Definição de superfície acessível por solvente. Cálculo de AS. Utilização de SURFV para cálculo da área da AS e identificação de interface. Discussão e trabalhos futuros.bitstream/CNPTIA/9895/1/comuntec36.pdfAcesso em: 30 maio 2008

FALCÃO, P. K.

HIGA, R. H.

MANCINI, A. L.

NESHICH, G.

Portuguese

Definição de superfície acessível por solvente. Cálculo de AS. Utilização de SURFV para cálculo da área da AS e identificação de interface. Discussão e trabalhos futuros.Na publicação: Paula Kuser Falcão

FALCAO, P. R. K.

Infoteca-e

Cálculo de Área Acessívelpor Solvente UtilizandoSURFV – Definição deInterface Intramolecularpelo SMSRoberto Hiroshi Higa1Adauto Luiz Mancini2Paula Kuser Falcão3Goran Neshich4ComunicadoTécnico Dezembro, 2002Campinas, SP36Ministério da Agricultura,Pecuária e AbastecimentoISSN 1677-8464A superfície molecular da proteína é fonte importantepara a compreensão de sua função, pois esta se dábasicamente através de interações intermoleculares(Branden & Tooze, 1999). Por isso, desde os anos 70,diversos métodos e ferramentas para cálculo eapresentação da superfície molecular e outraspropriedades da molécula a ela mapeadas têm sidodesenvolvidas (Connolly, 2002; O’Donnell, 2002).O Sting Millennium Suite (SMS) (StructuralBioinformatics Group, 2002) compreende um conjuntode programas para análise da estrutura de proteínasacessível através da Web. Dentre suas funcionalidades,ele permite a visualização simultânea da estrutura e daseqüência da proteína e, através do módulo ProteinDossier, apresenta um conjunto de propriedades físico-químicas mapeadas para cada resíduo.Dentre essas propriedades, um subconjunto refere-seespecificamente a propriedades da superfície damolécula protéica (área acessível por solvente,curvatura e interface intermolecular), enquanto outrorefere-se a propriedades que são de maior interessepara resíduos que pertencem à superfície molecular(potencial eletrostático e hidrofobicidade).Entretanto, o Protein Dossier é uma apresentaçãobidimensional das propriedades da proteína (umcartoon) e não uma apresentação tridimensional, ondea representação da superfície é imediata. Por outro lado,tem a vantagem de permitir que diversas propriedadessejam apresentadas simultaneamente. Assim, noProtein Dossier a superfície molecular é indicada peloparâmetro área acessível por solvente, ou seja, resíduosque participam da superfície molecular serãoapresentados como possuindo área acessível porsolvente diferente de zero. Além disso, para arquivosPDB (Berman et al., 2000) que representem umcomplexo (mais de uma molécula), o parâmetro áreaacessível por solvente também é utilizado paradefinição de interface intermolecular.Este trabalho apresenta como o parâmetro áreaacessível por solvente é calculado e utilizado pelo SMS,especificamente no módulo JPD. Inicialmente éapresentada a definição de área acessível por solventee o método utilizado para seu cálculo. Em seguida éapresentado como as interfaces intermoleculares sãoidentificadas. Finalmente, é apresentada uma discussãodos resultados obtidos e perspectivas de trabalhosfuturos.1 M.Sc. em Engenharia Elétrica, Pesquisador da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041, Barão Geraldo - 13083-970 -Campinas, SP. (e-mail:  roberto@.cnptia.embrapa.br)2 Bacharel em Ciência da Computação, Pesquisador da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041, Barão Geraldo -13083-970 - Campinas, SP. (e-mail: adauto@.cnptia.embrapa.br)3 Ph.D. em Física Aplicada, Cristalografia de Proteínas, Pesquisadora da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041,Barão Geraldo - 13083-970 - Campinas, SP. (e-mail: paula@cnptia.embrapa.br)4 Ph.D. em Biofísica, Pesquisador da Embrapa Informática Agropecuária, Caixa Postal 6041, Barão Geraldo - 13083-970 - Campinas,SP. (e-mail: neshich@cnptia.embrapa.br)Cálculo de Área Acessível por Solvente Utilizando SURFV – Definição de Interface Intramolecular pelo SMS2Definição de Superfície Acessível porSolventeO conceito de superfície acessível por solvente (solventaccessible surface – AS) foi proposto inicialmente porLee & Richards (1971) como uma forma de avaliarquantitavamente a formação do núcleo hidrofóbico noprocesso de dobramento de proteínas. Ela descreve aárea sobre a qual um contato entre a proteína e osolvente pode ocorrer. Lee & Richards (1971)consideram que cada átomo de uma molécula protéicapode ser representado por uma esfera de raio igual aoseu respectivo raio de Van der Waal, da mesma formaque uma molécula de solvente ou esfera probe, emgeral uma molécula de água. A área acessível porsolvente, foi definida como o lugar geométricooriginado pelo centro da esfera probe à medida queesta rola sobre