Las interacciones por puente de hidrógeno resultan cruciales en la definición de numerosos procesos de relevancia biológica. Su reconocida importancia como elementos moduladores de la estructura de macromoléculas, su papel en el reconocimiento molecular de especies químicas (iones, fármacos,.), o su actuación en los mecanismos catalíticos de enzimas, resultan ejemplos evidentes de ello.Numerosas metodologías experimentales aportan descripciones muy valiosas del comportamiento de los sistemas modulados por puente de hidrógeno. Junto a ellas, los métodos teóricos constituyen un complemento necesario de cara a obtener una descripción detallada de los aspectos estructurales, energéticos y dinámicos de estos sistemas, así como para simular condiciones de entorno y situaciones químicas concretas que no resultan de fácil acceso a la metodología experimental.La presente tesis se ha centrado en la descripción desde una perspectiva teórica de una serie de sistemas de interés biológico cuyas propiedades vienen determinadas en alto grado por la presencia de puentes de hidrógeno. Los estudios realizados pueden estructurarse en tres bloques temáticos.En un primer bloque, se analiza el papel que desempeña la interacción por puente de hidrógeno como elemento clave en la modulación del reconocimiento selectivo de especies aniónicas por receptores orgánicos. En este punto, nuestro interés está orientado esencialmente a determinar por un lado la estructura del complejo de interacción entre el receptor y el anión, así como la estabilidad relativa de dicha interacción frente a diversos aniones. Por otra parte, un objetivo complementario consiste en detrminar la flexibilidad intrínseca del receptor orgánico, con el fin de determinar el posible coste conformacional asociado a la reorganización de su estructura como paso previo al reconocimiento del anión.En un segundo bloque, se estudia el comportamiento dinámico de los ácidos nucleicos, cuya estructura, estabilidad y flexibilidad viene determinado en parte por la presencia de interacciones de puente de hidrógeno. A su vez, dichas interacciones son claves en el mantenimiento del código genético, así como en la posibilidad de poder reconocer la secuencia de bases a lo largo de los surcos del DNA, lo cual subyace en el reconocimiento selectivo frente a pequeños ligandos o proteínas. En particular, nuestro interés se orienta al estudio de la flexibilidad conformacional del dúplex de DNA mediante una serie de herramientas teóricas que permitan extraer información directa acerca de su naturaleza dinámica.Finalmente, en un tercer bloque se examina el efecto que tiene el mantenimiento de las pautas de puente de hidrógeno en la conservación del código genético y en el funcionamiento de aplicaciones biotecnológicas basadas en ácidos nucleicos sintéticos. Así, nuestro objetivo se orienta en eset caso hacia la comprensión de las propiedades mutagénicas de la isoguanina, que está estrechamente relacionadas con su enorme versatilidad tautomérica, que le permite definir distintos patrones de interacción basada en puentes de hidrógeno. Asimismo, también ha sido nuestro objetivo examinar las características químicas de nucleobases expandidas, basadas en la modificación de las bases naturales mediante inserción o adición de un anillo de benzeno, como paso previo al estudio de su posible utilización como elementos estructurales en el diseño de dúplexes modificados de potencial valor biotecnológico. / Hydrogen bond interactions are crucial elements in the definition of many processes of biological relevance. Their recognized importance as modulators of macromolecular structure, their role in molecular recognition between chemical species (ions, drugs,.), or their action in catalytic enzymatic mechanisms, are clear examples of this.Numerous experimental methodologies bring valuable descriptions of hydrogen bond modulated systems. Furthermore, theoretical models act as a necessary complement in order to obtain more accurate explanations of structural, energetic and dynamic aspects of these systems, as well as to simulate environmental conditions and chemical situations which are not easily accessible to experimental approaches.Present dissertation has focused on the description, from a theoretical point of view, of a series of systems of biological interest which properties are to a high extent determined by the presence of hydrogen bond interactions. Studies performed can be exposed in three thematic blocks.In a first section, the role played by hydrogen bond interactions in modulating the selective recognition of anions by organic receptors is analyzed. In this point, our interest by one hand is essentially driven to determine the structure of the interaction complex between receptor and anion, as well as the relative stability of this interaction towards several anions. In the other hand, a complementary objective is to determine the intrinsic flexibility of the organic receptor, so as to evaluate the possible conformational cost associated to its structural reorganization previous to anion recognition.In a second part, we study the dynamic behavior of nucleic acids, the structure, stability and flexibility of which are somehow modulated by the presence of hydrogen bond interactions. Besides, these interactions are crucial for the maintenance of genetic code, and for the ability of recognizing base sequence along DNA grooves, which underlies in the selective recognition of this biomolecule by small ligands or proteins. In particular, our interest is oriented towards the study of conformational flexibility of DNA duplexes by using a wide set of theoretical tools which allow to extract direct information about its dynamic nature.Finally, in a third section, we study the effect of maintaining hydrogen bond patterns in the conservation of the genetic code and in the performance of biotechnological applications based on synthetic nucleic acids. In this way, our objective is oriented towards the understanding of mutagenic properties of isoguanine, which are closely related to its enormous tautomeric versatility, which allows it to define alternative interaction patterns based on hydrogen bond. Moreover, it has also been our objective to examine the chemical features of expanded nucleobases, consisting in the modification of natural bases by the addition or insertion of a benzene ring, as a previous step to study its possible use as structural elements in the design of modified duplexes of biotechnological interest.

