VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE ESTRUTURAL DO PEPTÍDEO CN-AMP1 POR MEIO DE DINÂMICA MOLECULAR

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1 VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE ESTRUTURAL DO PEPTÍDEO CN-AMP1 POR MEIO DE DINÂMICA MOLECULAR (VERIFICATION OF THE STRUCTURAL STABILITY OF THE PEPTIDE CN-AMP1 THROUGH MOLECULAR DYNAMICS) André Luiz Raimundo da Cruz 1, Diego O. Nolasco 1,2 1 Curso de Física Universidade Católica de Brasília 2 Programa de Pós Graduação em Ciências Genômicas e Biotecnologia Universidade Católica de Brasília Resumo Dinâmica molecular é uma técnica que pode ajudar a entender vários problemas físicos que, ao longo dos tempos, mostraram-se trabalhosos quando se tem a necessidade de realizar simulações. Criada no final da década de 50 por Alder e Wainwright para estudar as interações entre esferas rígidas, o método de dinâmica molecular se mostrou revolucionário com Rahman e Stillinger em 1964 quando ambos realizaram a primeira simulação utilizando um potencial realístico de argônio liquido. Neste trabalho temos como objetivo verificar a estabilidade estrutural do peptídeo Cn-AMP1 por meio de dinâmica molecular. Palavras-chave: Peptídeo, CN-AMP1, dinâmica molecular, conformação estrutural. ABSTRACT Molecular dynamics is a technique that may help in understanding many physical problems that showed, beyond times, a bit cumbersome when you have the need to do a simulation or even some tests. Built in the late 50 s by Alder and Wainwright to study the interactions between hard spheres, the method of molecular dynamics has proved to be revolutionary in Rahman and Stillinger 1964 job when they performed the first simulation using a realistic potential for liquid argon. In this work we aim to verify the structural stability of the Cn- AMP1 peptide using molecular dynamics. keywords: Peptide, CN-AMP1, molecular dynamics, structural conformation. 1. Introdução Por que temos tantos problemas para combater o câncer? Por que alguns antibióticos não funcionam mais com algumas bactérias? São essas e outras perguntas relacionadas ao assunto que movem a ciência para a necessidade de desenvolver métodos alternativos para tais problemas. Neste trabalho serão realizadas duas simulações computacionais, a fim de verificar qual estrutura adotada pelo peptídeo Cn-AMP1, bem como uma analise de gráficos construídos com base nos dados adquiridos nas simulações. Na primeira simulação será utilizado um solvente contendo água e TFE, já na segunda simulação o solvente utilizado contém apenas água. Em ambos os casos o peptídeo Cn-AMP1 será inserido nestes sistemas a fim de interagir eletrostaticamente para que seja possível observar qual a estrutura adotada pelo mesmo ao final da simulação. Administrar uma droga capaz de combater algumas bactérias e até mesmo o câncer, sem todo o sofrimento que os tratamentos atuais trazem ao 1

2 paciente, é um dos maiores objetivos da física médica. Atualmente já é possível afirmar que o uso de antibióticos no combate as bactérias já está ultrapassado e tem vida curta, pelo fato destes seres possuírem vários mecanismos que os tornam capazes de burlar a eficiência dos antibióticos. Já o câncer é a segunda maior causa de morte (segundo a OMS) e possui um tratamento doloroso tanto físico quanto psicológico podendo provocar, diarreia, feridas na boca, queda de cabelo, enjoo dentre outros desconfortos. A estimativa é que o câncer só neste ano matará mais de meio milhão de pessoas. No Brasil o câncer é a segunda maior causa de morte, logo atrás das doenças cardiovasculares de acordo com os levantamentos do instituto nacional de câncer. O peptídeo Cn-AMP1 encontrado na água do coco verde, possui a capacidade de interagir com a membrana celular e, dessa forma, destruir células cancerosas e bactérias. O peptídeo Cn-AMP1 é um peptídeo catiônico curto que tem toxidade seletiva para as células cancerosas, mas não possui nenhuma atividade hemolítica, apresenta também ação antimicrobiana potente tanto contra bactérias Gram-positivas quanto para bactérias Gram-negativas (SILVA, 2012). 2. Objetivo Este trabalho tem como objetivo, verificar por meio de simulação computacional qual é a estrutura adotada pelo peptídeo Cn_AMP1 em um solvente contendo água e verificar também esta estrutura em um solvente contendo água e TFE. Para a realização do trabalho foram realizadas duas simulações computacionais, uma contendo somente o peptídeo e água e a segunda simulação contendo o peptídeo água e TFE. 3. Referencial teórico 3.1. Dinâmica molecular clássica A dinâmica molecular consiste na observação da evolução temporal do sistema em estudo. A análise das trajetórias fornece suporte para o entendimento e compreensão dos fatores que contribuem para a variabilidade e estabilidade conformacional da proteína (NAMBA et al., 2008). 2

