Un primer paso para conocer la entrada del virus de la hepatitis G en la célula es conocer dónde se encuentra el péptido de fusión. Por esta razón, éste fue el principal objetivo de la presente tesis. Dentro de la familia "Flaviviridae", los péptidos de fusióndescritos hasta el momento, se encuentran en la zona interna de la proteína estructural.El virus de la hepatitis G se asemeja estructuralmente al virus de la hepatitis C, por ello,la búsqueda del péptido de fusión se centró en la proteína estructural E2 también presente en el virus de la hepatitis C. Las regiones escogidas dentro de la proteína estructural pertenecen a la región amino terminal, E2(7-26), y la zona interna (E2(279-298).Estas secuencias fueron sintetizadas mediante metodología en fase sólida y se estudió lainteracción entre los péptidos y modelos de membrana de distinta complejidad (monocapas lipídicas, bicapas lipídicas). Las técnicas utilizadas para conocer la interacción entre ambos fueron las isotermas de Langmuir, la calorimetría diferencial de barrido, la espectroscopia de fluorescencia, la espectroscopia de UV y la microscopía.Además se estudió la conformación adoptada por los péptidos por las técnicas de dicroísmo circular y espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier. De todos los resultados obtenidos el péptido que interaccionó en mayor medida con los modelos de membrana, además de desestabilizar y producir fusión fue E2(279-298). Este péptido producía un cambio en su conformación al interaccionar con membranas fosfolipídicas(sobre todo en presencia de cargas negativas) hacia una estructura de tipo alfa-hélice. Este cambio hacia una estructura más ordenada podría proporcionar la conformación activa del péptido responsable de la desestabilización de las membranas. / The hepatitis G virus (GBV-C/HGV) is a enveloped RNA virus belonging to the "Flaviviridae" family. The natural history of the GBV-C/HGV infection is at present not fully understood and its potential to cause hepatitis in humans is questionable.Elucidation of the mechanism of the fusion of enveloped viruses to target membranes has attracted considerable attention because of its relative simplicity and potential clinical importance. Apart from the functions of viral binding to target membranes and the activation of viral fusion proteins, usually only one viral protein is responsible for the membrane fusion step. However, the nature of the interaction of viral fusion proteins with membranes and the mechanism by which these proteins accelerate the formation of membrane fusion intermediates are poorly understood. In this sense, specializedhydrophobic conserved domains ("fusion peptides") have been postulated to be absolutely required for the fusogenic activity.The main objective of the present work was the knowlegment of the fusion peptide of the hepatitis G virus. For this purpose we have performed studies with different synthetic peptides belonging the envelope protein E2 of hepatitis G virus. The selected peptides were from the amino terminal part of the protein (E2(7-26)) and from the internal part (E2(279-298)). We have analysed lipid-peptide interactions depending on the degree of complexity of model membranes: monolayer studies (surface activity,insertion of peptides into monolayers) and liposomes studies (differential scanningcalorimetry, fluorescence measurements). The peptides were compared for their abilityto interact and perturb membranes. In addition, they were also tested for their ability toinduce both leakage of vesicular contents and vesicle fusion as well as to lyse erythrocytes. Furthermore, we have studied the conformational behaviour of the peptides in water and in different membrane environments by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and circular dichroism (CD). The results obtained showed that the E2(279-298) sequence was able to interact, penetrate and permeabilize vesiclesbilayers in a higher extent than E2(7-26) sequence. Furthermore, the interaction withmembranes induced a change in the internal peptide to an alpha-helical conformation whilethe amino terminal sequence did not. This indicate that this internal segment peptidecould be involved in the fusion of hepatitis G virus into cell membrane.

