[pt] As proteínas e outros peptídeos são cadeias de aminoácidos que desempenham funções biológicas específicas dentro de um organismo. A funcionalidade dessas estruturas depende da sua organização tridimensional, portanto é importante determinar quais são os fatores que controlam o bom enovelamento. Se a sequência é conhecida em principio poder-se-ia predizer sua estrutura 3D mediante uma dinâmica molecular de todos os átomos da sequência e das moléculas de água circundantes, mas é claro que esse tipo de simulação é inviável com os recursos computacionais atuais. Alternativamente, consideramos modelos simplificados que levem em conta somente as características principais de cada monômero e das partículas do meio. Efetuamos simulações de dinâmica molecular, considerando interações do tipo Lennard Jones entre monômeros (distinguindo entre monômeros polares e hidrofóbicos) e adicionalmente incorporando uma força estocástica (Langevin) para complementar a influência do meio aquoso. Consideramos diversas sequências lineares, simétricas e de comprimento fixo, evoluindo no espaço bi ou tridimensional. Como resultado destas simulações, podemos descrever a evolução temporal no espaço de conformações mediante variáveis efetivas ou coordenadas de reação, tais como o raio de giro, a distância entre as extremidades ou o número de contatos entre monômeros não ligados. Da análise das séries temporais dessas variáveis efetivas, extraímos os coeficientes que permitem construir seja a equação diferencial estocástica do movimento das variáveis efetivas ou a equação de Fokker-Planck associada. Estas equações para um número reduzido de graus de liberdade permitem, em princípio, obter informações sobre mudanças conformacionais, difíceis de acessar na descrição completa no espaço de fases original, de alta dimensionalidade. Discutimos as vantagens e limitações desta abordagem. / [en] Proteins and other peptides are aminoacid chains that perform specific biological functions within an organism. The functionality of these structures depends on their three-dimensional organization, so it is important to determine what are the factors that control the proper folding. If the sequence is known, in principle it would be possible to predict its 3D structure by means of molecular dynamics of all atoms of the sequence and the surrounding water molecules, but it is clear that this type of simulation is not feasible with the current computational resources. Alternatively, we consider simplified models that take into account only the main characteristics of each monomer and the particles of the medium. We have performed molecular dynamics simulations, considering the LennardJones-like interactions between monomers (distinguishing between polar and hydrophobic monomers) and additionally incorporating a stochastic (Langevin) force to complement the influence of the aqueous medium. We considered several linear sequences, symmetric, with fixed-length, evolving in the tri or bi-dimensional space. As a result of these simulations, we can describe the temporal evolution in the space of conformations through effective variables or reaction coordinates, such as gyration radius, distance between ends or number of contacts between unbound monomers. From the analysis of the time series of the effective variables, we extract the coefficients that allow to build the stochastic differential equation of motion of the effective variables or its associated Fokker-Planck equation. These equations for a limited number of degrees of freedom provide, in principle, information on conformational changes, which are difficult to access in the description of the original, high dimensional, phase. We discuss the advantages and limitations of this approach.

[pt] Neste trabalho inicialmente foram modeladas as estruturas do dendrímero PAMAM G4 em diferentes estados de protonação utilizando-se o programa Hyperchem. A seguir essas estruturas foram inseridas em uma caixa d’água e simuladas por dinâmicamolecular, tendo sido observado um aumento de volume do dendrímero à medida que o grau de protonação foi aumentado, com a formação de uma estrutura mais aberta comparativamente à do dendrímero não protonado. Uma vez conhecidas as topologias do dendrímero PAMAM em diferentes pH, foram incluídas moléculas de rifampicina nas cavidades existentes no interior do dendrímero em pH neutro simulado, através de um algoritmo desenvolvido com a finalidade de otimizar este encapsulamento, o que definiu como número máximo de 20 moléculas de rifampicina complexadas no interior do dendrímero e resultou em uma redução importante no custo computacional. Após estes acoplamentos pelo algoritmo desenvolvido, o complexo foi simulado através de dinâmica molecular tendo sido verificado que se mantinha estável em pH neutro ao longo do tempo.O estudo da possível liberação das moléculas de rifampicina do complexo rifampicina/PAMAM G4 por dinâmica molecular, mostrou que as moléculas de rifampicina são liberadas gradativamente em pH ácido. Os resultados computacionais foram validados por resultados experimentais obtidos em um trabalho desenvolvido em colaboração entre o IQ/UFRJ e o IPEC/FIOCRUZ, cujo objetivo foi caracterizar e determinar a atividade tuberculostática de complexos rifampicina/PAMAM G4. / [en] The structures of PAMAM G4 dendrimer in different protonation states were initially modeled using the program Hyperchem. After this procedure the structures were inserted in a box of water and simulated with molecular dynamics. Was observed an increase in volume of the dendrimer when degree of protonation was increased. Once known the topologies of PAMAM dendrimer at different pH, the rifampin was included in cavities of dendrimer in Neutral and low pH. Using an algorithm designed for the purpose of optimizing this encapsulation, were encountered 20 molecules inside the cavities of dendrimer. This procedure resulted in a low computational cost for molecular dynamics because the molecules were in a optimal position in the structure of dendrimer. After these couplings of the systems these were simulated with molecular dynamics for observation of capacity in transport of dendrimer these molecules in neutral pH and liberation in low pH. The study of the possible release of the complex molecules of rifampicin (rifampicin / PAMAM G4) showed that the molecules are released gradually of the structures at low pH. The computational results were validated by experimental results on the work developed in collaboration between IQ / UFRJ and IPEC / FIOCRUZ, whose objective was to characterize and determine the tuberculostatic activity of complex.

