Orientador: Carlos Francisco Sampaio Bonafe / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-10T21:45:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bispo_JoseAiltonConceicao_D.pdf: 6481701 bytes, checksum: eac9f13bfaae7f2d8718ad2773ff3e57 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Sistemas reacionais em fase líquida compreendem boa parte dos processos físicoquímicos que são estudados para fins de pesquisa e aplicação industrial. Estes estudos são conduzidos em geral de forma a se obter parâmetros de caracterização que tornem possível a padronização e otimização de processos, sejam eles de aplicação químico industrial ou biotecnológica. Em meio a esta necessidade de compreensão de diversos processos físicoquímicos, um ponto que chama a atenção de muitos grupos de pesquisa é a necessidade de aperfeiçoamento dos sistemas de caracterização e modelagem destes processos de forma a tornálos mais informativos e eficientes, tanto no que diz respeito à sua capacidade de caracterização quanto à sua capacidade de previsão. Neste contexto, a maior parte dos sistemas estudados têm como base a metodologia de caracterização desenvolvida por Gibbs-Duhem a aprtir do comportamento de gases ideais. Desvios no comportamento pressão volume são, nestes casos, corrigidos através do parâmetro definido como atividade. Assim, a estrutura de base desenvolvida por Gibbs-Duhem para gases ideais é mantida, deixando praticamente inalterada a relação que expressa a variação do potencial químico. No presente estudo observou-se que este tipo de abordagem e caracterização não produz resultados satisfatórios para o processo de dissociação por pressão de grandes agregados protéicos, e em alguns casos gerou dificuldades matemáticas que impediram a sua implementação em processos bastante comuns. A solução encontrada e o objetivo desta tese foram então o de conduzir uma nova abordagem para a caracterização destes sistemas que envolvem a dissociação por pressão de macromoléculas a partir de equações mais flexíveis para as mudanças de volume que as dos g ases ideais utilizadas por Gibbs-Duhen. O resultado desta nova abordagem foram relações com grande potencial de informação, de fácil aplicação e com uma alta capacidade de previsão / Abstract: The reaction processes involving macromolecules in liquid phase represent a significant part of the studies aiming industrial and technological applications.These studies are in general performed aiming access the parameters of characterization that allows the optimiz ation of chemical and biotechnological processes. In this view, the needing of understand distinct physicochemical processes represent a point that deserves the attention of many laboratories due to the needing of improvement modeling systems that furnish more efficient and precise information about the protein behavior under solution. Although the most of the studies performed aiming to reach this goal are based on the processes of characterization developed by Gibbs-Duhen, deviations on the pressure/volume furnished by the ideal gas equation are usually observed and corrected by means of the activity coefficient. Thus, the structural basis of the Gibbs-Duhem approach is maintained in despite of more complexes systems sho ws a nonlinearbehavior that produces in some cases significant deviations. In the present studie s we observed that the processes of pressure dissociation/denaturation of macromolecules leads to significant errors in respect to the experimental data. In this case the correction of these approach by means of the activity coefficient was not possible since the characterization equations became very complex. The goal of the present work was than to find a new description for these complex systems that allows to determine the properties of system and a precise thermodynamic modeling of these kind of processes / Doutorado / Bioquimica / Doutor em Biologia Funcional e Molecular

Submitted by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2016-05-12T17:45:14Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Danillo Pires Valverde - 2016: 5970913 bytes, checksum: db2323393b3cc67f95df905f6a4600e9 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-05-13T11:02:15Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Danillo Pires Valverde - 2016: 5970913 bytes, checksum: db2323393b3cc67f95df905f6a4600e9 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-13T11:02:15Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Danillo Pires Valverde - 2016: 5970913 bytes, checksum: db2323393b3cc67f95df905f6a4600e9 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2016-03-01 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work we realize a study of the aminobenzoic acid family (Abz) in neutral, anionic and cationic conformations combining a Sequential QM/MM method with mean field approximation (ASEC) with Free Energy Gradient method (FEG), for the solvents: cyclohexane, acetonitrile and water. In all cases, the Abz molecules type present a conformation in aqueous solution has greater geometry distortion compared to the gas phase. According to our results, there is just one cationic conformation in aqueous solution for ortho. For para and meta, anionic molecules the geometry is more stable planar conformation, which is a saddle point in gas phase. For neutral ortho, the rotamer I is the more energetically stable structure. In anionic conformations it is found the largest number of hydrogen bonds in aqueous solution. In acetonitrile and water, the energy stability of conformations can be explained by hydrogen bonds and solute molecule dipole moment. In all cases, the peak of the first absorption band is in good