En aquesta tesi s'ha dissenyat i aplicat diferents eines teòriques i computacionals per a l'estudi de la reactivitat de l'enzim Mandelat Racemasa.L'enzim Mandelat Racemasa catalitza la interconversió dels dos enantiòmers (S) i (R) de l'àcid mandèlic a una velocitat semblant. El mecanisme de reacció que es postula experimentalment passa per l'abstracció d'un protó molt poc àcid. Aquesta reacció molt poc favorable en medi aquós l'enzim la catalitza a una velocitat sorprenentment alta.Fent un estudi Mecànica Quàntica / Mecànica Molecular (QM/MM) de la reactivitat de l'enzim s'han trobat els intermedis i les barreres de reacció que permeten deduir tres mecanismes a través dels quals el substracte natural mandelat i altres dos substractes anàlegs poden racemitzar. Expliquem de quina manera l'enzim pot fer la catàlisi tant efectiva i equivalent per als dos enantiòmers.Partint de la necessitat de millorar l'estudi QM/MM anterior, sobretot pel què fa a l'acurada localització dels estats de transició (barreres reacció), s'ha dissenyat un mètode d'optimització d'estructures per ser aplicat a sistemes de milers d'àtoms com ho és el nostre enzim. El mètode anomenat micro-iteratiu es basa en una cerca segons les equacions Rational Function Optimization (RFO) en una zona reduida mentre es minimitza l'entorn amb un mètode computacionalment barat com el LBFGS. Aquest mètode micro-iteratiu ha estat formulat, implementat i testejat en sistemes moleculars grans i petits. Se n'ha estudiat les diferents opcions donant una recepta pràctica per al seu ús en altres reaccions. També se n'ha justificat el seu desenvolupament posant de relleu les millores obtingudes amb aquest nou mètode quan es comparen els nous resultats amb els obtinguts en l'estudi QM/MM inicial.Finalment, l'energia lliure de la reacció enzimàtica s'ha calculat amb tècniques de la dinàmica molecular i de l'Umbrella Sampling. Per aquest tipus de càlcul és imprescindible escollir a priori una coordenada de reacció que permeti anar de reactius a productes, en altres paraules, és necessari saber com té lloc la reacció. Gràcies a la prèvia localització d'estats de transició amb el mètode micro-iteratiu podem conèixer el mecanisme de reacció. I per tant podem emprar una coordenada de reacció adequada que ens permet calcular l'energia lliure de reacció de forma efectiva. / In this thesis several theoretical techniques to study the Mandelate Racemase enzyme reactivity are designed and used.The Mandelate Racemase enzyme catalyses the interconversion of both enantiomers (S) and (R) of mandelic acid at apparently the same rate. Experimental results suggest that the reaction mechanism takes place through the abstraction of a non-acid hydrogen. This reaction is very low in aqueous media but the enzyme catalyzes it at an extremely fast rate.We carry out a QM/MM study of the enzyme reativity. We have found the intermediate structures and the energy barriers corresponding to three proposed mechanisms that the natural substrate mandelate and two other substrate analogues may undergo. We are able to explain how the the efficient catalysis is performed for the two enantiomers.Due to the lack in the previous QM/MM study of an efficient method to locate transition state structures (energy barriers) we have designed an structure optimization method to be applied to systems constituted by thousands of atoms such as our enzyme.The so-called micro-iterative method consists in a search based on the Rational Function Optimization (RFO) equations applied in a core zone while the environment is minimized through a computationally affordable method such as LBFGS. The micro-iterative method has been formulated, implemented and tested for small and big molecular systems. We have studied several possible options giving as a result a practical guide for its usage in other reactions. Comparing the results coming from the initial QM/MM study with the ones found by this micro-iterative method we show an improvement that justifies the development.Finally, the free energy corresponding to the enzymatic reaction is calculated by means of Molecular Dynamics and Umbrella Sampling techniques. The free energy computation requires the a priori election of a reaction coordinate that allows the system to go from reactants to products. In other words, it is essential to know how the reaction takes place. Thanks to the accurate search of transition states performed previously by the micro-iterative we can find the reaction mechanism. In this sense we can use an adequate reaction coordinate that permits us an efficient calculation of the reaction free energy.

