, e pode ser visualizada em 1a2t.pdb, uma nuclease de estafilococo. Sua observação é um pouco difícil, portanto é necessário uma coloração mais específica, como segue:
(efetuá-la após a visualização de praxe):
select all;
cartoon only;
color structure;
select 7-19;
color red;
select 21-28;
color red;
select 29-36;
color green;
select 71-77;
color blueObserve que a primeira e a segunda fita em vermelho estão num arranjo antiparalelo entre si. A terceira fita em verde encontra-se antiparalela à primeira (vemelha), esboçando a chave grega. O desenho metafórico de uma chave grega, entretanto é melhor comparado à sua estrutura bidimensional encontrada em livros-texto.
6.4.1.3 Estrutura Terciária
A estrutura terciária é composta por uma única cadeia polipeptídica num arranjo tridimensional. Apesar de existir um número virtualmente infinito de possibilidades desses arranjos, as proteínas são por vezes classificadas em grupos com similaridade funcional ou estrutural comum, e mesmo filogenética.
6.4.1.3.1 Conservação
Para se ter uma ideia da conservação estrutural terciária de proteínas, carregue a estrutura da proteína transportadora de elétrons citocromo c, e a partir de 3 fontes: peixe, arroz, e levedura de padaria. Nesse caso, como trata-se de arquivos carregados a partir de mídia física, é necessário realizar seu download prévio no diretório raiz do programa (ou naquele tornado raiz, pelo comando cd ?.
# Download das estruturas:
load=5cyt.pdb;write 5cyt.pdb
load=1ccr.pdb;write 1ccr.pdb
load=1ycc.pdb;write 1ycc.pdb
# Carregamento dos modelos
load files "5cyt.pdb" "1ccr.pdb" "1ycc.pdb"
# Representação das três estruturas com cores distintas e no mesmo ecrã:
frame* # todos os modelos no mesmo ecrã
select all;
trace only;
select 1.1; color white; # cit. c de peixe
select 2.1; color green; # cit. c de arroz
select 3.1; color blue # cit. c de levedura Rotacione as estruturas e veja a conservação das mesmas em filos distintos.
Está com dificuldade em perceber a conservação ? O Jmol permite uma animação das moléculas, útil para alinhamento estrutural. Para tanto, digite ou copie/cole no Console:
compare {1.1} {2.1} rotate translate 2; # rotação e translação conjugadas entre cit. c de peixe e arroz
compare {3.1} {2.1} rotate translate 2; # rotação e translação conjugadas entre cit. c de levedura e arroz
reset # centraliza os modelos
zoomto 0.5 *1.5 # aumenta o tamanho dos modelos progressivamente para 50% a mais, e a uma taxa de 0,5s por vez
spin 15 # rotação
delay 10; # tempo de 20s de aguardo
spin off # desligamento da rotaçãoSe você chegou até aqui executando os dois trecho de código acima, parabéns ! Acaba de “rodar” scripts que automatizam a observação e análise estrutural, uma grande vantagem do Jmol.
6.4.1.3.2 Estabilidade conformacional
Proteínas podem ser classificadas como globulares e fibrosas. Para o estudo de uma proteína globular, carregue a papaína, 9pap.pdb. Omita a visualização do solvente e visualize-a como arame, e rotacione o modelo:
restrict protein;
wireframe only; wireframe 50
spin on # para parar, "spin off"Quantos resíduos de aminoácidos a papaína possui e qual sua sequência primária ?
show sequence # apresenta a sequência 1a.
show info # apresenta a sequência 2a.Como uma proteína pode estabilizar-se conformacionalmente ? Por forças covalentes e forças fracas. As primeiras residem na ligação peptídica presente na estrutura, em número de n-1 resíduos de aminoácidos, bem como na proximidade de dois grupos tiol de resíduos de Cys, formando ligações dissulfeto. Essas ligações estão representadas em amarelo na estrutura, mas podem ser destacadas digitando-se ou colando-se o trecho de código que segue:
trace only;
ssbonds on;
set ssbonds backbone;
ssbonds 100Para visualizar os resíduos envolvidos na ligação bem como os tiois livres restantes, selecione apenas Cys. Na papaína, todas as Cys estão envolvidas na formação da ligação dissulfeto:
ssbonds off;
select cys;
wireframe 100;
color cpkVisualize agora as ligações de hidrogênio contidas na estrutura:
restrict protein;
trace only;
calculate hbonds
set hbonds backbone # permite associar as ligações de H ao esqueleto carbônico (alternativa: "set hbonds sidechain)Se girar manualmente a molécula perceberá ainda uma distribuição de ligações H entre folhas beta e hélices alfa da estrutura secundária da proteína. Para desligar as ligações de H: hbonds off.