[pt] O estudo da interação de dibenzo[a,h]antraceno (DBahA) e de seu metabólito com modelos de membrana celular e surfactante pulmonar foi realizado através de dinâmica molecular. Os modelos de membrana celular e de surfactante pulmonar são geralmente misturas de dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC), dipalmitoil fosfatidilglicerol (DPPG), e colesterol. No caso do modelo de surfactante pulmonar pode ser incluido as proteínas surfactantes (SP-A, SP-B, SP-C e SP-D). Neste projeto, o dibenzo[a,h]antraceno (DBahA) foi simulado com o DPPC sozinho e com uma mistura 32/32/1 de DPPC/DPPG/Colesterol. DBahA é encontrado nos gases de exaustão de veículos automotores (especialmente os movidos a diesel), na fumaça do cigarro e da madeira, além de alimentos grelhados na brasa. Ele é capaz de ser metabolizado pelo citocromo P450 e seu metabólito interage com o DNA, sendo então mutagênico e altamente carcinogênico. Os principais resultados mostram que o DBahA se difunde para o interior dos modelos e forma aglomerados. Quando o DBahA está em concentração elevada na parte exterior dos modelos, este não consegue se difundir facilmente para o interior dos modelos na escala de tempo simulado e forma aglomerados na interface água/modelo. O metabólito age similarmente, no entanto prefere ficar mais próximo da cabeça polar dos modelos. / [en] The study of the interaction of dibenz[a,h]anthracene (DBahA) and its metabolite with cell membrane and pulmonary surfactant models was performed by molecular dynamics. The cell membrane and pulmonary surfactant models usually are mixtures of dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC), dipalmitoyl phosphatidylglycerol (DPPG), and cholesterol. In the case of pulmonary surfactant, the models may include surfactant proteins (SP-A, SP-B, SP-C and SP-D). In this project, the DBahA was simulated with DPPC and with a 32/32/1 mixture of DPPC/DPPG/Cholesterol. DBahA is found in automotive vehicles (especially diesel vehicles), in cigarette and wood smoke, and grilled food. The DBahA molecule is metabolized by cytochrome P450 and its metabolite interacts with DNA, being mutagenic and highly carcinogenic. The results show that the DBahA diffuses into the interior of the models forming clusters. In the simulated time scale, when the DBahA is in high concentration in the outer part of the models, it may not spread easily to the inner side of the models because it forms clusters in the water/model interface. The metabolite acts similarly, but prefers to stay closer to the polar head of the models.

[pt] A aparição do HIV na década de 80 e de outros vírus presentes no sangue dos doadores, assim como a expansão de doenças como a hepatite C, tem estimulado as pesquisas para desenvolver substitutos do sangue. Pesquisas recentes têm sido realizadas em derivados artificiais da albumina de soro humano (human serum albumin - HSA) associados com heme, representando uma linha promissora nesse sentido. No presente trabalho, fazemos um estudo computacional da ligação do heme e de seu precursor, a protoporfirina IX, com a HSA, com o objetivo de conhecer os aminoácidos que contribuem à estabilidade da ligação, a natureza do sítio de ligação, a formação de possíveis sítios secundários de ligação e a influência das porfirinas na estrutura global da proteína. Para conseguir este objetivo ut ilizamos técnicas de cálculo quântico usando a Teoria do Funcional de Densidade, Docking Molecular e Dinâmica Molecular. Finalmente fazemos um estudo da correlação existente entre as diferentes regiões da HSA e de como este padrão muda na presença das porfirinas. Para este propósito usamos os coeficientes de correlação generalizada baseados na formulação de Kraskov. Com base nestas informações, discutimos a contribuição que poderiam fornecer nossos cálculos para a reengenharia do HSA, no sentido de fornecer- lhe características de hemoproteínas. / [en] The uprising of HIV and other viruses in the beginning of the 80s, as well as the expansion of other diseases like hepatitis C has stimulated research in order to develop blood substitutes. Research based on modified Human Serum Albumin associated with heme has shown a promissory line in this direction. In the present work we make a computational study about the heme and its precursor, the Protoporphyrin IX complexed with HSA, in order to know the contribution of the main amino acids to the stability of the binding, the character of the binding site, secondary binding sites formation, and the influence of the porphyrins in the global protein structure. To find this objective we use quantum calculations based on Functional Density Theory, Molecular Docking and Molecular Dynamics. Finally, a correlation study between different regions of HSA and the pattern modifications caused by the porphyrins were performed, using the generalized correlation coefficients based on the Kraskov formulation. We also discuss the contribution that our calculations could give to the reengineering of HSA, to provide them with hemeprotein characteristics.