3 A simulação de dinâmica molecular consiste da solução numérica, passo a passo, da equação de movimento de Newton, que pode ser descrita para um sistema por., Sendo este um modelo clássico, pois todos os átomos do sistema são encarados pelo programa como esferas rígidas, com raios obtidos a partir de medidas ou valores teóricos. Os átomos têm uma carga líquida, obtida da teoria, sendo que estes átomos interagem eletrostaticamente como "molas" obedecendo a lei de Robert Hoock. As interações são representadas por potenciais clássicos. As forças são a derivada de um potencial elétrico V(,,..., ), da forma: = -. Integrando-se as equações de movimento, obtemos as velocidades, cuja integral, por sua vez, proporciona a mudança de posição do átomo. Com as novas posições e velocidades de cada átomo, obtêm-se a energia potencial e cinética do sistema. Aplicando-se sucessivamente esse procedimento, obtémse o que se denomina de trajetória, que nada mais é do que o conjunto de posições e velocidades de cada partícula ao longo do tempo. As equações são resolvidas simultaneamente em todos os passos da dinâmica, enquanto a temperatura do sistema é controlada por meio de um banho térmico, a pressão e volume são mantidos constantes (Namba, Silva, & Silva, 2008) Simulação computacional Na ciência é necessário o desenvolvimento de modelos, modelos estes que vão organizar um comportamento natural (GAVIRA, 2003). Mas para se construir um modelo é indispensável à realização de exaustivas observações e testes. Mas nem sempre observar ou testar é uma tarefa simples, podendo ser simplificada com a ajuda de recursos computacionais. Os investimentos em novas tecnologias são altos e arriscados, porém essenciais para o desenvolvimento científico. O desenvolvimento de recursos que garantam a eficácia desses investimentos e reduzam riscos é de extrema importância. Um desses recursos é a simulação computacional, a ciência 3

4 computacional utiliza o conhecimento sobre determinado problema e o incorpora em um modelo matemático, que fornece mais informações sobre o mesmo. A importância dessas simulações se dá por ser um método barato e fornece informações extras que auxiliam no planejamento e na interpretação dos experimentos (Gavira, 2003) GROMACS GROMACS é um pacote versátil para realizar dinâmica molecular. O programa simula as equações do movimento de Newton utilizando o campo de força GROMACS e condições periódicas de contorno para sistemas com centenas de milhões de partículas, sendo este um trabalho quase impossível manualmente. O programa é projetado principalmente para moléculas bioquímicas como proteínas, lipídios e ácidos nucleicos que possuem várias interações complexas. O pacote computacional GROMACS é extremamente rápido para calcular essas interações TFE O trifluoretanol é um solvente capaz de induzir a proteína a adotar uma estrutura em alfa hélice. O TFE é um co-solvente anfipático, que possui uma região polar e outra apolar tendo portanto facilidade para se aglomerar em solução aquosa, proporcionando um ambiente ao mesmo tempo hidrofóbico e hidrofílico a proteína (figura 1). O grupo polar OH do TFE pode formar ligações de hidrogênio com outras moléculas de TFE, com água e outros grupos polares do peptídeo, enquanto o grupo CF 3 protege as regiões hidrofóbicas da proteína simulando assim o ambiente de uma membrana celular (NOLASCO, 2010). Figura 1: Trifluoretanol é o composto orgânico representado pela fórmula CF 3 CH 2 OH. Esta molécula apresenta características anfipáticas, pois os átomos de flúor (representados pelas esferas amarelas) possuem facilidade para se ligar às moléculas hidrofílicas. Já o grupo OH 4

