Resumo: Na presença de não linearidades, a resposta forçada de estruturas exibe diversos fenômenos físicos que não podem ser descritos através de modelos lineares. Estes fenômenos incluem ressonâncias sub-harmônicas, ressonâncias super-harmônicas, “jumps”, movimentos quasi-periódicos, movimentos de período múltiplo, caos e interações modais. Recentes estudos experimentais indicam que um novo tipo de interação modal pode ocorrer através de mecanismos não ressonantes, decorrente da transferência de energia de modos de alta freqüência e baixa amplitude para modos de baixa freqüência e alta amplitude. Neste trabalho, interações modais não ressonantes são investigadas na resposta planar não linear de vigas cantilever flexíveis sujeitas a excitações externas e paramétricas. As equações diferenciais e as condições de contorno associadas que governam o movimento flexional-flexional não linear de uma viga assumida inextensível, metálica e isotrópica, são apresentadas. O estudo experimental conduzido revelou que a transferência de energia entre modos de alta freqüência para modos de baixa freqüência ocorre via modulação, sendo função do valor da amplitude de excitação e da proximidade entre os valores da freqüência de modulação e da freqüência dos modos ativados. O estudo revelou também que a ativação de modos de baixa freqüência pode ocorrer sob uma variedade de condições de entrada. Em adição, outros fenômenos dinâmicos não lineares classificados como rotas para o movimento caótico são também observados. Em determinadas condições, movimentos quasi-periódicos com amplitudes moduladas caoticamente e moduladas periodicamente são exibidos. Um movimento de resposta de período dois é também observado. / Abstract: Interesting physical phenomena occur in the forced response of structures in the presence of nonlinearities, which cannot be explained by linear models. These phenomena include subharmonic resonances, superharmonic resonances, jumps, period-multiplying motions, quasiperiodic motions, chaos and modal interactions. Recent studies suggest that another type of modal interaction may occur through nonresonant mechanisms, due to the energy transfer from the low-amplitude highfrequency modes to high-amplitude low-frequency modes. In this work, nonresonant modal interactions in the nonlinear planar motions of flexible cantilever beams subjected to transverse and parametric harmonic excitations are investigated. The governing equations of the nonlinear bending-bending motions and the associated boundary conditions for an isotropic metallic inextensional beam are presented. An experimental study revealed that the transfer of energy from high-frequency to lowfrequency modes occurs via modulation and is found to be function of the excitation amplitude and the closeness of the modulation frequency to the frequencies of the low modes activated. The experimental study also revealed that the energy transfer from high-frequency modes to low-frequency modes occurs for a variety of conditions. In addition, others nonlinear dynamic phenomenas routes to the chaotic motions, are also observed. Under certain conditions, quasiperiodic motion with periodically and chaotically modulated amplitudes are exhibited. Period-doubling motion is also observed. / Orientador: Fernando de Azevedo Silva / Coorientador: Mauro Hugo Mathias / Banca: Othon Cabo Winter / Banca: Victor Orlando Gamarra Rosado / Banca: José Juliano de Lima Júnior / Banca: Olivério Moreira de Macedo Silva / Doutor

Orientador: Emanuel Fernandes de Lima / Banca: Ricardo Egydio de Carvalho / Banca: Leonardo Kleber Castelano / Resumo: Neste trabalho investigamos a dissociação de moléculas diatômicas heteronucleares sujeitas a pulsos de laser. Esse sistema é modelado pelo o oscilador de Morse forçado. Aplicamos o método da base Morse-Laguerre e utilizamos a técnica Split time operator para resolver as equações diferencias. Resolvemos as equações clássicas de movimento e definimos uma probabilidade de dissociação clássica. Analisamos como a probabilidade de dissociação se comporta em função do alcance da função dipolo da molécula e em função de diversos parâmetros, tais como o tempo de duração do laser, frequência e amplitude do campo externo. Comparamos os resultados quânticos e clássicos, verificamos que nas duas teorias a probabilidade de dissociação é inibida para para algumas frequências do laser, e que essa inibição está relacionada ao alcance finito do momento de dipolo da molécula / Abstract: In this work we investigated the dissociation of heteronuclear diatomic molecules subjected to laser pulses. This system is modeled by the forced Morse oscillator. We apply the method of Morse-Laguerre basis and use the Split time operator technique to solve the diferential equations. We solved the classical equations of motion and we define a classical dissociation probability. We analyze how the dissociation probability behaves according of the range of the dipole function and according several parameters, like time of the laser, amplitude and frequency of external eld. We compare some results with others provided by classical mechanics. We compare the quantum and classical results and we verified that in both theories the dissociation probability is inhibited for some frequencies of the laser and that this inhibition is related to the finite range of the dipole moment of the molecule / Mestre