Esta tesis se centra en el estudio de la influencia del solvente en la estructura y dinámica del ADN mediante técnicas de simulación por ordenador.En la misma se han realizado dos bloques diferenciados, cuyos objetivos concretos serían: 1- El estudio de una secuencia de ADN en solución con diferentes fuerzas iónicas con el objetivo de racionalizar cómo los contraiones modulan las propiedades estructurales y dinámicas de la molécula. 2- El estudio de diversos ácidos nucleicos canónicos y no canónicos en ausencia de solvente, bajo condiciones similares a las que tienen lugar en los experimentos de espectrometría de masas por ionización con electrospray (ESI-MS). Este bloque, a su vez, está dividido en tres trabajos: i/-estudio de la doble hélice de ADN en condiciones de vacío propias de los experimentos de ESI-M, ii/-estudio de la naturaleza de complejos no covalentes entre minor groove binders (mG-binders) y ADN de doble cadena en condiciones de vacío, iii/-análisis del comportamiento de estructuras de ADN formadas por cuatro cadenas (G-cuadrúplex) en condiciones de vacío.La técnica utilizada para este propósito ha sido la Dinámica Molecular, la cual permite la descripción rigurosa a nivel atómico de las propiedades estructurales, energéticas y dinámicas de la molécula. Los resultados obtenidos en esta tesis complementan la información disponible en la actualidad sobre la estructura y conformación del ADN en dichas condiciones extremas. / This thesis is centered in the theoretical study of the influence of the solvent in the structure and dynamics of the DNA. First, there is a study of 12-mer sequence of DNA under different ionic strengths with the objective of elucidate how the molecule is influenced by the ionic atmosphere. Later on, different nucleic acids are studied with the absence of solvent under similar conditions to the Electrospray Ionization Mass spectrometry technique with the objective of study the structural, energetic and dynamics properties of DNA in the gas phase. The systems studied are:-Double helix of DNA.-Non covalent complexes between minor-groove binders and double stranded DNA.-G-quadruplexes of DNA.The main computational approach used has been the Molecular Dynamics technique. This powerful method allows to study at atomistic level the Nucleic Acids under those extreme conditions mentioned. The results obtained in this thesis complement the experimental information available about the structure and conformation of DNA in vacuum.

L'estat de l'art de les simulacions de dinàmica molecular és utilitzat per estudiar l'estructura, dinàmica, propietats d'interacció molecular i flexibilitat dels dúplexs d'ADN i ARN en solució acuosa. Les nostres simulacions suggereixen que el concepte de flexibilitat, rigidesa i deformabilitat són molt més complexes del que habitualment es creu, i que per tant no és sempre veritat que l'ADN sigui més flexible que l'ARN.La dinàmica molecular és a més utilitzada per investigar les propietats del híbrid ADN·ARN en solució acuosa i a temperatura ambient. Els resultats obtinguts de la dinàmica esencial i de l'anàlisis d'elasticitat demostren el patró asimètric de flexibilitat del híbrid i la forta predilecció de cada cadena per mantenir els seus moviments intrínsics propis dels homodúplexs. Són debatits les implicacions de les propietats estructurals i dinàmiques úniques del híbrid ADN·ARN en el mecanisme de la RNAsa H.L'estructura i les propietats dinàmiques dels diferents dúplexs antisentit (ADN·ARN, 2'OMe-ADN·ARN, 2'F-AAN·ARN, C5(Y)-propynyl-ADN·ARN, AAN·ARN) i els dúplexs control (ADN·ADN i ARN·ARN) han sigut determinats per llargues simulacions de dinàmica molecular. L'anàlisis de les trajectories donen informació dels determinants moleculars que permeten a la RNAsa H reconèixer i degradar algunes molècules mentre que altres amb una conformació aparentment similar no són afectades.Finalment, explorem la possibilitat de determinar teòricament el canvi d'energia lliure associat a les grans transicions conformacionals de l'ADN, com el canvi B↔A induït per una modificació en el solvent. Trobem que la combinació de dinàmica molecular diana o targeted molecular dynamics i el mètode d'anàlisis dels histogrames ponderats (WHAM, weighted histogram analysis method) poden ser utilitzats per traçar aquesta transició en aigua i etanol/aigua. El camí de la transició en el sentit A→B és un reflexe del trobat en B→A i és dominat per dos processos que passen de manera independent: canvis locals en la conformació del sucre i adabtacions globals de l'estructura. La transició B↔A es pot exlicar com un procés cuasi-harmònic que segueix de ben aprop el primer mode de deformació espontani de l'ADN, mostrant que les deformacions