As moléculas Prodan (6-propionil-2-dimetilamino-naftaleno) e Laurdan (6- dodecanoil-2-dimetilamina-naftaleno) são muito usadas como sondas fluorescentes em bicamadas lipídicas e, mais raramente, em membranas celulares. Esta tese de doutorado teve por objetivo realizar um estudo dessas sondas em diferentes ambientes, para ampliar o entendimento de suas estruturas e características espectroscópicas em diferentes solventes e em bicamadas lipídicas. Este estudo foi feito utilizando duas abordagens, uma experimental e outra teórica. Com resultados teóricos e experimentais, mostramos que o cromóforo é o mesmo para as duas moléculas. Experimentalmente, foram medidos e comparados os espectros de absorção eletrônica em solventes de diferentes polaridades e em bicamadas lipídicas. Foi construído um modelo teórico para o estado fundamental do Prodan em diferentes solventes, onde verificamos que a geometria molecular é planar e a molécula sofre uma grande polarização em solventes de maior polaridade. Teoricamente, reproduzimos os espectros de absorção em todos os solventes, mostrando que eles são compostos por três transições eletrônicas. Verificamos, experimental e teoricamente, que o Prodan forma agregados quando colocado em solução aquosa, em todas as concentrações estudadas (0.9 a 20.0 uM). Adicionalmente, foram medidos e comparados os espectros de emissão fluorescente, e mostramos que eles apresentam duas bandas de emissão em todos os solventes estudados e em bicamada lipídicas. Essas bandas estão relacionadas com dois tempos de vida, evidenciando a presença de dois estados excitados para essas sondas. Porém, a natureza dos estados excitados em solventes homogêneos e em bicamadas lipídicas parece ser diferente. Uma metodologia de análise dos espectros de emissão fluorescente foi proposta. A comparação dos espectros de emissão do Prodan e do Laurdan em bicamadas lipídicas mostrou que as sondas monitoram micro-ambientes ligeiramente diferentes. Nossos resultados indicam que os dois fluoróforos posicionam-se próximos à superfície da bicamada lipídica, porém o Prodan parece estar mais exposto à água. Além disso, o Prodan apresenta uma pequena partição em água, quando a bicamada está na fase gel. / Prodan (6-propionyl-2-dimethylamino-naphthalene) and Laurdan (6-dodecanoyl-2- dimethylamino-naphthalene) molecules are frequently used as fluorescent probes in lipid bilayers and, more rarely, in cell membranes. The objective of this PhD thesis was to study these probes in several environments, to increase the understanding about its structures and spectroscopic characteristics in several solvents and lipid bilayers. This study was carried out using two approaches: experimental and theoretical. With experimental and theoretical results, we demonstrated that the two molecules have the same chromophore. Experimentally, electronic absorption spectra were measured and compared in solvents of several polarities and lipid bilayers, for both molecules. A theoretical model was constructed for Prodans fundamental state in several solvents, in which we found that its molecular geometry is planar and that the molecule undergoes a great deal of polarization in solvents of higher polarity. Theoretically, we emulated the absorption spectra in all solvents studied, showing that they are well described by three electronic transitions. We verified, experimental and theoretically, that Prodan aggregates in aqueous solution at all concentration ranges (0.9 a 20.0 uM). Additionally, the fluorescent emission spectra were measured and compared, and we demonstrated that they are composed by two emission bands in all solvents and lipid bilayers. These bands were related to two fluorescent lifetimes, evidencing the presence of two excitation states for these probes. However, the nature of the excited states in homogeneous solvents and in lipid bilayers seems to be different. A methodology to analyze the emission spectra was proposed. The comparison of Prodans and Laurdans emission spectra in lipid bilayers showed that the probes monitor a slightly different micro-environment. Our results indicated that both fluorophores are located near the bilayers surface, although Prodan seems to be more exposed to water molecules. Besides that, Prodan partitions in water, when the bilayer is in the gel phase.