5 (representado pelas esferas vermelha e brancas) possui facilidade em se ligar às moléculas hidrofóbicas. 3.5 Proteína As proteínas são as moléculas orgânicas mais abundantes e importantes nas células, estando presentes em todas as partes de um organismo, outro fato importante a cerca das proteínas é a diversidade de funções biológicas que as mesmas podem desempenhar, com propriedades e atividades fantasticamente distintas, como em músculos, cabelos, unhas, penas de pássaros, anticorpos e uma série de outros exemplos, cada qual desempenhando uma função biológica característica (CURTIS helena, P ). As proteínas pertencem à classe dos peptídeos, pois são formadas por aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas (CURTIS helena, P ). Uma ligação peptídica é a união do grupo amino (-NH 2 ) de um aminoácido com o grupo carboxila (-COOH) de outro aminoácido, através da formação de uma amida. As proteínas são polímeros cujas unidades fundamentais são os aminoácidos. Os aminoácidos, por sua vez, são moléculas orgânicas as quais possuem ligadas ao mesmo átomo de carbono (denominado de carbono α) um átomo de hidrogênio, um grupo amina, um grupo carboxílico e uma cadeia lateral R característica para cada aminoácido. É o radical "R" quem define uma série de características dos aminoácidos, tais como polaridade, grau de ionização em solução aquosa, cargas elétricas e o tamanho (DEVILIN, M. Thomas P.75-80). Essa cadeia lateral é o que difere os aminoácidos em sua estrutura, tamanho, cargas elétricas e solubilidade em água (polar ou apolar). Além de conferir propriedades físico-químicas diferentes a cada aminoácido, os resíduos laterais são também responsáveis por forças estabilizadoras, advindas de interações fracas (ligações de hidrogênio, hidrofóbicas, eletrostáticas etc.), que mantêm as estruturas conformacionais enoveladas das proteínas (DEVILIN, M. Thomas P.75-80). 5

6 Figura 2: representação da estrutura alfa hélice de uma proteína. Figura 3: Representação da estrutura folha beta de uma proteína. O enovelamento de uma proteína é um processo fisioquímico através do qual a estrutura de uma proteína assume a sua configuração funcional, a organização espacial da proteína é resultado do tipo de aminoácido que a compõe e de como eles estão dispostos uns em relação aos outros. Dessa forma, o enovelamento é um processo físico-químico que leva a molécula de um estado não enovelado à sua configuração de menor energia livre sendo esse estado um mínimo local ou global (NOLASCO, 2010) Cn-AMP1 O peptídeo Cn-AMP1 é um peptídeo curto com apenas nove resíduos de aminoácidos, possui características catiônicas, hidrofóbicas e toxidade seletiva, mas não possui nenhuma ação hemolítica. Extraído da água de coco verde exerce atividade antimicrobiana contra bactérias gram-positivas e gramnegativas (SILVA, 2012) Mecanismos de ação dos peptídeos antimicrobianos Os peptídeos antimicrobianos têm como principais características a natureza catiônica e a capacidade de permeabilizar membranas de microrganismos (Izadpanah&Gallo, 2005). Os peptídeos antimicrobianos são proteínas de baixo peso molecular, menos de cem aminoácidos básicos, possuindo atividade antimicrobiana contra bactérias, vírus e fungos, que lhes oferecem uma carga liquida positiva. Alem disso, apresentam uma região rica 6