fisiològicament importants estan codificades en el patró de flexibilitat intrínsic de l'ADN. / El estado del arte de las simulaciones de dinámica molecular es utilizado para estudiar la estructura, dinámica, propiedades de interacción molecular y flexibilidad de los dúplexs de ADN y ARN en solución acuosa. Nuestras simulaciones sugieren que el concepto de flexibilidad, rigidez y deformabilidad son mucho más complejos de lo que habitualmente se cree, y que por lo tanto no es siempre verdad que el ADN sea más flexible que el ARN.La dinámica molecular es además utilizada para investigar las propiedades del híbrido ADN·ARN en solución acuosa y a temperatura ambiente. Los resultados obtenidos de la dinámica esencial y del análisis de elasticidad demuestran el patrón asimétrico de flexibilidad del híbrido y la fuerte predilección de cada cadena para mantener sus movimentos intrínsicos propios de los homodúplexs. Son debatidas las implicaciones de las propiedades estructurales y dinámicas únicas del híbrido ADN·ARN en el mecanismo de la RNAsa H.La estructura y las propiedades dinámicas de los diferentes dúplexs antisentido (ADN·ARN, 2'OMe-ADN·ARN, 2'F-AAN·ARN, C5(Y)-propynyl-ADN·ARN, AAN·ARN) i los dúplexs control (ADN·ADN i ARN·ARN) han sido determinados por largas simulaciones de dinámica molecular. El análisis de las trayectorias dan información de los determinantes moleculares que permiten a la RNAsa H reconocer y degradar algunas moléculas mientras que otras con una conformación aparentemente similar no son afectadas.Finalmente, exploramos la posibilidad de determinar teóricamente el cambio de energía libre asociado a grandes transiciones conformacionales del ADN, como el cambio B↔A inducido por una modificación en el solvente. Encontramos que la combinación de dinámica molecular diana o targeted molecular dynamics y el método de análisis de los histogramas ponderados (WHAM, weighted histogram analysis method) pueden ser utilizados para trazar esta transición en aigua y etanol/agua. El camino de la transición en el sentido A→B es un reflejo del encontrado en B→A y es dominante para dos procesos que pasan de manera independiente: cambios locales en la conformación del azúcar y adabtaciones globales de la estructura. La transición B↔A se puede exlicar com un proceso cuasi-harmónico que sigue de cerca el primer modo de deformación espontaneo del ADN, mostrando que las deformaciones fisiológicamente importantes están codificadas en el patrón de flexibilidad intrínsico del ADN. / State of the art molecular dynamics simulations are used to study the structure, dynamics, molecular interaction properties and flexibility of DNA and RNA duplexes in aqueous solution. Our simulations strongly suggest that the concepts of flexibility, rigidity and deformability are much more complex than usually believed, and that it is not always true that DNA is more flexible than RNA.Molecular dynamics is used to investigate also the properties of the DNA·RNA hybrid in aqueous solution at room temperature. The results obtained from essential dynamics and stiffness analysis demonstrate the large and very asymmetric flexibility of the hybrid and the strong predilection that each strand (DNA or RNA) has on the nature of their intrinsic motions in the corresponding homoduplexes. The implications of the unique structural and dynamic properties of the DNA·RNA hybrid on the mechanism of cleavage by RNase H are discussed.The structure and dynamic properties of different antisense related duplexes (DNA·RNA, 2'OMe-DNA·RNA, 2'F-ANA·RNA, C5(Y)-propynyl-DNA·RNA, ANA·RNA and control duplexes DNA·DNA and RNA·RNA) have been determined by means of long molecular dynamics simulations. The analysis provides information on the molecular determinants that allow RNase H to recognize and degrade some of these duplexes, while others with apparently similar conformation are not affected. Finaly, we explore here the possibility of determining theoretically the free energy change associated with large conformational transitions in DNA, like the solvent-induced B↔A conformational change. We find that a combination of targeted molecular dynamics (tMD) and the weighted histogram analysis method (WHAM) can be used to trace this transition in both water and ethanol/water mixture. The pathway of the transition in the A→B direction mirrors the B→A pathway, and is dominated by two processes that occur somewhat independently: local changes in sugar puckering and global rearrangements in the structure. The B↔A transition is found to be a quasi-harmonic process, which follows closely the first spontaneous deformation mode of B-DNA, showing that a physiologically-relevant deformation is in coded in the flexibility pattern of DNA.

