Orientador: Munir Salomão Skaf / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-03T17:33:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vechi_SergioModesto_D.pdf: 2776447 bytes, checksum: f71b396f6630a7fceef9d1df145510f2 (MD5) Previous issue date: 2003 / Doutorado

Orientadores: Munir S. Skaf, Igor Polikarpov / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-03T18:40:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martinez_Leandro_M.pdf: 6462878 bytes, checksum: c8038405b68f9b7fff5d28835e72c249 (MD5) Previous issue date: 2003 / Mestrado

Proteínas citolíticas são produzidas por uma grande diversidade de organismos, dentre os quais destacam-se os cnidários. Estes organismos podem produzir uma série de toxinas que auxiliam na sua sobrevivência, liberadas por nematocistos. A maioria dos cnidários são considerados tóxicos, e mais de 32 espécies de anêmonas já foram relatadas como fonte de proteínas e peptídeos citolíticos letais. Dentre essas proteínas, o grupo mais amplo é formado pelas citolisinas conhecidas como actinoporinas, proteínas formadoras de poro em membranas que possuem potente atividade hemolítica. As bases estruturais para essa atividade mostram-se dependentes do correto enovelamento protéico, principalmente em regiões específicas que, portanto, apresentam importância funcional: o segmento N-terminal, a região rica em resíduos de triptofano e o sítio de ligação à fosfocolina. Diferentes condições em solução são capazes de influenciar a capacidade das actinoporinas de formar poro em modelos de membrana e na superficie de hemácias. Contudo, embora dados de ressonância magnética nuclear (RMN) e cristalografia tenham sido relatados para esta família de proteínas, dados estruturais e conformacionais adicionais se fazem necessários para a compreenção das razões moleculares desta atividade e, por conseguinte, para sua posterior exploração biotecnológica e terapêutica. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo caracterizar a influência de diferentes fatores físico-químicos sobre o enovelamento das duas actinoporinas mais estudadas, esticolisina II (StnII) e equinatoxina II (EqtxII), empregando para tal simulações de dinâmica molecular (DM). Os resultados obtidos oferecem um melhor entendimento do efeito de altas concentrações de ureia sobre a perda de atividade hemolítica da StnII, assim como fornecem possíveis evidências para a influência de soluções ácidas sobre o enovelamento da hélice C-terminal (parte do sítio de ligação à fosfocolina). Considerando o papel dessa região no reconhecimento de fosfolipídeos de membrana, as transições conformacionais observadas podem estar relacionadas às ações biológicas desta classe de toxinas. / Cytolytic toxins are produced by many organisms, mainly including the cnidarians. These organisms are able to produce a variety of toxins that are important for their survival, delivered by nematocysts. The majority of cnidarians are considered toxic organisms and more than 32 species of sea anemones have been already reported to produce lethal cytolytic peptides and proteins. Among these toxic polypeptides, the most numerous are the cytolysins, collectively called actinoporins, potent pore-forming proteins that present hemolytic activity. The structural basis for such activity was related to their correct folding, mainly around specific regions that, however, present functional importance: the proteins N-terminal segment, a region rich in tryptophan residues and the phosphocholine-binding-site. Different solution conditions influence the pore formation capacity of the actinoporins in model lipid membranes and on the surface of red blood cells. In this way, althought nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray crystallography data had been reported to this protein family, additional structural and conformational information might be necessary to understand the molecular reasons for such activity and also to improve their biotecnological and terapeutical exploration. In this context, the current work intends to characterize the influence of different physical-chemical factors in the folding of the two most studied actinoporins, Sticholysin II (StnII) and Equinatoxin II (EqtxII), applying to this molecular dynamics (MD). The obtained results provide a better understanding for the lack of StnII hemolytic activity when it is submitted to a high urea concentration, as well as possible evidences of the influence of acid solutions in the folding of the C-terminal helix (present at the phosphocholine-binding-site). Considering the role of this region in the recognition of membrane phospholipids, the observed conformational transitions may be related with the biological action of this class of toxins.