7 em aminoácidos hidrofóbicos. Esses peptídeos isolados, geralmente apresentam-se carregados positivamente e são na maioria das vezes, anfipáticos, possuindo tanto domínio hidrofóbico quanto hidrofílico, o que capacita a molécula a ser solúvel em ambiente aquoso e também em membranas lipídicas (Izadpanah&Gallo, 2005). A separação espacial entre aminoácidos básicos e hidrofóbicos torna os peptídeos antimicrobianos moléculas anfipáticas. Muitos peptídeos antimicrobianos ligam-se as membranas negativamente carregadas permeabilizando-as, o que resulta na formação de uma via para a movimentação de íons, soluto e do próprio peptídeo (McElhaney and Prenner, 1999). A ação dos antimicrobianos induz a defeitos na membrana, como separação de fase ou afinamento da membrana, formação de poros ou rompimento da bicamada lipídica (Lohner&Prenner, 1999). Existem peptídeos que assumem uma estrutura anfipática de alfa hélice quando se ligam a uma membrana. Sabe-se que a natureza hidrofóbica e catiônica dos peptídeos é importante para interação ideal entre o peptídeo e a membrana bacteriana (Hancock &Chappler, 1999). Em geral os peptídeos são divididos em dois grandes grupos. Peptídeo antimicrobiano linear são peptídeos que em solução aquosa ou que mimetize a membrana celular, costumam adotar uma estrutura em hélice anfipática. Já os peptídeos antimicrobianos cíclicos são peptídeos que podem apresentar as suas extremidades amino e carboxi-terminal abertas ou fechadas e podem formar estruturas tais como grampos tipo ou uma mistura de hélice e folhas (BULET et al.,2004) Os mecanismos de ação dos peptídeos antimicrobianos ainda não são totalmente conhecidos, porém, sabe-se que seu caráter catiônico e a sua tendência a anfipaticidade facilitam sua interação com a superfície celular de bactérias e inserção na membrana (BROGDEN, 2005; ZASLOFF, 2002). As interações eletrostáticas entre peptídeos antimicrobianos e superfícies celulares de bactérias são facilitadas pela presença de fosfolipídios com carga liquida negativa na face externa da membrana, grupos fosfatos de moléculas de lipopolissacarídeos e ácidos teicóicos (BROGDEN, 2005; ZASLOFF, 2002). A membrana citoplasmática de células de mamíferos, ao contrário das bactérias, apresenta na sua face externa uma predominância de fosfolipídios 7

8 com carga liquida neutra, o que contribui para a ação de diversos peptídeos antimicrobianos seja seletiva para membranas de bactérias (BROGDEN, 2005; ZASLOFF, 2002). Como já mencionado, a anfipaticidade dos peptídeos antimicrobianos facilita sua inserção na membrana por meio da interação de sua região hidrofóbica com a região hidrofóbica dos fosfolipídios da membrana e com consequência, pode ocorrer permeabilização da membrana, vazamento do conteúdo intracelular e morte do patógeno (BROGDEN, 2005; HANCOCK; SAHL, 2006; YOUNT et al., 2007). O mecanismo de ação de peptídeos antimicrobianos é hipotético e se baseia em três etapas: ligação de peptídeo em forma monomérica à membrana plasmática, inserção de peptídeos na membrana para a formação de poros, recrutamento progressivo de monômero para o aumento do diâmetro do poro (NOLASCO, 2010). Para ilustrar a inserção na membrana e os danos resultantes causados à célula, três modelos são propostos (NOLASCO, 2010) Modelo carpete A membrana é completamente coberta pela proteína. Quando uma concentração critica é atingida, as proteínas provocam sérios danos à célula. As proteínas permanecem na região de interface das membranas, em conformação paralela, não entrando em contato com a cauda dos fosfolipídios. O processo de desintegração e formação de micelas leva à morte da bactéria (NOLASCO, 2010) Modelo barril Neste modelo, os peptídeos antimicrobianos anfipáticos em hélice depois da interação eletrostática com a parte externa da membrana bacteriana, formam poros do tipo barril, nos quais a porção hidrofóbica da proteína interage com a porção hidrofóbica dos fosfolipídios da membrana e a região hidrofílica da proteína fica voltada para dentro do poro. O vazamento do conteúdo intracelular através destes poros pode levar à morte celular (NOLASCO, 2010) Modelo dos poros toroidais ou canais agregados Depois da interação com os fosfolipídios da membrana, várias moléculas de peptídeo se juntam e formam um complexo com moléculas de água 8