Orientador: José Geraldo Trani Brandão / Banca: Fernando de Azevedo Silva / Banca: Paulo Cesar Ribeiro Quintairos / Resumo: Este estudo mostra as variáveis dinâmicas do processo de fundição centrífuga de cilindros de laminação, que são utilizados para realização de conformação em gaiolas de laminação. O objetivo desse estudo é analisar as principais variáveis dinâmicas do processo de fundição centrifugada de cilindros de laminação e estudar as relações entre estas variáveis. Os processos de fundição centrífuga podem ser classificados em fundição centrífuga vertical e horizontal. Para a fundição centrífuga vertical, são elaborados os envelope de carga de dois modelos de máquinas centrífugas verticais existentes na literatura, onde se consegue determinar o tipo de rolamento de apoio utilizado na máquina. Para a fundição centrífuga horizontal, são estudadas variáveis como rotação, razão G, "aspect ratio", espessura e vibração de uma amostra de aproximadamente 1.000 cilindros de ferro fundido, aço rápido e aço alto cromo. Desta amostra, verifica-se que a causa de sucateamento de parte dos cilindros não está ligada a adoção de variáveis dinâmicas incorretas no processo. Também é visto que diferentemente do alumínio, os cilindros de ferro fundido, aço rápido e aço alto cromo exigem maior rotação quanto maior a espessura da casca fundida. / Abstract: This paper shows the dynamic variable of centrifugal casting process of rolling mill rolls which are used to compress the metal in rolling mill process. The main goal is to analyze the main dynamic variable and to study its relation in the process. There are two type of centrifugal casting: horizontal and vertical. For the horizontal centrifugal casting, two load envelopes are done, being possible to determine the bearing model used on the vertical centrifugal casting machine. For the horizontal centrifugal casting, variable such as rotating, ratio G, aspect ratio, thickness and vibration are studied to a sample of 1,000 casting rolls made of casting iron, high speed steel and high chromium steel. From this sample, it is seen that the cause of scrapping is not related to incorrect adoption of dynamic variables in the process. It is also verified that differently from the aluminum, cast iron, high speed steel and high chrome steel rolls demand greater speed with the increasing the shell casting thickness. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-04-08T02:00:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000456553-Texto+Completo-0.pdf: 3406463 bytes, checksum: 401e17a9aecc3c36095588e483dd1282 (MD5) Previous issue date: 2014 / The causative agent of tuberculosis (TB), Mycobacterium tuberculosis, infects one-third of the world population. The World Health Organization estimates that 8. 6 million new TB cases occurred in 2012, resulting in 1. 3 million deaths worldwide. Thus, there is a continuous need to find promising molecular targets for the development of anti-TB agents and to identify pathogenic determinants associated with M. tuberculosis virulence aiming the development of attenuated mutant strains as new vaccine candidates against TB. Enzymes involved in purine and pyrimidine biosynthesis have important roles in cellular metabolism, as they provide nucleotides that are essential components of a number of essential biomolecules. Cytidine deaminase (CDA) catalyzes the hydrolytic deamination of cytidine to uridine, and belongs to the pyrimidine salvage pathway. The CDA from M. tuberculosis (MtCDA) is a target for the development of attenuated strains of M. tuberculosis because it may be involved in mechanisms of pathogenicity such as latency. This work presents the crystal structures of MtCDA in complex with uridine (2. 4 Å resolution) and deoxyuridine (1. 9 Å resolution).Molecular dynamics (MD) simulation was performed to analyze the physically relevant motions involved in the protein–ligand recognition process, showing that structural flexibility of some residues are important to product binding. In addition, MD simulations allowed the analysis of the stability of tetrameric MtCDA structure. The role of the conserved glutamate-47 (E47) residue was evaluated by construction of five mutant proteins (E47A, E47D, E47L, E47H, and E47Q). Mutants E47A and E47H were expressed in insoluble fraction, whereas E47D, E47L and E47Q were soluble and purified by HPLC. The E47D, E47L and E47Q mutants contained 1 mol of Zn2+ per mol of protein subunit. These mutations had no effect on oligomerization state of MtCDA. Steady-state kinetic results showed that KM values for the E47D and E47Q mutants were not significantly altered, whereas there was a decrease in kcat values of 37-fold for E47D and 19-fold for E47Q mutant. No activity could be detected for E47L mutant. The crystal structure of the E47D mutant was solved by X-rays diffraction, using