Doenças tropicais negligenciadas compartilham características que permitem que elas persistam nas condições de pobreza, onde se aglomeram e se sobrepõe frequentemente. Mais de um bilhão de pessoas sofrem de uma ou mais doenças tropicais negligenciadas. Entre estas está a doença de Chagas, resultante da infecção pelo protozoário parasito hemoflagelado Trypanosoma cruzi, tendo insetos triatomíneos como vetores. Topoisomerases são enzimas envolvidas na regulação do superespiralamento do DNA resolvendo problemas topológicos associados com replicação, transcrição, recombinação e reparo. As topoisomerases do tipo II são essenciais para tripanossomatídeos por atuarem na replicação e organização do DNA contido em uma região especializada da mitocôndria denominada cinetoplasto. O estudo da Topoisomerase II Mitocondrial (TcTopoIImit) foi realizado através de análises sequenciais e estruturais de outras topoisomerases para a determinação de construções para a clonagem. As construções para o domínio N-terminal foram clonadas no vetor pTZ57R/T e subclonadas em vetores do sistema pET para expressão proteica em E. coli. Experimentos de expressão foram realizados em diferentes cepas, vetores, soluções tampão e outros parâmetros variáveis visando a obtenção dos produtos recombinantes na forma solúvel, porém, tais resultados não foram obtidos. A flavoproteína Old Yellow Enzyme de Trypanosoma cruzi (TcOYE) é uma oxidoredutase que usa NAD(P)H como cofator. Esta enzima é clinicamente relevante devido ao seu papel no mecanismo de ação de alguns agentes tripanocidas, utilizados no tratamento da doença de Chagas, por produzirem espécies reativas de oxigênio. Neste trabalho, a enzima recombinante TcOYE foi produzida, purificada, cristalizada pelo método de difusão de vapor e sua estrutura cristalográfica, resolvida por substituição molecular e refinada. A TcOYE foi cristalizada nas formas cristalinas P212121 e P21 e os dados de difração foram coletados para o máximo de resolução de 1,27 e 2,00 Å, respectivamente. As coordenadas atômicas e fatores de estrutura das estruturas da TcOYE nas formas cristalinas P212121 e P21 foram depositados no Banco de Dados de Proteínas com os códigos de acesso 4E2B e 4E2D, respectivamente. A TcOYE apresenta um enovelamento canônico em um barril (α/β)8 com o grupo prostético localizado na cavidade maior do sítio ativo. Após a obtenção dos modelos cristalográficos análises sequenciais e estruturais foram realizadas para a TcOYE e outras OYEs. A região 141-156 do subdomínio capping em TcOYE, assim como em outras OYEs, é intrinsecamente desestruturada exibindo altos valores de fatores B. A região mais divergente entre as OYEs é o loop estendido (289-297), que pode variar em comprimento e composição mudando o volume e a acessibilidade ao sítio ativo. / Neglected tropical diseases share features that allow them to persist in conditions of poverty, which clump together and frequently overlap. More than 1 billion people suffer from one or more neglected tropical diseases. Among them is the Chagas disease is an important parasitic disease resulting from infection by the flagellate protozoan parasite Trypanosoma cruzi, with triatomine insects as vectors. Topoisomerases are ubiquitous enzymes involved in the regulation of DNA supercoiling and overcoming topological barriers during replication, transcription, recombination and repair. The type II topoisomerases are essential for trypanosomatids since, in addition to their role in nuclear DNA metabolism, these enzymes might also play an important role in the replication and organization of the DNA contained in the specialized region of the mitochondrion known as the kinetoplast. The study of Mitochondrial Topoisomerase II from T. cruzi (TcTopoIImit) was performed by sequence and structural analyses into topos members for determination of domains constructions for cloning. Constructions for the N-domain were then cloned in pTZ57R/T vector and subcloned into pET system vectors for protein expression in E. coli. The protein expression experiments were performed by different strain cells, vectors, buffers solutions and others adjustable parameters for improve the solubility but recombinant products in soluble form were not obtained. The flavoprotein Old Yellow Enzyme from Trypanosoma cruzi (TcOYE) is an oxidoreductase that uses NAD(P)H as cofactor. This enzyme is clinically relevant due to its role in the action mechanism of some trypanocidal drugs used in the treatment of Chagas disease by producing reactive oxygen species. In this work, the recombinant enzyme TcOYE was produced, purified, crystallized by the vapour diffusion method and its crystallography structure was solved for molecular replacement and refined. TcOYE was crystallized in two crystalline forms, P212121 and P21 and diffraction data were collected to a maximum resolution of 1.27 and 2.00 Å, respectively. The atomic coordinates and structure factors of the TcOYE structure in P212121 and P21 crystalline forms have been deposited in the Protein Data Bank with the accession codes 4E2B and 4E2D, respectively. TcOYE displays a canonical (α/β)8-barrel fold with a FMN prosthetic group located at the large active-site cavity. Afterwards, sequential and structural analyses were carried out for TcOYE and others OYEs. The region 141-156 of the capping subdomain in TcOYE as well as in others OYEs is intrinsically flexible exhibiting high B-factor values. The most divergent region among these OYEs is the extended loop (289-297), which can vary in length and composition changing the volume and accessibility to the active site.

