La química supramolecular és la química dels enllaços no covalents. L'objectiu dels investigadors en aquest camp és entendre i predir el comportament i la interacció dels acoblaments de grans dimensions moleculars. Aquest treball se centra en l'estudi de dos sistemes supermoleculars independents que promouen una reacció clic en el seu nucli. Aquests sistemes són: un cucurbit[6]uril macrocicle i un calixerè autocomplementari que s'acobla en una càpsula. Presenten un gran espai intern capaç d'atrapar espècies reactives. El principal efecte de l'agregació és l'eliminació parcial de constriccions entròpiques, promovent així les reaccions mencionades. A més, en aquests dos casos, la inhibició del producte s'observa experimentalment. Es va realitzar un test de mètodes incloent: Mecànica Molecular, DFT/MM, DFT/ES, DFT i DFT -D. Els resultats mostren clarament que el DFT-D supera tots els altres mètodes, tot i que per als sistemes molt grans requereix més mitjans computacionals. B97D s'ha seleccionat amb M06 i una base de 6-31G* sembla suficient. Els errors BSSE són molt grans i cal tenir-los en compte, mentre que una solvatació implícita és satisfactòria. Havent identificat els mètodes adequats per a l'estudi d'aquests dos conjunts, calculem un gran conjunt de punts estàtics que engloba les possibles alteracions pot experimentar cada sistema. Amb aquestes dades podem construir una xarxa de reacció. Reactius, productes, complexos o conformacions estan relacionats. Seguint aquest esquema, es calcula un conjunt de constants de velocitat per al seu ús en un programa de cinètica. A més, incorporem processos controlats per difusió. El resultat mostra l'evolució global del sistema a través del temps, per exemple, les concentracions dels diferents intermedis i el més important: la formació gradual del producte atrapat. Aquest mètode ens permet reproduir els resultats experimentals i evita el sobrecost (temps/mitjans) de la dinàmica molecular. / La química supramolecular es la química de los enlaces no covalentes. El objetivo de los investigadores en este campo es entender y predecir el comportamiento y la interacción de ensamblajes de gran tamaño molecular. Mi estudio se centra en dos sistemas independientes supermoleculares que promueven una reacción click en su núcleo. Estos sistemas son: un cucúrbito[6]uril y un calixareno autoasemblado que forma una cápsula molecular. Ambos presentan un espacio interno grande capaz de atrapar especies reactivas. El principal efecto de la agregación es la eliminación parcial del efecto de la entropía, promoviendo así dichas reacciones; en estos dos casos, se queda en la supermolécula, bloqueando las posibilidades de catálisis. Realizamos una serie de pruebas de los métodos incluyendo: Mecánica Molecular, DFT/MM, DFT/SE, DFT y DFT-D. Los resultados muestran claramente que DFT-D supera a todos los otros métodos, a pesar de que para sistemas muy grandes es muy exigente en términos de recursos computacionales. Se ha seleccionado B97D y una base 6-31G* parece suficiente. Los errores de BSSE son muy grandes y deben ser tomados en cuenta, mientras que una solvatación implícita es satisfactoria. Habiendo identificado los métodos adecuados para el estudio de esos dos complejos, calculamos un gran conjunto de puntos estáticos que engloba las posibles alteraciones que cada sistema puede experimentar. Con estos datos podemos construir una red de reacción. Reactivos, productos, complejos o conformaciones están relacionados. Siguiendo este esquema, se calcula un conjunto de constantes de velocidad para su uso en un programa de cinética. Además, incorporamos procesos controlados por difusión. El resultado muestra la evolución del sistema global a través del tiempo, es decir, las concentraciones de los diferentes intermediarios y lo más importante: la formación gradual del producto atrapado. Este método nos permite reproducir los resultados experimentales y no se basa en métodos de dinámica molecular. / Supramolecular chemistry is the chemistry of non-covalent bonds. Understanding and predicting the behaviour and interplay of large molecular assemblies is the goal of researchers in the field. The present work is focused on the study of two independant supermolecular systems that both promote a click reaction in their core. These systems are (i) a cucurbit[6]uril (CB6) macrocycle and (ii) a self-complementary calixarene that assembles into a capsule. They exhibit a large inner space capable of trapping reactive species. The main effect of aggregation is the partial removal of entropic contraints, thus promoting the formentionned reactions. Also, in those two cases, product inhibition is experimentally observed. We performed a benchmark of methods including from Molecular Mechanics, DFT/MM, DFT/S-E, DFT y DFT-D. The results clearly show DFT-D outperforms all the other methods, although it is computationally expensive for the very large systems in hand. B97D has been selected over M06 and a basis set of 6-31G* appears sufficient. BSSE errors are very large and need to be taken into account, while single-point solvation is satisfactory. Having identified suitable methods for the study of those two assemblies, we compute a large set of stationary points that encompasses the possible alterations each system can undergo. With this data, we build a reaction network. Reactants, product, complexes or conformations (vertices) are related by reactions (edges). Following this scheme, we compute a set of rate constants to use in a kinetic program. Also, we incorporate diffusion-controlled processes. The output shows the evolution of the global system over time, for example the concentrations of the different intermediates and more importantly the gradual formation of the trapped product. This method allows us to reproduce experimental results and does not rely on expensive molecular dynamics.