Como todo átomo interage com outro por forças de dispersão ou deslocalização eletrônica (van der Waals e London), experimente visualizar as nuvens de van der Waals com:
dots on # "dots off" pra retirar a superfície de VDWInterações eletrostáticas também contribuem para a estabilização da proteína, como pode ser observado digitando-se:
trace 10;
select charged;
wireframe 50;
color yellowObserve girando a estrutura que esses resíduos carregados encontram-se mais na superfície da proteína. Identifique as cargas opostas desses resíduos, bem como os de natureza hidrofóbica por:
select positive;color blue;select negative; color red # resíduos ácidos e básicos
select aromatic; wireframe 50; color green # resíduos hidrofóbicosO efeito hidrofóbico (ou interação hidrofóbica) participa como força fraca complementar para a conformação nativa da proteína, como pode ser observado inicialmente pelo posicionamento dos resíduos aromáticos identificados no modelo. Generalizando para todos os resíduos hidrofóbicos, é possível perceber sua contribuição maciça para a estabilidade da proteína Pode-se também discernir entre os hidrófóbicos os resíduos aromáticos:
select trp;color magenta;select phe; color pink;select tyr;color aquamarineVeja que enquanto Tyr fenólico interage com o solvente, Trp indólico permanece principamente no cerne proteico. :
A estabilidade conformacional de uma proteína é portanto ditada por forças fortes e fracas entre seus átomos e o solvente, num arranjo tridimensional que depende das rotações permitidas em torno de cada resíduo de aminoácido. Analisando-se os ângulos diedrais phi e psi em torno da ligação peptídica (vide capítulo de Peptídios), é possível efetuar uma predição de estrutura terciária baseada na estrutura primária da molécula. De modo mais preciso, contudo, é possível a predição da estrutura secundária, tal como representado pelo diagrama de Ramachandran.
6.4.1.3.3 Grupos prostéticos
Várias proteínas dependem funcionalmente de estruturas orgânicas de origem distinta dos aminoácidos, os grupos prostéticos (apoproteína+grupo prostético = holoproteína). Para exemplificar, carregue o pigmento respiratório mioglobina, 1mbo.pdb. –>
Desapareça com o solvente, represente-a como traço e ressalte o grupo prostético. Para identificar esse último faz-se necessário conhecer a que grupo pertence no modelo: show groups. Nesse caso, o grupo aparece nominado como hem.
restrict protein;
trace only;
trace 30;
select hem;
wireframe 100;
color cpk
spin 20;
delay 10;
spin offO grupo prostético da mioglobina (e também da hemoglobina e de alguns citocromos) configura um anel de porfirina ou grupo heme) formado por justaposição de quatro anéis pirrólicos, tendo o átomo de Fe como central para a interação com o oxigênio molecular. Para ressaltar esse oxigênio, procure o grupo a que pertence, como feito acima.
select oxy;spacefill 200Isole o grupo heme da proteína com o oxigênio molecular, aproxime-o, e
observe sua estrutura junto à molécula de \(O_{2}\).
restrict (hem,oxy) and not protein;
zoom 0Observe como a estrutura do grupo heme coordenado com o oxigênio é planar. Isso decorre da ligação do O\(_{2}\) com o Fe(III) da porfirina da metamioglobina, resultando em Fe(II)-O\(_{2}\), e convergindo a conformação ligeiramente curva do anel para planar.
6.4.1.3.4 Proteínas fibrosas
Outro grande grupo ao lado de proteínas globulares é o de proteínas fibrosas. Para exemplificá-lo, carregue a estrutura do colágeno, 1cgd.pdb, elimine o solvente, e visualize o modelo em traço e por coloração de cadeias:
restrict protein;
trace only;
trace 100;
color chainGire a estrutura e perceba o entrelaçamento de 3 fitas. Verifique se a estrutura secundária coincide com sua observação por show info. Observe que não há voltas nem dobramentos.
Mostre os resíduos de aminoácidos por show groups. Veja que a molécula é composta apenas de Gly, Ala, Pro, e Hyp (hidroxiprolina). Esse entrelaçamento compreende as hélices 3/10 do colágeno. Forneça a sequência primária por show sequence e observe como esses resíduos estão distribuidos.