synchrotron light. An essential role was proposed for the g-carboxyl group of E47, and its involvement in the catalityc process. On the other hand, an important part of drug and vaccine development is the identification of gene products that are critical for bacterial growth and survival. In this way the knockout of the cdd gene was performed in order to evaluate the importance of the cdd gene for mycobacteria growth in vitro and in vivo. Our results suggest that cdd gene is not an essential gene for in vitro growth under the employed experimental conditions. Infection in mice with the knockout strain of cdd gene has shown a significant reduction in the CFU’s in lungs and spleen of the infected animals. Futher experiments are under way to confirm such findings. Finally, results from enzymatic characterization, site directed mutagenesis and gene replacement may be the starting point for a better understanding about the role of cytidine deaminase in M. tuberculosis metabolism and open up the possibility for a rational design of attenuated strain, that may be useful for future development of a new vaccine candidate against human TB. / O agente causador da tuberculose (TB), Mycobacterium tuberculosis, infecta um terço da população mundial. A Organização Mundial da Saúde estima que 8,6 milhões de novos casos de tuberculose ocorreram em 2012, resultando em 1,3 milhões de mortes no mundo. Assim, existe uma necessidade contínua de encontrar alvos moleculares promissores para o desenvolvimento de agentes anti-tuberculose e identificar determinantes de virulência associados com a patogênese de M. tuberculosis, visando a obtenção de cepas mutantes atenuadas como candidatas a novas vacinas contra a tuberculose. As enzimas envolvidas na biosíntese de purina e pirimidina têm papéis importantes no metabolismo celular, uma vez que proporcionam nucleótidos, os quais são componentes essenciais de um grande número de biomoléculas. A enzima Citidina deaminase (CDA) catalisa a desaminação hidrolítica da citidina a uridina, e faz parte da via de salvamento das pirimidinas.A CDA de M. tuberculosis (MtCDA) devido a sua não essencialidade pode ser um alvo interesante para a obtenção de cepas atenuadas para o desenvolvimento de vacinas auxotróficas contra a tuberculose, já que pode estar envolvido nos mecanismos de invasão e latência. No presente trabalho são apresentadas as estruturas cristalográficas da MtCDA em complexo com uridina (2,4 Å de resolução) e deoxiuridina (1,9 Å de resolução). Simulação da Dinâmica Molecular (MD) foi realizada com o propósito de analisar os movimentos fisicamente relevantes envolvidos no processo do reconhecimento proteína-ligante, e mostra que a flexibilidade estrutural de algumas regiões da proteína são importantes para a ligação do produto. Além disso, simulações MD permitiram a análise da estabilidade da estrutura tetramérica da MtCDA. O papel do resíduo conservado glutamato 47 (E47) foi avaliado mediante a construção de cinco proteínas mutantes (E47A, E47D, E47L, E47H, e E47Q). Os mutantes E47A e E47H foram expressos na fração insolúvel, enquanto E47D, E47L e E47Q foram expressas na fração solúvel e purificadas por cromatografia líquida de alta performance (HPLC).Os mutantes E47D, E47L e E47Q continham 1 mol de Zn2+ por mol de subunidade de proteína. Estas mutações não tiveram efeito sobre o estado de oligomerização da MtCDA. Resultados cinéticos em estado estacionário mostraram que os valores de KM para os mutantes E47D e E47Q não foram alterados significativamente, enquanto houve uma redução nos valores de kcat de 37 vezes para E47D e 19 vezes para a mutante E47Q. Não foi detectada qualquer atividade para a mutante E47L. A estrutura cristalográfica do mutante E47D foi resolvida por cristalografia de raios-X o que nos permitiu propor um papel catalítico para o grupo g-carboxila do residuo E47, sugerindo o envolvimento de um próton na catálise. Por outro lado, uma parte essencial para o desenvolvimento de novos fármacos e vacinas, é a identificação de produtos de genes que são fundamentais para o crescimento e a sobrevivência bacteriana in vitro e in vivo. Desta forma, foi realizado o nocaute do gene cdd a fim de avaliar a importância deste gene para o crescimento do bacilo em vida livre e em condições de estresse (vida intracelular). Nossos resultados sugerem que o gene cdd não é um gene essencial para o crescimento do bacilo in vitro sob as condições experimentais utilizadas. Experimentos de infecção em camundongos com a cepa nocaute do gene cdd mostraram uma significativa redução nas UFC’s determinadas no pulmão e baço dos animais infectados. Con tudo, experimentos de crescimento in vitro e infecção em camundongos estão sendo realizados a fim de confirmar os resultados obtidos. Os resultados da caracterização enzimática e substituição gênica são o ponto de partida para o melhor entendimento sobre o papel da enzima no metabolismo de nucleotídeos em M. tuberculosis, além de abrirem a possibilidade para o desenho racional de uma cepa atenuada, útil para o futuro desenvolvimento de uma nova candidata a vacina contra a tuberculose humana.