Doenças tropicais negligenciadas compartilham características que permitem que elas persistam nas condições de pobreza, onde se aglomeram e se sobrepõe frequentemente. Mais de um bilhão de pessoas sofrem de uma ou mais doenças tropicais negligenciadas. Entre estas está a doença de Chagas, resultante da infecção pelo protozoário parasito hemoflagelado Trypanosoma cruzi, tendo insetos triatomíneos como vetores. Topoisomerases são enzimas envolvidas na regulação do superespiralamento do DNA resolvendo problemas topológicos associados com replicação, transcrição, recombinação e reparo. As topoisomerases do tipo II são essenciais para tripanossomatídeos por atuarem na replicação e organização do DNA contido em uma região especializada da mitocôndria denominada cinetoplasto. O estudo da Topoisomerase II Mitocondrial (TcTopoIImit) foi realizado através de análises sequenciais e estruturais de outras topoisomerases para a determinação de construções para a clonagem. As construções para o domínio N-terminal foram clonadas no vetor pTZ57R/T e subclonadas em vetores do sistema pET para expressão proteica em E. coli. Experimentos de expressão foram realizados em diferentes cepas, vetores, soluções tampão e outros parâmetros variáveis visando a obtenção dos produtos recombinantes na forma solúvel, porém, tais resultados não foram obtidos. A flavoproteína Old Yellow Enzyme de Trypanosoma cruzi (TcOYE) é uma oxidoredutase que usa NAD(P)H como cofator. Esta enzima é clinicamente relevante devido ao seu papel no mecanismo de ação de alguns agentes tripanocidas, utilizados no tratamento da doença de Chagas, por produzirem espécies reativas de oxigênio. Neste trabalho, a enzima recombinante TcOYE foi produzida, purificada, cristalizada pelo método de difusão de vapor e sua estrutura cristalográfica, resolvida por substituição molecular e refinada. A TcOYE foi cristalizada nas formas cristalinas P212121 e P21 e os dados de difração foram coletados para o máximo de resolução de 1,27 e 2,00 Å, respectivamente. As coordenadas atômicas e fatores de estrutura das estruturas da TcOYE nas formas cristalinas P212121 e P21 foram depositados no Banco de Dados de Proteínas com os códigos de acesso 4E2B e 4E2D, respectivamente. A TcOYE apresenta um enovelamento canônico em um barril (α/β)8 com o grupo prostético localizado na cavidade maior do sítio ativo. Após a obtenção dos modelos cristalográficos análises sequenciais e estruturais foram realizadas para a TcOYE e outras OYEs. A região 141-156 do subdomínio capping em TcOYE, assim como em outras OYEs, é intrinsecamente desestruturada exibindo altos valores de fatores B. A região mais divergente entre as OYEs é o loop estendido (289-297), que pode variar em comprimento e composição mudando o volume e a acessibilidade ao sítio ativo. / Neglected tropical diseases share features that allow them to persist in conditions of poverty, which clump together and frequently overlap. More than 1 billion people suffer from one or more neglected tropical diseases. Among them is the Chagas disease is an important parasitic disease resulting from infection by the flagellate protozoan parasite Trypanosoma cruzi, with triatomine insects as vectors. Topoisomerases are ubiquitous enzymes involved in the regulation of DNA supercoiling and overcoming topological barriers during replication, transcription, recombination and repair. The type II topoisomerases are essential for trypanosomatids since, in addition to their role in nuclear DNA metabolism, these enzymes might also play an important role in the replication and organization of the DNA contained in the specialized region of the mitochondrion known as the kinetoplast. The study of Mitochondrial Topoisomerase II from T. cruzi (TcTopoIImit) was performed by sequence and structural analyses into topos members for determination of domains constructions for cloning. Constructions for the N-domain were then cloned in pTZ57R/T vector and subcloned into pET system vectors for protein expression in E. coli. The protein expression experiments were performed by different strain cells, vectors, buffers solutions and others adjustable parameters for improve the solubility but recombinant products in soluble form were not obtained. The flavoprotein Old Yellow Enzyme from Trypanosoma cruzi (TcOYE) is an oxidoreductase that uses NAD(P)H as cofactor. This enzyme is clinically relevant due to its role in the action mechanism of some trypanocidal drugs used in the treatment of Chagas disease by producing reactive oxygen species. In this work, the recombinant enzyme TcOYE was produced, purified, crystallized by the vapour diffusion method and its crystallography structure was solved for molecular replacement and refined. TcOYE was crystallized in two crystalline forms, P212121 and P21 and diffraction data were collected to a maximum resolution of 1.27 and 2.00 Å, respectively. The atomic coordinates and structure factors of the TcOYE structure in P212121 and P21 crystalline forms have been deposited in the Protein Data Bank with the accession codes 4E2B and 4E2D, respectively. TcOYE displays a canonical (α/β)8-barrel fold with a FMN prosthetic group located at the large active-site cavity. Afterwards, sequential and structural analyses were carried out for TcOYE and others OYEs. The region 141-156 of the capping subdomain in TcOYE as well as in others OYEs is intrinsically flexible exhibiting high B-factor values. The most divergent region among these OYEs is the extended loop (289-297), which can vary in length and composition changing the volume and accessibility to the active site.