Observe também como seu estiramento é maior que o de hélices alfa, restringindo a observação à cadeia C somente: restrict :C. Na hélice 3/10 do colágeno o passo é de 0,94 nm (maior, portanto, que para \(\alpha\)-hélice, 0,54 nm). Para verificar isso, basta dar um duplo clique com o botão direito do mouse numa parte da hélice, e arrastar para outra parte, até cobrir aproximadamente 0,9 nm.
Por fim, veja como estão distribuidas as ligações de H na estrutura:
calculate hbonds;
hbonds 50;
color hbonds yellow;
hbonds 0.5Agora carregue outra proteína fibrosa, fibroína do bicho-da-seda, 1slk.pdb. Observe inicialmente a estrutura sem a visualização didática por cartoon ou similar. Em uma primeira visão, parecem existir hélices alfa ? Confira com show info. Veja que existem 15 cadeias polipeptídicas na molécula. Para distingui-las, color chain. Como você espera que seja a interação entre as cadeias ?
calculate hbonds;
set hbonds backbone;
hbonds 50;
color hbonds whiteQual a composição de aminoácidos (show groups) ? Veja que a estrutura é composta por um homopolímero de Ala e Gly, além de um N-terminal acetilado (ACE) e um C-terminal metilaminado (NME) em cada cadeia. Agora restrinja a visão apenas para quatro cadeias, Para melhor visualização, selecione um plano de fundo branco: (e como as ligações H estão também brancas: ). Agora : . Rotacione a estrutura e observe seu paralelismo. Trata-se de que estrutura secundária ? Digite: rockets only. Observe a orientação antiparalela do trecho de folha-\(\beta\) representada.
Agora carregue a principal cadeia da piruvato quinase felina, 1pkm.pdb. Visualize-a como de praxe, gire a molécula e descubra quantos domínios possui. Veja que cada domínio constitui uma unidade compacta distinta. Pra facilitar:
select 116-219;color blue;
select 1-115;color green;
select 220-388;color red;
select 389-530;color pinkPor vezes os domínios podem constituir estruturas muito similares, embora em proteínas bem distintas. Para observar isso, carregue a lactato desidrogenase microbiana 1ldn.pdb. Se obtiver a informação da estrutura (show info), verá que o modelo é constituido por duas moléculas cristalografadas. Adicione ao quadro (frame) a succinato desidrogenase também microbiana 1emd.pdb. Para esse carregamento adicional, é necessário que a estrutura já esteja no diretório raiz do Jmol. Para isso, carregue a estrutura normalmente e salve-a clicando com o botão direito do mouse e selecionando File, Save. Para adicionar a estrutura à molécula anterior:
load append "1emd.pdb" # comando para adicionar modelos ao ecrã do programaColoque ambas as moléculas mesmo quadro, visualize-as em fitas (cartoon), mas com cores distintas, e limite a piruvato quinase à sua cadeia A, ampliando a imagem final:
frame*
select all; cartoon only; select 1.1; color white; select 2.1; color green
select 1.1; restrict :A
zoom 0Finalmente, alinhe as estruturas dos domínios e rotacione as moléculas para visualizar sua similaridade:
compare {2.1} {1.1} rotate translate 2Veja que, embora as enzimas de origem microbiana atuem sobre substratos distintos, as cadeias possuem domínios estruturalmente semelhantes
6.4.1.4 Estrutura Quaternária
Esse nível adicional de organização (hierarquia estrutural) já foi comentado nas seções anteriores. A estrutura quaternária compreende proteínas com mais de uma cadeia polipeptídica (colágeno, hemoglobina, IgG, por ex). Existe também a estrutura quinquenária, a qual corresponde a associações supramoleculares formadas pela combinação de cadeias polipeptídicas entre si (complexos proteicos), ou com cadeias nucleicas (nucleoproteínas), ou lipídicas (biomembranas).
Constituem dímeros, trímeros, e oligômeros, de modo geral, cada qual podendo exercer funções semelhantes ou bem distintas entre seus monômeros. Funcionalmente, proteínas quaternárias possuem por vezes ações complexas interligadas, diversos sítios ativos exibindo cinética sequencial, bem como sítios de interação com ligantes naturais para modulação de sua atividade biológica.
