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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Estudo computacional da fluorescência do triptofano em proteínas por meio de simulações de dinâmica molecular
Title Alternative: Computational study of tryptophan fluorescence in proteins by molecular dynamics simulations
Author: Lopez Ayme, Alvaro Jhovaldo, 1988-
Advisor: Martínez, Leandro, 1979-
Abstract: Resumo: A fluorescência do triptofano é altamente sensível ao ambiente, motivo pelo qual é até os dias de hoje amplamente usada para investigar a estrutura e dinâmica das proteínas. O comprimento de onda de emissão de fluorescência ('lambda'em ) do triptofano em proteínas é muito variável. Existem proteínas com 'lambda'em baixos (e.g. Azurina, 308 nm), e outras com 'lambda'em altos (e.g. Glucagon, 355 nm). Essa diversidade de 'lambda'em motivou estudos teóricos que pudessem explicar o fenômeno do desvio de Stokes do triptofano em proteínas. Um dos estudos mais relevantes foi o de Vivian e Callis (2004), que propuseram um modelo híbrido QM-MM com capacidade de predizer os 'lambda'em . O modelo de Vivian e Callis (2004) teve um desempenho ótimo, com desvio padrão das predições com respeito aos dados experimentais (SD) de 6,87 nm, e um coeficiente de correlação de R2 = 0,69. O uso desses métodos requer métodos computacionais sofisticados restringindo assim seu uso na interpretação de dados experimentais. Nesta tese foram desenvolvidos modelos clássicos parametrizados baseados na área acessível ao solvente e baseados nas interações eletrostáticas para a predição dos 'lambda' em do triptofano. Esses modelos clássicos, permitem melhores predições se comparadas ao modelo baseado nos primeiros princípios de Vivian e Callis (2004), a um custo e complexidade computacionais muito menores. Por exemplo, um modelo baseado nas interações eletrostáticas prediz os comprimentos de onda de emissão com um SD = 4,89 nm e R2 = 0,81. Estes modelos parametrizados servem como uma metodologia simples e rápida para auxiliar na interpretação de dados experimentais. Nossos modelos foram utilizados para estudar a inconsistência encontrada entre a dinâmica reorientacional calculada por dinâmica molecular e deduzida de experimentos de anisotropia de fluorescência resolvida no tempo do Trp113 da enzima subtilisina Carlsberg. Essa inconsistência era devida a que as estruturas amostradas pela dinâmica molecular e pelos experimentos eram distintas. Assim a dinâmica molecular amostrava preferencialmente conformações com o Trp113 parcialmente protegido do solvente (correspondente à conformação da estrutura cristalográfica), enquanto o experimento aparenta ser consistente com conformações com o Trp113 exposto ao solvente. Essas diferenças foram quantificadas pela comparação dos 'lambda' em experimentais e calculados, estes últimos com os modelos parametrizados. Simulações de dinâmica molecular mantendo o Trp113 exposto ao solvente durante todo o tempo foram realizadas mediante o uso de restrições estruturais. Os 'lambda'em foram calculados para as estruturas amostradas nessas simulações, sendo similar aos observados nos experimentos. Como era previsto, a dinâmica reori- entacional calculada para o Trp113 exposto ao solvente foi muito mais rápida quando comparada à dinâmica observada para a estrutura cristalográfica. Desta forma, foi possível interpretar estrutu- ralmente o resultado experimental, e sugerir que a conformação cristalográfica não é representativa do conjunto de estruturas amostrado em solução

Abstract: Tryptophan fluorescence is highly sensitive to the environment, reason why it is until the present day widely used to investigate the structure and dynamics of proteins. The fluorescence emission wavelength ('lambda'em ) of tryptophan in proteins is very variable. There are proteins with low 'lambda'em (e.g. Azurine, 308 nm), and others with high 'lambda'em (e.g. Glucagon, 355 nm). The diversity of 'lambda'em motivated theoretical studies which could explain the Stokes shift phenomena of tryptophan in proteins. One of the most relevant study belong to Vivian and Callis (2004), which proposed a hybrid QM-MM model with capacity to predict the 'lambda'em . The performance of the model of Vivian and Callis (2004) were good, with a standard deviation of the predictions with respect to experimental data (SD) of 6,87 nm, and a correlation coefficient of R2 = 0,69. The use of these methods requires sophisticated computational methods restricting its use in the interpretation of experimental data. In this thesis were developed classical parametric models based on the solvent accessible surface area and based on the electrostatic interactions for the prediction of tryptophan 'lambda'em . These classical models allow better predictions compared to the model based on the first principles of Vivian and Callis (2004), at a much lower computational cost and complexity. For example, a model based on electrostatics interactions predict the emission wavelengths with a SD = 4,89 nm and R2 = 0,81. These parameterized models represent a simple and fast methodology that can be used in the interpretation of experimental data. Our models were used to study the inconsistency found between the reorientational dynamics calculated by molecular dynamics and deduced from time-resolved fluorescence anisotropy experiments of the Trp113 of the enzyme subtilisin Carlsberg. This inconsistency was due to the structures sampled by molecular dynamics and experiments were different. Thus the molecular dynamics sampled preferably conformations with Trp113 partially protected from the solvent (corresponding to the crystallographic structure), while the experiment appears to be consistent with conformations with Trp113 exposed to the solvent. These differences were quantified by comparing the experimental and calculated 'lambda'em , the latter with the parameterized models. Molecular dynamics simulations keeping the Trp113 exposed to the solvent all the time were carried out through the use of structural constraints. The 'lambda'em were calculated for the structures sampled in these simulations, being similar to those observed in experiments. As expected, the calculated reorientational dynamics for the solvent-exposed Trp113 was much faster when compared to the observed for the crystallographic structure. In this way, it was possible to structurally interpret the experimental results, and suggest that the crystallographic conformation is not representative of the set of structures sampled in solution
Subject: Triptofano
Dinâmica molecular
Fluorescência
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: LOPEZ AYME, Alvaro Jhovaldo. Estudo computacional da fluorescência do triptofano em proteínas por meio de simulações de dinâmica molecular. 2019. 1 recurso online (155 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química, Campinas, SP. Disponível em: http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/335107. Acesso em: 30 set. 2019.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:IQ - Tese e Dissertação

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