As moléculas Prodan (6-propionil-2-dimetilamino-naftaleno) e Laurdan (6- dodecanoil-2-dimetilamina-naftaleno) são muito usadas como sondas fluorescentes em bicamadas lipídicas e, mais raramente, em membranas celulares. Esta tese de doutorado teve por objetivo realizar um estudo dessas sondas em diferentes ambientes, para ampliar o entendimento de suas estruturas e características espectroscópicas em diferentes solventes e em bicamadas lipídicas. Este estudo foi feito utilizando duas abordagens, uma experimental e outra teórica. Com resultados teóricos e experimentais, mostramos que o cromóforo é o mesmo para as duas moléculas. Experimentalmente, foram medidos e comparados os espectros de absorção eletrônica em solventes de diferentes polaridades e em bicamadas lipídicas. Foi construído um modelo teórico para o estado fundamental do Prodan em diferentes solventes, onde verificamos que a geometria molecular é planar e a molécula sofre uma grande polarização em solventes de maior polaridade. Teoricamente, reproduzimos os espectros de absorção em todos os solventes, mostrando que eles são compostos por três transições eletrônicas. Verificamos, experimental e teoricamente, que o Prodan forma agregados quando colocado em solução aquosa, em todas as concentrações estudadas (0.9 a 20.0 uM). Adicionalmente, foram medidos e comparados os espectros de emissão fluorescente, e mostramos que eles apresentam duas bandas de emissão em todos os solventes estudados e em bicamada lipídicas. Essas bandas estão relacionadas com dois tempos de vida, evidenciando a presença de dois estados excitados para essas sondas. Porém, a natureza dos estados excitados em solventes homogêneos e em bicamadas lipídicas parece ser diferente. Uma metodologia de análise dos espectros de emissão fluorescente foi proposta. A comparação dos espectros de emissão do Prodan e do Laurdan em bicamadas lipídicas mostrou que as sondas monitoram micro-ambientes ligeiramente diferentes. Nossos resultados indicam que os dois fluoróforos posicionam-se próximos à superfície da bicamada lipídica, porém o Prodan parece estar mais exposto à água. Além disso, o Prodan apresenta uma pequena partição em água, quando a bicamada está na fase gel. / Prodan (6-propionyl-2-dimethylamino-naphthalene) and Laurdan (6-dodecanoyl-2- dimethylamino-naphthalene) molecules are frequently used as fluorescent probes in lipid bilayers and, more rarely, in cell membranes. The objective of this PhD thesis was to study these probes in several environments, to increase the understanding about its structures and spectroscopic characteristics in several solvents and lipid bilayers. This study was carried out using two approaches: experimental and theoretical. With experimental and theoretical results, we demonstrated that the two molecules have the same chromophore. Experimentally, electronic absorption spectra were measured and compared in solvents of several polarities and lipid bilayers, for both molecules. A theoretical model was constructed for Prodans fundamental state in several solvents, in which we found that its molecular geometry is planar and that the molecule undergoes a great deal of polarization in solvents of higher polarity. Theoretically, we emulated the absorption spectra in all solvents studied, showing that they are well described by three electronic transitions. We verified, experimental and theoretically, that Prodan aggregates in aqueous solution at all concentration ranges (0.9 a 20.0 uM). Additionally, the fluorescent emission spectra were measured and compared, and we demonstrated that they are composed by two emission bands in all solvents and lipid bilayers. These bands were related to two fluorescent lifetimes, evidencing the presence of two excitation states for these probes. However, the nature of the excited states in homogeneous solvents and in lipid bilayers seems to be different. A methodology to analyze the emission spectra was proposed. The comparison of Prodans and Laurdans emission spectra in lipid bilayers showed that the probes monitor a slightly different micro-environment. Our results indicated that both fluorophores are located near the bilayers surface, although Prodan seems to be more exposed to water molecules. Besides that, Prodan partitions in water, when the bilayer is in the gel phase.

Ácidos graxos livres (FFA) são importantes mediadores do transporte de prótons através de membranas. Porém, pouco se sabe sobre a influência estrutural tanto dos FFA como do ambiente lipídico na translocação de prótons através de membranas. Tanto os efeitos do comprimento da cadeia e número de insaturações dos FFA como a composição da membrana foram analisados por medidas elétricas em bicamadas lipídicas planas. Condutância a prótons (GH+) e condutância de vazamento (Gleak) foram calculadas a partir de medidas de voltagem em circuito aberto e de corrente de curto-circuito obtidas através de um eletrômetro ou um amplificador de patch-clamp (modo de voltage-clamp). Nossos resultados mostram que FFA com cis-insaturações causam um efeito mais pronunciado no transporte de próton quando comparados com FFA saturados ou trans-insaturação. Colesterol e cardiolipina diminuem Gleak de membranas. Cardiolipina também diminui GH+. Esses efeitos indicam uma dupla modulação do transporte de prótons: pelo mecanismo de flip-flop dos FFA e por uma via difusional simples adicional. / Free fatty acids (FFA) are important mediatiors of proton transport across membranes. However, little is known about the structural influence of both FFA and the membrane environment have in proton translocation across phospholipid membranes and by which means this influence is brought about. Both the effects of FFA chain length and insaturation and membrane composition on proton transport have been addressed in this study by electrical measurements in planar lipid bilayers. Proton conductance (GH+) and leak conductance (Gleak) were calculated from open-circuit voltage and short-circuit current measurements obtained using either an electrometer or a patch-clamp amplifier (voltage-clamp mode). We found that cis-unsaturated FFA caused a more pronounced effect on proton transport as compared to saturated or trans-unsaturated FFA. Cholesterol and cardiolipin decreased Gleak. Cardiolipin also decreased GH+. These effects indicate a dual modulation of protein-independent proton transport by FFA through flip-flop and by an additional simple diffusional pathway.

