Análise estrutural e conformacional de carboidratos depositados no Protein Data Bank

Abstract

Os carboidratos são bem conhecidos por suas características físico-químicas, biológicas, funcionais e terapêuticas. Infelizmente, sua natureza química impõe sérios desafios para a elucidação estrutural desses fenômenos, prejudicando não apenas a profundidade de nossa compreensão dos carboidratos, mas também o desenvolvimento de novas aplicações biotecnológicas e terapêuticas baseadas nessas moléculas. No passado recente, a quantidade de informações estruturais, obtidas principalmente da cristalografia de raios-X, aumentou progressivamente, assim como sua qualidade. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta uma análise global das informações sobre carboidratos disponíveis em todo o principal banco de dados de estruturas cristalográficas, Protein Data Bank (PDB). A partir de estruturas de alta qualidade, fica claro que a maioria dos dados está altamente concentrada em alguns tipos de resíduos, principalmente em suas formas monossacarídicas e com um nível limitado de ramificação. As geometrias adotadas pelas ligações glicosídicas podem estar principalmente associadas aos tipos de ligações em vez dos resíduos, enquanto o nível de distorção dos monossacarídeos, baseado em medições do puckering, foi caracterizado, quantificado e localizado em uma paisagem de equilíbrio pseudo-rotacional - não apenas para mínimos locais, mas também para estados de transição. Além disso, foi realizado um ajuste de parâmetros já existentes para simulações de dinâmica molecular de hexopiranose (GROMOS53a6GLYC), a fim de descrever corretamente o equilíbrio de conformações presentes nos monossacarídeos in silico. Essas análises qualitativas e quantitativas oferecem uma imagem global do conteúdo estrutural de carboidratos no PDB, potencialmente apoiando a construção de novos modelos para fenômenos biológicos relacionados a carboidratos no nível atomístico. Além disso, o cuidado com a representação correta dessas moléculas auxilia em estudos futuros sobre as propriedades terapêuticas e atomísticas dessas importantes biomoléculas.

Carbohydrates are well known for their physico-chemical, biological, functional and therapeutic characteristics. Unfortunately, their chemical nature impose severe challenges for the structural elucidation of these phenomena, impairing not only the depth of our understanding of carbohydrates, but also the development of new biotechnological and therapeutic applications based on these molecules. In the recent past, the amount of structural information, obtained mainly from X-ray crystallography, has increased progressively, as well as its quality. In this context, the current work presents a global analysis of the carbohydrate information available on the entire Protein Data Bank. From high quality structures, it is clear that most of the data is highly concentrated on a few set of residue types, mainly on their monosaccharidic forms and with a limited level of branching. The geometries adopted by glycosidic linkages can be mostly associated to the types of linkages instead of the residues, while the level of puckering distortion was characterized, quantified and located in a pseudorotational equilibrium landscape - not only to local minima, but also to transitional states. Furthermore an adjustment of already existing parameters for hexopyranoses molecular dynamics simulations (GROMOS53a6GLYC) was performed, in order to correctly describe the equilibrium of conformations present in monosaccharides in silico. These qualitative and quantitative analyses offer a global picture of carbohydrate structural content on PDB, potentially supporting the building of new models for carbohydrate related biological phenomena at the atomistic level. In addition, the care for the correct representation of these molecules in silico aids in future studies regarding the therapeutical and atomistic properties of such important biomolecules.