This thesis focuses in the development and application of new tools for the analysis of the electron distribution in molecules, focusing on the concepts of local spins, and oxidation state. The thesis can be divided into three parts. The first one deals with the formulation of a new atom in molecule definition reproducing to some extent the results of the QTAIM (Quantum theory of atoms in molecules) analysis at a much reduced computational cost. In the second part we propose a new methodology to obtain local spins from wave function analysis and we relate local spins with the chemical bond and the radical character of molecules. Finally, we study the electron configurations of the atom within the molecule and retrieve their oxidation states from a particular analysis of the effective atomic orbitals (eff-AOs) / Aquesta tesi es centra en el desenvolupament i aplicació de noves eines per a l'anàlisi de la distribució electrònica en molècules, posant èmfasi en els conceptes de espins locals i estats d'oxidació. La tesi es pot dividir en tres parts. La primera està dedicada a la formulació d'una nova definició d'àtom dins de la molècula que reprodueix les propietats de l'anàlisi QTAIM (Quantum theory of atoms in molecules) amb un cost computacional associat molt més baix. A la segona part proposem una nova metodologia per a obtenir espins locals a partir de l'anàlisi de la funció d'ona i relacionam aquest concepte amb l'enllaç químic iatom el caràcter radical de les molècules. Per últim, estudiem les configuracions electròniques dels àtoms dins de les molècules i obtenim estats d'oxidació efectius a partir de l'anàlisi dels orbitals atòmics efectius

No description available.

En esta tesis, se ha estudiado dos tipos de reacciones fotoquímicas. Por una parte, se han determinado los mecanismos de reacciones de desactivación no radiativa en la molécula de Uracilo, que forma parte del ARN. Mediante el estudio de derivados del uracilo (5-fluorouracilo y 5- y 6-aminouracilo) se ha podido explicar por qué los derivados presentan estados excitados con tiempos de vida màs largos que el sistema original. También se ha estudiado la fotoquímica de la familia de los aminobenzonitrilos (biciclos, 4F-DMABN y los isomeros del DTABN). Se han determinado los mecanismos de la reacción de transferencia intramolecular de carga, con localización de las especies luminiscentes. Los diferentes derivados han permitido estudiar los efectos estericos y electrónicos y explicar los patrones de fluorescencia diferentes encontrados para los distintos derivados. Los estudios fueron realizados mediante el método CASSCF/CASPT2, con una buena adecuación a los resultados experimentales. / In this thesis, we studied two different types of photochemical reactions. On one hand, we determined non-radiative decay mechanisms for uracil molecule, which is part of the RNA. We then studied some derivatives of uracil (5-fluorouracil and 5- and 6-aminouracil) in order to explain their longer excited states lifetime relative to the parent system. It also allowed us to confirm our initial hypothesis. A second part of our work was about the Intramolecular Charge Transfer (ICT) in the benzonitrile family. Three derivatives of the DMABN have been studied: bicycle systems, 4F-DMABN and DTABN isomers. These systems allowed us to check both electronic and steric effects as well as to explain the mechanisms controlling the potential dual fluorescence and the emitting species. Our studies have been done using the CASSCF/CASPT2 method, with a good agreement with experimental results, which confirms the reliability of this method.