Orientador: Igor Polikarpov / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T16:56:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Aparicio_Ricardo_D.pdf: 10766761 bytes, checksum: 2b97932107d603afe676093a0fe399a6 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: A presente tese resume os resultados obtidos durante o programa de doutorado do autor. O projeto principal consistiu em estudos estruturais das enzimas b-manosidase do fungo Trichoderma reesei e Triose fosfato isomerase (TIM) de músculo de coelho. Cristalografia de Proteínas e Espalhamento a Baixo Ângulo foram as técnicas mais utilizadas. Os principais resultados foram a determinação da estrutura de baixa resolução e o provável enovelamento da b-manosidase e três estruturas cristalográficas de TIM, resolvidas em duas formas cristalinas e a diferentes temperaturas. Na estrutura de TIM de maior resolução (1.5 ° A), o loop do sítio ativo de uma das subunidades encontra-se na conformação fechada, apesar da ausência de ligante, fato nunca antes observado. Em ambos os projetos de pesquisa, informação biológica nova e relevante foi obtida. Como um resultado dos trabalhos de doutorado, um total de cinco artigos foram publicados em períodicos internacionais e dois encontram-se em fase final de preparação / Abstract: This PhD thesis summarizes the results obtained during the PhD program of the author. The main project consisted in structural studies of b-mannosidase from Trichoderma reesei and rabbit muscle Triose phosphate isomerase (TIM). Protein Crystallography and Small-Angle X-ray Scattering have been the mostly used techniques. The main results are the low resolution structure and a putative fold of b-mannosidase and three cristallographic TIM structures, determined in two crystal forms and different temperatures. One of the subunits in the highest resolution TIM structure (1.5 ° A) has the active site loop in the closed conformation despite the absence of a ligand in the active site, what had not been observed before. Both projects have led to new and important biological information. As a result of the doctorate program, five articles have been published and two further are in preparation / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

As galectinas, proteínas que compartilham características como afinidade por ?-galactosídeos e a presença de um domínio de reconhecimento ao carboidrato (CRD), tem como importante papel a decodificação de mensagens moleculares. As galectinas são encontradas em uma grande variedade de células e tecidos animais e estão envolvidas em diversos processos celulares relacionados a resposta imune e inflamatória. O grupo tandem-repeat das galectinas é formado por proteínas que apresentam dois CRDs distintos (CRD1 e CRD2) conectados por um peptídeo de ligação, ao qual pertencem as galectinas-4 e -12 humanas, alvos de nosso estudo. Durante o desenvolvimento do presente projeto foram utilizadas abordagens multidisciplinares através de técnicas biofísicas, cristalográficas, computacionais e imunoquímicas. Foi iniciado o estudo de caracterização estrutural da galectina-4 humana (hGal4) e seus domínios hGal4-CRD1 e hGal4-CRD2, de forma independente, através da produção heteróloga das proteínas e ensaios de estabilidade térmica e cristalização. As estruturas cristalográficas dos domínios foram determinadas a 1,48 e 2,46 Å de resolução, respectivamente e utilizadas para a construção de um modelo para a hGal4. Com base nos estudos de dinâmica molecular e estabilidade térmica foi possível propor um modelo de interação entre os CRDs através do peptídeo de ligação. Ensaios de dinâmica da hGal4 com LacNAc sugeriram uma diferença de plasticidade dos CRDs no reconhecimento do ligante. Foram também realizadas incessantes tentativas de desenvolver um protocolo de expressão heteróloga para as isoformas e domínios da galectina-12 humana (hGal12). Como resultado, observamos uma alta tendência à formação de corpos de inclusão e agregados resistentes a desnaturação, além da susceptibilidade ao ataque proteolítico. Os modelos estruturais dos domínios da hGal12 não permitiram identificar nenhuma característica que justificasse o comportamento das proteínas. Foram realizados estudos de localização celular em células HL-60 e foi possível identificar a presença da hGal12 na superfície das gotas de lipídio, organelas responsáveis pelo armazenamento de energia e o processo de catabolismo celular. A alta insolubilidade observada para as isoformas e domínios da hGal12, a sua localização em gotas de lipídeos, a divergência evolutiva da hGal12 quando comparada com outras galectinas do mesmo grupo e incluindo o fato de um dos CRDs não apresentar os requerimentos estruturais básicos para ligar ?-galactosídeos, nos leva a especular se essa proteína estaria, na verdade, sendo expressa como parte de um heterocomplexo proteico, que estabilizaria a estrutura da hGal12 e a endereçaria para as gotas de lipídeo. Em nossa hipótese, o domínio hGal12-CRD2 poderia ter evoluído para favorecer a interação com outros parceiros macromoleculares. Devido ao importante papel desempenhado pelas galectinas em inúmeros processos celulares, os resultados aqui obtidos representam uma importante contribuição no entendimento do papel que as galectinas hGal4 e hGal12 exercem nos diferentes eventos celulares, além de fornecem ferramentas experimentais para desenvolvimento de futuros estudos funcionais. / Galectins are proteins that share characteristics such as affinity for ?-galactosides and the presence of a carbohydrate recognition domain (CRD). They belong to a family of proteins that display the important role of decoding molecular messages. Galectins are found in a variety of cell types and are involved in several biological phenomena related to immune response and inflammation. The tandem-repeat group of galectins consists of proteins with two distinct CRDs (CRD1 and CRD2) connected by a peptide linker, in which belong galectins-4 and -12, targets of our study. During the development of the present project a multidisciplinary approach was used including the use of biophysical, crystallographic, computational and immunochemical techniques. The structural characterization of human galectin-4 (hGal4) and its hGal4-CRD1 and hGal4-CRD2 independent domains was initiated by their heterologous protein production, thermal stability and crystallization assays. The crystallographic structure of domains were determined at 1.48 e 2.46 Å resolution, respectively, and used for constructing a model for hGal4. Based on molecular dynamics and thermal stability studies we propose a model of interaction between CRDs mediated by linker peptide. Dynamics simulation of hGal4 with LacNAc suggested a difference in plasticity between CRDs and ligand recognition. In addition, several attempts have been made towards the development of a protocol for expression of isoforms and independent domains from human galectin-12 (hGal12). As result, we observed a high tendency to body inclusion formation and denaturing resistant aggregates, besides high susceptibility to proteolytic attack. Structural models for the hGal12 domains did not allow the identification of any feature to justify proteins behavior. Cell location studies in HL-60 cells were performed and hGal12 was found to be located on the surface of lipid droplets, organelles responsible for energy storage and catabolism. The high insolubility displayed by isoforms and domains from hGal12, together with its location on lipid droplets, the evolutionary divergence of hGal12 compared to tandem-repeat proteins, and the fact that hGal12-CRD2 does not present the structural requirements for ?-galactosides binding, suggest that hGal12 is, in fact, expressed as part of a protein complex that could both stabilize hGal12 structure and guide it to the lipid droplets. In our hypothesis, the hGal12-CRD2 could have evolved in order to favor the interaction with other macromolecular partners. Due to crucial roles displayed by galectins in innumerous biological process, we believe that our results represent an important contribution for the understanding of hGal4 e hGal12 proteins roles within the cell, besides providing experimental tools for the development of further functional studies.