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Tesi realitzada a l'Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) / Multifunctional polymeric nanoparticles (NP) represent a promising alternative for the treatment of neurodegenerative diseases using the intravenous route (i.v.). In current treatments, the effects of the intravenously injected drugs are systemic, requiring high drug doses to achieve therapeutic effects, thus causing severe side effects. NP can act specifically in a tissue provided that they are properly designed. An interesting approach is the preparation of NPs by nano-emulsion templating. Nano-emulsions (NE) are fine emulsions, with droplet sizes typically between 20 – 200nm. They can be prepared by the phase inversion composition (PIC) method, a low-energy emulsification method appropriate for pharmaceutical applications, since it can be performed at mild process conditions. Nanoparticles are obtained from nano-emulsions by solvent evaporation. To target the central nervous system (CNS), a specific targeting moiety on the nanoparticle surface is required to cross the blood-brain barrier (BBB), which is a current key goal under intense investigations. The aim of this work was to obtain multifunctional polymeric NP as advanced delivery systems able to cross the BBB. O/W polymeric NE were prepared by the PIC method and polymeric NPs were obtained by solvent evaporation. Polymeric NP with appropriate sizes for the i.v. administration (<1milimicron) were obtained. With the aim to design imaging systems, a model fluorescent dye and magnetic nanoparticles were encapsulated in polymeric NPs. An analgesic and an antiapoptotic drugs were also encapsulated into PLGA NP for therapeutic purposes. High encapsulation efficiencies were found for all tested compounds, attributed to the method of nanoparticle preparation as well as to low solubility of the components in the aqueous dispersion media. In addition, a sustained and controlled release of fluorescent dyes / drugs was achieved. NP surface was functionalized using various elements. On the one hand, it was functionalized with a monoclonal antibody against the transferring receptor, overexpressed in the BBB, to achieve an active targeting to the BBB. On the other hand, NPs were functionalized with oligonucleotides, to be used as non-viral gene delivery systems. Firstly, carbosilane cationic dendrons were covalently attached to nanoparticle surface to achieve a cationic surface. In a further step, antisense oligonucleotides, siRNA and plasmids were electrostatically bound to cationized nanoparticles. In vitro tests showed that the formulated NP did produce neither cytoxicity nor hemolysis. In addition, they were weak activators of the immune system and produced only a slight adsorption of blood proteins. Therefore, they are appropriate to be used by the i.v. route. NPs functionalized with oligonucleotides enhanced gene transfection in cell cultures, up to values comparable to those of commercial values (up to 90%). These NPs are advantageous in terms of toxicity issues over the commercial formulations. Therefore, they represent promising non-viral gene delivery systems. In vivo tests, which measured the central analgesia produced by an encapsulated drug into nanoparticles (loperamide) that is not able to cross the BBB, confirmed a central analgesic effect, reaching a potency of analgesia comparable to positive controls when nanoparticles were functionalized with the antibody. Therefore, the antibody functionalized nanoparticles efficiently crossed the BBB. In conclusion, the designed polymeric nanoparticles, functionalized with the antitransferrin receptor antibody, are able to cross the BBB with high efficiency. These nanoparticles represent promising nanosystems to deliver actives to the central nervous system. / Les nanopartícules polimèriques multifuncionals (NPs) representen una alternativa prometedora pel tractament de malalties neurodegeneratives, a través de l’administració intravenosa (i.v.), ja que els tractaments actuals provoquen molts efectes secundaris. Les NPs, en canvi, si estan correctament dissenyades, poden actuar específicament en el teixit diana. Ja que l’òrgan diana és el cervell, és necessari un element de vectorització per poder creuar la barrera hemato-encefàlica (BBB). En aquest context, l’objectiu de la present tesi és l’obtenció de NPs com a sistemes avançats d’alliberament de principis actius que travessin la BBB. Es van obtenir NPs a partir de nano-emulsions (NE) plantilla, emprant l’àcid poli-(làctic-co-glicòlic) com a polímer i el mètode d’inversió de fases a temperatura constant per emulsionar, seguit d’evaporació de solvent per obtenir NPs. Les NPs obtingudes tenen mides apropiades per l’administració i.v.. Es va aconseguir encapsular un fluorescent i NPs magnètiques dins les NPs polimèriques, per fer-les servir com a sistemes d’imatge. També es van encapsular fàrmacs per usar-les com a sistemes terapèutics. En tots els casos, es van aconseguir eficiències d’encapsulació molt elevades i un alliberament del fàrmac controlat i prolongat en el temps. A més, es va aconseguir funcionalitzar la superfície de les NPs amb diferents elements. Es van unir covalentment dendrons catiònics per posteriorment unir oligonucleòtids electrostàticament. També es va afegir una coberta exterior de polietilenglicol per protegir el material genètic. Per altra banda, es va funcionalitzar la superfície de les NPs amb un anticòs específic contra el receptor de la transferrina, sobreexpressat a la BBB. A continuació, es van fer assajos in vitro, que van posar de manifest que les NPs no són citotòxiques ni hemolítiques. També es va estudiar l’eficiència de transfecció cel•lular del material genètic, arribant a eficiències de transfecció equivalents a les dels vectors comercials. Assajos in vivo van permetre confirmar el pas a través de la BBB, sobretot de les NPs funcionalitzades amb l’anticòs. Els resultats obtinguts permeten concloure que s’ha aconseguit dissenyar noves NPs polimèriques a partir de NE, apropiades per l’administració i.v. i amb capacitat de travessar la BBB.