Structural isomers are molecules that have the same number and type of atoms but arranged in different manner. The isomerization energy is the energy difference between two isomers, i.e. the energy cost corresponding to the transformation of one isomer into another. In this thesis, the PhD student has focused on isomers that can be built from the same fragments, but simply connecting them differently, with a new methodology called "turn-upside-down." Basically one starts with the same two fragments and they are connected in different way to build the two isomers. Later, the energies involved in the bonding between the fragments are studied by an energy decomposition analysis in order to find the reason for the difference in stability between the two isomers. The computational results obtained have allowed us to justify the energy of isomerization of organic or inorganic or organometallic compounds / Isòmers estructurals són molècules que presenten el mateix nombre i tipus d’àtoms, però ordenats de diferent manera. L’energia d’isomerització és la diferència d’energia entre dos isòmers, o sigui, el cost energètic corresponent a la transformació d’un isòmer a l’altre. En aquesta tesi, el doctorand s’ha centrat en isòmers que es poden construir a partir dels mateixos fragments, però simplement unint-los de diferent manera, amb una nova metodologia anomenada “turn-upside-down”. Bàsicament es parteix dels mateixos dos fragments que unim de diferent manera per construir els dos isòmers. Posteriorment, les energies involucrades en la unió entre els fragments s’estudien amb una anàlisi de descomposició de l’energia per tal de saber la raó de la diferència d’estabilitat entre els dos isòmers. Els resultats computacionals obtinguts han permès justificar l’energia d’isomerització de compostos tant orgànics com inorgànics o organometàl·lics

Esta tesis versa sobre el punto de vista desde la Teoría de Galois Diferencial hacia la mecánica cuántica supersimétrica. El objeto principal considerado aquí es la ecuación deSchrödinger estacionaria no relativista, especialmente los casos integrables en el sentido de la teoría de Picard-Vessiot theory y las principales herramientas algorítmicas utilizadas aquí son el algoritmo de Kovacic y el método de la algebrización para obtener ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes racionales. Analizamos las transformaciones de Darboux, la iteración de Crum y la mecánica cuántica supersimétrica con sus versiones algebrizadas desde un acercamiento Galoisiano. Aplicando el método de la algebrización y el algoritmo de Kovacic obtenemos el estado base, las funciones propias, los valores propios los grupos de Galois diferenciales y los anillos propios de algunas ecuaciones de Schrödinger con potenciales tales como exactamente resoluble y potenciales de forma invariante. Finalmente, introducimos una metodología para buscar potenciales exactamente resolubles. Para construir otros potenciales, aplicamos el método de la algebrización en forma inversa, desde ecuaciones diferenciales que tengan polinomios ortogonales y funciones especiales como soluciones

La present Tesi se centra en l'estudi i modelatge de sistemes físico-químics de reacciódifusió en què una o més espècies es difonen vers una superfície sobre la qual es produeix una interacció amb alguna/algunes de les espècies que hi arriben. S'analitzen els fenòmens físico-químics implicats, es planteja la seva formulació matemàtica, s'aborda la resolució numèrica o analítica i s'estudien els comportaments del sistema i les respostes experimentals que es mesuren.Com a cassos particulars d'interès s'analitzen tres fenòmens: i) els corrents mesurats en les tècniques electroanalítiques afectades per adsorció electròdica; ii) el flux de bioassimilació d'ions metàl·lics o altres espècies químiques que arriben als microorganismes; i iii) els fluxos iònics a través de canals de gramicidina incorporats en una monocapa lipídica (amb o sense altres additius) que recobreix un elèctrode de mercuri.La construcció de simuladors pels sistemes esmentats permet abordar el problema invers (la determinació de valors de constants físico-químiques implicades en aquests processos a partir de l'ajust a dades experimentals), la quantificació de la influència de l'adsorció del metall o del complex sobre els resultats de tècniques electroanalítiques, l'estimació de la bioacumulació en cultius controlats de microorganismes o l'efecte dels additius sobre la permeació dels canals iònics, aspecte fonamental per entendre l'acció de diferents fàrmacs o tòxics sobre les membranes biològiques.Utilitzant un nombre reduït de paràmetres, la comparació dels resultats experimentals i de simulació pels tres casos resulta força acurada. L'obtenció dels perfils de concentració de totes les espècies implicades en les tècniques electroanalítiques ens permet i) entendre més profundament el procés, ii) concloure que l'adsorció té poc impacte en els corrents límit RPP i iii) proposar indicadors del grau d'assoliment de la hipòtesi d'excés de lligand. Pel que fa a la bioassimilació, i) es presenten expressions analítiques pels fluxos de bioassimilació en el cas d'adsorció lineal, i numèriques en adsorció langmuiriana; ii) es demostra que el règim transitori té influència en les quantitats acumulades durant la bioassimilació i iii) es dissenyen estratègies per obtenir els valors dels paràmetres del sistema fins i tot quan aquest són nombrosos. Pel que fa al transport d'ions a través de membranes lipídiques, la metodologia desenvolupada permet i) obtenir valors de la permeabilitat en sistemes de canals iònics a partir de corrents experimentals, i calcular els corrents