L'anàlisi des del punt de vista dinàmic d'un sistema format per un conjunt de partícules que interactuen entre sí pot realitzar-se mitjançant diferents mètodes de simulació (Allen et al., 1987). D'entre tots ells, el més conegut és el mètode de la Dinàmica Molecular (DM), que es basa en la resolució numèrica de les equacions clàssiques que regeixen el moviment de cadascuna de les partícules que constitueixen un sistema. En moltes ocasions això pot ultrapassar les possibilitats de càlcul de què es disposa, la qual cosa ens impulsa a centrar el nostre interès en l'estudi d'una part del sistema. És per aquesta raó que ha augmentat darrerament l'interès despertat pels mètodes estocàstics de simulació, que simplifiquen considerablement l'anàlisi d'un sistema, ja que permeten estudiar-ne únicament una part sense efectuar una consideració explícita de la resta, i que poden esdevenir en alguns casos alternatives a l'ús de la DM.Els mètodes estocàstics es basen en la resolució de les Equacions de Langevin. Si en un sistema tenim dos tipus de partícules, als quals corresponen dues escales de temps molt diferenciades, la dinàmica de les partícules més lentes podrà descriure's satisfactòriament per Equacions de Langevin sense memòria. Les partícules simulades són partícules Brownianes i les simulacions així obtingudes seran de Dinàmica Browniana. Els sistemes de partícules col·loïdals en dissolució són especialment adequats per aquest tipus de tractament. Ara bé, si les partícules en les quals se centra el nostre interès no poden considerar-se Brownianes, caldrà que el seu moviment es calculi mitjançant la resolució d'equacions de Langevin Generalitzades (ELG). Aquest mètode de simulació s'anomena Dinàmica de Langevin Generalitzada (DLG), que està especialment indicat pels casos en què les partícules omeses tenen similars característiques, pel que fa a llur massa i tamany, a les que simularem d'una forma explícita. Per exemple, els sistemes formats per electròlits en dissolució haurien de ser simulats per DLG. Fins i tot en el domini de les macromolècules, si aquestes volen tractar-se àtom a àtom, pot ser necessària la consideració d'aquest mètode.Aquest treball s'ha centrat en l'estudi de la DLG. S'hi ha considerat que cada partícula evoluciona segons una Equació de Langevin Generlitzada (ELG) (Ciccotti et al., 1981). En aquesta equació la part del sistema que s'omet a la simulació es té en compte mitjançant una força de fricció que depèn d'una funció memòria i una força estocàstica. L'equació inclou també la força causada per la interacció amb les altres partícules explícitament considerades, i que també ha de veure's afectada per la resta del sistema.Donat que l'ELG és una equació de caràcter fenomenològic, resulta interessant efectuar un test d'aquest mètode de simulació, ja iniciat en anteriors treballs. En aquesta tesi s'ha incidit especialment en l'anàlisi de les propietats temporals i espai-temporals. L'estudi s'ha efectuat sobre sistemes simples, com per exemple els constituïts per àtoms de Kriptó o d'Argó, ja que requereixen potencials de curt abast i, per tant, simulacions relativament poc costoses.Per tal que les partícules simulades presentin un comportament el més semblant possible al que tindrien en el sistema total, cal escollir amb certa cura les diferents funcions que apareixen al segon membre de l'ELG. Per a això, s'ha de tenir en compte que les interaccions entre les partícules es realitzen en un "medi" no considerat explícitament, però que les influencia. És per això que aquestes interaccions es calcularan a partir d'un potencial de força mitjana que anomenarem efectiu (Guàrdia et al., 1987) i que depèn de la concentració de partícules de solut. També en dependrà la funció memòria, present a l'ELG. En aquest treball hem proposat un mètode per a calcular aquestes funcions, que anomenarem funcions memòria efectives (Padró et al, 1998).En l'obtenció dels potencials de força mitjana i de les funcions memòria efectives hem partit, respectivament, de la funció de distribució radial (g(r)) i de la funció d'autocorrelació de velocitats (C(t)) corresponents a les partícules simulades. Hem calculat aquestes funcions a partir dels resultats de les simulacions dels sistemes complets realitzades per DM. Hem comprovat que, almenys per a sistemes simples, aquestes funcions existeixen i permeten una correcta reproducció tant de l'estructura com de la dinàmica dels sistemes estudiats. Per a això hem analitzat funcions de correlació que es refereixen al comportament de cada partícula i són la g(r), la C(t), i també la funció desplaçament quadràtic mitjà i el coeficient d'autodifusió (Hansen et al., 1986).Paral·lelament, aquest estudi ens ha portat a analitzar les equacions de Langevin, tot avaluant les forces estocàstiques que hi apareixen. En aquestes equacions, la força total que actua sobre una partícula se separa en dues parts: un terme de fricció i un terme estocàstic. Aquesta separació és purament teòrica, cosa que provoca que les forces