La Fotocatálisis Heterogénea con Dióxido de Titanio (TiO2) ha sido ampliamente estudiada en los últimos 30 años. Como resultado de este esfuerzo de investigación se han obtenido grandes avances en la comprensión de los fenómenos fundamentales involucrados en el proceso y se ha logrado la aplicación exitosa de varios dispositivos con tecnología fotocatalítica en áreas como la remediación medioambiental, la producción de energía renovable, y el diseño de materiales con propiedades de “autolimpieza”. Sin embargo, la comunidad científica en el campo de la fotocatálisis reconoce que existen diversas cuestiones de carácter fundamental sin resolver. En las décadas de los 80 y 90 diversos mecanismos de reacción y modelos cinéticos fueron propuestos para ser empleados en la interpretación del considerable conjunto de datos experimentales reportados acerca de reacciones de fotooxidación con TiO2. A pesar del gran avance en el conocimiento de aspectos fundamentales sobre algunas de estas cuestiones, varios supuestos, tomados como verdades por la comunidad científica, fueron puestos en duda debido a los descubrimientos realizados en la primera década de este siglo en el campo de los estudios de ciencia de superficies aplicados a cristales de TiO2. En particular, se demostró que el catalizador no puede considerarse sólo como partículas desprovistas de estructura en la superficie. Al contrario, la estructura química de la superficie del catalizador y su interacción con las moléculas presentes en el medio de reacción es un factor determinante para entender los eventos que se desencadenan debido a la excitación del catalizador (TiO2). La presente tesis doctoral se propone elucidar interpretaciones alternativas a la cinética y mecanismos de las reacciones de oxidación fotocatalítica tomando en cuenta los novedosos descubrimientos descritos anteriormente. Para desarrollar esta tarea se ha realizado un exhaustivo análisis de la literatura científica sobre la química de superficie del TiO2, y se desarrolló un estudio experimental sobre la interacción del TiO2 con diversas moléculas orgánicas, la relación de estas interacciones con la cinética de fotooxidación, y sobre algunos aspectos fundamentales del mecanismo de fotooxidación de diversos compuestos modelos. Estos temas se discuten en detalle en cuatro publicaciones y tres manuscritos que serán enviados a publicar en un futuro cercano. Los resultados aquí reportados confirman el rol crucial que desempeña la superficie del TiO2 en los mecanismos y la cinética de transferencia de carga interfacial de las reacciones fotocatalíticas. Específicamente, se dilucidó el rol desempeñado por los oxígenos de la superficie de la red cristalina del TiO2 en el mecanismo de reacción. Además, se demostró que el mecanismo de trasferencia de carga interfacial depende fuertemente del grado de interacción electrónica entre la superficie del semiconductor y la molécula orgánica a fotooxidar. Los hallazgos arriba descritos aportan nuevas ideas al debate científico actual sobre aspectos fundamentales de la fotocatálisis con TiO2. De otra parte, los nuevos enfoques sobre la cinética y mecanismos de las reacciones fotocataliticas que se reportan en esta tesis puede proporcionar una base más racional para el diseño de catalizadores más eficientes que puedan ser empleados en aplicaciones prácticas. / TiO2 photocatalysis has been extensively studied over the last three decades. The output of this research effort is an increasing fundamental understanding of the phenomena involved in the process and the successful application of photocatalytic technological devices in different areas such as environmental purification, renewable energy production, and design of materials with “self cleaning” properties. However, the scientific community in the field of photocatalysis recognizes that several fundamentals issues still remain unclear. In the 80 and 90’s decades several reaction mechanisms and kinetic models were proposed for the interpretation of the large body of experimental data concerning TiO2-assisted photooxidation reactions. Despite the huge advance in the fundamental