Orientador: Bernardo Laks / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-15T23:26:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Imaizumi_Momotaro_D.pdf: 3751802 bytes, checksum: 4682678f4c31c0cd12ffa59f8faeec8d (MD5) Previous issue date: 1992 / Resumo: Aplicamos o método de cálculo da dinâmica molecular em metais alcalinos como lítio e em ligas de Li1-xNax. O potencial de pares de interação dos ions metálicos é calculado através da teoria do pseudo-potencial. As variações estruturais que ocorrem tanto no sistema puro como nas ligas, o potencial cristalino e a pressão determinados à temperatura de O K podem ser calculados pela combinação do método de pseudo-potencial e de dinâmica molecular / Abstract: The molecular dynamics technique has been used in the study of metals lithium and sodium and their binary alloys. The pairwise interaction potencial was evaluated on basis of pseudopotential formalism. The molecular dynamics together with pseudopotential was utilized to derive information¿s about the structural changes in the alloys system / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

siRNAs são pequenos RNAs de interferência de cadeia dupla que podem silenciar a expressão de genes específicos pós-transcricionalmente. A despeito de suas importantes funções biológicas, poucos estudos vêm se dedicando a abordá-los sob a perspectiva atomística. Com relação às técnicas computacionais, existem ainda poucas informações sobre a confiabilidade das predições in silico realizadas com estas pequenas moléculas de RNA de fitadupla. Neste contexto, o presente trabalho compara os campos de força AMBER, CHARMM e GROMOS na descrição conformacional de siRNAs livres e complexados a proteína p19, através de simulações por dinâmica molecular. Destes, AMBER e CHARMM mantiveram a conformação molecular dos siRNAs similar à geometria cristalográfica, enquanto o GROMOS introduziu uma série de distorções, conforme descrito previamente para a molécula de DNA (RICCI ET AL., 2010). De forma geral, a complexação à p19 promoveu um aumento na rigidez dos siRNAs. Em contrapartida, os problemas apresentados pelo GROMOS foram extensos, incluindo abertura da dupla-hélice e perda do pareamento, possivelmente através de problemas nos ângulos torcionais descritores do esqueleto conformacional dos siRNAs. Assim, os dados obtidos apontam para AMBER e CHARMM como os principais campos de força para simulações de pequenos RNAs. Por outro lado, observamos potenciais pontos de partida para melhoria do GROMOS na descrição de ácidos nucleicos, o que permitiria simulações cobrindo escalas de tempo maiores em máquinas de custos menores. / The small interfering RNA (siRNA), which are small pieces of double-stranded RNA, can silence the expression of specific genes at the post-transcriptional level. While such molecules have an important biological function, only few studies have been dedicated to approach them under the atomistic perspective. Regarding the computational techniques, there is little information on the reliability of in silico predictions performed with these small double-strands RNA molecules. In this context, the current work intends to compare AMBER, CHARMM and GROMOS force fields on the conformational description of p19 protein complexed and uncomplexed siRNAs under molecular dynamics simulations. AMBER and CHARMM force fields behaved similarly to the crystallographic geometry, while GROMOS force field shows a series of distortions, as previously described in DNA simulations (RICCI ET AL., 2010). When complexed to p19, the dynamics of the siRNA demonstrated an increase in its rigidity. On the other hand, the problems presented on GROMOS force field were extensive, including opening of double strands, and loss of base pairing, possibly due to problems with backbone torsional angles of siRNAs. Thus, the obtained data points to AMBER and CHARMM as the main force fields for simulations of small RNAs. Moreover, we observed potential starting points for improving the GROMOS force field on the nucleic acids description, allowing simulations covering longer time scales at lower cost machines.

Combinando métodos computacionais da eletrostática e dinâmica molecular, este trabalho teve como objetivo descrever processos de solvatação em sistemas quimicamente importantes. Foram obtidas propriedades termodinâmicas necessárias para o entendimento do processo de solvatação. Estão descritos e testados modelos para descrever a interação soluto-solvente, possibilitando, assim, aprimorar a descrição físico-química dos processos de solvatação. Utilizaram-se programas desenvolvidos em nosso grupo e programas comerciais que permitem os cálculos de dinâmica molecular e química quântica. Uma nova abordagem para o cálculo de energia livre de solvatação foi desenvolvida proporcionando a obtenção acurada e eficiente dessa propriedade, dentro do enfoque da dinâmica molecular. Nessa nova abordagem, novas metodologias para a geração de cavidades moleculares foram propostas e avaliadas. As energias livres de solvatação obtidas estão em boa concordância com os valores experimentais.