agreement with experimental results. Our results turn out to be more close to experimental result if explicit solvent molecules are included. The theoretical absorption spectra has similar behaviour to those obtained experimentally and the absorption band shifts are well described with ASEC, mainly those involving the neutral, anionic and cationic conformations in water. / Neste trabalho é realizado o estudo da família de ácidos aminobenzóicos (Abz) nas conformações neutra, aniônica e catiônica combinando o uso do método QM/MM sequencial com a aproximação de um campo eletrostático médio (ASEC) juntamente com o método de gradiente de energia Livre (FEG) para os solventes: ciclohexano, acetonitrila e água. Em todas as moléculas estudadas, a conformação em solução aquosa é a que apresenta maiores mudanças geométricas com respeito a fase gasosa. De acordo com os nossos resultados, existe apenas uma conformação catiônica em solução aquosa para o caso do orto. Nas moléculas aniônicas do p-Abz e do m-Abz a geometria mais estável é a conformação planar, que em fase gasosa corresponde a um ponto de sela. No caso do orto neutro, o rotâmero I é a estrutura mais favorável energeticamente. As conformações aniônicas em geral efetuam mais ligações de hidrogênios LH em meio aquoso. Em acetonitrila e água, a estabilidade energética é bem explicada pelas ligações de hidrogênio e pelo momento de dipolo da molécula do soluto. O pico da 1ª banda de absorção em todas as moléculas estudadas utilizando o ASEC se encontra em bom acordo com o experimental, mas com a inclusão de algumas moléculas explícitas do solvente os resultados obtidos se aproximam ainda mais do valor experimental. Os espectros de absorção teóricos possuem comportamento similar aos obtidos experimentalmente e os deslocamentos da banda de absorção são bem descrito com ASEC, principalmente os que envolvem as conformações neutra, aniônica e catiônica em água.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-06-21T12:08:58Z No. of bitstreams: 2 Tese - Leonardo Martins de Abreu - 2017.pdf: 3441219 bytes, checksum: 28d75017e1ff1cdccf27de35d71771ea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-07-10T13:08:28Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Leonardo Martins de Abreu - 2017.pdf: 3441219 bytes, checksum: 28d75017e1ff1cdccf27de35d71771ea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-10T13:08:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Leonardo Martins de Abreu - 2017.pdf: 3441219 bytes, checksum: 28d75017e1ff1cdccf27de35d71771ea (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-05-12 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Using continuum and discrete solvent description models, we have investigated the chain length dependence of hydration free energy of polyol, glycine and ANK peptides. In this work this property values were calculated using thermodynamics integration with classical molecular dynamics simulation of one solute molecule to around 1000 solvent molecules. In addition, hydration free energy of polyol, glycine and ANK peptides were also calculated using polarizable continuum model in combination with the universal solvation model. Dipole moment and linear polarizability of the three systems had been also calculate using the PCM method. Our MD results show that ΔG exhibit a linear pattern with the size of glycine and ANK chain as well as observed for organic compounds in literature. In opposition, polyol’s ΔG shows a nonlinear behavior with increasing chain length and for this group of molecules it were found that water solvating effects have an important role over the polyol’s electric properties. These results suggest that in the case of polyols not only variation of polarizability but also variations of dipole moment in going from vacuum to water can influence the behavior of the free energy of hydration. All DM and PCM calculations were performed using the GROMACS 4.5 and the GAUSSIAN09 programs, respectively. / Utilizando modelos contínuo e discreto de descrição de solventes investigamos o comportamento da variação da energia livre na hidratação de series homólogas de poliol, glicina e peptídeos ANK. Neste trabalho os valores da energia de hidratação foram obtidos por integração termodinâmica utilizando simulações de dinâmica molecular clássica em sistemas com uma molécula de soluto para aproximadamente 1000 moléculas de solvente. Adicionalmente, o s resultados de ΔG foram obtidos utilizando o modelo contínuo polarizável combinado com o modelo de solvatação universal. Com o modelo PCM estudamos ainda o momento de dipolo e a polarizabilidade linear destes sistemas em questão e analisamos as contribuições que estas propriedades tem sobre a energia livre de hidratação e sua evolução com o crescimento de sistemas. Os resultados obtidos mostram que a variação da energia livre em função do número de resíduos cresce em valor absoluto para os três sistemas estudados. Para as moléculas de glicina e de peptídeos ANK observa-se um comportamento linear de ΔG com o número N de subunidades do sistema, semelhante ao observado para sistemas moleculares apresentados na literatura. Diferentemente, para as moléculas de poliol, os resultamos de ΔG exibem um comportamento não linear com o crescimento do sistema. Para esse grupo de moléculas inclusão do solvente tem grande impacto sobre o momento de dipolo e sobre a polarizabilidade linear. Este resultado mostra que para as moléculas de poliol não apenas a polarizabilidade, mas também variações no momento de dipolo podem influenciar o comportamento da energia livre de hidratação. Todos os cálculos foram realizados utilizando o programa GROMACS 4.5.4 e GAUSSIAN09.