estocàstiques no siguin mesurables experimentalment, i que només puguin caracteritzar-se mitjançant la simulació, que en aquesta ocasió serà utilitzada com a eina per a l'anàlisi de la validesa d'hipòtesis i propietats teòriques.Aquestes forces estocàstiques s'han calculat en simulacions de DM, i s'ha comprovat que satisfan totes les propietats que els són característiques des d'un punt de vista teòric (Sesé et al., 1990). Donat que les funcions memòria efectives s'utilitzen en aquests càlculs, els resultats obtinguts constitueixen una prova més de la bondat d'aquestes funcions. D'altra banda, la distribució estadística que segueixen les forces estocàstiques presenta algunes diferències quantitatives respecte a una distribució Gaussiana. Ara bé, tot i que en les nostres simulacions per DLG es parteix d'una distribució d'aquest tipus no s'ha detecta cap problema que pugi associar-se a la no Gaussianitat d'aquestes forces.També s'ha calculat la funció d'autocorrelació de les forces estocàstiques sobre una partícula de massa infinita i s'ha comparat amb la mateixa funció corresponent a la partícula en moviment. S'ha comprovat que aquestes funcions presenten algunes diferències i que, tot i que per ions en aigua aquestes diferències són gairebé negligibles, cal anar en compte a l'hora d'extendre la hipòtesis de la seva igualtat a tot tipus de sistemes.I, finalment, coneguts els potencials de força mitjana i les funcions memòria efectives, hem realitzat un test més ampli de la DLG. Ja que aquesta tècnica es presenta en tant que mètode simplificador de la DM, el test consistirà en comparar els resultats obtinguts per ambdós mètodes, de manera que les evolucions obtingudes per DM es consideraran exactes. S'ha comprovat que els resultats de la DLG per altres funcions de correlació microscòpiques, com les funcions de Van Hove, estan en concordància amb els obtinguts per DM. Ara bé, s'ha constatat l'existència de serioses discrepàncies en les funcions de correlació creuades de velocitats corresponents a partícules diferents. Això és natural ja que es tracta d'una propietat col·lectiva que depèn en gran mesura dels efectes dels fluxes de dissolvent induïts per les mateixes partícules de solut, és a dir, de les interaccions hidrodinàmiques, negligides en els simulacions realitzades per DLG.BIBLIOGRAFIA:ALLEN M.P. and TILDESLEY D.J., 1987, Computer simulation of liquids. Claredon Press-OxfordCICCOTTI G. and RYCKAERT J.P., 1981, J. Stat. Phys. 26, 73.GUÀRDIA E., GÓMEZ-ESTÉVEZ J.L. and PADRÓ J.A., 1987, J.Chem.Phys. 86, 6438.HANSEN J.P. and MC DONALD I.R., 1986, Theory of simple liquids. Academic Press.PADRÓ J.A., GUÀRDIA E. and SESÉ G., 1988, Molec. Phys. 63, 355.SESÉ G., GUÀRDIA E. and PADRÓ J.A., 1990, J. Stat. Phys. 60, 501. / Generalized Langevin Dynamics (GLD) is a stochastic simulation method that allows to perform the study of subsystems made up of non-Brownian particles (solute), i.e., whose masses and sizes are similar to the ones of the particles of the rest (solvent). The method requires the numerical resolution of a Generalized Langevin Equation (GLE) for every solute particle. The suitability of the GLD method for a realistic description of a system of interacting particles in solution is discussed. Our study has been focused on the dynamical properties of the solute in dense liquid mixtures. To begin with this study, a procedure for obtaining effective memory functions which include the average effects of the indirect solute-solvent-solute interactions is proposed. Using those effective memory functions, the random and frictional forces on the atoms of the solute, which include the effect of their collisions with the solvent, are calculated from Molecular Dynamics (MD) simulations.Moreover, the validity of the usual assumptions on the statistical properties of the random forces is carefully analysed. MD simulations of realistic dense liquids have been used to characterize the random forces which appear when the GLD is used for the description of the atomic motions. Our results show that the distribution of frequencies of the random forces ressembles the ordinarily assumed Gaussian distribution, but some discrepancies appear when quantitative analyses are performed. In addition, the properties of such forces, generated from MD simulations using the GLE, are the ones ordinarily required for the random ones.Finally, the GLD method has been tested against the MD simulation of the complete system. It has been proved that computer simulations based on the GLE and assuming a Gaussian distribution for the random forces permit quite good reproductions of the analysed structural and dynamical properties of the solute (radial distribution functions, velocity autocorrelation functions, diffusion coefficients, Van Hove functions .), provided that effective mean force potentials and effective memory functions are used. As the hydrodynamic interactions have been neglected in our study, the disagreements for the collective properties are important.