previsibles; ii) reproduir els corrents observats experimentalment, i iii) analitzar l'impacte de diferents additius que poden interactuar o interferir amb la dinàmica dels canals de gramicidina amb un model que conté únicament quatre paràmetres. / Esta Tesis se centra en el estudio y modelización de sistemas físico-químicos de reacción-difusión en que una o más especies se difunden hacia una superficie sobre la cual se produce una interacción con alguna o algunas de las especies que llegan. Se analizan los fenómenos físico-químicos implicados, se plantea su formulación matemática, se aborda la resolución numérica o analítica y se estudian los comportamientos del sistema y las respuestas experimentales que se miden.Como casos particulares de interés se analizan tres fenómenos: i) las corrientes medidas en las técnicas electroanalíticas afectadas por adsorción electròdica; ii) el flujo de bioasimilación de iones metálicos u otras especies químicas que llegan a los microorganismos; i iii) los flujos iónicos a través de canales de gramicidina incorporados sobre una monocapa lipídica (con o sin otros aditivos) que recubre un electrodo de mercurio.La construcción de simuladores para los sistemas mencionados permite abordar el problema inverso (la determinación de valores de constantes físico-químicas implicadas en dichos procesos a partir de su ajuste a los datos experimentales), la cuantificación de la influencia de la adsorción de metal o de complejo sobre los resultados de las técnicas electroanalíticas, la estimación de la bioacumulación en cultivos controlados de microorganismos o el impacto de los aditivos sobre la permeación de los canales iónicos, aspecto fundamental para entender la acción de diferentes fármacos o tóxicos sobre las membranas biológicas.Utilizando un número reducido de parámetros, la comparación de los resultados experimentales y de simulación en los tres casos resulta bastante satisfactoria. La obtención de los perfiles de concentración de todas las especies implicadas en las técnicas electroanalíticas nos permite i) entender el proceso más profundamente; ii) concluir que la adsorción tienen poco impacto en las corrientes límite RPP y iii) proponer indicadores del grado de cumplimiento de la hipótesis de exceso de ligando.Por lo que respecta a la bioasimilación, i) se presentan expresiones analíticas para los flujos de bioasimilación en el caso de adsorción lineal, y numéricas en adsorción langmuiriana; ii) se demuestra que el régimen transitorio influye en las cantidades acumuladas durante la bioasimilación; y iii) se diseñan estrategias para obtener los valores de los parámetros del sistema, aún cuando éstos son numerosos. Respecto al transporte de iones a través de membranas lipídicas, la metodología desarrollada permite i) obtener valores de la permeabilidad en sistemas de canales iónicos a partir de corrientes experimentales, y calcular las corrientes previsibles; ii) reproducir las corrientes observada experimentalmente y iii) analizar el impacto de diferentes aditivos que pueden interactuar o interferir con la dinámica de los canales de gramicidina, con un modelo que contiene únicamente cuatro parámetros. / This work focuses on the study and modelling of some physicochemical reactiondiffusion systems in which one or more species diffuses towards a surface that interacts with one or several of the arriving species. The implied physicochemical processes are analyzed, their mathematical formulation is stated, the analytical or numerical resolution is tackled and the system behaviour and experimental responses are studied. As some particular interesting systems, we analyze three phenomena: i) the measured currents in electroanalytical techniques affected by electrodic adsorption; ii) the biouptake flux of metallic ions or other chemical species reaching a microorganism; and iii) the ionic flux across gramicidin channels in a lipid monolayer (with or without other additives) covering a mercury electrode.The building up of simulators for such systems allows to tackle the inverse problem (the determination, by fitting of the experimental data, of the value of the physicochemical constants implied in those processes), the quantification of the influence of metal or complex adsorption on the results of the electoanalytical techniques, the bioaccumulation estimation in controlled microorganisms cultures, or the additives' effects on ionic channels permeability, which is a key aspect to understand the action of drugs on the biological membranes.Using a reduced set of parameters, experimental and simulated results for these three systems are in good agreement. Obtaining the concentration profiles of all the species involved in the electroanalytical techniques allows us i) to reach a deeper understanding of the process; ii) to conclude that adsorption has a low impact on the RPP limiting current, and iii) to suggest indicators of the fulfilment of ligand excess conditions.Concerning biouptake i) we present analytical expressions for uptake fluxes in linear adsorption, and numerical solutions for langmuirian adsorption; ii) we show that the transient regime influences the accumulated biouptake amounts and iii) some strategies are developed to obtain the system parameters values, even when they are numerous.Concerning ionic transport across lipid membranes, the developed methodology allows us i) to obtain the permeability values in ionic channels systems from experimental currents, and calculate the predicted currents ; ii) to reproduce the observed experimental currents, and iii) analyze the impact of several additives that can interact or interfere with the channels dynamics, with a four parameters model.