knowledge of these topics that was achieved, several assumptions taken as truths by the scientific community were challenged by the findings of surface science studies on TiO2 crystals reported in the first decade of this century. These findings brought new insights into the surface chemistry of TiO2. It was demonstrated that the TiO2 catalyst can not be considered just as particles devoid of surface structure. Conversely, the chemical structure of the catalyst surface and its interaction with molecules in the reaction media is a determinant factor to understand the events triggered by TiO2 excitation. This PhD thesis is aimed at elucidating some alternative interpretations of kinetics and mechanisms of photocatalytic oxidation reactions taking into account the aforementioned novel insights. This task has been addressed by a comprehensive analysis of the scientific literature on the topic of surface chemistry of TiO2 and by an experimental study comprising TiO2-surface/substrate interactions, their relationship with kinetics of photooxidation reactions, and mechanistic issues related to photocatalytic oxidation of several model compounds. The above issues are discussed in detail in four published articles and three manuscripts that will be submitted for publication in the near future. The results reported here confirm the crucial role of the TiO2 surface in the mechanisms and the kinetics of interfacial charge transfer in photocatalytic reactions. Specifically, the role of TiO2 surface lattice oxygens in the reaction mechanism was elucidated. Moreover, it was found that the mechanism of interfacial charge transfer strongly depends on the degree of electronic interaction between the semiconductor surface and the organic substrate to be photooxidized. The above findings provide new ideas to the current scientific debate around fundamental issues of TiO2 photocatalysis. On the other hand, the new insights into the kinetics and mechanisms of photocatalytic reactions reported here can provide more rational strategies for the development of more efficient photocatalysts for practical applications.

The world of Polyoxometalates (POMs) has extensively grown up since the last decade of the XXth century. Since that dates the number of articles related with these metal-oxides clusters have been increased. In this thesis based in the use of Computational Techniques, I have started studding the alkene epoxidation with hydrogen peroxide as oxidant catalysed by Titanium-substituted POMs using Density Functional Theory methods, and how the role of the protonation enhances the reactivity and the selectivity for the heterolytic mechanism. Second I have investigated the nature of the Zr-substituted POMs at different pH conditions and it has been related with the selected conditions for the self-assembly process. Therefore, the solution behaviour of these species have been analysed using Classical Molecular Dynamics simulations. Finally, a new and novel class of POMs have been analysed to support the experimental research of Polyoxopalladates metal-oxides with the analysis of the geometry and electronic structure of these species. / El món dels Polioxometal•lats(POMs) ha crescut molt des de l’última dècada del segle XX. Des d’aquestes dates, el número d’articles relacionat amb aquest òxids metàl•lics ha augment. En aquesta tesis, m’he basat en l’ús de tècniques computacionals per començar estudiant la epoxidació d’alquens amb aigua oxigenada catalitzada per POMs substituïts per Titani emprant mètodes de DensityFunctionalTheory i com la protonació millora la selectivitat i la reactivitat del mecanisme heterolític. Tot seguit s’ha estudiat la naturalesa dels POMs substituïts per Zirconi a diferents condicions de pH i s’ha relacionat amb el seu auto-assemblatge per la formació de dímers. S’han emprat mètodes Classical Molecular Dynamics per estudiar el comportament en solució d’aquestes espècies. Finalment, s’ha investigat una nova classe de POMs que conté metalls nobles en la seva estructura i s’ha analitzat la seva geometria i estructura electrònica per donar suport als resultats experimentals.