Acidentes envolvendo abelhas africanizadas são freqüentemente relatados, particularmente na América do Sul. As picadas de abelhas causam reações localizadas e sistêmicas e os sintomas do envenenamento incluem náuseas, vômitos, hemólise, falência renal e coagulação intravascular disseminada. Durante muito tempo todas as reações tóxicas eram atribuídas à presença de uma fosfolipase A2, mesmo sendo o veneno uma mistura complexa de substâncias. A melitina, o componente mais abundante e tóxico do veneno de abelha, é um peptídeo de 26 aminoácidos com a habilidade de interagir e danificar membranas celulares. A melitina é também capaz de modular muitas proteínas, aumentando a diversidade de atividades biológicas do peptídeo. Até recentemente, acreditava-se que a estrutura tri-dimensional biologicamente ativa do peptídeo, que possui conformação em hélice, era um tetrâmero. Neste trabalho avaliamos a conformação da melitina e seus estados oligoméricos em solução por dinâmica molecular e a interferência da melitina na função plaquetária. Aqui está demonstrado que a melitina possui uma conformação randômica em condições fisiológicas e que sua estrutura tri-dimensional sofre alterações de acordo com as condições ambientais. Ainda, foi demonstrada uma nova atividade biológica do peptídeo melitina. O peptídeo é capaz de induzir a 8 agregação plaquetária de forma dose-dependente e de interagir diretamente com a superfície de plaquetas. A correlação entre a conformação da melitina e suas atividades biológicas é discutida. Os resultados aqui apresentados podem ser valiosos no entendimento do papel da melitina nas coagulopatias induzidas por veneno de abelha. O estudo estrutural mostrado aqui pode ser aplicado para explicar as diferentes atividades do peptídeo. / Accidents involving africanized bees are frequently reported, particularly in South America. Bee stings cause localized and systemic reactions and the symptoms of envenomation include nausea, vomiting, hemolysis, kidney failure and disseminated intravascular coagulation. For a long time, all toxic reactions were ascribe to the presence of a phospholipase A2, despite of being the venom a complex mixture of substances. Melittin, the most abundant and the major toxic component of bee venom, is a 26 amino acid peptide with the ability to interact and disrupt cell membranes. Melittin is also able to modulate many proteins, enhancing the wide range of the peptide biological activities. The biologically active tridimensional structure of the peptide, which has a helical conformation, has been described until now as a tetramer. In this work we evaluated the conformation of melittin and its oligomeric states in solution by molecular dynamics simulations and performed studies of melittin effect on platelet function. Here we demonstrate that melittin has a random conformation under physiological conditions and its tridimensional structure changes under different environmental conditions. Moreover, here we describe a new biological activity of melittin. The peptide is able to induce platelet aggregation in a dose10 dependent manner and can interact directly with the platelet surface. The correlation between melittin conformation and biological activity is discussed. Our results might contribute to elucidate the role of melittin in bee venom induced coagulopathies. The structural data gathered in this work may explain the different activities of the peptide.