Entre les molècules de l'espai, l’H2 és una de les més rellevants de l'univers. És la més abundant en el medi interestel·lar i és un intermedi clau per a la formació de molècules més grans. La seva formació és complexa, però a causa de la seva inherent rellevància, la comprensió de la seva interacció i la seva formació pot ser considerat com un paradigma del procés astrofísic. La present tesi s'estructura en quatre capítols. El capítol 1 presenta el marc astroquímic en què es troba la tesi, mostrant la presència d'hidrogen interestel·lar en el medi interestel·lar i on es porta a terme, en els grans de pols interestel·lar circumdants. Després de presentar els objectius d'aquesta tesi, el capítol 2 repassa els aspectes teòrics generals que hi ha darrere, com per exemple l'estructura electrònica, els mètodes del funcional de la densitat, el modelització de sòlids i l’efecte túnel, proporcionant finalment els detalls computacionals implicats. El capítol 3 correspon als resultats obtinguts i a la seva discussió i es divideix en diferents seccions. La secció 3.1 presenta algunes de les propietats fisicoquímiques de l'estructura cristal·lina i les corresponents superfícies de Mg2SiO4 forsterita, així com dels sistemes que contenen ferro com la olivina Mg1.5Fe0.5SiO4. La secció 3.2 reporta l'adsorció d'hidrogen atòmic i la seva recombinació per formar una molècula de H2 sobre la superfície cristal·lina (010) de Mg2SiO4 forsterita i la secció 3.3 analitza la rellevància de la morfologia superficial considerant la formació de H2 sobre les superfícies cristal·lines (001) i (110) de Mg2SiO4 forsterita. Finalment, la secció 3.4 investiga la influència dels àtoms de Fe2+ tot modelant la fisisorció i quimisorció d’hidrogen atòmic sobre la superfície cristal·lina (010) de forsterita amb contingut de ferro, tenint lloc posteriorment la formació de H2. El capítol 4 aborda les conclusions generals de la present tesi i les possibles perspectives futures, mentre que el capítol 5 inclou les referències citades. Per últim, l'apèndix A i B aporta informació suplementària reportada en el capítol 3. / Among the molecules in space, H2 is one of the most relevant of the universe. It is the most abundant one in the interstellar medium and is a key intermediate for the formation of bigger molecules. Its formation is complex, but due to its inherent relevance understanding its interaction and its formation can be considered as a paradigm of the astrophysical process. The present thesis introduces in Chapter 1 the astrochemical framework in which the thesis is located, pointing out the presence of interstellar hydrogen in the interstellar medium and where it takes place, in the interstellar dust grains around. After presenting the goals this thesis aims, Chapter 2 overviews the general theoretical aspects behind it, such as electronic structure, density functional methods, solids modelling and tunnelling effects, providing finally the computational details entailed. Chapter 3 corresponds to results and discussion and is divided into different sections. Section 3.1 presents some physicochemical properties of the crystalline bulk structure and the corresponding surfaces of Mg2SiO4 forsterite and of the Fe-containing Mg1.5Fe0.5SiO4 olivine systems. Section 3.2 reports the adsorption of H atoms and their recombination to form a H2 molecule on the crystalline Mg2SiO4 forsterite (010) surface and Section 3.3 analyses the relevance of surface morphology by considering the H2 formation on the crystalline Mg2SiO4 forsterite (001) and (110) surfaces. Finally, Section 3.4 investigates the influence of Fe2+ atoms by modelling the physisorption/chemisorption of H atom on the Fe-containing (010) surface, subsequently taking place the formation of H2. Chapter 4 addresses the general conclusions of the present thesis and possible future perspectives, Chapter 5 includes the references cited and Appendix A and B supports the information given in Chapter 3.