Orientador: Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-23T00:50:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_RodrigoMoura_M.pdf: 11496259 bytes, checksum: 41c29f22d80da01064cf7a3b9681b05f (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Devido aos avanços conceptuais e técnicos feitos em física computacional e ciência dos materiais computacional nos estamos aptos a resolver problemas que eram inacessíveis a alguns anos atrás. Nessa dissertação estudamos a evolução de alguma destas técnicas, apresentando a teoria e técnicas de simulação computacional para estudar transições de fase de primeira ordem com ênfase nas técnicas mais avançadas de calculo de energia livre (Reversible Scaling) e métodos de simulação de eventos raros (Forward Flux Sampling) usando a técnica de simulação atomística da Dinâmica Molecular. A evolução e melhora da e ciência destas técnicas e apresentada junto com aplicações a sistemas simples que permitem solução exata e também ao caso mais complexo da transição de fase Martenstica. Também apresentamos a aplicação de métodos numéricos no estudo do modelo de Pauling para o gelo. Nos desenvolvemos e implementamos um novo algoritmo para a criação e ciente de estruturas de gelo desordenadas. Este algoritmo de geração de cristais de gelo nos permitiu criar células de gelo Ih de tamanhos que não eram possíveis antes. Usando este algoritmo abordamos o problema de efeitos de tamanho finito não estudados anteriormente / Abstract: Due to the conceptual and technical advances being made in computational physics and computational materials science we have been able to tackle problems that were inaccessible a few years ago. In this dissertation we study the evolution of some of these techniques, presenting the theory and simulation methods to study _rst order phase transitions with emphasis on state-of-the-art free-energy calculation (Reversible Scaling) and rare event (Forward Flux Sampling) methods using the atomistic simulation technique of Molecular Dynamics. The evolution and efficiency improvement of these techniques is presented together with applications to simple systems that allow exact solution as well as the more the complex case of Martensitic phase transitions. We also present the application of numerical methods to study Pauling\'s model of ice. We have developed and implemented a new algorithm for efficient generation of disordered ice structures. This ice generator algorithm allows us to create ice Ih cells of sizes not reported before. Using this algorithm we address finite size effects not studied before / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Reginaldo Guirardello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T12:37:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_AntonioCarlosDaltrode_D.pdf: 6856921 bytes, checksum: 9a39352c311e27b7f5ddb44084565f2e (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Há um crescente interesse por fontes alternativas de energia limpa, segura e renovável, e por tecnologias de transformação destas fontes em combustíveis. Dentre esses processos, a reação de gaseificação utilizando água supercrítica (SCWG), visando a produção de hidrogênio e a reação de síntese de Fischer-Tropsch (FT) visando a produção de combustíveis líquidos, vêm ocupando papel de destaque. Nesse contexto, essa tese teve como objetivo realizar a análise termodinâmica das reações envolvidas na transformação de biomassa em combustíveis, utilizando para isso, técnicas de otimização global. Foram aplicadas as metodologias de minimização da energia de Gibbs para sistemas com pressão e temperatura constantes e de maximização da entropia para sistemas com pressão e entalpia constantes. Os problemas foram formulados na forma de programações lineares e não lineares, e as metodologias propostas foram implementadas e resolvidas no software GAMS. Primeiramente foi realizada a análise termodinâmica da transformação de diferentes fontes renováveis de energia, tais como etanol, glicerol, glicose, celulose, lignina, bagaço de cana de açúcar e biomassa microalgal, em hidrogênio ou gás de síntese por meio da reação de SCWG. Posteriormente o uso do gás de síntese produzido, foi termodinamicamente avaliado visando a produção de combustíveis líquidos, por meio da reação de síntese de Fischer-Tropsch. Com esse trabalho, contribuímos com uma maior elucidação das condições reacionais mais favoráveis para cada um dos processos analisados, estudando ainda estratégias para se obter uma maior conversão dos reagentes e aumentar a produtividade dos compostos de interesse, além de verificar o comportamento energético dos sistemas associados / Abstract: There is a growing interest in alternative sources of clean, safe and renewable energy, and in technologies for processing these sources into fuels. Among