A glicosilação é a modificação de proteínas mais abundante que existe, ocorrendo em todos os reinos da vida e com diversos tipos de ligação proteínacarboidrato já descritos. A ligação de um carboidrato em uma sequência de aminoácidos pode afetar estrutura e função desses, sendo importante para estabilidade e rigidez de proteínas, localização intracelular, sinalização e comunicação celular, adesão, resposta imune e invasão de parasitas, dentre outros. Apesar do amplo papel biológico dessas moléculas, ainda há poucos estudos acerca de sua glicobiologia estrutural, em parte em decorrência de características, como sua alta flexibilidade, que dificultam seu estudo por métodos como cristalografia de raio X e ressonância magnética nuclear. Nesse sentido, o presente trabalho tem por objetivo caracterizar a estrutura e dinâmica: 1) do glicopeptídeo NETNES de Trypanosoma cruzi, completamente glicosilado e inserido em membrana; e 2) dos gangliosídeos GM1, GD1b e GT1b, em ambos os casos considerando soluções semelhantes às fisiológicas. A metodologia empregada envolveu a simulação de dissacarídeos, construção de mapas de energia por metadinâmica, montagem das glicanas e simulações por dinâmica molecular. Os parâmetros para as porções sacarídicas foram desenvolvidos pelo nosso grupo, enquanto que os da membrana foram retirados do trabalho de Kukol, A. J. Chem. Theory Comput., 2009,5:615-626. No caso do NETNES, foram simulados quatro sistemas: membrana de fosfatidilcolina, membrana com glicosil fosfatidil inositol, membrana com glicosil fosfatidil inositol e NETNES com uma N-glicosilação e membrana com glicosil fosfatidil inositol e NETNES com duas N-glicosilações. Os resultados obtidos mostram que as propriedades da membrana e o modelo da âncora estão de acordo com os dados experimentais, e que a porção peptídica é bem flexível, principalmente o N-terminal, o qual se dobra na região próxima às asparaginas da Nglicosilação. Além disso o peptídeo se curva sobre a superfície da membrana, expondo ele próprio e algumas glicanas ao meio extracelular. Quanto aos gangliosídeos, cada um foi submetido a diversas simulações de dinâmica molecular, utilizando dois campos de força diferentes, e algumas com restrições de distâncias de acordo com dados experimentais de Nuclear Overhauser Effect. Foram realizadas análises dos diedros das ligações glicosídicas e das distâncias entre hidrogênios, sendo que essa última foi comparada com dados de ressonância magnética nuclear e cristalografia, indicando a capacidade dos campos de força GLYCAM, quando associado a restrições de distância, e do GROMOS96 em reproduzir os dados experimentais conformacionais dos gangliosídeos. / Glycosylation is the most abundant protein modification, occurring across all kingdoms of life and having several protein-carbohydrate linkages already described. The appendage of a carbohydrate to an amino acid sequence can affect its structure and function, being important for protein stability and rigidity, intracellular localization, cellular signalization and communication, adhesion, immune response, parasites invasion, among others. Despite the plentiful roles of those molecules, there are still a few works of structural glycobiology, due to some sugar features, as high flexibility, that hinder their characterization by experimental methods, such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance. In this context, the present work aims to characterize and validate structure and conformation of: 1) NETNES glycopeptide from Trypanosoma cruzi attached to all glycans and membrane; 2) gangliosides GM1, GD1b and GT1b, in both cases considering solutions similar to the physiologic one. The employed methodology involves disaccharide simulations, construction of energy maps obtained from metadynamics, glycans building blocks and molecular dynamics simulations. The parameters for saccharidic portions were developed in our research group, and the ones for membrane were obtained from Kukol, A. J. Chem. Theory Comput., 2009,5:615-626. In NETNES case, four systems were simulated: POPC membrane, membrane with glycosylphosphatidylinositol, membrane with glycosylphosphatidylinositol and one N-glycosylation NETNES, and membrane with glycosylphosphatidylinositol and NETNES with two N-glycosylations. The obtained results indicate that membrane proprieties and anchor model are in good agreement with experimental data, and that the protein portion is very flexible, mainly on the N-terminal, which bends on the region near the N-glycosylated asparagines. Moreover, the peptide curves over membrane surface, exposing itself and some glycans to extracellular medium. Regarding the gangliosides, each one was submitted to several molecular dynamics simulations, using two different force fields, and some of them with distance restraints according to experimental Nuclear Overhauser Effect signals. Dihedrals distribution and hydrogens distances were analyzed, and the latter was compared to nuclear magnetic resonance and crystallography data, indicating the capability of GLYCAM, when associated with distance restraints, and of GROMOS96 force fields to reproduce experimental data of gangliosides conformation.

