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O número de sequências nucleotídicas nos bancos
de dados cresce vertiginosamente a medida que as
técnicas avançam;
As técnicas para determinar a estrutura
tridimensional (difração de raios-X e NMR) levam
de 1 a 3 anos para resolver uma proteína;
Fica evidente a necessidade dos programas de
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NMR
Ressonância nuclear
magnética (RNM)
Permite identificar a
posição dos átomos
de hidrogênio
(prótons)
Proteínas em solução
Várias estruturas de
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Existem 3 métodos possíveis para realizar a
modelagem:
Modelagem por homologia;
Modelagem por “segmentação” (threading);
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Modelagem por homologia
Baseado na hipótese que proteínas proximamente relacionadas (sequências homólogas) possuem a mesma estrutura;
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Modelagem por homologia
Baseia-se em seis etapas:
1) Seleção do modelo: busca de sequências homólogas em banco de dados de estruturas de proteínas;
2) Alinhamento entre sequência a ser analisada e sequências modelos;
3) Construir a “espinha dorsal” (backbone)
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Modelagem por homologia
Baseia-se em seis etapas:
4)Adição e otimização dos átomos da cadeia lateral e laços (loops);
5)Refinar e otimizar todo o modelo de acordo com critérios de energia;
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Modelagem por homologia
1) Seleção do modelo
É a base e por isso o passo mais importante;
Busca por proteínas homólogas no banco de estruturas tridimensionais PDB;
Pode ser usado Blast ou Fasta, mas SSEARCH ou ScanPS são mais indicados;
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Modelagem por homologia
1) Seleção do modelo
A proteína deve ter no mínimo 30% de identidade com a sequência comparada;
Se houver mais de uma proteína hómologa a que apresentar maior identidade e resolução deverá ser usada;
Caso contrário o método de “segmentação” (threading)
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Modelagem por homologia
2) Alinhamento entre sequência a ser analisada e
sequências modelos;
Realizar o realinhamento entre as sequências;
É a etapa mais critica do processo de modelagem;
Geralmente realizada com programas como T-Coffee e Praline (http://www.ibi.vu.nl/programs/pralinewww/)
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Modelagem por homologia
3) Construção da “espinha dorsal” (backbone) e laços
(loops)
Nesta etapa a proteína pode assumir a estrutura da proteína modelo;
Se os resíduos forem similares até mesmo as cadeias laterais são incorporadas;
Se não são somente os C alfa são adotados;
Não há nenhum método altamente eficiente para modelar loops;
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Modelagem por homologia
4)Adição e otimização dos átomos da cadeia
lateral e laços (loops) ;
Os átomos que ainda não estão na estrutura
devem ser adicionados e os que já estão devem
ser otimizados nesta etapa;
Utilização de rotâmetros (cadeias laterais
favorecidas pelos ângulos de torção baseados
em estruturas conhecidas)
Programa SCWRL
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Modelagem por homologia
5) Refinar e otimizar todo o modelo de acordo com
critérios de energia
Na etapa de modelagem de cadeia lateral e loop
(laços), cálculos de energia potencial são aplicados na estrutura;
Novos refinamentos no cálculo podem ser utilizados para toda a estrutura após completa, visando minimizar a energia potencial;
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Modelagem por homologia
5) Refinar e otimizar todo o modelo de acordo com
critérios de energia
É preciso cautela, pois excessivos refinamentos poderão trocar átomos de suas posições corretas;
Programa GROMOS
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Modelagem por homologia
6) Avaliar a qualidade total do modelo obtido;
Regras físico-químicas são avaliadas; Checar ângulos φ–ψ, comprimento das pontes de hidrogênio entre outros;
Verificar propriedades estereoquímicas
Método que detecta erros de compilação de perfis estatísticos
das características espaciais e interação de energia a partir de estruturas determinadas experimentalmente.
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Modelagem por homologia
6) Avaliar a qualidade total do modelo obtido;
Programas:
ANOLEA (Atomic Non-Local Environment Assessment) - webserver
http://melolab.org/anolea/index.html
SAVES (Structure Analysis and Verification Server)
Este metaservidor corre 6 programas para a verificação e
validação de estruturas de proteínas durante e após o refinamento do modelo
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Modelagem por homologia
Programa
Swiss-Model
Programa de modelagem automático;
O mais completo entre todos apresentado aqui;
Possibilita receber arquivos diretos do PDBview;
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Modelagem por homologia
Problemas da modelagem automática;
Não é eficiente para proteínas distantemente homólogas;
Menos acurada do que a modelagem realizada com intervenção humana;
Seleção inapropriada de modelos; Alinhamento sub-ótimo;
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Existem 3 métodos possíveis:
Modelagem por homologia;
Modelagem por “segmentação” (threading);
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Modelagem por “segmentação” (threading);
Há um pequeno número de dobras (<1000), porém há milhões de sequências de proteínas;
Estruturas de proteínas são mais conservadas do que sequências;
Logo muitas proteínas podem exibir a mesma dobra, mesmo sem apresentar grande similaridade de
Modelagem por “segmentação” (threading);
Baseia-se no alinhamento de sequências, porém aceita identidade < 30%;
Até mesmo ausência de similaridade;
Enfatiza a correspondência de estruturas secundárias, que são mais evolutivamente conservadas.
Algoritmos dividem-se em duas categorias:
Baseado na energia par a par Baseado no perfil;
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Modelagem por “segmentação” (threading);
Método baseado na energia par a par;
Realiza alinhamentos em bancos de dados de dobras;
A sequência que apresentar a menor energia livre é escolhida como modelo sobre a qual a estrutura será construída;
Bancos:
Modbase
http://modbase.compbio.ucsf.edu/modbase-cgi/index.cgi
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Modelagem por “segmentação” (threading);
Método baseado no perfil;
Perfil estrutural é gerado por sobreposição de estruturas para correspondência de aminoácidos;
Informação estatística de resíduos alinhados é usado para construir o perfil;
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Modelagem por “segmentação” (threading);
Modelagem pelo programa I-Tasser baseada em
múltiplos-threadings
Ganhou diversas vezes a competição como melhor
programa preditor;
Disponível on-line e também para rodar localmente;
http://zhanglab.ccmb.med.umich.edu/I-TASSER/P
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Modelagem por “segmentação” (threading);
Problemas:
Este método apresenta muitos falsos positivos;
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Modelagem por ab initio
Os métodos anteriores baseiam-se na disponibilidade de estruturas em bancos de dados, sem isso eles
falham;
Os métodos ab initio são uma vantagem nesses casos;
Porém ainda são pouco precisos, necessitando de muitas melhorias;
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CASP (Critical Assessment of Techniques for
Protein Structure Prediction)
Avaliação Crítica das Técnicas de Predição de Estrutura de Proteínas
Mede a confiabilidade dos métodos de predição;
Prediz a estrutura de proteínas ainda não resolvidas;
Resolvidas por raiosX e NMR, mas ainda não publicadas;
Ocorre a cada dois anos;
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FOLDIT
Jogo para solucionar estruturas tridimensionais de proteína
http://fold.it/portal/
Idéia derivada do projeto Rosetta que utiliza o poder de processamento do computador como descanso de tela;
http://boinc.bakerlab.org/
A diferença é que o foldit necessita da interação do usuário (jogador);
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Literatura
XIONG, Jin. Essential Bioinformatics. Cambridge,
EUA: Cambridge University Press, 2006. 339p.–
Cap. 15
LESK, Arthur M. Introduction to genomics. 2. ed.
New York, EUA: Oxford University Press, ©2007.
419p. – Cap. 10