A fosforribosilpirofosfato sintase de cana-de-açúcar [sPRS] (EC: 2.7.6.1) é uma enzima de central importância em muitas vias metabólicas envolvida na produção do 5-fosforribosil-1-pirofostato [PRPP] a partir da ribose-5-fosfato [R5F]. O gene da sPRS, seqüenciado como parte do projeto SUCEST, codifica para uma proteína com 328 aminoácidos e massa molecular 36,6 KDa. Essa proteína, após expressa heterologamente em Escherichia coli e purificada, foi cristalizada e submetida a experimentos de difração de raios X. A partir dos métodos cristalográficos e da modelagem por homologia pôde-se construir um modelo tridimensional. Cada subunidade da unidade biológica homohexamérica da sPRS correlaciona-se simetricamente com as demais através de um eixo de ordem 2 perpendicular a outro de ordem 3, formando uma simetria pontual 32. Experimentos de atividade enzimática para a sPRS indicam independência da sua atividade catalítica ao íon fosfato. Através do estudo comparativo entre a sPRS e sua homóloga fosforribosilpirofosfato sintetase de Bacillus subtillis [bPRS] (fosfato dependente) pudemos identificar similaridades estruturais na região do sítio catalítico e significativas diferenças no sítio alostérico. Os resultados revelam que essas diferenças estruturais na região do sítio alostérico são consistentes com a diferença funcional observada, sendo um importante passo rumo a compreensão da correlação estrutura-atividade para a sPRS fosfato independente. / The sugarcane phosphoribosylpyrophosphate synthase [sPRS] (EC:2.7.6.1) is an enzyme of central importance in severa1 pathways in all cells and produce the 5-phosporybosyl-1-pyrophosphate [PRPP] from the ribose-5-phosphate [R5F]. The gene of the sPRS was sequenced as part of the SUCEST project, encodes to 328 aminoacid protein with a molecular weight of 36,6 KDa. After being expressed in Escherichia coli and purified, the sPRS enzyme was crystallized and diffraction experiments were undertaken. From crystallographic methods and molecular modeling the tri-dimensional model was built. Each subunit of the sPRS homo-hexameric biological unit is symmetrically connected to the others through a 2-fold axis perpendicular to another 3-fold axis forming a 32 point symmetry. The sPRS enzyme activity assay indicates its independence of the presence of the phosphate ion. Through the comparative studies between the sPRS and the homologue from Bacillus subtillis phosphoribosyl pyrophosphate synthetase [bPRS] (phosphate dependent) we were able to identify structural similarities on the catalytic site and insightful differences on the allosteric site. These results show that structural differences in the allosteric site are consistent with functional difference observed and are an important step toward structure-activity comprehension for sPRS phosphate independent.

O atual crescimento do número de estruturas tridimensionais de proteínas está produzindo um banco de dados de estruturas que é muito útil como ponto de partida para o desenvolvimento de novas moléculas relevantes do ponto de vista médico tais como drogas e vacinas. Neste trabalho, parte do projeto de desenvolvimento de novas drogas contra a doença do sono foi feita baseada nos estudos cristalográficos de ligação de compostos e de modelagem molecular de duas enzimas glicolíticas presentes no glicossomo de T. brucei. Como o alvo para novas drogas e o ciclo de glicólise, o qual também é presente nos seres humanos, o novo ligante deve ser seletivo. Frutose-1,6-bisfosfato aldolase (ALDO) é uma das proteínas alvo para o desenho racional de drogas. A análise estrutural e estudos cristalográficos da ALDO de T. brucei foram feitos, através do uso de proteína produzida em grandes quantidades por via recombinante. Vários possíveis sítios de seletividade foram encontrados em ALDO de T. brucei quando comparada as três seqüências das isoenzimas humana, tendo como base a estrutura tridimensional da isoenzima ALDO A. O braço flexível da região C-terminal é um forte alvo para compostos seletivos devido a não-conservação das seqüências. Cristais foram crescidos e padrões de difração de raios-X foram obtidos até 3.0&#197, mas ainda os cristais são pequenos e mostram-se sensíveis a radiação. Triosefosato isomerase (TIM) é outra ptoteína alvo analisada neste trabalho. A estrutura da TIM de T. brucei é conhecida a alta resolução. Cristais de proteína expressa em bactérias foram obtidos após extensivos experimentos. Foi identificado que usar proteína recentemente preparada é essencial para obter cristais que apresentem boa qualidade de difração. Depois de obtidos cristais de proteína expressa em grades quantidades, foram feitos experimentos de difusão de novos inibidores, coleta de dados de difração e análises das estruturas dos possíveis complexos. A conhecida estrutura em volta flexível da TIM fecha quando se liga o substrato ou um inibidor análogo ao substrato no sítio ativo. Desenho racional de drogas tem sido seguido usando como padrão a conformação fechada da estrutura em volta. No entanto, com a obtenção de um novo complexo, no qual a estrutura em volta adota a conformação aberta foi feita uma busca de novos compostos em bancos de dados, que não fossem derivados de fosfatos e fosfoantos, através do programa DOCK. Com este procedimento são propostos novos compostos guia os quais serão utilizados no ciclo do desenho racional de drogas. A estrutura da triosefosfato isomerase de Bacillus stearothermophilus que apresenta estabilidade térmica em complexo com o inibidor competitivo 2PG foi determinada por cristalografia de raios-X à resolução de 2.8&#197. A estrutura