Estudos in silico e in vitro sobre bases estruturais de propriedades tecnológicas de proteínas e peptídeos do leite bovino

Abstract

Algumas proteínas alimentares, além de suas funções nutricionais, possuem propriedades tecnológicas de grande interesse na composição e formulação de alimentos, como, por exemplo, propriedades biofuncionais, com ação anti-hipertensiva, e de interface, com ação espumante e emulsificante. Para se estudar a origem de tais propriedades tecnológicas, é necessário estabelecer de forma clara uma relação entre a função tecnológica e sua estrutura molecular e como essa se comporta na matriz alimentar. Em Ciência e Tecnologia de Alimentos (CTA), algumas técnicas experimentais in vitro bastante criteriosas têm sido utilizadas com esse objetivo, como, por exemplo, difração de raios X, dicroísmo circular, espectroscopias de fluorescência, e microcalorimetrias, porém esses métodos possuem limitações intrínsecas quanto à caracterização da dinâmica destas biomoléculas. Assim, abordagens alternativas para um estudo estrutural mais refinado da relação “estrutura-função” se fazem necessárias, e as simulações de docking e dinâmica molecular, métodos com reconhecida validade científica nas áreas de farmacologia, medicina e ciência dos materiais, mas ainda raramente utilizadas em CTA no Brasil, despontam como ferramentas para um estudo mais racional e menos empírico das aplicações tecnológicas das proteínas alimentares. O objetivo desta tese foi aplicar métodos in silico, especificamente simulações de docking e de dinâmica molecular, para compreender as bases moleculares de propriedades biofuncionais e tecnológicas de biomoléculas alimentares. As propriedades estudadas foram a atividade anti- hipertensiva de peptídeos obtidos da hidrólise da caseína do leite bovino e propriedades espumantes da α-lactoalbumina do soro de leite bovino, como sua capacidade espumante e estabilidade da espuma. A utilização dessas ferramentas nos permitiu atingir um nível de detalhamento e refinamento raramente encontrados em trabalhos de CTA, esclarecendo, em suma, que: i) a atividade anti-hipertensiva dos peptídeos obtidos da hidrólise da caseína está correlacionada a uma maior desestruturação dos três resíduos (His383, His387 e Glu411) coordenados ao íon de Zn 2+ da enzima conversora de angiotensina-I, desde que também estabeleçam interações do tipo ligação de hidrogênio como os resíduos do sítio S1 (Ala354, Glu384 e Tyr523); ii) à temperatura de 75 °C o íon de Ca 2+ não se mantém complexado à estrutura da α-lactoalbumina, e que após ser depletado, uma série de eventos de desestabilização estrutural são iniciados, resultando na perda completa das estruturas 2 as h2b, h3c, S1, S2 e S3, e a desestruturação parcial das α-hélices H1, H2 e H3, aumentando sua capacidade de recobrir a interface e, consequentemente, aumentando sua capacidade espumante. A inserção gradual e a consolidação de tais ferramentas de modelagem molecular em pesquisas relacionadas à CTA nos permitirá esclarecer uma série de outros questionamentos acerca da relação “estrutura-função” de diversas biomoléculas alimentares, que foram empiricamente reportadas na literatura, mas que ainda não se foi capaz de esclarecer a nível molecular. Palavras-chave: Modelagem molecular. Dinâmica molecular. Docking molecular. α- lactoalbumina. Enzima conversora de angiotensina.

Some food proteins, farther to their nutritional functions, have technological properties of interest in food formulations, such as foaming and emulsifying actions, and biofunctional properties, such as the antihypertensive capacity. To study the origin of these technological properties, it is necessary to set up a clear relationship between the technological function and its native structure, comprising how it behaves in the food matrix. In food science and technology (FST), some in vitro techniques have been used for this purpose, such as X-ray diffraction, circular dichroism spectroscopy, fluorescence spectroscopies, and microcalorimetry, however, these methods have limitations concerning the characterization of these biomolecules dynamics. Thus, alternative approaches for a refined “structure-function” study are necessary, and docking and molecular dynamics simulations, tools with recognized scientific validity in pharmacology, medicine and material science, but still uncommon at FST researches in Brazil, appear as alternatives for a more rational and less empirical study of the food proteins technological applications. This thesis aimed to apply in silico method, such as docking and molecular dynamics simulations, to understand the molecular bases of biofunctional and technological properties of food biomolecules, such as the antihypertensive activity of peptides obtained from bovine milk casein hydrolysis, and the foamability of bovine α-lactalbumin. These tools allowed us to reach a level of detail and refinement rarely found in FST works, clarifying, briefly, that: i) the antihypertensive activity from peptides obtained of casein hydrolysis is increased with the destabilization increasing of the three residues coordinated with the Zn 2+ ion (His383, His387 and Glu411) from angiotensin-I converting enzyme (ACE), whereas it also establishes h- bonds with ACE S1 active site residues (Ala354, Glu384 and Tyr523); ii) at 75 °C the Ca 2+ ion does not remain stable to the α-lactalbumin structure, and, after to be depleted, a sequence of de-structural events are initiated, resulting in the complete loss of the 2as structures h2b, h3c , S1, S2 and S3, and the partial de-structuring of the α- helices H1, H2 and H3, with the four disulfide bridges avoiding the complete protein unfolding. The gradual introduction and consolidation of molecular modeling tools in FST researches will allow us to clarify a wide range of other questions about the “structure-function” of several food biomolecules, which are observed empirically, but which we have not able to (yet) clarify at a molecular level. Keywords: Molecular modeling. Molecular dynamics. Molecular docking. α-lactoalbumin. Angiotensin converting enzyme.