a superfície de Van der Waals daproteína. A Fig. 1 ilustra este conceito.Cálculo de AS1. Considere a superfície expandida (raio de Vande Waals do átomo + raio da esfera probe) paracada átomo da molécula protéica.2. Para cada par de átomos, distribua um númerofixo de pontos  nas respectivas superfícies ex-pandidas. Verifique quais pontos de cada umdeles está contido na esfera definida pela super-fície expandida do outro. O conjunto de pontosque não estão contidos na esfera expandida dequalquer outro átomo é considerado acessívelpor solvente.3. A área acessível por solvente para cada átomo édeterminada multiplicando-se o número de pon-tos acessíveis por solvente pela densidade depontos dada a área de cada átomo.Shrake & Ripley (1973) utilizaram um número de 92pontos em seu trabalho e argumentaram que em testespor eles realizados, variando o número de pontos entre400 e 92, a variação encontrada no valor de área da ASpara 90% dos átomos da proteína lisozima foi inferiora 2%. Na implementação de SURFV, Sridharan et al.(1995) propõem uma distribuição de pontos maisuniformes sobre a superfície atômica expandida e autilização da conectividade entre esses pontos parareduzir o tempo de computação. Eles tambémaumentaram o número de pontos distribuídos nasuperfície da esfera expandida. As opções de númerode pontos disponíveis para utilização com SURFV são122, 482, 1922 e 7682. Uma avaliação deste algoritmoe uma comparação com o algoritmo original de Lee &Richards (1971), utilizando implementações do pacoteCCP4 (Collaborative Computational Project Number 4,1994), podem ser encontradas em Briggs (2000).Utilização de SURFV para Cálculo daÁrea da AS e Identificação de InterfaceSURFV é um programa desenvolvido no Laboratóriode Barry Honig na Columbia University, escrito emFortran, e que implementa o algoritmo de Shrake &Ripley (1973). Ele é utilizado em forma de linha decomando, tendo a seguinte sintaxe e opções de entrada:surfv [-s nlevel] (resolução) (raio da esfera probe)(sizefile) (arquivo PDB) 1(0) 1(0) 1(0)onde:• resolução indica a granularidade da malha depontos gerada sobre a superfície atômica expan-dida. Ele pode assumir valores inteiros  de 1 a 4(1 para 122 pontos; 2 para 482 pontos; 3 para1922 pontos e 4 para 7682 pontos). No SMS, uti-liza-se o valor 2 para esta opção;• raio da esfera probe é o raio a ser consideradopara a esfera probe. Geralmente, o valor utiliza-do é de 1.4 Å;• sizefile indica o arquivo que contém o raio deVan der Waals para cada átomo no arquivo PDB;Fig. 1. Superfície acessível por solvente – AS.Fig. 2. Superfície molecular – MS.Posteriormente, Richards (1977) definiu o conceito desuperfície molecular (molecular surface ––MS), comoo lugar geométrico originado pela face interna damesma esfera probe rolando sobre a superfície de Vander Waals da proteína (Fig. 2).Desde então, diversos algoritmos têm sido propostospara  determinação da área tanto de MS quanto de AS.Para uma revisão mais completa sobre o assunto, pode-se consultar Connolly (2002). Aqui, descreve-sebrevemente apenas o algoritmo desenvolvido porShrake & Rupley (1973) para o cálculo de AS, que é oalgoritmo implementado pelo programa SURFV(Sridharan et al., 1992), utilizado pelo SMS.Cálculo de Área Acessível por Solvente Utilizando SURFV – Definição de Interface Intramolecular pelo SMS 3• arquivo PDB indica o arquivo PDB a ser proces-sado;• o quinto parâmetro pode assumir 0 (zero) ou 1(um). Se o seu valor for diferente de zero, serágerado um arquivo de nome “arquivo PDB”.rescom a área acessível por solvente para cada re-síduo;• o sexto parâmetro tem uma semântica similar.Se o seu valor for diferente de zero, será geradoum arquivo de nome “arquivo PDB”.atm com aárea acessível por solvente para cada átomo;• o sétimo parâmetro também pode assumir 0(zero) ou 1 (um). Por default, para cálculo dasáreas acessíveis por solvente, os átomos de hi-drogênio não são considerados, mesmo se pre-sentes no arquivo PDB. Se o valor desteparâmetro for diferente de zero, os átomos dehidrogênio passam a ser considerados no cál-culo.Os arquivos res e atm, por default são multicolunas. Aopção “–s nlevel” permite que se especifique o númerode colunas nos arquivos de saída.O SMS, especificamente para o Protein Dossier, utilizao SURFV para:• cálculo da área da AS para cada molécula isola-da do arquivo PDB. Os resíduos da molécula quepossuem área acessível por solvente são consi-derados como fazendo parte da superfície damolécula;• caso o arquivo PDB possua mais de uma molé-cula, cálculo da área da AS para o complexocomo um todo.A interface intermolecular é determinada fazendo-se adiferença entre a área acessível para solvente no casoda molécula isolada e no