6.4.1.4.1 Hemoglobina
Entre as estruturas quaternárias mais descritas encontra-se a hemoglobina, uma dentre várias proteínas de transporte de oxigênio, como leghemoglobinas (leguminosas), clorocruorinas (anelídeos), hemeritrina e hemocianina (invertebrados). A hemoglobina humana pode ser carregada pelo arquivo 1thb.pdb. Visualize-a como cartoon ou trace, e coloração por estrutura (color structure).
Qual a estrutura predominante ? Existem dobramentos ? Quantas cadeias possui ? Certifique-se com show info.
A hemoglobina existe em duas conformações} distintas, T (baixa afinidade por O\(_{2}\)) e R (alta afinidade por O\(_{2}\)). O equilíbrio entre esses estados resulta na cooperatividade de sua ligação com as quatro moléculas de O\(_{2}\). Nesse arquivo PDB, a hemoglobina (Hb) está ligada ao O\(_{2}\) em apenas duas cadeias, mas cristalizada na conformação T.
Diferentemente da mioglobina, que satura-se com uma molécula de \(O_{2}\) com uma afinidade única (curva hiperbólica de saturação), a hemoglobina liga-se ao O\(_{2}\) com afinidades inicialmente crescentes, produzindo uma curva de saturação de aspecto sigmoidal. Exemplificando, a afinidade da 4a. molécula de oxigênio é cerca de 100 vezes maior que a da 1a. para a hemoglobina.
Essa cooperatividade traduz uma mudança conformacional produzida na hemoglobina sob ligação ao O\(_{2}\), de seu estado T ao estado R. Resumidamente, o movimento do plano do heme é transmitido para a hélice F por uma His (hélice F8, histidina proximal His87) ligada ao átomo de Fe. Mudanças conformacionais em uma unidade são transmitidas através das interfaces das subunidades \(\alpha\)\(_{1}\)-\(\beta\)\(_{2}\) e \(\alpha\)\(_{2}\)-\(\beta\)\(_{1}\).
Essa diferença entre as afinidades de Hb e Mb para o O\(_{2}\) faz com que a saturação de Mb ocorra com uma pressão de 2,8 torr (capilares venosos, 30 torr), enquanto que a Hb sature com 30 torr (cem vezes maior; alvéolos pulmonares - 100 torr).
Para uma observação direta da Hb, visualize o modelo com coloração por cadeias em desenho, identifique e destaque o grupo prostético heme (anel de porfirina):
select protein;
hide solvent;
cartoon only;
color chain;
show groups;
select hem
wireframe 100;color cpk
spin 10
delay 5
spin offIdentifique as cadeias clicando em cada. Identifique também algum possível ligante, digitando show groups. Inositol hexafosfato (IHP) pode ser visualizado então por:
select ihp;wireframe 50;color cpkIHP é análogo ao 2,3-BPG (bifosfoglicerato) de organismos não mamíferos. Gire a Hb e perceba que o IHP encontra-se interagindo com as cadeias numa fenda, próximo às subunidades B e D da proteína.
O 2,3-BPG liga-se ao estado T de Hb mas não ao estado R, dessa forma reduzindo a afinidade da proteína ao oxigênio. Isso permite em torno de 40% de oxigênio livre no sangue venoso. A hemoglobina fetal não se liga tão fortemente ao 2,3-BPG, permitindo uma alta afinidade de O\(_{2}\) pela proteína.
Como as cadeias de Hb interagem entre si ? Quais subunidades ligam-se ao IHP ?
select protein; spacefill
label \%c # etiqueta a cadeia "c" da HbAs cadeias A e B representam um dímero alfa/beta. Observe os contatos extensos entre essas cadeias, bem como entre as cadeias C e D (também alfa/beta). Mas veja que há pouquíssimos contatos entre as cadeias A e C, bem como entre B e D, esses pares formados por cadeias alfa ou cadeias beta. Para visualizar como o IHP com seus seis grupos fosfato negativos interage com a proteína:
select positive;color blueAgora visualize apenas a cadeia C, colorida da região N-terminal à C-terminal, com seu grupo heme, e sem a sobreposição de esferas:
select all; spacefill off; cartoon only;
restrict :c and not ihp;
color group;
select hem and not iron and :c;
wireframe 100;color cpk; zoom 0;
select iron and :c; spacefill 200;color cpkComo o oxigênio molecular interage com a hemoglobina ?
