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Computação Voluntária

As proteínas são fundamentais para os seres vivos. Praticamente todos os processos biológicos dependem da presença ou da actividade deste tipo de moléculas, cuja função num organismo é determinada pela sua estrutura molecular.

Sequência de aminoácidos e estrutura de proteínas

As proteínas são constituídas por aminoácidos, que são moléculas compostas por poucos átomos. Nas proteínas, os aminoácidos encadeiam-se uns atrás dos outros segundo uma determinada sequência que está codificada nos genes. Esta sequência compõe-se de um número variável de aminoácidos (desde umas centenas até várias dezenas de milhares) e recebe o nome de estrutura primária da proteína.

Na imagem: À esquerda. Estrutura molecular do aminoácido Alanina. Representação CPK. Cada esfera colorida representa um tipo de átomo (C, cinzento; O, vermelho; N azu, ...). As linhas representam as ligações entre os átomos, e quando estão livre por um lado, as linhas representam os pontos de união com outros aminoácidos. À direita: Representação CPK da estrutura molecular de um polipeptídeo formado por uma cadeia de aminoácidos Alanina. Trata-se, portanto, de uma polialanina.

Esta sequência de aminoácidos dobra-se de uma determinada maneira e forma a estrutura tridimensional (3D) da proteína. Na estrutura 3D podem reconhecer-se algumas subestruturas ou motivos mais comuns das proteínas - hélices α, cadeias β, voltas, etc. - constituídos por um número pequeno de aminoácidos. Este conjunto de motivos constituem a denominada estrutura secundária da proteína.

Na imagem: À esquerda: Representação CPK da estrutura molecular de uma proteína presente na membrana celular do neurónios do sistema nervoso central. Esta proteína é formada por 374 aminoácidos e um total de 6700 átomos. Note-se a complexidade da estrutura na representação. À direita: Representação alternativa da mesma proteína (representação em fita, do inglês ribbon). Aqui a cadeia principal da proteína representa-se de forma contínua. Note-se a presença de umas hélices semelhantes a saca-rolhas. São as estruturas secundárias designadas por hélices α.

As diferentes subestruturas enrolam-se entre si e formam a estrutura terciária da proteína, última responsável pela sua função biológica. Por vezes, várias estrutura terciárias combinam-se entre si, formando uma estrutura quaternária.

O desafio de prever a estrutura 3D das proteínas

O número de proteínas cuja sequência de aminoácidos é conhecida é muito elevado (vários milhões). No entanto, com os métodos experimentais existentes hoje em dia (difracção de raios X, ressonância magnética nuclear, microscopia electrónica, etc.) ainda só foi possível determinar a estrutura terciária de uma pequena percentagem dessas proteínas.

Dado que a natureza dos aminoácidos que constituem uma proteína e a sua sequência predeterminam a estrutura final da proteína, um dos desafios mais importantes da Ciência moderna é conseguir prever a estrutura 3D de uma proteína a partir da sua sequência de aminoácidos.

Para fazer luz sobre o processo de construção das proteínas, os investigadores do Instituto de Estructura de la Materia do CSIC analisam as propriedades estruturais dos aminoácidos e de pequenos peptídeos (sequências de poucas dezenas de aminoácidos) conhecidos como neuropeptídeos. Estes actuam no cérebro e no sistema nervoso e intervêm nos mecanismos de aprendizagem e memória.

Aminoácidos na Ibercivis

Em função da disposição dos átomos, existem muitas estruturas (ou conformações) possíveis para cada aminoácido. A conformação mais provável de um aminoácido é aquela que minimiza a energia de ligação dos seus átomos. O método utilizado para calcular a energia de cada conformação consiste em simular o movimento da molécula do aminoácido em meio aquoso.

A informação obtida a partir das simulações permite mapear a denominada superfície de potencial da estrutura de cada aminoácido, o que é de inegável interesse na altura de dar o passo seguinte: reconstruir as estruturas de polipeptídeos e proteínas.

A simulação de uma conformação determinada com este método demora uma média de 75 horas num computador pessoal. Se tivermos em conta que as conformações possíveis dos 20 aminoácidos formam um total de 25.000, seriam necessários dois milhões de horas - ou seja, 200 anos - para terminar este trabalho. Na Ibercivis, os computadores dos voluntários realizam fragmentos destas simulações. A distribuição de tarefas entre milhares de computadores reduzirá a meses o tempo necessário para terminar o trabalho.

Na imagem: Caixa para simulação de dinâmica molecular. A estrutura do aminoácido está representada em forma de esferas, seguindo a representação de Van der Waals. O conjunto de linhas que o rodeiam representa as moléculas de água. A simulação faz-se replicando esta caixa na três dimensões de tal maneira que corresponda a uma dissolução real de um aminoácido.