caso em que ela está emcomplexo. Os resíduos da superfície de uma moléculaque, quando em complexo, perdem área acessível parasolvente são considerados como pertencentes àinterface intermolecular.A Fig. 3 ilustra como esses dados são apresentadospelo módulo Protein Dossier do SMS.As duas últimas linhas apresentam de forma qualitativaos parâmetros “Acc. Complex”e “Acc. Isolation”, ondevalores em verde mais brilhante significa mais áreaacessível por solvente. Para os resíduos queapresentam diferença deste valor para os casos emcomplexo e em isolação, uma linha vermelha abaixoda especificação do resíduo indica que ele participa dainterface intermolecular.Discussão e Trabalhos FuturosA superfície molecular de proteínas pode fornecerimportantes informações sobre seu funcionamento.Além disso, a verificação de alguns parâmetrosmapeados por resíduo torna-se mais importante seestes resíduos estão na superfície da proteína. O SMSutiliza o conceito de área acessível para solvente paradeterminar se um resíduo está na superfície da proteínaou se faz parte de seu núcleo hidrofóbico e, no caso deum complexo, para determinar a interfaceintermolecular. Para isso, é utilizado o programaSURFV.Embora, o SURFV tenha sido utilizado com sucesso nodesenvolvimento do SMS, ele apresenta algumaslimitações de uso:• para um arquivo PDB com mais de uma molécu-la, ele não tem opção para utilização de apenasuma ou um subconjunto dessas moléculas nocálculo da área acessível por solvente. Isso fezcom que, no desenvolvimento do programa paradeterminação de interface molecular, fosse ne-cessário criar um script que criasse um arquivoPDB para cada molécula no arquivo PDB origi-nal para então utilizar o SURFV;• ele não calcula outros parâmetros interessantesda superfície como curvatura e cavidades;• ele é um programa stand alone escrito emFortran e que não se integra com a biblioteca deprogramas C++ do SMS.Por isso, no futuro, pretende-se reimplementar em C++o algoritmo de Shrake & Rupley (1977) na bibliotecado SMS. Além disso, por se tratar de um algoritmo jáFig. 3. Apresentação da área acessível por solvente e interface intermolecular no módulo Protein Dossier do SMS.Cálculo de Área Acessível por Solvente Utilizando SURFV – Definição de Interface Intramolecular pelo SMS4ComunicadoTécnico,   36Embrapa Informática AgropecuáriaÁrea de Comunicação e Negócios (ACN)Av. André Tosello, 209Cidade Universitária - “Zeferino Vaz”Barão Geraldo - Caixa Postal 604113083-970 - Campinas, SPTelefone (19) 3789-5743 - Fax (19) 3289-9594e-mail: sac@cnptia.embrapa.br1a edição2002 - on-lineTodos os direitos reservadosPresidente: José Ruy Porto de CarvalhoMembros efetivos: Amarindo Fausto Soares, Ivanilde Dispato,Luciana Alvim Santos Romani, Marcia Izabel Fugisawa Souza,Suzilei Almeida CarneiroSuplentes: Adriana Delfino dos Santos, Fábio Cesar da Silva,João Francisco Gonçalves Antunes, Maria Angélica de AndradeLeite, Moacir Pedroso JúniorSupervisor editorial: Ivanilde DispatoNormalização bibliográfica: Marcia Izabel Fugisawa SouzaCapa: Intermídia Publicações CientíficasEditoração Eletrônica: Intermídia Publicações CientíficasComitê dePublicacõesExpedienteantigo, pretende-se estudar a possibilidade deimplementar esta funcionalidade com um algoritmomais moderno (Connolly, 2002).Referências BibliográficasBERMAN, H. M.; WESTBROOK, J.; FENG, Z.; GILLILAND,G.; BHAT, T. N.; WEISSIG, H.; SHINDYALOV, I. N.;BOURNE, P. E. The Protein Data Bank. Nucleic AcidsResearch, v. 28, p. 235-242, 2000.BRANDEN, C.-U.; TOOZE, J. Introduction to proteinstructure. 2nd ed. New York: Garland Science, 1999.410 p.BRIGGS, P. Comparison of SURFACE and AREAIMOLfor accessible surface area calculations. CCP4Newsletter on Protein Crystallography, n. 38, Apr.2000. Disponível em: <http://www.ccp4.ac.uk/newsletter38/03_surfarea.html>. Acesso em: 20 dez.2002.COLLABORATIVE COMPUTATIONAL PROJECTNUMBER 4. The CCP4 Suite: programs for proteincrystallography. Acta Cryst., v. D50, p. 760-763, 1994.CONNOLLY, M. L. Molecular surface: a review.Disponível em: <http://www.netsci.org/Science/Compchem/feature14.html>. Acesso em: 20 dez. 2002.LEE, B.; RICHARDS, F. M. The interpretation of proteinstructures: estimation of static accessibility. J. Mol.Biology, v. 55, p. 379-400, 1971.O’DONNELL, T. J. The scientific and artistic usesof molecular surfaces. 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Cálculo de área acessível por solvente utilizando SURFV - definição de interface intramolecular pelo SMS.

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Cálculo de área acessível por solvente utilizando SURFV - definição de interface intramolecular pelo SMS.

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