La presente tesis doctoral está enfocada al desarrollo de herramientas analíticas avanzadas, basadas en lenguas electrónicas potenciométricas y redes neuronales artificiales, para la determinación de trazas de metales de transición, específicamente Cu(II), Cd(II), Pb(II) y Zn(II) en muestras ambientales. En la búsqueda de nuevos elementos de reconocimiento, se sintetizaron y caracterizaron dos nuevos derivados de bis-tioureas, que fueron empleados como ionóforos en electrodos selectivos a plomo. Los dos electrodos obtenidos fueron caracterizados completamente y se obtuvieron muy buenos parámetros analíticos. La aplicabilidad de los dos dispositivos construidos se comprobó en la determinación de plomo en muestras de suelos, los resultados obtenidos se contrastaron de forma satisfactoria frente a un método de referencia (ICP-MS). Con los electrodos construidos previamente y con otros formulados mediante membranas comerciales, se conformaron las matrices de sensores que fueron empleadas en diversas aplicaciones. En la primera de ellas, se desarrolló una lengua electrónica potenciométrica para la determinación simultánea de Cu2+, Cd2+, Pb2+ y Zn2+ a nivel de trazas en muestras de suelos. El modelo fue construido mediante redes neuronales artificiales, con muy buen ajuste y habilidad predictiva. La estrategia propuesta fue aplicada a la determinación de los 4 analitos en muestras de suelos. Los resultados obtenidos se compararon con un método de referencia (FAAS). En la segunda aplicación se empleó una lengua electrónica como método de detección del punto final en un sistema de valoración complexométrica, para resolver mezclas ternarias de metales de transición. Con el objetivo de disminuir el tiempo de análisis, se utilizó una metodología de valoración con un número reducido de adiciones fijas de agente valorante. La información multivariada obtenida fue tratada con redes neuronales artificiales, y se pudo determinar simultáneamente en muestras de suelos dopadas el contenido de Cu2+, Cd2+ y Pb2+, lo que representa un aporte considerable, ya que estas aplicaciones son prácticamente imposibles con las metodologías convencionales de valoración. Las aplicaciones posteriores estuvieron enfocadas al desarrollo de un sistema automatizado, basado en lenguas electrónicas y análisis por inyección en flujo; para la monitorización de procesos de biosorción de mezclas de metales de transición en raspo de uva, residual de la industria vinícola. Se emplearon diferentes lenguas electrónicas como método de detección y se lograron monitorizar satisfactoriamente diferentes mezclas, de dos, tres y cuatro componentes. Con la información adquirida, se obtuvieron los principales parámetros termodinámicos de los procesos estudiados, la capacidad de sorción (q0), la capacidad de sorción del volumen del lecho (N0) y el tiempo requerido para alcanzar el 50 % del sorbato (r). Estos fueron comparados con los modelos teóricos de Thomas, Yoon-Nelson y BDST, en todos los casos se obtuvo un buen ajuste. También se determinó el orden de selectividad del raspo de uva (biosorbente) hacia los diferentes metales estudiados y el mecanismo predominante y responsable de la biosorción fue el intercambio iónico. / This thesis is focused on the development of advanced analytical tools based on potentiometric electronic tongues and artificial neural networks, for the determination of transition metal traces, particularly Cu(II), Cd(II), Pb(II) and Zn(II) in environmental samples. In the search for new recognition elements, two new bis-thiourea derivatives were synthesized and characterized, which were used as ionophores in lead selective electrodes. The electrodes obtained were fully characterized and yielded very good analytical parameters. The applicability of the two devices constructed was verified in the determination of lead in soil samples, the results obtained were compared successfully against a reference method (ICP-MS). Using these previously constructed electrodes in concert with additional electrodes exploiting commercially fabricated sensory elements, a sensor array was formed and thus used in various applications. The first of these applications was a potentiometric electronic tongue for the simultaneous determination of Cu2+, Cd2+, Pb2+ and Zn2+ at trace levels in soil samples. The model was constructed with the use of artificial neural networks and exhibited a very good fit and predictive ability. The proposed strategy was applied to the determination of these 4 analytes in soil samples. The results were also compared with a reference method (FAAS). In the second application, the electronic tongue was employed as end point detection method in titration system, to resolve ternary mixtures of transition metals. In order to reduce the analysis time, a complexometric fixed volume titration methodology was used. The multivariate information obtained was treated with artificial neural networks, and the Cu2+, Cd2+ and Pb2+ volumes were simultaneously determined in soil spiked samples, which represents a significant contribution to the state-of-the-art, as these applications are virtually impossible to achieve with conventional titration methodologies. Subsequent applications were focused on the development of an automated system based on electronic tongues and flow injection analysis, for the monitoring of biosorption processes of mixtures of transition metals in grape stalk, wine industry waste. Several electronic tongues were used as a detection method, and achieved the satisfactorily monitoring of different mixtures of two, three and four components. Using the obtained information, the main thermodynamic parameters of the studied processes were successfully determined; these were the sorption capacity (q0), the sorption capacity of the bed volume (N0) and the time required to reach 50% of the sorbate (r). These were then compared to theoretical models of Thomas, Yoon-Nelson and BDST in all cases a good fit was achieved. The mechanism responsible for biosorption, ion exchange, and the order of selectivity grape stalk (biosorbent) towards different metals studied was also determined.