Els hidrats de carboni presenten una elevada variabilitat estereoquímica i els organismes s'aprofiten d'aquesta elevada variabilitat utilitzant oligosacàrids i polisacàrids per a una multitud de diferents funcions biològiques. A part de les típiques funcions estructurals i d'emmagatzematge energètic, tenen important rellevància en altres funcions molt més específiques, com per exemple en senyalització cel·lular. Aquesta funcionalitat desperta l'interès de multitud d'aplicacions biotecnològiques, que són el fruit d'un nombre creixent d'estudis en glicobiologia.L'enllaç glicosidic, en especial entre dues unitats de glucosa, és un dels enllaços més estables que es troben en biopolímers naturals. El temps de vida mitja de la hidròlisi espontània d'aquest enllaç en cel·lulosa i en midó és de l'ordre dels 5 milions d'anys. Les glicosil hidrolases son els enzims responsables de la hidròlisi enzimàtica d'aquests biopolímers. Aquests enzims aconsegueixen portar a terme la hidròlisi en escales de temps de l'ordre de 1000 cicles per segon. Donada aquesta elevada activitat, les glicosil hidrolases són considerades un dels catalitzadors biològics més eficients.La present tesi centra el seu principal interès en l'estudi de la formació del complex de Michaelis entre una glicosil hidrolasa de la família 16 (la 1,3-1,4-β-glucanasa) i el seu corresponent substrat. Entendre el procés en el que el substrat s'uneix a l'enzim és un punt clau de cara a raonar les següents etapes de qualsevol mecanisme enzimàtic. Sovint aquest procés ja porta associats canvis conformacionals tant a nivell d'enzim com de substrat que contribueixen a la catàlisi, fent variar les diferències energètiques en el pas de reactius a productes. Per a les β-glicosil hidrolases, existeixen diferents evidències experimentals que recolzen aquest fet. Així, s'observen estructures distorsionades a nivell de substrat respecte les que correspondrien a les estructures més estables en solució. De totes maneres, es desconeixen els factors que determinen que el substrat prefereixi unir-se a l'enzim en una conformació o una altra, i les implicacions mecanístiques que això té. La present tesi tracta de donar resposta a algunes d'aquestes qüestions emprant diferents tècniques de dinàmica molecular (clàssica i de primers principis) en combinació amb mètodes que permeten l'acceleració d'esdeveniments al llarg d'una simulació.La present tesi està estructurada en tres grans blocs: un bloc introductori (capítols I i II) on s'introdueix la família d'enzims a la qual pertany la 1,3-1,4-β-glucanasa i s'estableixen els objectius generals del present estudi; al capítol II es resumeixen els fonaments de la metodologia computacional emprada. En un segon bloc (capítols III a VII) es descriuen les simulacions portades a terme per tal de donar resposta a les preguntes obertes plantejades al bloc introductori. Els resultats són analitzats i discutits en cinc capítols diferents: al capítol III s'analitza l'estructura del complex de Michaelis de la 1,3-1,4-β-glucanasa amb un substrat tipus metilumbeliferil-tetrasacàrid; al capítol IV s'avalua i es descriu el mapa d'energia lliure conformacional de l'anell de β-D-glucopiranosa, i s'analitzen les propietats estructurals i electròniques de cada conformació per tal de trobar una correlació amb les distorsions presents en diferents glucosidases; al capítol V s'avalua i es descriu el mapa d'energia lliure conformacional del substrat un cop unit a la 1,3-1,4-β-glucanasa, i s'analitza l'efecte de diferents mutacions puntuals del substrat; al capítol VI es porta a terme una simulació del primer pas de la reacció enzimàtica de la 1,3-1,4-β-glucanasa i s'analitza l'itinerari conformacional seguit pel substrat; al capítol VII es porta a terme una simulació del procés d'entrada del substrat a la cavitat enzimàtica i s'analitzen les reorganitzacions a nivell de substrat i de proteïna que tenen lloc al llarg del procés. Cada capítol conté una breu introducció específica de cada cas concret, informació sobre els detalls computacionals emprats, i la descripció i discussió dels resultats obtinguts. Finalment al darrer bloc (capítol VIII) es resumeixen els resultats més rellevants obtinguts en la present tesi i s'enumeren les principals conclusions. Addicionalment, s'han adjuntat tres annexes que complementen la informació dels diferents capítols. / Carbohydrates exhibit a high stereo chemical diversity. Living organisms take benefit of it by using oligosaccharides and polysaccharides for a large number of biological functions. In addition to the typical structural and energetic functions, carbohydrates play an important role in other more specific functions such as cellular signalling. This functionality is of special interest in different biotechnological applications as a result of an increasing number of studies in glycobiology.The glycosidic bond, specially the one between two glucose units, is one of the most stable bonds found in natural biopolymers. The half life time for the spontaneous hydrolysis of this bond in cellulose and starch is of the order of 5 million years. Glycosil hydrolases (GHs) are the enzymes responsible for the enzymatic hydrolysis of these biopolymers. GHs are able to hydrolyze the glycosidic bond in a time scale of the order of 1000 cycles per second. Due to this extremely high activity, GHs are considered some of the most efficient biological catalysts. This thesis is focused on the formation of the Michaelis complex in 1,3-1,4-β-glucanase, a family 16 glycosil hydrolase. Understanding the substrate binding process is a key point to rationalize the subsequent steps of any enzymatic process. Usually, this process involves conformational changes of both the enzyme and the substrate. These changes contribute to the catalysis by changing the relative energies of reactants and products. Recent experiments on β-glycosil hydrolases give evidence of a distorted structure of the substrate with respect to its structure in solution. However, the factors that dictate the preference of the substrate to be bound to the enzyme in one or another conformation remain unknown, as well as their mechanistic implications. This thesis tries to answer some of these questions using different techniques based on molecular dynamics (both classical and first principles) in combination with methods aimed to accelerate the simulation of rare events.