A água, por ser a substância de fundamental importância para a existência de vida, é alvo de diversos estudos, principalmente, ao longo das últimas décadas. Apesar de bastante conhecida, a água é uma substância com diversos comportamentos singulares, classificadas em geral como anomalias da água. Com a intenção de descrever tais anomalias, diversos modelos de água para estudos computacionais foram desenvolvidos até hoje, embora nenhum seja capaz de descrever todas as anomalias conhecidas. Baseados em modelos atomísticos de água, surgiram também modelos efetivos de interação entre partículas em um sistema de apenas uma espécie, com a ideia de generalizar o estudo sobre anomalias. Nossos estudos de Dinâmica Molecular e Monte Carlo são realizados em um sistema de partículas interagindo através de potenciais efetivos, compostos por duas escalas de comprimento: um ombro repulsivo a curtas distâncias e a outra sendo uma escala variável, que pode ser repulsiva ou fortemente atrativa, dependendo dos parâmetros utilizados. A análise mostra que o sistema apresenta comportamento anômalo. As regiões de anomalias de densidade, difusão e estruturais encolhem no diagrama de fase de pressão versus temperatura à medida que o sistema se torna mais atrativo. Uma transição líquido-líquido é formada com o aumento do poço de atração. Encontramos que a transição de fase gás-líquido é do tipo Ising em 3 dimensões (3D) para todos os potenciais e sua temperatura crítica aumenta com o aumento da atração. Nenhum comportamento tipo Ising 3D para a transição de fase líquido-líquido foi detectado nas simulações Monte Carlo, o que pode estar relacionado à presença de fases amorfas estáveis. Com relação a sistemas em confinamento, usando Monte Carlo, estudamos o transporte através de nanotubos. Posicionando dois volumes de controle com densidades diferentes, um em cada abertura do nanotubo, induzimos o transporte de partículas através do nanotubo confinante. As partículas do sistema interagem através de um potencial efetivo de duas escalas de comprimento. Analisamos uma família de três potenciais, onde variamos a escala de comprimento menor, desde um ombro repulsivo até um pequeno poço de atração. O estudo mostra que o sistema se configura em camadas no interior do nanotubo e que o transporte apresenta uma sequência de mínimos e máximos, a medida que o raio interno do nanotubo é reduzido, o que caracteriza um comportamento anômalo, já que se espera apenas uma redução no transporte a medida que o espaço interno do nanotubo diminui. Tal comportamento descrito para o transporte, e também a formação de camadas, apenas não são encontrados para o potencial com o poço atrativo. Com relação à estrutura e às propriedades de transporte, as partículas confinadas não diferem sob as mesmas condições para as duas geometrias empregadas. Através da análise da energia de interação das partículas confinadas, verificamos também que a origem da formação de camadas e o comportamento distinto do transporte se deve não apenas ao fato da existência de duas escalas de comprimento no potencial de interação mas também à presença de uma barreira de energia significativa entre essas escalas. / Water, being a substance of fundamental importance for the existence of life, has been the target of several studies, mainly in the last decades. Although well known, water is a substance with several different behaviors, generally classified as water anomalies. In order to describe such anomalies, various models of computational studies are developed to date, although none is able to describe all as known anomalies. Based on water models, also on effective models of interaction between parts in a system of only one species, with an idea to generalize the study on anomalies. Our Molecular Dynamic and Monte Carlo studies are performed in a system of particles interacting through core-softened (CS) potential, composed by two length scales: a repulsive shoulder at short distances and the another a variable scale, that can be repulsive or strongly attractive depending on the parameters used. The system shows water-like anomalous behavior. The density, diffusion and structural anomalous regions in the pressure versus temperature phase diagram shrink in pressure as the system becomes more attractive. The liquid-liquid transition appears with the increase of the attraction well. We found that the liquid-gas phase transition is Ising-like for all the CS potentials and its critical temperature increases with the increase of the attraction. No Ising-like behavior for the liquid-liquid phase transition was detected in the Monte Carlo simulations might be due to the presence of this stable amorphous phases. Considering confined systems, using Monte Carlo, we studied the transport through nanotube. Using two volumes of control with different densities, one at each opening of the nanotube, we induced the transport of particles through the confining nanotube. The particles of the fluid system interact through an core-softened potential with two length scales. We looked at a family of three potentials, where the scale changes from smaller length from repulsive shoulder to a small attraction well. The study shows that the system is formed in layers inside the nanotube and that the transport has a sequence of minimum and maximum as the internal radius of the nanotube is reduced, which characterizes an anomalous behavior, since it is expected only a reduction as the internal space of the nanotube reduces. Such behavior described for transport and also the layers formation only are not found for a potential with attractive well. By analyzing the interaction energy of the confined particles, we also verified that the origin of the layers formation and the distinct behavior of the transport are due not only to the existence of two length scales in the interaction potential but also to the presence of a barrier between these scales.