Malgrat el gran nombre d’estudis experimentals i computacionals sobre l’estructura i funció de les proteïnes quinases, els detalls exactes dels canvis estructurals i mecanístics dels passos individuals de la reacció catalítica de transferència del grup fosforil romanen incerts. En principi, els estudis computacionals poden subministrar informació minuciosa i una coneixença complementària al treball experimental, però aquest objectiu només es pot assolir si es fan servir els mètodes computacionals adequats i si el model teòric que s’utilitza representa correctament el sistema biològic. En aquesta Tesi, el mètode QM/MM a nivell DFT/MM s’ha utilitzat per a descriure els diferents mecanismes de reacció sobre la hipersuperfície d’energia potencial de la reacció global de transferència del grup fosforil catalitzada per la Proteïna Quinasa A (PKA). Cal destacar, que a més d’utilitzar models complets i solvatats del sistema biomolecular i nivells de teoria més alts que en treballs anteriors, s’han fet servir també diferents tècniques i algoritmes inclosos en el codi ChemShell, a fi de millorar els càlculs dels camins de reacció i les optimitzacions d’estats estacionaris. En particular, coordenades de reacció més flexibles i el mètode microiteratiu per a localitzar estructures d’estats de transició ens han permès aplicar una metodologia multiescala consistent i fiable per a analitzar minuciosament tant el mecanisme associatiu (que implica la transferència de fosforil simultàniament amb la protonació del grup fosfat transferit) com el dissociatiu (que implica dues etapes: la transferència de fosforil i la protonació del substrat fosforilat) de la reacció de transferència de fosforil catalitzada per la PKA. S’ha prestat especial atenció a les funcions específiques dels residus Asp166, Lys168 i Thr201, al Gly-rich loop, als ions metàl·lics, i a la conformació i l’estat de protonació al llarg de la reacció química de la cadena lateral del substrat i del fosfat que es transfereix. Els resultats d’aquesta Tesi han demostrat que la reacció catalitzada per la PKA no depèn del substrat i que el mecanisme dissociatiu és clarament favorable respecte el mecanisme associatiu. No obstant, els càlculs presentats també mostren que el mecanisme associatiu seria viable quan el dissociatiu està impedit, com amb el mutant D166A. Aquest punt reobre un debat sobre la viabilitat del mecanisme associatiu que semblava superat donat els darrers estudis teòrics. A més a més, els camins de reacció per a la retro-protonació del substrat fosforilat per part del residu Asp166 s’han localitzat, demostrant que Asp166 es comporta com un catalitzador àcid/base general al llarg del mecanisme dissociatiu. Per altra banda, els perfils d’energia potencial QM/MM calculats també demostren, per primera vegada, que la reacció catalítica de transferència de fosforil és viable amb ions metàl·lics alcalinoterris diferents del Mg2+, confirmant resultats experimentals recents que proposen el paper fisiològic del Ca2+ a l’activitat de les quinases. Tant pel mecanisme associatiu com pel dissociatiu, la localització precisa i l’orientació de la triada Asp166-Lys168-Thr201 i de la xarxa de ponts d’hidrogen que aquests residus estableixen al centre actiu, s’ha vist que són essencials per a la catàlisi i especialment per a l’estabilització de les estructures dels estats de transició involucrats. Finalment, els resultats d’aquesta Tesi han proveït amb una seqüència completa de l’evolució geomètrica de l’estructura del complex ternari al llarg de la reacció catalítica. Això permet una comparació acurada amb les estructures de raigs-X cristal·logràfiques que han estat proposades experimentalment com a imatges moleculars del procés catalític de fosforilació. En particular, el bon acord entre les estructures teòriques i els estudis experimentals validen la visió atòmica de la reacció presentada en aquesta Tesi, revelant canvis conformacionals, de coordinació i dels ponts d’hidrogen que tenen lloc durant la recció química i la seva relació amb la dinàmica de l’enzim. / Despite extensive experimental and computational studies about the structure and function of kinases, exact details regarding the complex structural changes and the mechanistic details of individual stages involved in the catalyzed phosphoryl-transfer reaction remain uncertain. In principle, computational studies can provide detailed information and insights to complement experimental studies, but this goal can only be attained when the appropriate computational approaches are employed and the theoretical model used is a good mimic of the biological system. In this Thesis, the QM/MM approach at the DFT/MM level of theory was used to describe the different reaction mechanisms on the potential energy hypersurface of the global phosphoryl-transfer reaction catalyzed by the Protein Kinase A (PKA). Remarkably, besides making use of more complete solvated models of the biomolecular system and higher levels of theory than the ones employed in previous works, several techniques and algorithms within the computational chemistry suite ChemShell were used to improve the accuracy of the reaction path