En el presente trabajo se proponen mecanismos para varias reacciones que conducen a la formación de productos de glicación avanzada, en base a cálculos realizados a nivel PBE/GGA, en el contexto de la teoría del funcional de la densidad (DFT), en un modelo de una capa de fosfolípidos diseñada bajo condiciones periódicas de contorno. En los modelos periódicos usados, cada celda unidad contiene dos moléculas de fosfatidiletanolamina (PE), moléculas reactivas adicionales según sea la reacción estudiada, y un número suficiente de moléculas de agua para formar una red de enlaces de hidrógeno sobre la superficie aminofosfolipídica. Estas redes de enlaces de hidrógeno fueron importantes para la estabilización de los reactivos, intermedios, productos y estados de transición de las reacciones estudiadas, participando algunas moléculas de agua de estas redes, como puentes para las transferencias de protones entre los grupos reactivos. Las reacciones estudiadas comprendieron la formación de bases de Schiff a partir de acetaldehído y PE, el reordenamiento de Amadori teniendo como reactivo de partida una base Schiff de D-eritrosa-PE, la descomposición del peróxido de hidrógeno y la formación de carboximetil-PE a partir de glioxal y PE. En las reacciones en las que se presenta un paso de deshidratación, este fue el paso limitante, lo que es consistente con la evidencia experimental disponible sobre las mismas. En el estudio de todas las reacciones estudiadas destaca el rol catalítico de las capas de PE sobre las reacciones que acontecen en su superficie Este efecto catalítico se realiza a través a través de componentes de la superficie de PE, como los grupos amino y grupos fosfato que forman parte la red de enlaces de hidrógeno, estabilizando la misma y facilitando la acumulación de moléculas de agua en su proximidad. En algunas reacciones estudiadas, los grupos amino de la PE participan como grupos donantes o aceptores en las transferencias de protones. Basados en nuestros resultados, es posible plantear la hipótesis de que la superficie de las membranas de fosfolípidos pueden modificar el comportamiento cinético de algunas reacciones biológicas que acontecen sobre la misma, actuando como catalizadores. / Mechanisms for the formation of advanced glycation end-products on an amine-phospholipid monolayer model were realized by using density functional theory (DFT) calculations carried out at the PBE/GGA level under periodic boundary conditions. Each unit cell contained two phosphatidylethanolamine (PE) molecules, and a sufficient number of water molecules for forming hydrogen bond networks. These networks were involved in the reactions, stabilizing reactants, intermediates, products and transition states and performing as proton-transfer carriers, important in all steps of reactions. The studied reactions covered formation of Schiff bases, having acetaldehyde as carbonyl compound, the Amadori rearrangement since Schiff base from D-erythrose and PE, the hydrogen peroxide decomposition above PE surface, and the formation of carboxymethylated-PE from glyoxal and PE. In the studied reactions where there is a dehydration step, it was the limiting step, which is consistent with the experimental evidence available for such reactions. The most important outcome of our study is highlighting the catalytic role of PE-surface on the studied reactions which proceed on it. This catalytic effect is realized through PE-surface components as amine groups and phosphate groups which might enhance reaction forming hydrogen bonds with water molecules of the hydrogen bond network, and facilitating the water molecules accumulation in the proximity of the PE-surface, amine groups could participate additionally as donors or acceptors in the proton transfers. Based in our results, it is possible to hypothesize that cell membrane phospholipids surface environment modify the kinetic behavior of some biological reactions, being capable of catalyzing them.

Xiao Dong Pang. / Also issued as Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1988. / Includes bibliographical references. / Financial support provided in part by the Sherman Fairchild Fellowship in Computational Neuroscience.