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:42:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000391202-Texto+Completo-0.pdf: 2565991 bytes, checksum: a1f131e3f03bd916c91d19ddca5c04ff (MD5) Previous issue date: 2007 / Computer assisted drug design (CADD) is a process involving the sequential execution of many computer programs, where the output of one program is the input for the next, ensuring that the ligand, a small molecule, optimally binds to its receptor, often a protein or enzyme. This process is usually executed using shell scripts whose input parameters modification and result analysis are complex and time consuming. Moreover, in order to explicitly consider the receptor flexibility during docking experiments, it is necessary to use thousands of receptor snapshots. These snapshots are obtained from a molecular dynamics simulation trajectory of the receptor. Due to the challenges in handling a large number of receptor snapshots and the need of a better execution control of a number of different computer programs, this work presents an integrated scientific workflow solution aiming at the automation of a flexible and efficient CADD process, with explicit inclusion of receptor flexibility. The JAWE and Shark software were used to model and execute the workflow, respectively. Even with automation, there still are problems with the number of receptor snapshots. The time spend during the execution of one process considering about three thousands receptor’s snapshots is about 500 hours. To overcome this problem, was developed a procedure for snapshot selection based on the free binding energy (FEB). Thus, during selective docking experiments, a smaller number of snapshots are used: those that had the best results of FEB during an exhaustive experiment with a reference ligand. To validate its implementation and selection we performed docking experiments with the M. tuberculosis enzyme InhA as the receptor and five different ligands. Some of theses experiments were extensively performed, considering all receptor snapshots, and some were selectively performed. The results illustrate the efficiency of the proposed workflow and implementation of the CADD process as well as the method for the receptor snapshots selection. / O desenho de drogas assistido por computador (CADD) é um processo que envolve a execução seqüencial de diferentes programas, no qual é testado se um determinado ligante (pequena molécula) interage bem com um receptor (geralmente uma proteína ou enzima). Esse processo geralmente é executando com o auxílio de shell scripts. Porém a modificação dos parâmetros de entrada e análise dos resultados nesse tipo de abordagem é uma tarefa complexa e que consome muito tempo. Além disso, para considerar a flexibilidade do receptor durante experimentos de docking, é necessário que se utilize milhares de snapshots do receptor. Neste trabalho, esses snapshots são obtidos da trajetória de simulações por dinâmica molecular do receptor. Devido aos desafios associados à manipulação desse grande número de snapshots do receptor e à necessidade de um melhor controle sobre os diferentes programas associados a esse processo, esse trabalho apresenta um workflow científico para automação do processo de desenvolvimento de drogas assistido por computador, incluindo de forma explícita a flexibilidade do receptor. Os softwares JAWE e Shark foram utilizados para modelar e executar respectivamente o workflow. Mesmo com essa automação no processo, ainda há problemas relacionados ao número de snapshots do receptor que deve ser utilizado. O tempo necessário para a execução de experimentos de docking, considerando aproximadamente três mil snapshots do receptor, é em torno de 500 horas. Para simplificar e agilizar esse processo, foi desenvolvida uma forma de seleção de snapshots baseado na energia livre de ligação (FEB). Assim, durante os experimentos de docking, chamados de docking seletivo, somente uma parte dos snapshots são utilizados: aqueles que obtiveram os melhores resultados de interação em termos de FEB durante um experimento exaustivo com um determinado ligante. Para validar essa implementação e seleção, foram executados experimentos de docking com a enzima InhA de M. tuberculosis como receptor e cinco ligantes diferentes. Os resultados desses experimentos ilustram a eficiência do workflow implementado e da forma de seleção de snapshots do receptor que está sendo realizada.