Ácidos graxos livres (FFA) são importantes mediadores do transporte de prótons através de membranas. Porém, pouco se sabe sobre a influência estrutural tanto dos FFA como do ambiente lipídico na translocação de prótons através de membranas. Tanto os efeitos do comprimento da cadeia e número de insaturações dos FFA como a composição da membrana foram analisados por medidas elétricas em bicamadas lipídicas planas. Condutância a prótons (GH+) e condutância de vazamento (Gleak) foram calculadas a partir de medidas de voltagem em circuito aberto e de corrente de curto-circuito obtidas através de um eletrômetro ou um amplificador de patch-clamp (modo de voltage-clamp). Nossos resultados mostram que FFA com cis-insaturações causam um efeito mais pronunciado no transporte de próton quando comparados com FFA saturados ou trans-insaturação. Colesterol e cardiolipina diminuem Gleak de membranas. Cardiolipina também diminui GH+. Esses efeitos indicam uma dupla modulação do transporte de prótons: pelo mecanismo de flip-flop dos FFA e por uma via difusional simples adicional. / Free fatty acids (FFA) are important mediatiors of proton transport across membranes. However, little is known about the structural influence of both FFA and the membrane environment have in proton translocation across phospholipid membranes and by which means this influence is brought about. Both the effects of FFA chain length and insaturation and membrane composition on proton transport have been addressed in this study by electrical measurements in planar lipid bilayers. Proton conductance (GH+) and leak conductance (Gleak) were calculated from open-circuit voltage and short-circuit current measurements obtained using either an electrometer or a patch-clamp amplifier (voltage-clamp mode). We found that cis-unsaturated FFA caused a more pronounced effect on proton transport as compared to saturated or trans-unsaturated FFA. Cholesterol and cardiolipin decreased Gleak. Cardiolipin also decreased GH+. These effects indicate a dual modulation of protein-independent proton transport by FFA through flip-flop and by an additional simple diffusional pathway.

A estabilidade de vesículas unilamelares gigantes (GUVs) foi monitorada através de microscopia de contraste de fase e de fluorescência, com o auxílio de gradientes de açúcares, do fluoróforo 1,3,6,8 pireno tetrasulfonato de sódio (PTS), do supressor de fluorescência cloreto de 1,1\'-dimetil-4,4\'-bipiridínio (MV) e do análogo lipídico fluorescente 2-(12-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-il) amino) dodecanoil-1-hexadecanoil-sn-glicero-3-fosfocolina (NBD-PC). Uma grande variabilidade no comportamento individual das GUVs foi obtida no que tange a: (i) manutenção do meio interno; (ii) interações da bicamada lipídica com superfícies e; (iii) estruturas lipídicas conectadas à bicamada. Os resultados experimentais podem ser explicados pelo aparecimento de poros transientes formados pelo aumento da tensão da bicamada lipídica das GUVs. Após o processo de geração de tensão na bicamada, poros são abertos para relaxação desta tensão, com concomitante efluxo da solução internalizada pela GUV, devido a pressão de Laplace. Com a diminuição do volume interno, a tensão da bicamada é relaxada e o fechamento dos poros guiado pela tensão de linha, minimizando o componente energético de curvatura dos lipídios nas bordas do poro. O modelo de poros transientes explica resultados como troca de massa entre meios interno e externo das GUVs, possibilidade da existência de fluxos unilaterais em GUVs, transitoriedade dos poros, diâmetro limite dos poros e manutenção do meio interno em GUVs após abertura e fechamento de poros. / The stability of giant unilamellar vesicles (GUVs) has been monitored by phase contrast and fluorescence microscopy, using sugar gradients, sodium 1,3,6,8 pirene tetrasulfonate (PTS) as fluorescent probe, 1,1\'-dimethyl-4,4\'-bipiridinium chloride (MV) as fluorescence quencher and 2-(12-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-il) amino) dodecanoyl-1-hexadecanoyl-sn-glicero-3-phosphocholine (NBD-PC) as fluorescent lipid analog. An accentuated variability in the individual behaviour of GUVs was observed as far as (i) stability of encapsulation; (ii) lipid bilayer-surface interactions and; (iii) lipid structures connected to GUVs are concerned. Experimental results can be explained by transient pores formation due to an increase in lipid bilayer tension. After processes of bilayer tension generation, pores are opened, while effluxes of GUVs internal solution are promoted by Laplace pressure. With the internal volume decrease, bilayer tension is relaxed and pores closure guided by line tension, minimizing the energetic component of lipid curvature in pore edges. Transient pores model explains experimental results such as mass exchange between internal and external GUVs media, GUVs effluxes, pores\' lifetime, pores diameter\'s limit and stability of GUV encapsulation after opening and closure of pores.