9 associadas. Este complexo induz a produção de canais que atravessam a membrana celular, sendo estes canais temporários, que podem permitir a formação de íons, moléculas de grande massa molecular e, inclusive, do próprio peptídeo, sem que haja grandes alterações na estrutura da membrana. A diferença entre este modelo e o modelo barril é que os peptídeos estão sempre associados com as cabeças polares dos fosfolipídios, mesmo quando inseridos perpendicularmente à bicamada lipídica (NOLASCO, 2010). 4. Resultados e discussões Nesta parte do trabalho foi feita uma analise dos gráficos gerados a partir dos dados colhidos nas duas simulações, os primeiros quatro gráficos farão alusão à simulação realizada com água TFE e o peptídeo, logo em seguida os próximos gráficos representaram a segunda simulação contendo somente água e o peptídeo. VOLUME Figura 4: Volume do peptídeo em função do tempo A declividade da reta de ajuste de curva da Figura 4 indica uma redução no volume da proteína à medida que o sistema evolui no tempo. Essa redução no volume da proteína acontece pela formação das ligações de hidrogênio entre os resíduos da proteína e os átomos de carbono da cadeia principal, durante a simulação, é possível observar uma pequena inclinação negativa, pois o peptídeo não sofre grandes variações estruturais durante a simulação. O solvente foi constituído por água e TFE, que possui características que influenciam o peptídeo à formação de estrutura em alfa hélice, e mesmo com 9

10 um indutor desta estrutura (alfa hélice), foi possível observar que o peptídeo não adotou estrutura alguma. ÁREA Figura 6: Área do peptídeo acessível ao solvente em função do tempo. A declividade negativa da reta de ajuste de curva indica uma redução na área do peptídeo que fica exposta ao solvente à medida que o sistema evolui no tempo, foi possível observar uma redução discreta na área acessível do peptídeo ao solvente, pois o mesmo não sofreu alterações estruturais significativas. As poucas flutuações que o peptídeo sofreu foram em decorrência das pontes de hidrogênio, que provocam uma redução no volume do peptídeo como já havia sido observado no gráfico anterior. As analises das conformações adotadas pelo peptídeo em toda a simulação indica que o peptídeo não adota estrutura de alfa hélice, tão pouco folha beta 10

11 RAIO DE GIRO Figura 8: O raio de giro calcula o raio de rotação de um grupo de átomos e os raios de rotação do peptídeo sobre os eixos X, Y e Z, em função do tempo. O raio de giro calcula o raio de rotação de um grupo de átomos e os raios de rotação do peptídeo sobre os eixos X, Y e Z, em função do tempo, foi possível observar uma declividade na reta de ajuste de curva indicando uma redução no raio de giro do peptídeo, corroborando com os dados obtidos no gráfico da área do peptídeo acessível ao solvente, e o gráfico do volume do peptídeo que também indicou uma redução discreta. Nesta evolução estrutural, ocorreu uma discreta redução no número de pontes de hidrogênio, diminuição do volume, do raio de giro e da área acessível ao solvente, o que acarretou na conformação final do peptídeo. Esta conformação se deve, em parte, às condições do meio onde o peptídeo foi inserido para que ocorresse a simulação. 11

12 Figura: 10 O gráfico do RMSD (raiz do desvio quadrado médio) em função do tempo faz uma comparação entre a estrutura do peptídeo inicial, antes da simulação, e a estrutura do peptídeo final, depois da simulação. A determinação da área do peptídeo acessível ao solvente, que corresponde à área removida de solvente devido à interação do peptídeo com ele mesmo, corrobora com os dados obtidos no gráfico RMSD que destaca variação estrutural do peptídeo, bem como os dados obtidos a partir do gráfico do volume do peptídeo. Toda esta evolução estrutural, desenvolvida pelo aumento no número de pontes de hidrogênio, redução do volume, do raio de giro e da área acessível ao solvente, provoca a estruturação do peptídeo. Esta estruturação se deve, em parte, às condições do meio onde o peptídeo foi inserido, para que ocorresse a simulação. 4.2 Os próximos gráficos são referentes às simulações em que, o solvente utilizado foi constituído apenas por água. 12

13 Figura 5:Volume do peptídeo em função do tempo. A inclinação da reta de ajuste de curva indica um acréscimo discreto no volume do peptídeo à medida que o sistema evolui no tempo. Esse acréscimo no volume do peptídeo se dá pelas interações eletrostáticas entre os átomos da cadeia principal do peptídeo e as moléculas de água, posto que o único solvente envolvido neste sistema seja a água. Foi possível observar também que mesmo o peptídeo não assumindo uma conformação definida, a analise do gráfico deixou bem claro que o TFE se comporta como um indutor de estrutura alfa hélice, pois ainda que discreta o peptídeo, sofreu uma redução no seu volume quando submetida à simulação em água e TFE, fato não observado sem a presença do TFE, ou seja, o solvente sendo constituído somente por água. 13