Aquesta tesi tracta de la creació d'un nou programari de codi obert i d'una interfície de programació (API) per realitzar simulacions (bio) moleculars, així com de a la seva aplicació posterior a problemes biològics. El nou programa, Adun, es focalitza en les àrees clau del càlcul d'energies lliures, el desenvolupament ràpid de programari i la productivitat d'alt rendiment. Mètodes com SCAAS, EVB i Born generalitzat han estat implementats per tal d'assolir el primer objectiu. La presencia d'aquestes tècniques, a m´es d'altres, mostra la velocitat de desenvolupament d'Adun. Totes les característiques s´on accessibles mitjanant una interfície gràfica d'usuari avançada que proveeix de noves capacitats, com el tractament de dades integrat o la compartició de dades i de càlculs distribuïts. La capacitat d'Adun de tractar problemes biològics és il·lustrada amb la investigació de la dinàmica de la proteïna Ras i el desenvolupament, implementació i demostració d'un nou mètode per a la determinació de camins de transició. A més, per tal de demostrar el potencial del programa Adun, aquests estudis també proporcionen una visió avançada sobre l'ús de la informació dinàmica en determinar la unció de les proteïnes. L'estat actual del programa i els resultats dels dos estudis és, doncs, discutit, i es donen indicacions dels objectius i direccions futurs. Finalment s'examina el paper dels científics computacionals com desenvolupadors d'eines, per a ells mateixos o per a tota la comunitat científica. / This thesis deals with the creation of a new open-source program and API for biomolecular simulation and its subsequent application to biological problems. The program, Adun, focuses on the key areas of biological free-energy calculations, rapid development and highperformance productivity. Methods such as SCAAS, EVB and switched Generalised-Born have been implemented to realise the first aim. The presence of these techniques, along with a multitude of others, verifies Adun's rapid development potential. All these features are united by an advanced graphical user interface which provides novel capabilities such as inbuilt data management, and distributed datasharing and computation. Adun's ability to tackle biological problems is illustrated with an investigation of Ras dynamics and the development, implementation and testing of a novel method for determining transition paths. In addition to concretely demonstrating Adun's potential these studies also provide insight into the use of dynamic information in elucidating protein function. The current state of the program and the results of the two studies is discussed and indications of future aims and directions given. In addition the role of computational scientists as developers of tools, for themselves and the wider scientific community, is examined.

This PhD thesis is the result of the combination of experimental and computational techniques with the aim of understanding the mechanism of action of de novo cyclic decapeptides with high antimicrobial activity. By experimental techniques the influence of the replacement of the phenylalanine for tryptophan residue in their antimicrobial activity was tested and the stability in human serum was also analyzed, in order to evaluate their potential therapeutic application as antitumor agents. On the other hand, the interaction amongst the peptide BPC194 c(KKLKKFKKLQ), the best candidate from the whole library of cyclic peptides, and a model anionic membrane was simulated. The results showed a structure-function relationship derived from the stable conformation of the peptides involved in the membrane permeabilization. As a result, a rational design was performed being BPC490 the peptide with best antimicrobial activity compared with the best active peptide from the original library. / Aquesta tesi doctoral resulta de la combinació d’estudis mitjançant tècniques experimentals i computacionals amb l’objectiu d’entendre el mecanisme d’acció de "de novo" decapèptids cíclics amb elevada activitat antimicrobiana. Experimentalment, es va avaluar la influència de la substitució dels residus de fenilalanina per triptòfan en la seva activitat antimicrobiana i també la seva estabilitat sèrum humà, per tal de valorar la seva possible aplicació terapèutica envers el càncer. Per altra banda, es va simular la interacció del pèptid BPC194 c(KKLKKFKKLQ), millor candidat de la biblioteca de pèptids cíclics, amb models aniònics de bicapa lipídica. Els resultats van posar en manifest una relació estructura-funció derivada de la conformació estable dels pèptids que participen directament en la permeabilització de la membrana. Es va procedir doncs al disseny racional de nous pèptids cíclics sent el pèptid BPC490 el que va presentar una millor activitat bacteriana en comparació amb el pèptid més actiu de la llibreria original.