foi resolvida por substituição molecular usando o programa XPLOR. Promediação da densidade eletrônica de ordem dois e nivelamento do solvente foram aplicados para melhorar a qualidade do mapa. Ambos os sítios ativos estavam ocupados pelo inibidor e a estrutura emvolta flexível adota a conformação fechada em ambas as subunidades. O fator cristalográfico R é de 17,6% com boa geometria. Bacillus stearothermophillus é considerado um organismo de estabilidade térmica moderada. Encontram-se disponíveis cinco estruturas de triosefosfato isomerase de organismos mesofílicos. A estrutura obtida neste trabalho é a primeira TIM reportada que apresenta estabilidade térmica. Vários artigos têm listados fatores de estabilidade térmica, os quais foram analisados em todas as estruturas de TIM disponíveis. Neste trabalho foi conduzida uma comparação entre a estrutura termofílica e as mesofílicas disponíveis, da qual se concluiu que a interação hidrofóbica na formação do dímero, e o alto número de prolinas são os mais importantes fatores que contribuem para a estabilidade térmica da TIM de B.stearothermophilus. Também concluiu-se que a razão Arg/(arg+Lys) é elevada em TIM de B. stearothermophilus mais devido ao baixo número de lisinas do que a um alto número de argininas. Analisou-se as argininas na TIM de B. stearothermophilus como também as interações das argininas e lisinas em todas as outras estruturas de TIM e não foi possível relacionar o valor aumentado da razão Arg/(arg+Lys) com a estabilidade térmica, fator este indicado anteriormente como importante para a estabilidade térmica / The current growth in the number of known 3-dimensional proteins structures is producing a database of structures that is very useful as starting point for the development of new medically relevant molecules such as drugs and vaccines. In this work part of the project of developing new drugs against the sleeping sickness has been done based on crystallographic, ligand-binding and molecular modeling studies of two glycolytic glycosomal enzymes from T. brucei. As the target for new drugs is the glycolysis pathway, which is present also in the human being, the new ligand must be selective. Fructose-1,6-bisphosphate aldolase (ALDO) is one of the target protein for the rational drug design. The structural analysis and crystallographic studies of ALDO from T. brucei have been done, from overexpressed protein. Several possible sites for selective inhibitor were found in T. brucei ALDO when compared with the three human isoenzyme sequences, based on the human ALDO A structure. The flexible C-terminal arm is a promising target for selective compounds, due to the non-conserved sequence. Crystals were grown, and X-ray diffraction was obtained up to 3.0&#197, but still the crystals are small and show radiation damage. Triosephosphate isomerase (TIM) is the other target protein analyzed in this work. The structure of TIM from T. brucei is already known at high resolution. Crystals from overexpressed protein were obtained after extensive experiments. It was identified that the use of fresh protein is essential to grow good diffracting crystals. After obtaining crystals from overexpressed protein, it has been done soaking of new inhibitors, diffraction data collection and analysis of the structures of the possible complexes. The well known flexible loop in TIM closes upon the binding of either the substrate or an inhibitor analogue to the substrate in the active site. Rational drug design has been followed based on the \"closed\" conformation of the flexible loop. Nevertheless, with a new complex structure, in which the flexible loop adopts the \"open\" conformation, it has been done a search for new compounds in the database, non-derived from phosphate and phosphonate, through the program DOCK. Based on this procedure it was proposed new lead compounds which will be used on the rational drug design cycle. The structure of the thermostable triosephosphate isomerase from Bacillus stearothermophilus in complex with the competitive inhibitor 2PG was determined by X-ray crystallography to a resolution of 2.8&#197. The structure was solved by molecular replacement using XPLOR. Two fold averaging and solvent flattening were applied to improve the quality of the map. Both of the active sites were occupied by the inhibitor and the flexible loop adopts the \"close\" conformation in both subunits. The crystallographic R-factor is 17.6% with good geometry. Bacillus stearothermophilus is considered a moderate thermophile organism. There are already five triosephosphate isomerase structures available from mesophilic organisms. The structure reported here is the first thermostable TIM reported. It has been conducted in this work a comparison between the thermophilic and the mesophilic protein structures available. Several reports had listed thermostable factors, which have been analyzed in all TIM structures available, from which it has been concluded that the hydrophobic interaction upon the dimmer formation and the higher number of proline residues are the most important factors that contribute to the thermostability of B. stearothermophilus TIM. Also it has been concluded that the ratio Arg/(Arg+Lys) is increased in B. stearothermophilus TIM more due to lower number of lysine instead of a higher number of arginine residues. Arginines have been analyze in B. s,tearothermophillis TIM as well as the interactions of arginines and lysines in all other TIM structures and it has not been possible to relate the increased ratio Arg/(Arg+Lys) with thermo stability, which was previously reported as important in thermostability