Made available in DSpace on 2015-03-13T02:01:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000466225-Texto+Completo-0.pdf: 8821107 bytes, checksum: 29eac7664f9d5e8636f822b7baf681b7 (MD5) Previous issue date: 2015 / In this work, molecular dynamics (MD) simulations were carried out to study the ion-irradiation induced effects on ultrathin molecular films. The energy deposited by the ions is computationally simulated using a simple thermal spike with particles interacting via the Lennard-Jones potential. It was investigated the effect of thin and ultrathin (2 – 60 nm) films thickness variation in the dimensions of the defects created on the surface – crater’s diameter (Dc) and depth (Cd) and ridge (rim) volume. Crystalline and amorphous systems were modeled, and different radius and temperature combinations were investigated for the simulated cylindrical track. Qualitative and quantitative results obtained from crystalline and amorphous samples were compared. The analysis of the system’s dynamics after the track energy got transferred into atomic motion allowed to identify the mechanisms responsible for the formation of the surface defects. Crater size is mostly determined by evaporation and melt flow from the hot track, while the rim size is determined both by melt flow and coherent displacement of particles due to the large pressure developed in the excited track. We find a large dependence on the dimensions of the surface defects, and in the number of sputtered particles, with the film thickness (h) below a critical value hcrítico. The critical thickness for the rim volume, more sensitive to the confinement of the film, was found to be higher than the hcrítico for Dc, since mechanisms involved in the formation of both effects are different. Also from a critical h on, the sputtering yield got smaller as the film thickness decreased. The sputtered particles’ depth of origin zorigem was obtained as a function of h. As a result from simulations with amorphous films it was obtained zorigem<h/2. Results from simulations were compared to recent experimental data. / Neste trabalho, simulações por dinâmica molecular (MD) foram empregadas para estudar efeitos induzidos pela irradiação iônica de alta energia em filmes moleculares ultrafinos. A energia depositada pelos íons é computacionalmente simulada usando um modelo simples de thermal spike com partículas interagindo pelo potencial de Lennard-Jones. Foi investigado o efeito da variação da espessura de filmes ultrafinos (2 – 60 nm) nas dimensões dos defeitos criados na superfície - diâmetro (Dc) e profundidade (Cd) da cratera e volume da protuberância (rim). Foram modelados sistemas cristalino e amorfo, e investigadas diferentes combinações de raio e temperatura da trilha de excitação gerada pelos íons. Os resultados qualitativos e quantitativos obtidos usando os sólidos cristalino e o amorfo foram comparados. A análise da dinâmica do sistema após a energia da trilha iônica ser transferida para movimento atômico permitiu identificar os mecanismos responsáveis pela formação dos defeitos de superfície. O tamanho da cratera é determinado principalmente pela ejeção de material e pelo fluxo de material fundido da trilha superaquecida, enquanto o rim tem origem tanto no fluxo de material derretido quanto no deslocamento coerente de um pulso de pressão oriundo do centro da trilha excitada. Foi encontrada uma forte dependência entre as dimensões dos defeitos de superfície, e no número de partículas ejetadas (sputtering), quando a espessura do filme (h) é menor que um valor crítico hcrítico. A espessura crítica para o volume do rim, mais sensível ao confinamento do filme, foi maior que para o Dc, devido aos diferentes mecanismos envolvidos.O sputtering foi cada vez menor com a redução de h a partir também de um valor crítico de h. Também foram obtidas a profundidade de origem zorigem das partículas ejetadas, e o sputtering em função de h. Para os filmes amorfos se obteve zorigem<h/2. Resultados das simulações foram comparados com dados experimentais recentes. Os melhores resultados das simulações obtiveram ótima correlação qualitativa para Dc e para o volume do rim.

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.

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.