14 Área Figura 7: Área do peptídeo acessível ao solvente em função do tempo. A inclinação da reta de ajuste de curva indica um aumento na área do peptídeo que fica exposta ao solvente à medida que o sistema evolui no tempo, foi possível observar um aumento na área acessível do peptídeo ao solvente, pois o mesmo não sofreu alterações estruturais significativas. As alterações estruturais sofridas pelo peptídeo se deram pelas interações eletrostáticas entre os átomos da cadeia principal do peptídeo e as moléculas de água como já havia sido observado no gráfico anterior. As analises das conformações adotadas pelo peptídeo em toda a simulação indica que o peptídeo não adota estrutura de alfa hélice, tão pouco folha beta, seja a simulação em água ou em TFE e água. 14

15 Raio de giro Figura 9: O raio de giro calcula o raio de rotação de um grupo de átomos e os raios de rotação do peptídeo sobre os eixos X, Y e Z, em função do tempo. Diferentemente da simulação em água e TFE, nesta simulação, utilizando a água como único solvente foi possível observar um aumento do raio de giro indicando que o peptídeo sofreu muito mais influencia do solvente contendo somente água. Essas interações eletrostáticas ocorreram entre as moléculas de água e os átomos da cadeia principal do peptídeo, provocando na mesma um aumento na área acessível ao solvente e no volume do peptídeo. Esta conformação se deve, em parte, às condições do meio onde o peptídeo foi inserido para que ocorresse a simulação. 15

16 RMSD Figura 11: O gráfico do RMSD (raiz do desvio quadrado médio) em função do tempo faz uma comparação entre a estrutura do peptídeo inicial, antes da simulação, e a estrutura do peptídeo final, depois da simulação. Na primeira simulação, com o sistema constituído por água TFE e o peptídeo, o gráfico RMSD evidenciou uma mudança estrutural crescente com o tempo, diferentemente da segunda simulação onde o sistema foi constituído por água e o peptídeo. A determinação da área do peptídeo acessível ao solvente, que corresponde à área removida de solvente devido à relação do peptídeo com ela mesma, corrobora com os dados obtidos no gráfico RMSD que destaca variação estrutural do peptídeo, bem como os dados obtidos a partir do gráfico do volume do peptídeo. Toda esta evolução estrutural, desenvolvida pelo aumento do volume, do raio de giro e da área acessível ao solvente, provoca a estruturação do peptídeo. Esta estruturação se deve, em parte, às condições do meio onde o peptídeo foi inserido, para que ocorresse a simulação. 16

17 5. Conclusão Diante de todos os dados colhidos nas duas simulações realizadas e todas as análises elaboradas, a partir dos dados obtidos nas simulações, a primeira simulação utilizando água e TFE como solvente e a segunda simulação utilizando somente água como solvente foi possível apresentar a análise conformacional do peptídeo CN-AMP1. O sistema foi analisado por meio de simulação por dinâmica molecular. A simulação por dinâmica molecular teve por objetivo a varredura do espaço conformacional, no intuito de obter uma estatística que favorecesse a proposição da estrutura tridimensional do peptídeo CN-AMP1. Os dados das simulações permitem os seguintes comentários: 1. A tendência à conformação helicoidal do peptídeo não foi verificada e, a partir desta apreciação, é possível inferir que a estruturação da macromolécula é um processo energeticamente desfavorável. 2. A instabilidade de qualquer conformação, verificada ao longo da trajetória, possibilita a proposição de que o peptídeo CN-AMP1 não adota estrutura diferente da estrutura aleatória. 6. Referencias bibliográficas BROGDEN, K. A. Antimicrobial peptides: pore formers or metabolic inhibitors in bacteria?.naturereviews. Microbiology, v. 3, n. 3, p , Disponível em: < BULET, PHILIPPE; STÖCKLIN, R.; MENIN, L. Anti-microbial peptides: from invertebrates to vertebrates. Immunological Reviews, v. 198, n. 1, p , 2004.John Wiley \& Sons.Disponívelem:< CURTIS, Helena. Biologia. Rio de janeiro: Guanabara koogans.a., P ) 17

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