Um dos maiores problemas encontrados em terapias anti-retrovirais contra AIDS é a emergência de variantes virais que exibem resistência aos fármacos disponíveis e subtiposvirais naturalmente mais suscetíveis ao desenvolvimento de falha terapêutica. Neste trabalho nós resolvemos as estruturas cristalográficas de quatro proteases de HIV-1 complexadas com o inibidor universal C2 simétrico TL-3. As proteases utilizadas foram extraídas de pacientes com AIDS, uma do subtipo B selvagem (Bwt), uma do subtipo F selvagem (Fwt), e um mutante de cada um dos subtipos (Bmut e Fmut), esses dois últimos de pacientes apresentando falha terapêutica. As proteínas foram produzidas por expressão heteróloga em bactérias Escherichia coli, purificadas à partir das proteínas dos corpos de inclusão, e reenoveladas. Os dados coletados foram processados à uma resolução de 2.1 A para o complexo Bwt:TL-3, 1.75 A para Bmut:TL-3, 2.1 A para Fwt:TL-3 e 2.8 A para Fmut:TL-3. Esses dados foram inicialmente processados em P6122 e, posteriormente, reprocessados em P6i. As estruturas foram resolvidas por substituição molecular utilizando a estrutura de uma protease de HIV-1 publicada como modelo. A análise dessas quatro estruturas mostrou que o inibidor TL-3 liga-se de maneira muito próxima em todas elas. Nas proteases Bmut e Fmut a mutação V82A causa um reempacotamento do bolsão SI\', que se reflete num rearranjo da cadeia lateral do inibidor em Pl\'. Nossas análises indicaram, ainda, que algumas substituições polimórficas entre os subtipos B e F podem levar à maior estabilização de regiões naturalmente flexíveis nas proteases do subtipo F, originando uma enzima intrinsicamente menos ativa e resistente à alguns inibidores. Nas proteases Fwt e Fmut, a substituição polimorfica M36I causa um deslocamento do loop entre os resíduos 35-41, que levaria à perda de flexibilidade dos fiaps e do loop 76-83 no sítio ativo. Nossas comparações indicaram também que a substituição L89M nos subtipos não B pode ser equivalente à mutação de resistência L90M em subtipos B. Por fim, esses dados estruturais nos permitiram sugerir modificações na estrutura do inibidor TL-3 que poderiam levar à um aumento da sua potência. Nesta tese também apresentamos os dados de resolução e análise estruturais da L-asparaginase de Escherichia coli, resolvida à uma resolução de 1.95 A no grupo espacial C2. Baseados em dados estruturais e cinéticos propusemos um mecanísmo de reação geral para as amidohidrolases, que incluem as L-asparaginases, através da formação de duas tríades catalíticas Thr-Tyr-Glu e Thr-Lys-Asp, envolvendo as duas treoninas no sítio ativo. Nossas análises do volume da cavidade catalítica de três amidohidrolases também indicam que o aumento da atividade L-glutaminase em algumas enzimas é diretamente proporcional ao aumento do volume dessa cavidade. / One of the major problems faced in antiviral therapy against AIDS is the emergence of viral variants that exhibit drug resistance, as well as viral subtypes naturally more liable to development of therapeutic failure. In this work we solved the crystal structure of four HIV-1 proteases complexed with the universal C2 symmetry-based inhibitor TL-3. These proteases where obtained from patients with AIDS: one of the subtype B wild type (Bwt), one of the subtype F wild type (Fwt), and a mutant of each subtype (Bmut and Fmut), these last two out of patients showing therapeutic failure. The proteins were produced by Escherichia coli bacteria heterologous expression, purified out of the inclusion bodies, and refolded. The collected diffraction data were processed to 2.1 A resolution for the Bwt:TL-3 complex, 1.75 A for Bmut:TL-3, 2.1 A for Fwt:TL-3 and 2.8 A for Fmut:TL-3. These data were initially processed in the P6122 space group and latter reprocessed in P6i. The four structures were solved by molecular replacement using a published HIV-1 protease structure as a model. The structural analysis shown that the TL-3 inhibitor binds in a similar fashion in the active site of all four structures. On the proteases Bmut and Fmut the mutation V82A causes a repacking of the SI\' pocket which rerranges the inhibitor\'s side chain at P1\' subsite. Our analysis further indicate that some polymorphic substitutions between subtypes B and F could lead to a stabilization of naturally flexible regions on subtype F proteases, creating a intrinsically less active resistant enzyme. On the proteases Fwt and Fmut the polymorphic substitution M36I leads to the displacement of the loop between residues 35-41, which would cause a flexibility loss of the flaps and of the loop 76-83 in the active site. Our comparisons further indicate that the polymorphic substitution L89M on non-B subtypes could be equivalent to the L90M resistance mutation on subtype B proteases. Lastly, based on these structural data we were able to suggest a few structural modifications on the TL-3 inhibitor that could furnish a more potent inhibitor. On this thesis we also present the data of structural solution and analysis of the Escherichia coli L-asparaginase solved at 1.95 A resolution in C2 space group. Based on structural and kinetical data we proposed a general reaction mechanism for amidohidrolases, which include L-asparaginases, involving the formation of two catalytic triads Thr-Tyr-Glu and Thr-Lys-Asp, which acounts for the two threonines in the active site. Our cavity volume analysis of three amidohidrolases also indicate that the increasing in the L-glutaminase activity in some enzimes is directly proportional to the increase in the cavity volume.