El treball Estudi de sals foses mitjançant la dinàmica molecular està integrat dins la línia de recerca Simulació de comportament atòmic en la matèria condensada i amb ell s'han assolit dos grans objectius. El primer consisteix en completar l'estudi de les sals foses binàries d'ions monovalents (sals 1:1), que ja s'havia iniciat en aquest grup de recerca, amb l'estudi del AgCl, AgBr i dels halurs de tal·li (TlCl, TlBr i TlI). El segon és ampliar l'estudi de la dinàmica col·lectiva dels halurs de coure fosos amb l'estudi de les fluctuacions locals de les densitats parcials de partícules, de massa i de càrrega, i dels seus corrents longitudinals i transversals. Els resultats corresponents els presentem per separat en la part I i II de la memòria.Comencem la primera part amb el capítol 1, fent una introducció a les sals 1:1 foses que havien estat estudiades anteriorment, és a dir, els halurs alcalins i els halurs de coure i el AgI. Posem de relleu les característiques principals d'aquestes sals i expliquem els models que s'han utilitzat per estudiar-les.En el segon capítol proposem un mètode per determinar els factors d'estructura estàtics, que permet optimitzar el temps de càlcul i alhora obtenir unes funcions sense gaire soroll. El fet de disposar de bons factors d'estructura estàtics permet la comparació amb resultats experimentals de difracció elàstica de neutrons. A més a més, en aquest capítol aprofitem per descriure a l'espai recíproc les propietats estructurals dels halurs alcalins i de coure fosos. En els capítols tercer i quart, presentem els resultats de la dinàmica molecular del AgCl i el AgBr, i dels halurs de tal·li, respectivament. Aquestes sals s'han modelat considerant els potencials proposats conjuntament amb els Drs. Moises Silbert i Çetin Tasseven de la Universitat de East Anglia. Aquests potencials permeten reproduir bastant bé els factors d'estructura i les conductivitats iòniques experimentals. L'anàlisi de les funcions de distribució radial i els factors d'estructura estàtics, així com de les funcions de correlació de velocitats i els desplaçaments quadràtics mitjans, mostra que aquestes sals tenen un comportament intermedi entre els halurs alcalins (on els anions i cations tenen una mida molt semblant) i els halurs de coure (on els cations són molt més petits que els anions). També hem fet un estudi de la influència de la massa i la mida dels ions en la seva dinàmica individual.A la Part II del treball, per tal d'estudiar les fluctuacions de densitat i dels corrents en els halurs de coure fosos hem triat el CuCl i el CuI. En el CuCl els ions més grans (els anions) són més lleugers que els cations, en canvi, en el CuI són més pesants. A més a més, aquest estudi l'hem completat amb dos halurs alcalins com el KCl i el RbCl. En aquestes dues sals els cations i els anions són de mida semblant, però mentre que en el RbCl els anions són més lleugers que els cations, en el KCl tenen quasi la mateixa massa. D'aquesta manera podem veure quina és la influència de la massa i la mida en aquestes propietats.En el capítol cinc estudiem el procés d'autodifusió dels ions mitjançant les funcions de scattering intermèdies self i els seus espectres, anomenats factors d'estructura dinàmics self. A l'últim apartat comparem els resultats de les nostres simulacions per al CuCl amb els resultats experimentals de difracció quasielàstica de neutrons obtinguts pel Dr. Spencer Howells del Rutherford Appleton Laboratory.El capítol sis l'hem dedicat a les fluctuacions de densitat en sals 1:1 foses mitjançant les funcions de scattering intermèdies i els corresponents factors d'estructura dinàmics. Aquestes funcions revelen la presència de modes col·lectius acústics i òptics associats a les fluctuacions de la densitat de massa i de càrrega, respectivament. Aquests modes són una reminiscència dels modes acústic i òptic a l'estat sòlid.En el capítol set estudiem de les correlacions entre els corrents longitudinals i transversals, així com dels modes col·lectius que hi estan relacionats.Finalment presentem les conclusions i les perspectives de continuació d'aquest treball. A més a més, hem inclòs cinc apèndix on fem un recull argumentat de totes les definicions de les propietats que hem calculat.