Ureases, apesar de sua importância histórica para a Bioquímica, ainda são enigmáticas. Pouco se sabe a respeito de suas propriedades não-catalíticas, por exemplo. Nesse contexto, o presente trabalho submeteu uma urease de Canavalia ensiformis (JBURE-IIB) a simulações de dinâmica molecular, nos níveis de detalhamento atomístico e coarse-grained, buscando obter uma caracterização conformacional dessa urease, tanto como monômero quanto como trímero. Os dados assim obtidos sugerem que os domínios da proteína apresentam diferentes mobilidades, sendo o domínio γ o mais flexível. Esse domínio é também o principal responsável pela compactação do monômero da urease isolado, quando comparado à sua conformação cristalográfica. A mobilidade do domínio γ foi também associada ao processo de oligomerização da enzima. A forma trimérica da urease de C. ensiformis também se tornou mais compacta após a simulação, apontando as ureases como moléculas altamente flexíveis, principalmente devido às regiões de alças que conectam domínios estruturais, no caso de ureases vegetais. Sendo uma propriedade não necessariamente associada à catálise, a análise de tal flexibilidade pode auxiliar tentativas futuras de explicar a participação não-catalítica da urease em suas propriedades multifuncionais. / Ureases, despite their historical importance in biochemistry, are still enigmatic. For instance, little is known about their non-catalytic properties. In this context, the current work submitted a Canavalia ensiformis urease (JBURE-IIB) to molecular dynamics simulations at both atomistic and coarse-grained levels in order to obtain a conformational characterization of such urease in both monomeric and trimeric forms. The data suggest that the domains of the protein present different mobilities, with the γ domain being the most flexible one. This domain is also the main responsible for the compactness of the isolated urease monomer when compared to its crystallographic conformation. The γ domain mobility was also associated with the oligomerization process of the enzyme. The trimeric form of C. ensiformis urease also became more compact after simulation, pointing to ureases as highly flexible molecules, mainly due to coiled regions connecting the structural domains, in the case of plant ureases. As a property not necessarily related to catalysis, the analysis of this flexibility may enlighten further efforts to solve the non-catalytic aspects of urease in its moonlighting properties.

Canais iônicos são nanoporos aquosos formados por proteínas imersas na membrana celular. Sua função biológica básica é permitir o transporte de íons no sentido de seu gradiente eletroquímico. Dada a enorme quantidade de processos biológicos relacionados ao movimento iônico, a importância dos canais iônicos em biologia e medicina dificilmente pode ser exagerada. Neste trabalho, apresentamos uma introdução à vasta área do conhecimento de canais iônicos, discutimos suas perspectivas em pesquisa básica e aplicada e, em especial, a importância do estudo computacional da permeação iônica por canais. Seguimos analisando o estado da arte em relação a modelos computacionais de canais iônicos e discutindo criticamente as vantagens e desvantagens das abordagens existentes, fazendo considerações sobre suas perspectivas. Concluindo que a técnica de Dinâmica Browniana apresenta potencial para o estudo de propriedades básicas da condução iônica por nanoporos, propomos um modelo simples de canal iônico unidimensional através desta técnica para uma geometria que permite solução analítica da equação de Poisson, a qual é apresentada. A simplicidade do modelo proposto lhe confere grande eficiência computacional, a qual é ampliada com a proposta de um critério de “tempo de injeção” dos íons no canal, cuja expressão é demonstrada e que poupa o simulador de considerar explicitamente dois reservatórios eletrolíticos junto ao canal. O simulador desenvolvido baseado neste modelo é estudado e comparado com a literatura, mostrando bons resultados em sua região esperada de validade. Dado o estágio atual do estudo computacional de canais iônicos, é importante dispormos de modelos conceitualmente simples e computacionalmente eficientes. A sua existência possibilita, por exemplo, estudos de Dinâmica Molecular muito eficientes considerando a água explicitamente, algo importante para a análise de novos modelos da água adequados a nanoporos. / Ion channels are nanopores formed through the cell membrane by proteins. Their basic biological function is allowing ionic transport down the electrochemical gradient. Given the huge amount of biological processes that are related to ionic fluxes, the biological and medical importance of ion channels hardly can be overstated. In this work we present a brief introduction to the vast field of ion channels and discuss its perspectives in basic and applied research, emphasizing the importance of computational approaches to study ion permeation through channels. Next, we analyze the state of the art regarding computational models of ion channels, critically discussing the advantages and disadvantages of the current approaches and considering the perspectives of each. We conclude that the Brownian Dynamics approach has potential to be used to study ionic conductance through nanopores and we propose a simple Brownian Dynamics unidimensional channel model for a geometry that allows analytical solution of the Poisson equation, which is presented. The simplicity of the proposed model grants it great computational efficiency, which is further amplified with the proposal of an “injection time” criterion to allow ions to enter the channel. The formula for the “injection time” is demonstrated and its implementation lifts the requirement to simulate two reservoirs next to the channel. The simulator developed based on this model is studied and its results are compared with the literature, showing good agreement in its expected region of validity. Given the current state of computational study of ion channels, it is important to have simple and efficient models, such as ours, available. For instance, their existence allows the realization of very fast Molecular Dynamics studies that consider water explicitly, something very important for the analysis of new explicitly polarizable water models that are required for nanopores.

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.