A doença do sono é causada pelo parasita Tripanosoma brucei. Considerada uma doença negligenciada, mata milhares de pessoas todos os anos na África subsaariana. O T.brucei não apresenta resposta imune pronunciada, o que dificulta o desenvolvimento de vacinas, e os medicamentos disponíveis são escassos. Os tripanossomatídeos são comprovadamente sensíveis ao stress oxidativo causado pelo radical superóxido. Assim, as enzimas superóxido dismutases (SODs) são a primeira linha de defesa contra esse radical. As SODs são metalo enzimas (EC 1.5.1.1) capazes de catalisar a dismutação do superóxido em oxigênio molecular e peróxido de hidrogênio. São classificadas de acordo com o metal incorporado na estrutura: cobre e zinco (CuZnSOD), ferro ou manganês (Fe/MnSOD) e níquel (NiSODs). Neste trabalho de mestrado, a enzima TbFeSODB2 de T.brucei foi, expressa, purificada, cristalizada e teve sua estrutura resolvida. A estrutura cristalográfica da enzima do parasita foi comparada com a enzima humana análoga contendo manganês (HuMnSOD), onde foram evidenciadas as principais diferenças entre as duas estruturas que podem ser exploradas para o desenho do novos inibidores seletivos. Foi realizada uma análise de acoplamento estatístico, onde com base em um alinhamento múltiplo dessas enzimas determinou-se resíduos que são capazes de interferir na seletividade do metal incorporado e estado oligomérico das SODs. / Sleeping sickness, caused by the parasite Tripanosoma brucei, is considered a neglected disease, killing thousands of people every year in subsaharian Africa. T. brucei does not generate a pronounced immune response, difficulting the development of vaccines. Furthermore, available medicines are scarce. Tripanosomatides are known to be sensitive to oxidative stress caused by the superoxide radical. Therefore, the superoxide dismutase enzymes (SODs) are a primary line of defence for the parasites against this radical. SODs are metalloenzymes (EC 1.5.1.1) capable of catalyzing superoxide dismutation into molecular oxygen and hydrogen peroxide. SODs are classified according to the incorporated metal: copper/zinc (CuZnSOD), iron/manganese (Fe or MnSOD) and nickel (NiSODs). In the work presented here, TbFeSODB2 from T. brucei was expressed, purified, crystallized and its 3D structure solved. The crystal structure of the parasite enzyme was compared to the homologous human enzyme containing manganese (HuMnSOD), revealing evidence for differences between both structures which could be exploited in the design of new selective inhibitors. In addition, a statistical coupling analysis was performed on the entire Fe/MnSOD superfamily, based on a multiple sequence alignment. It was shown that this technique was able to identify novel residue determinants of metal selectivity and oligomeric state.

Muitas espécies de Leishmania são responsáveis por sérias doenças cutâneas e viscerais, que exibem alta incidência em regiões tropicais e subtropicais. Os medicamentos disponíveis são potencialmente carcinogênicos, requerem múltiplas administrações e a hospitalização do paciente. Um programa efetivo de desenvolvimento de novos fármacos requer a validação genética e bioquímica dos alvos. Neste contexto, uma das diferenças metabólicas mais marcantes entre os protozoários parasitas e o hospedeiro mamífero encontra-se na cadeia de síntese de purino-nucleotídeos. A enzima adenilosuccinato liase (ADSL), no hospedeiro mamífero, atua em duas etapas no metabolismo de purino-nucleotídeos: uma na via de síntese de novo e outra na via de recuperação. Esta característica particular da ADSL nos motivou a investigar como esta enzima poderia nos fornecer evidências sobre a evolução desta via metabólica em Kinetoplastida. Assim, os objetivos do presente trabalho foram validar a ADSL como potencial alvo terapêutico, através da técnica de RNA de interferência (RNAi), usando Trypanosoma brucei como modelo, bem como, caracterizar molecularmente o gene adsl-Lm e caracterizar bioquímica e estruturalmente a enzima recombinante de Leishmania major Friedlin (ADSL-Lm). Os resultados de RNAi demonstraram que a ADSL pode ser considerada um potencial alvo, uma vez que ela se apresentou essencial a viabilidade do parasita. Em relação à caracterização molecular do gene adsl-Lm suas regiões não traduzidas 5\'UTR e 3\'UTR foram definidas por RT-PCR, indicando que o RNA mensageiro maduro possui 2060 nucleotídeos. Análises com enzimas de restrição e eletroforese em campo pulsado (PFGE), seguidas de \"Southern blot\" revelaram que adsl-Lm trata-se de um gene de cópia simples e está localizado no cromossomo 4 deste parasita. O gene adsl-Lm foi clonado em um vetor de expressão e um protocolo de purificação da enzima recombinante foi estabelecido. A forma tetramérica da ADSL-Lm foi confirmada por eletroforese em gel nativo e por espalhamento dinâmico de luz (DLS). ADSL-Lm apresentou um pI experimental de 6,07 e exibiu atividade máxima no pH 8,5. Os parâmetros cinéticos de Km, Vmax , Kcat e eficiência catalítica (Kcat/Vm) foram determinados para o substrato adenilosuccinato. Experimentos de complementação funcional evidenciaram que ADSL-Lm foi capaz de complementar de maneira eficiente o genoma deficiente em ADSL da linhagem de E. coli JK268 (mutação purB58). Entretanto, esta complementação deve ocorrer na via de recuperação, uma vez que ensaios enzimáticos com o SAICAR (substrato da via de novo) mostraram que a enzima não retém atividade sobre este composto. Estes resultados indicam que provavelmente os tripanosomatídeos não representam um caso de perda da via de síntese de novo. Adicionalmente, ADSL-Lm foi cristalizada no grupo espacial tetragonal I4122, com parâmetros de cela unitária a= b= 130,023 \'angstron\', c= 316,826 \'angstron\', = = =90°. A estrutura cristalográfica da ADSL-Lm foi resolvida por SIRAS (substituição isomórfica simples com dispersão anômala) usando um cristal nativo (2.2 \'angstron\') e um derivado de Gadolínio. O monômero é composto por três domínios em um enovelamento típico das enzimas da superfamília de -eliminação e é constituído quase exclusivamente por hélices- . Para o sitio ativo, três subunidades são requeridas e os resíduos envolvidos são His 153 (ácido geral), His 231 (base geral), Gln 308, Asn 364 and Glu 369. Entretanto, sem um ligante (substrato ou inibidor) no sítio ativo torna-se difícil estudar detalhadamente as interações entre a enzima e seus dois substratos. Desta forma, experimentos de co-cristalização e modelagem molecular podem auxiliar nesta questão. / Many species of Leishmania are responsible