La presència de metalls de transició a la natura no ve donada per la mà de l’home. De fet, les propietats electròniques i estructurals d’aquestes peces centrals de la taula periòdica són clau per la regulació dels processos biològics tals com el transport d’oxigen en animals o la fotosíntesi a les plantes. Les àrees de la farmacologia, la química, la medicina i la biotecnologia han après les lliçons d’organometàl·lica impartides per la natura, fent evolucionar la seva recerca cap a processos més específics. En aquesta tesi, titulada “Predicció d’interaccions biometàl·liques: reptes i aplicacions” (“Prediction of biometallic interactions: challenges and applications”), s’han centrat tots els esforços per descriure els diferents efectes estructurals i electrònics del acoblament d’un compost organometàl·lic sobre un sistema biològic (ADN, proteïnes i pèptids) aplicant tècniques de modelització molecular. Existeix un gran ventall de tècniques de modelització molecular. Escollir una o altre no només depèn del sistema sobre el qual s’ha d’aplicar, sinó que també s’ha de tenir en compte la interacció química que succeeix. Bàsicament, les tècniques de modelització molecular es poden dividir en dos: aquelles basades en els principis de la mecànica quàntica i les que es descriuen segons els fonaments de la mecànica molecular. Els mètodes de mecànica quàntica son capaços de descriure de forma precisa els efectes electrònics dels metalls, però consumeixen més temps de computació que els de mecànica molecular, essent aquests la millor opció per estudiar sistemes grans. Aquesta tesi està composta per quatre capítols de resultats que mostren la feina feta durant els últims anys dedicats a la recerca. En tots quatre s’han fet servir diferents tècniques de modelització molecular per estudiar diferents processos químics i biològics que involucren la participació de metalls de transició. En aquests capítols s’ha investigat en 1) l’ús de tècniques d’acoblament proteïna-lligand fent servir lligands organometàl·lics, 2) la descripció de l’estat de repòs i del procés d’activació d’un metal·loenzim artificial fent servir el mètode híbrid de Mecànica Quàntica/Mecànica Molecular, 3) l’estudi dels efectes a curt i llarg abast de la coordinació de cisplatí en ADN i proteïnes combinant les tècniques de mecànica quàntica i anàlisi de modes normals, i 4) en les idees inicials sobre la formació enantioselectiva de metal·lopèptids artificials combinant coneixements teòrics i experimentals. Escollir la millor tècnica a cada punt va ser la clau per descriure el sistema químic i descriure el corresponent procés biològic de forma satisfactòria. / The presence of transition metals in nature is not a man-made fact. In fact, the structural and electronic properties provided by that particular pieces of the periodic table are key in the regulation of biological processes such as the oxygen transport in animals or the photosynthesis in plants. Pharmacology, chemistry, medicine and biotechnological fields learned the lessons of organometallic chemistry given by Nature, evolving their research to more specific processes. In this thesis, titled “Prediction of biometallic interactions: challenges and applications”, all the efforts have been focused in the description of the structural and electronic effects of the binding of an organometallic compound to a biological host (DNA, proteins and peptides), by the application of molecular modelling techniques. The molecular modeller’s toolbox includes a huge variety of methods to choose. The election of one of other not only depends on the system where it has to be applied, but also the chemical interaction is an important variable to take into account. Molecular modelling techniques can be divided in two fields: those based in the principles of quantum mechanics, and the other which are described using the fundamentals of molecular mechanics. Quantum mechanics methods accurately describes the electronic effect of the metal, but are more time consuming that molecular mechanics ones, which are the best option to study large systems. This thesis is composed by four chapters presenting the results obtained during the last years of research. In all four, different chemical and biological processes involving the interaction of transition metals and biological hosts have been studied using different computational tools. In these chapters we investigated on 1) the use of protein-ligand docking with organometallic ligands, 2) the description of the resting state and activation process of an artificial metalloenzyme using the hybrid Quantum Mechanics/Molecular Mechanics approach, 3) the study of the short and long range effects of the coordination of cisplatin in DNA and proteins mixing Quantum Mechanics and Normal Mode Analysis, and 4) on the clues on the enantioselective formation of artificial metallopeptides combining theoretical and experimental knowledge. The election of the best technique at each stage of research was key to describe the chemical system and succeed on the description of the involved biological process.