calculations and stationary points optimizations. In particular, more flexible reaction coordinates, the location of the stationary points with the hybrid delocalized internal coordinates, and the microiterative method to locate transition structures allowed us to apply a consistent and reliable multiscale methodology to examine minutely both the associative (involving a concomitant phosphoryl-transfer and protonation of transferred phosphate) and dissociative (involving two steps: phosphoryl-transfer and back protonation of the phosphorylated substrate) mechanisms of the phosphoryl-transfer reaction catalyzed by PKA. Special attention was paid in the specific roles of the invariant residues Asp166, Lys168, and Thr201, the conserved Gly-rich loop, the metal ions, and the conformation and protonation state of the substrate residue side chain and transferred phosphate along the chemical reaction. The results in this Thesis demonstrate that the catalytic reaction catalyzed by PKA is not substrate-dependent and that the dissociative mechanism is clearly more favorable than the associative one. Nevertheless, the presented calculations also show the plausibility of the associative reaction pathway when the dissociative counterpart is impeded as it is in the D166A mutant. This reopens the debate about the plausibility of the associative reaction pathway that in view of the last theoretical works in the field seemed to be overcame. Moreover, the reaction paths for the back protonation of the phosphorylated substrate by Asp166 have been located, so demonstrating that Asp166 behaves as a general acid/base catalyst along the dissociative mechanism. In addition, QM/MM potential energy profiles determined in this Thesis also demonstrate, for the first time, that the catalyzed phosphoryl-transfer is plausible with alkali earth metal ions other than Mg2+ ions, what confirms recent experimental results where the physiological role of Ca2+ in kinase activity has been proposed. For both the associative and the dissociative mechanisms, the precise location and orientation of the triad Asp166-Lys168-Thr201 and the hydrogen bond network these residues establish within the active site are shown to be essential for catalysis, particularly in the stabilization of the transition state structures involved. Lastly, the results in this Thesis provide a complete sequence of the geometrical evolution of the structure of the ternary complex along the catalytic reaction. This permits an accurate comparison with new X-ray crystallographic structures that have been suggested as experimental snapshots of the catalyzed-phosphorylation process In particular, the good agreement between the theoretically determined structures and the crystallographic studies validate the atomic view of the reaction presented in this Thesis, thus revealing conformational, coordination, and hydrogen bond changes that occur during the chemical step and its relation with the enzyme dynamics.

Uno de los principales retos de la ingeniería de nanomotores, además de las dificultades para fabricar objetos nanométricos complejos, es cómo proveerles de energía para que funcionen. La aplicación de campos externos es una forma común y fácil de impulsar motores relativamente grandes. Sin embargo, cuando el tamaño de los motores se hace más pequeño, la transferencia de energia desde la escala macroscópica a la nanoescala se vuelve más problemática. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas a nivel de la nanoescala totalmente autónomos que puedan generar su propia energía para poder autopropulsarse es muy deseable. Los sistemas biológicos ofrecen numerosos ejemplos de micro/nano motores autónomos. El punto clave detrás de la eficiente maquinaria biológica es la conversión de energía química en movimiento direccional. Por lo tanto existe un alto interés en crear nuevos motores artificiales que puedan auto-impulsarse y realizar actividades autónomas de forma similar a la impresionante maquinaria molecular de los organismos vivos. Recientemente se ha comenzado una intensa actividad científica en el desarrollo de motores y sistemas de bombeo propulsados químicamente en base a la auto-generación local de gradientes. El presente trabajo de investigación trata sobre el concepto de microsistemas de bombeo catalítico que fue reportado por primera vez en 2005. Un microsistema de bombeo catalítico es un sistema activo que tiene la capacidad de inducir fenómenos electrohidrodinámicos a partir de una reacción (electro)química sobre una micro/nano estructura bimetálica. Aunque los dispositivos catalíticos han sido objeto de investigaciones anteriores en el que sus aplicaciones nanotecnológicas han comenzado a demostrarse, el mecanismo de actuación quimio-mecánica ha sido menos estudiado. Esto es en parte debido a la compleja interrelación que existe entre las reacciones catalíticas y los fenómenos electro-hidrodinámicos. Como consecuencia de ello todavía hay una serie de preguntas sin resolver que requieren mayor investigación para establecer el rol desempeñado por los diferentes procesos y lograr una mejor comprensión del mecanismo detrás de ellos. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se ha realizado una caracterización exhaustiva de la actuación quimio-mecánica para entender los principales factores fisicoquímicos que regulan el mecanismo de funcionamiento de microbombas bimetálicas de Au- Pt en presencia de peróxido de hidrógeno como combustible. Las investigaciones han sido solventadas no sólo con resultados experimentales sino también con simulaciones numéricas. Estos estudios fundamentales son relevantes no sólo para estos sistemas de bombeos catalíticos, sino también para micro/nanomotores o nanorobots suspendidos en fluidos o coloides activos autopropulsados. Los estudios se han extendido también a otras estructuras bimetálicas ( Au- Ag , Au- Ru , Au -Rh , Cu - Ag , Cu - Ni, Ni- Ru y Ni- Ag) y a dispositivos semiconductores/metálicos ( Si dopado p / Pt , Si dopado n / Pt) con la idea de evaluar sus potencialidades como sistemas de bombeo catalítico en presencia del mismo combustible químico. En el caso de los sistemas metal/semiconductor su funcionamiento se basa en la fotoactivación de reacciones catalíticas, lo que proporciona un valor añadido a estas bombas y permite el desarrollo de nuevos interruptores foto-electrohidrodinámicos. Estos logros pueden abrir nuevas y prometedoras líneas de investigación en el campo de los actuadores y nanomotores catalíticos. El trabajo de tesis describe también una de las posibles aplicaciones de estos dispositivos activos que está relacionada con el transporte y depósito de materia en lugares específicos de un sustrato guiado por los fenómenos electrohidrodinámicos locales. Eso permite fabricar superficies nanoestructuradas de forma autónoma con un gran impacto nanotecnológico en una amplia gama de campos. / One of the main challenges in the engineering of nanomachines, besides the difficulties to fabricate complex nanometric objects, is how to power them. The application of external fields is a common and easy way to actuate relatively large machines. However, when the size of the machines becomes smaller, the transfer of power from the macroscopic scale to the nanoscale becomes problematic. Therefore, the development of fully autonomous nanoscale systems which can self-generate their required power is very desirable. Biological systems are the source of numerous examples of natural micro/nanoscale autonomous motors. The conversion of chemical energy into directional motion is the key point behind the high efficient nanofactory of biomolecular machines. Therefore there is a high interest to create novel artificial machines which can self-propel and perform autonomous activities in a similar way the impressive molecular machinery does in living organisms. Many research activities have recently focused on chemically powered motors and micropumps based on the local self-generation of gradients. The present research work deals with the catalytic micropump concept which was reported for the first time in 2005. A catalytic micropump is an active system which has the capability of triggering electrohydrodynamic phenomena due to an (electro)chemical reaction taken place on a micro/nano bimetallic structure. Although catalytic devices have been the subject of previous reports in which their nanotechnological applications have started to be demonstrated, the mechanism of the chemo-mechanical actuation has been less studied. That is in part due to the complex interrelation between the catalytic reactions and the electro-hydrodynamic phenomena. As a consequence there is still a number of intriguing questions that require further investigation for establishing the role played by the different processes and for achieving a better understanding of the mechanism behind them. Therefore, the research was focused on the full characterization of the chemomechanical actuation and the understanding of the main physicochemical factors governing the operating mechanism of Au-Pt bimetallic micropumps in presence of hydrogen peroxide fuel. The investigations were supported not only by experimental findings but also by numerical simulations. These fundamental studies are of high importance not only for catalytic micropumps but also for other autonomous micro/nano swimmers or active self-propelled colloids. The studies were also extended to other bimetallic structures (Au-Ag, Au-Ru, Au-Rh, Cu-Ag, Cu-Ni, Ni-Ru and Ni-Ag) and to semiconductor/metallic structures (p-doped Si/Pt, n-doped Si/Pt) to evaluate their potentialities as catalytic micropumps in presence of the same chemical fuel. In the last case photoactivation of the catalytic reactions can be accomplished which provides an added value to these pumps as novel photochemical-electrohydrodynamic switches. These achievements can open new and promising research activities in the field of catalytic actuators and nanomotors. The thesis work also describes one of the potential applications of these active devices which is related to the autonomous material guiding and self-assembly on particular locations of a sample. That allows fabricating nanostructured surfaces in an autonomous way with potential nanotechnological impact in a wide range of fields.