for serious visceral or skin diseases that exhibit high incidence in tropical and subtropical regions. The drugs currently employed in the treatment of parasitic diseases are potentially carcinogenic, often require prolonged treatment and patient hospitalization. An effective program of drug design requires the validation of the potential target. In this context, one of the most striking metabolic discrepancies between Trypanosomatidae and their human hosts is the purine nucleotide biosynthesis pathway. Adenylosuccinate lyase (ADSL) is a bifunctional enzyme that catalyses two non-sequential steps in this cycle (one in the de novo purine pathway and another in the salvage pathway). This particular ADSL feature motivated us to investigate if ADSL could give us information about purine biosynthesis evolution in Kinetoplastida. Hence, the present work is aimed to validate ADSL as a potential target using the RNAi (RNAi) technique, as well as to characterize the adsl gene and the recombinant enzyme from Leishmania major Friedlin (ADSL-Lm). The RNAi results proved that ADSL can be considered a potential target, because it is shown to be essential for parasite viability. Regarding the molecular characterization of the adsl-Lm gene, the mature mRNA transcript containing 2060 nucleotides was defined by 5\' and 3\'RT-PCR. Restriction analysis and Pulse Field Gel Electrophoresis (PFGE) followed by Southern Blot hybridizations showed that adsl-Lm is a single copy gene and is located in chromosome 4 of this parasite. The adsl-Lm gene was cloned into an expression vector and a purification protocol of the recombinant enzyme was established. The tetrameric form of the recombinant ADSL-Lm enzyme was confirmed by native gel electrophoresis and Dynamic Light Scattering. ADSL-Lm has an experimental pI of 6.07 and exhibited maximum enzymatic activity at pH 8.5. The kinetic parameters of Km, Vmax , Kcat and kinetic efficiency (Kcat/Vm) were obtained for adenylosuccinate substrate. Functional complementation experiments showed that the adsl-Lm gene can effectively complement the E. coli JK268 purB58 mutation. However, this complementation must be in the salvage pathway, because enzymatic assays were performed using SAICAR (de novo pathway substrate) and ADSL-Lm did not convert this compound into product. This result indicates that probably Trypanosomatidae is not an example of de novo purine nucleotide cycle lost. In addition, ADSL-Lm was crystallized in the tetragonal I4122 space group, with unit cell parameters a= b= 130,023 \'angstron\', c= 316,826 \'angstron\', = = =90° and diffracted beyond 2.2\'angstron\'. ADSL-Lm crystal structure has been determined by SIRAS (Single Isomorphous Replacement with Anomalous Dispersion), using both native and Gadolinium derivative crystals. The ADSL-Lm monomer is composed of three domains arranged in the elongated manner typical of enzymes in the p-elimination superfamily, and is constituted almost exclusively by helices. Three subunits are necessary to form the active site cleft and the residues His 153, His 231 (general bases), Gln 308, Asn 364 and Glu 369 are involved. Without a bound inhibitor or substrate, the specific contacts made by the enzyme to its two substrates cannot be analyzed in detail. Hence, co-crystallization and docking can help in this question.

A cristalografia de raios-X e um método de singular importância para a determinação da estrutura de macromoléculas. A importância em resolver estruturas de proteínas continua a crescer em campos variando desde a bioquímica e biofísica básicas ate o desenvolvimento farmacêutico e biotecnologia. o presente trabalho esta relacionado com os estudos cristalográficos de três diferentes moléculas biológicas. Calgranulina C de granulócitos porcinos, uma proteína que liga cálcio, supostamente envolvida em processos celulares regulados, foi cristalizada com parâmetros de rede a=b=54.35 e c=141.32&#197, grupo espacial P3121 ou seu enantiomorfo P3221. Várias tentativas foram feitas no sentido de se determinar a estrutura por substituição molecular, mas a alta flexibilidade entre os motivos \"EF-hands\" quando da ligação ao íon cálcio podem ser responsáveis pelo insucesso dos resultados. Tripanotiona redutase de T. cruzi e um excelente alvo para modelagem de inibidores e potenciais drogas contra a doença de Chagas. O complexo mutante TR + GSPD foi cristalizado com parâmetros de rede a=b=92.7 e c=156.2&#197, grupo espacial P43. Um conjunto preliminar de fases foi obtido por refinamento de corpo rígido contra as coordenadas da TR nativa. O modelo foi refinado a 2.4&#197 de resolução, Rfactor=19.8%. Fosfolipase A2 extraída do veneno da serpente Bothrops moojeni foi cristalizada com parâmetros de rede a=63.1, b=90.5 e c=40.2&#197 e &#946=125.1&#176, grupo espacial C2. A estrutura foi resolvida por substituição molecular usando o dímero da fosfolipase A2 de Crotalus atrox como modelo. A analise de sua seqüência de aminoácidos e necessária para posteriores ciclos de refinamento. / X-ray crystallography is a essential method for determination of the structure of macromolecules. The importance of solving protein structures continues to grow in fields ranging from basic biochemistry and biophysics to pharmaceutical development and biotechnology. The current work is concerned to the crystallographic studies of three different biological molecules. Calgranulin C from pig granulocytes, a calcium binding protein though to be involved in regulation of cell process, was crystallized with cell parameters a=b=54.35 and c=141.32&#197, space group P3121 or its enantiomorph P3221. Several attempts were made in order to solve the structure, but the high flexibility between its EF-hands motives while binding the ion calcium may be responsible for the lack of success in the results. Trypanothione reductase (TR) from T. cruzi is a target enzyme for modeling an inhibitor for Chagas´ disease. The C58S TR + GSPD mutant complex was crystallized with a=b=92.7 and c=156.2&#197, space group P43. A preliminary set of phases was obtained by rigid body refinement against the coordinates for the native TR. The model was refined to 2.4&#197 resolution, Rfactor=19.8%. Phospholipase A2 extracted from the venon of the snake Bothrops moojen; was crystallized with cell parameters a=63.1, b=90.5, c=40.2&#197 and &#946=125.1&#176, space group C2. The structure was solved by molecular replacement techniques using the dimer of phospholipase A2 from Crotalus atrox as a model. The aminoacid sequence analysis is needed for further refinement cycles.