Resolução da estrutura cristalográfica e análise da estabilidade estrutural da hemoglobina de Cerdocyon thous

Abstract

A hemoglobina de Cerdocyon thous (HbCt) foi purificada e cristalizada pelo método de difusão de vapor a 21°C na condição PEG 4000 16%, Hepes-Na 0,1 M pH 7,8. Os dados cristalográficos foram coletados no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). O grupo espacial do cristal é do tipo P212121, com os eixos da célula unitária de a=52,73; b=84,24 e c=130,28 Å, correspondentes a cristais do sistema ortorrômbico. A estrutura cristalográfica da HbCt foi resolvida até o limite de 2,2 Å de resolução, pelo método de substituição molecular utilizando a estrutura da hemoglobina de Chrysocyon brachyurus (PDB ID: 1FHJ) como modelo. O modelo final obtido após o refinamento foi depositado no PDB com o código 2B7H, apresentando boa qualidade conforme indicado por vários parâmetros, dentre eles, o valor baixo dos fatores de temperatura, o Rfactor de 0,168 e Rfree de 0,232. A estrutura dessa hemoglobina apresenta uma água como ligante do ferro e sua organização estrutural assemelha-se às hemoglobinas do tipo metahemoglobina. A sua estrutura cristalográfica foi utilizada como um modelo de estudo para análise do comprometimento estrutural tridimensional com substituições de aminoácidos em posições específicas. Para isso, foram utilizadas estruturas cristalográficas de hemoglobinas de humano e de cavalo, disponíveis no PDB. Além dessas substituições uma análise detalhada da relação estrutura vs estabilidade foi feita. Por ser uma proteína multimérica, a desnaturação da hemoglobina varia de acordo com a condição de pH e o tipo de desnaturante utilizado. Neste trabalho, o processo de desdobramento da HbCt e da hemoglobina de Pseudalopex vetulus (HbPv) foi realizado para analisar a estabilidade dessas moléculas. Estes ensaios foram acompanhados por fluorescência e dicroísmo circular utilizando a uréia, a guanidina, diferentes pHs e a temperatura como agentes desnaturantes. Além disso, foi analisado o efeito do surfactante catiônico brometo de hexadeciltrimetil amônio (CTAB) na estabilidade das hemoglobinas, por dicroísmo circular. A HbCt é mais estável em pH ácido e mais instável do que a HbPv em pH básico. Esses dados foram comparados com a cianometahemoglobina humana. O CTAB na concentração de 0,5 e 1 mM para HbCt e HbPv, respectivamente estabiliza as hemoglobinas principalmente pelo efeito de hidratação preferencial. Uma análise da relação da estabilidade de hemoglobinas com a estrutura tridimensional foi feita baseando-se nos modelos tridimensionais da HbCt, humana e de cavalo. Comparando com a hemoglobina humana, as modificações apresentadas na HbCt tendem a ser estabilizadoras. Em contrapartida, comparando com a hemoglobina eqüina, as modificações apresentadas na HbCt tendem a ser desfavoráveis para a estabilidade conformacional. As substituições e o comprometimento com a organização estrutural, causadas no ambiente molecular, foram caracterizadas e podem servir de modelo para o desenho racional de proteínas mais estáveis, com vistas à aplicação biotecnológica, como é o caso do desenvolvimento do sangue artificial recentemente descrito na literatura. Esse tipo de estudo pode ser aplicado como um modelo da relação estrutura vs estabilidade de proteínas em geral, mas principalmente para aquelas com maior número de entradas no PDB e que merecem atenção pela função e aplicação biotecnológica. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The hemoglobin from C. thous (HbCt) was purified and crystallized by hanging drop vapor diffusion method at 21oC in 16% PEG 4000, 0.1 M Hepes-Na pH 7.8. The crystallographic data were collected in the National Laboratory of Synchrotron Light (LNLS). The crystals grew in space group P212121 (orthorhombic type) with cell dimensions of a=52.73, b=84.24 and c=130.28 Å. The crystallographic structure of the HbCt was solved at 2.2 Å resolution, by molecular replacement using the structure of the hemoglobin from Chrysocyon brachyurus (pdb 1FHJ)as a search model. The model was refined and deposited in the PDB under the code 2B7H with structural quality indicated by some parameters, among them, the low value of B-factor, the Rfactor of 0.168 and the Rfree of 0.232. The hemoglobin presents one water molecule as ligand of the iron characterizing the methemoglobin form. The structural organization of the subunits of the HbCt is similar to the known hemoglobins. The crystallographic structure of HbCt and hemoglobins from human and horse were used as models to study the structural effects concerning the amino acid substitutions in specific positions and the consequent conformational changes of the respective molecular environment. Indeed, an extensive analysis of the relationship between estructure and stability was done. The hemoglobin is a multimeric protein and its unfolding process depends of several conditions such as pH and denaturing agent. In this work, the unfolding process of the HbCt and the hemoglobin from Pseudalopex vetulus (HbPv) was performed by fluorescence and circular dichroism using urea, guanidine, different pHs and temperature as denaturing agents. Moreover, the stabilizing effect of the cationic surfactant hexadecyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) was analyzed by circular dichroism. HbCt is more stable in acid pH and more instable than HbPv in basic pH. The CTAB, at 0.5 and 1.0 mM for HbCt and HbPv, respectively, stabilizes the hemoglobins mainly by preferential hydration. An analysis of the relationship between stability and the threedimensional structure was done based on the three-dimensional models of HbCt, human and horse. The differences in amino acidic content of HbCt comparing with the human hemoglobin tend to stabilize the HbCt. On the other hand, comparing with equine hemoglobin, the modifications presented in HbCt tend to be unfavorable for the conformational stability. VII The amino acidic substitutions and the consequent conformational changes in the molecular environment of the HbCt were characterized. Generally, this study is very important for rational design of stable proteins with biotechnological applications. For hemoglobin, in particular, this study is fundamental in order to produce the artificial blood, a new tendency of pharmaceutical companies, as recently described in the literature.