[pt] A simulação da adsorção da prednisolona em um modelo de surfactante pulmonar foi realizada com sucesso usando dinâmica molecular coarse grained a uma temperatura de 310 K. O modelo coarse grained da prednisolona foi parametrizado usando o modelo do colesterol e validado utilizando cálculos de coeficientes de partição octanol-água e coeficientes de difusão lateral. O coeficiente de partição octanol-água calculado para prednisolona a 298 K é 3,9 mais ou menos 1,6 que possui um acordo razoável com o valor experimental. O coeficiente de difusão lateral da prednisolona na monocamada mista de DPPC/POPC é estimado ser (6 mais ou menos 4) x10(-7) cm(2) s(-1) a 20 mN m(-1), o que está de acordo com o encontrado para o colesterol. A monocamada mista de DPPC/POPC foi utilizada como modelo de surfactante pulmonar onde moléculas de prednisolona foram adsorvidas formando nanoagregados. Os nanoagregados de prednisolona foram transferidos dentro da monocamada mista DPPC/POPC sendo espalhados na tensão superficial de 20 mN m(-1). A 0 e 10 mN m(-1) os nanoagregados de prednisolona induzem o colapso da monocamada mista DPPC/POPC formando bicamadas. A implicação deste trabalho é que a prednisolona pode apenas ser administrada com surfactante pulmonar utilizando baixas frações em massa de prednisolona por lipídio (menor que 10 por cento). Com frações elevadas, o colapso inativa as propriedades do surfactante pulmonar pela formação de uma bicamada. Os resultados desta pesquisa podem ser utilizados para o desenvolvimento de novos tratamentos clínicos de doenças como a síndrome da angústia respiratória do recém-nascido, asma e doença pulmonar obstrutiva crônica. / [en] The simulation of prednisolone adsorption on a lung surfactant model was successfully performed using coarse grained molecular dynamics at 310 K (dynamics first performed). The coarse grained model for prednisolone was parameterized using a well-established cholesterol model and validated by using calculations of octanol–water partition coefficients and lateral diffusion coefficients. The calculated octanol–water partition coefficient of prednisolone at 298 K is 3.9 more or less 1.6, which is in reasonable agreement with experiment. The lateral diffusion coefficient of prednisolone in the DPPC/POPC mixed monolayer is estimated to be (6 more or less 4) x10(-7) cm(2) s(-1) at 20 mN m(-1), which is in agreement with that found for cholesterol. The DPPC/POPC mixed monolayer was used as lung surfactant model where prednisolone molecules were adsorbed forming nanoaggregates. The nanoaggregates of prednisolone were transferred into the DPPC/POPC mixed monolayer being spread at the surface tension of 20 mN m(-1). At 0 and 10 mN m(-1) , the prednisolone nanoaggregates induce the collapse of the DPPC/POPC mixed monolayer forming a bilayer. The implications of this work are that prednisolone may only be administered with lung surfactant by using low mass fractions of prednisolone per lipid (less than 10 percent). And, with high fractions, the collapse inactivates the properties of the lung surfactant by forming a bilayer. The results of this research can be used to develop new clinical treatments for diseases such as respiratory distress syndrome of the newborn, asthma and chronic obstructive pulmonary disease.

[pt] As doenças trasmitidas pelo sangue, assim como a necessidade de bancos de sangue para um pronto auxílio em casos de acidentes tem estimulado esforços para desenvolver substitutos do sangue. A albumina serica humana (HSA do ingles Human Serum Albumin) é a proteína mais abundante no plasma sanguíneo. A molécula heme é a transportadora de oxigênio no sangue. Portanto, um estudo detalhado da interação HSA/heme seria útil em pesquisas que visam tornar o complexo HSA-heme em um substituto do sangue. Nesta tese, foram usadas técnicas de dinâmica molecular e ferramentas estatísticas para estudar o sistema HSA-heme em solvente explícito. Tanto o ligante quanto a proteína foram também estudados separadamente em meio aquoso. Dentre outros resultados, nosso estudo revelou a organização da água circundante, os efeitos da ligação do heme na HSA, os mecanismos moleculares da ligação do heme, os movimentos coletivos da proteína livre e ligada, assim como também os aminoácidos que atuam como dobradiças moleculares na mudança conformacional que sofre a proteína ao ligar o heme. / [en] Diseases transmitted through the blood, as well as the need for blood banks to help in case of accidents, stimulated efforts to develop blood substitutes. The human serum albumin (HSA) is the most abundant protein in blood plasma. The heme molecule is the carrier of oxygen in the blood. Therefore, a detailed study of the interaction HSA/heme could give useful insights in the research aimed to convert the HSA-heme complex into a blood substitute. In this thesis, molecular dynamics techniques and statistical tools were applied to study the HSA-heme system in explicit solvent. Both ligand and protein were also studied separately in aqueous medium. Among other results, our study reveals the organization of the surrounding water, the effects of the heme upon its binding to HSA, the molecular mechanisms for heme binding, the collective motions of the protein with and without the heme, as well as the amino acids that act as molecular hinges in the conformational change between the free and bound forms of the protein.