Orientadora: Profa Dra Paula Homem de Melo / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2015. / In this work, it is shown the study of sensitizing molecules of phthalocyanines, porphyrins and chlorins families, with different ligands and ions complexed (Zn+2, Al+3 and Si+4), in order to assess, by computational methods, relevant properties for photodynamic therapy (PDT) application. In the first part of the work, was established an appropriate methodology to study all proposed molecules quickly and accurately. So it was chosen the Density Functional Theory and the best funcional-basis set combination found was B3LYP/LANL2DZ for optimization anf OLYP/6-31g(d) for excited states. The solvent effects were added by the solvation model IEFPCM, in order to represent the outside and inside of a lipid bilayer, respectively. In the second part of this work were obtained properties such as area, volume, dipole, frontier orbitals energy and electronic transitions of all molucules studied in order to compare them and define which complexed ions and ligands are able to modify these properties with focus on PDT. The third part studied dimers formation of some of these molecules, since this formation may affect the eletronic transitions, invalidating PDT. This study was performed with the DCACP¿s corrections applied to BLYP functional to simulate dispersion forces, responsible for the dimers formation. In the fourth part of this work, was simulated by molecular dynamics one phthalocyanine inserted into a lipid bilayer and, associated with quantum mechanics, it was possible to acess the electronic states of the molecule. These electronic states were compared with a second method for theating electronic states along a lipid bilayer with consists of a dielectric gradient that represents a membrane, in order to choose a more rapid and efficient method. The last part of this study used the same dielectric gradient to study the phosphorescence, along the lipid bilayer, showing that this method can be employed for this kind of property.

A estabilidade de vesículas unilamelares gigantes (GUVs) foi monitorada através de microscopia de contraste de fase e de fluorescência, com o auxílio de gradientes de açúcares, do fluoróforo 1,3,6,8 pireno tetrasulfonato de sódio (PTS), do supressor de fluorescência cloreto de 1,1\'-dimetil-4,4\'-bipiridínio (MV) e do análogo lipídico fluorescente 2-(12-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-il) amino) dodecanoil-1-hexadecanoil-sn-glicero-3-fosfocolina (NBD-PC). Uma grande variabilidade no comportamento individual das GUVs foi obtida no que tange a: (i) manutenção do meio interno; (ii) interações da bicamada lipídica com superfícies e; (iii) estruturas lipídicas conectadas à bicamada. Os resultados experimentais podem ser explicados pelo aparecimento de poros transientes formados pelo aumento da tensão da bicamada lipídica das GUVs. Após o processo de geração de tensão na bicamada, poros são abertos para relaxação desta tensão, com concomitante efluxo da solução internalizada pela GUV, devido a pressão de Laplace. Com a diminuição do volume interno, a tensão da bicamada é relaxada e o fechamento dos poros guiado pela tensão de linha, minimizando o componente energético de curvatura dos lipídios nas bordas do poro. O modelo de poros transientes explica resultados como troca de massa entre meios interno e externo das GUVs, possibilidade da existência de fluxos unilaterais em GUVs, transitoriedade dos poros, diâmetro limite dos poros e manutenção do meio interno em GUVs após abertura e fechamento de poros. / The stability of giant unilamellar vesicles (GUVs) has been monitored by phase contrast and fluorescence microscopy, using sugar gradients, sodium 1,3,6,8 pirene tetrasulfonate (PTS) as fluorescent probe, 1,1\'-dimethyl-4,4\'-bipiridinium chloride (MV) as fluorescence quencher and 2-(12-(7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-il) amino) dodecanoyl-1-hexadecanoyl-sn-glicero-3-phosphocholine (NBD-PC) as fluorescent lipid analog. An accentuated variability in the individual behaviour of GUVs was observed as far as (i) stability of encapsulation; (ii) lipid bilayer-surface interactions and; (iii) lipid structures connected to GUVs are concerned. Experimental results can be explained by transient pores formation due to an increase in lipid bilayer tension. After processes of bilayer tension generation, pores are opened, while effluxes of GUVs internal solution are promoted by Laplace pressure. With the internal volume decrease, bilayer tension is relaxed and pores closure guided by line tension, minimizing the energetic component of lipid curvature in pore edges. Transient pores model explains experimental results such as mass exchange between internal and external GUVs media, GUVs effluxes, pores\' lifetime, pores diameter\'s limit and stability of GUV encapsulation after opening and closure of pores.