Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10923/1336
Type: doctoralThesis
Title: Efeito da temperatura na enzima 2-trans-enoil-ACP (CoA) redutase (EC 1.3.1.9) de Mycobacterium tuberculosis em complexo com o NADH: um estudo por simulação pela dinâmica molecular
Author(s): Gargano, Furia
Advisor: Souza, Osmar Norberto de
Publisher: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Graduate Program: Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular
Issue Date: 2009
Keywords: BIOLOGIA MOLECULAR
DINÂMICA MOLECULAR
PROTEÍNAS
ESTRUTURA MOLECULAR
TUBERCULOSE
TEMPERATURA
Abstract: Temperature can interfere with protein structure and function, affecting its ability to bind to other molecules, its conformational microstates distribution, as well as the rate of its enzymatic reactions. Since the mid-20th the in silico or computer experiments have increasingly been used in different areas of science to help better understand and prove theoretical hypotheses. In this context, molecular dynamic (MD) simulations, a computational molecular biophysics technique was used in the study of structural variations in the native state of proteins as well as in the design and development of new drugs. The focus of the present study is on the effect of temperature in the enzyme 2-trans-enoil-ACP (CoA) reductase (InhA) from Mycobacterium tuberculosis by means of MD simulations. The InhA enzyme is the bonafide target of isoniazid (INH), the most important medicine used in the treatment of tuberculosis. The InhA-NADH enzymatic complex was submitted to MD simulations at 25 oC (298 K) and at 37 oC (310 K) for a total simulation time of 20 ns each. The temperature of 37 oC was chosen because it is the human body temperature, whilst 25 oC is used in in vitro experiments under normal conditions of temperature and pressure (NTP). Structural parameters such as root-mean square deviation or RMSD, radius of gyration, B-factors, and solvent accessible surface area were calculated from the MD trajectories. There are statistically significant conformational differences between the 3D structures resulting from 25 ºC and 37 ºC MSD. We also investigated the effect of temperature in the molecular flexibility. While observing a significant increase in flexibility in the substrate binding region (A- and Bloops and in the substrate biding loop), at 37 ºC the helices α6, α7 and α2 presented low B-factors at human body temperature. In the NADH coenzyme binding site, only three residues (Ser20, Ile21 e Phe41) presented lower flexibility with temperature increase. Small increases in temperature significantly affect the protein conformation in important regions that are relevant to its function. The increase in temperature changes the protein flexibility but in a heterogeneous way, preserving regions that need more stability in the functional aspect. The clear changes in the InhA enzyme and its coenzyme NADH during the temperature increase process from 25 ºC to 37 ºC must be considered in planning new drugs against this target. Therefore, we should take into account the environmental conditions (air pressure, temperature and pH) which they will be submitted on in vivo. We suggest, for the future, that research of targets to be done in temperature equal or very close to body temperature and to the one used at the dynamic spectrum of these target structures in molecular docking experiments, an important step in rational drug design.
Esta pesquisa refere-se a um estudo computacional via simulação por dinâmica molecular (DM) que investiga os efeitos da temperatura na InhA, enzima 2-trans-enoil-ACP (CoA) redutase do Mycobacterium tuberculosis (MTB). A temperatura pode interferir na estrutura e função protéicas, na habilidade de ligação de uma proteína, na distribuição dos microestados, na conformação molecular média e nas reações enzimáticas. A partir do início do século XX, os experimentos in silico tem sido cada vez mais utilizados para auxiliar na compreensão e comprovação das hipóteses teóricas elaboradas em diversas áreas da ciência. Neste contexto, a simulação por dinâmica molecular (DM) tem sido uma das técnicas da biofísica molecular computacional utilizadas no estudo da variação das propriedades estruturais do estado nativo das proteínas e no planejamento e design de fármacos. Esta pesquisa investigou o efeito da temperatura sobre a enzima 2-trans-enoil-ACP (CoA) redutase (InhA) através de um estudo por simulação pela DM (SDM). A enzima InhA é um importante alvo para a isoniazida (INH), um dos fármacos utilizados no tratamento da tuberculose (TBC). O complexo enzimático InhA-NADH foi submetido a uma SMD a 25 ºC (298 K) e outra a 37 ºC (310 K) durante um período de 20 ns. A temperatura de 37 ºC foi escolhida por corresponder à temperatura corporal humana. Por outro lado, 25 ºC representa a temperatura ambiente utilizada nos experimentos realizados em condições normais de temperatura e pressão (NTP). Alguns parâmetros iniciais (desvio médio quadrático, raio de giro, superfície acessível ao solvente) foram obtidos a partir da análise dos dados das duas trajetórias. Existem diferenças conformacionais estatisticamente significativas entre as estruturas 3D resultantes das SDM a 25 ºC e 37 ºC. Também pesquisou-se o efeito da temperatura sobre a flexibilidade molecular. Enquanto observamos um importante aumento da flexibilidade na região de ligação do vi substrato (alça A, alça B e alça de ligação do substrato) aos 37 ºC, as hélices α6, α7 e α2 apresentaram Fatores-B menores na temperatura corporal humana. Na região do sítio de ligação da coenzima, apenas três resíduos (Ser20, Ile21 e Phe41) apresentaram uma menor flexibilidade com o aumento da temperatura. Pequenos aumentos de temperatura afetam significativamente a conformação de uma proteína em regiões importantes para o desempenho de suas funções. A elevação da temperatura aumenta a flexibilidade da estrutura protéica, porém de forma heterogênea, preservando regiões que necessitam de maior estabilidade no aspecto funcional. As nítidas modificações da enzima InhA e sua coenzima NADH durante um processo de alteração de temperatura de 25 ºC para 37 ºC devem ser consideradas no decorrer do planejamento e design de qualquer fármaco. O conhecimento detalhado das estruturas alvo, portanto, deve levar em conta as condições ambientais (pressão, temperatura, pH) às quais serão submetidas em in vivo. Sugerem-se, para o futuro, pesquisas com temperaturas maiores e trabalhos com docking.
URI: http://hdl.handle.net/10923/1336
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