“Desligue” a representação de fitas (): .
select protein and :c;trace only;trace 10; color groups # cadeia "b" com grupo heme destacado
select (his58,his87,val62,phe43) and :c # seleção de resíduos próximos do grupo heme
define Obind selected # define os resíduos selecionados com uma etiqueta
select Obind; wireframe 50;color cpk # representa didaticamente o grupo
select oxy and :c;spacefill 150;color cpk # apresenta o O2 na estruturaPerceba a proximidade das cadeias laterais de His, Val e Phe ao centro do grupo heme. Pode-se visualizá-la melhor com:
select (Obind, oxy and :c); dots on ("dots off" pra omitir as nuvens de VDW)Pra facilitar, nomeie os resíduos selecionados no carbono alfa:
select Obind :*.ca; label "\%n \%R"; color label whiteA interação do átomo de ferro férrico (Fe\(^{2+}\)) do grupo heme dá-se por seis ligantes, quatro dos quais os nitrogênios tetrapirrólicos do grupo prostético da Hb, um do nitrogênio do anel imidazólico da histidina proximal His87 e o sexto ligante o oxigênio molecular entre o átomo de Fe e a cadeia lateral da histidina distal His58. Gire a estrutura e perceba porque His 87 é proximal. Complementarmente, Val62 e Phe43 contribuem para o ambiente hidrofóbico de interação com o oxigênio molecular. No estado desoxigenado o átomo de Fe do grupo heme fica apenas pentacoordenado.
Pra fechar, uma curiosidade: a ligação do oxigênio desloca o Fe porfirínico dentro do plano tetrapirrólico em apenas 0,4 angstroms, o suficiente para deslocar a hélice alfa em que His87 proximal está inserida para perto do heme.
6.4.1.4.2 Outras proteínas quaternárias
Existe um grande número de proteínas quaternárias, algumas com dezenas de cadeias polipeptídicas e/ou com grande número de domínios. Durante as futuras discussões sobre atividade metabólica, algumas desses proteínas serão estudadas com maior riqueza mas, por ora, vamos apenas visualizar a complexidade estrutural em alguns exemplos.
Carregue um anticorpo, imunoglobulina G, 1igt.pdb. Rotacione a molécula sem modificar sua visualização, e perceba tratar-se de uma proteína complexa, no formato clássico da letra “Y”, e com ao menos três grandes domínios articulados por poucos resíduos.
Veja também que pelo cabeçalho do Console ocorrem diversos açúcares ligados à proteína, configurando uma glicoproteína. Renderize então a estrutura como de praxe: (cartoon only;color structure). Nominalmente, suas cadeias são divididas em pesadas e leves, as últimas formadas por folhas-\(\beta\) que realizam o contato com o antígeno.
Agora, quais as cadeias que contatam a superfície celular ? Girando a estrutura não fica claro. Entretanto, esses domínios das cadeias pesadas encontram-se ligados a carboidratos. Assim, visualize o “tronco do Y” por:
select hetero and not solvent;wireframe 50;color cpkOutra estrutura quaternária bastante complexa constitui o fotossistema de Rhodopseudomonas, 1prc.pdb. Carregue-o e represente-o por fitas e coloração por cadeias: cartoon only;color chain.
Esse fotossistema é formado por duas subunidades idênticas (verde claro e escuro) e outras duas (rosa e vermelho) ligadas a diversos pigmentos fotossintéticos:
select hetero;wireframe 100;color cpkPara um último exemplo de estrutura quaternária, a complexidade de uma chaperona bacteriana denominada GroEl, proteína que auxilia o correto enovelamento de outras proteínas 1aon.pdb. Carregue a estrutura, forneça uma visualização apropriada com coloração por cadeia, como dantes, e só então rotacione a molécula para visualizar sua complexidade estrutural. Proteínas sob enovelamento interagem na cavidade central da GroEl. Chaperonas dependem de ATP para sua ação, o que pode ser observado por sua identificação com show groups:
select all; color grey; select adp;wireframe 300;color cpk6.4.1.5 Estrutura quinquenária
Exemplo do mais alto nível de complexidade estrutural de proteínas, a estrutura quinquenária pode ser observada em nucleossomos (nucleoproteínas), como em 1aoi.pdb. Carregue a molécula, e visualize-a como fitas e coloração por estrutura.
Ribossomos também exibem estrutura quinquenária, por sua interação com ácidos nucleicos. Para tal, carregue o arquivo 1qrs.pdb, e visualize a estrutura como fitas e coloração por estrutura ou cadeia.