these processes, the supercritical water gasification (SCWG) reaction, for hydrogen production, and the Fischer-Tropsch (FT) synthesis reaction, for liquid fuels production, have occupied a prominent role. In this context, this thesis performed the thermodynamic analysis of reactions involved in the transformation of biomass into fuels, using for it, global optimization techniques. Methodologies are applied to minimize Gibbs energy, in systems with constant pressure and temperature, and maximize the entropy, in systems with constant pressure and enthalpy. The problems are formulated in the form of linear and nonlinear programming, and the proposed methodologies are implemented and solved in the software GAMS. The thermodynamic analysis of the transformation of different sources such as ethanol, glycerol, glucose, cellulose, lignin, sugarcane bagasse and microalgal biomass in hydrogen or syngas, through the SCWG reaction are performed first. Later, the use of syngas produced are thermodynamically evaluated for the production of liquid fuels by the Fischer-Tropsch synthesis reaction. With this work we contribute to a further elucidation of the more favorable reaction conditions for each of the cases examined, also considering strategies to increase the conversion of reactants and the productivity of the desired products, as well as the realization of the energy characterization of the processe / Doutorado / Engenharia Química / Doutor em Engenharia Química

The peridynamic theory is a generalization of classical continuum mechanics and takes into account the interaction between material points separated by a finite distance within a peridynamic horizon δ. The parameter δ corresponds to a length scale and is treated as a material property related to the microstructure of the body. Since the balance of linear momentum is written in terms of an integral equation that remains valid in the presence of discontinuities, the peridynamic theory is suitable for studying the material behavior in regions with singularities. The first part of this work concerns the evaluation of the properties of a linear elastic peridynamic material in the context of a three-dimensional state-based peridynamic theory, which uses the difference displacement quotient field in the neighborhood of a material point and considers both length and relative angle changes. This material model is based upon a free energy function that contains four material constants, being, therefore, different from other peridynamic models found in the literature, which contain only two material constants. Using convergence results of the peridynamic theory to the classical linear elasticity theory in the limit of small horizons and a correspondence argument between the free energy function and the strain energy density function from the classical theory, expressions were obtained previously relating three peridynamic constants to the classical elastic constants of an isotropic linear elastic material. To calculate the fourth peridynamic material constant, which couples both bond length and relative angle changes, the correspondence argument is used once again together with the strain field of a linearly elastic beam subjected to pure bending. The expression for the fourth constant is obtained in terms of the Poisson\'s ratio and the shear elastic modulus of the classical theory. The validity of this expression is confirmed through the consideration of other experiments in mechanics, such as bending of a beam by terminal loads and anti-plane shear of a circular cylinder. In particular, numerical results indicate that the expressions for the constants are independent of the experiment chosen. The second part of this work concerns an investigation of the behavior of a one-dimensional linearly elastic bar of length L in the context of the peridynamic theory; especially, near the ends of the bar, where it is expected that the behavior of the peridynamic bar may be very different from the behavior of a classical linear elastic bar. The bar is in equilibrium without body force, is fixed at one end, and is subjected to an imposed displacement at the other end. The bar has micromodulus C, which is related to the Young\'s modulus E in the classical theory through different expressions found in the literature. Depending on the expression for C, the displacement field may be singular near the ends, which is in contrast to the linear behavior of the displacement field observed in classical linear elasticity. In spite of the above, it is also shown that the peridynamic displacement field converges to its classical counterpart as the peridynamic horizon tends to zero. / A teoria peridinâmica é uma generalização da teoria clássica da mecânica do contínuo e considera a interação de pontos materiais devido a forças que agem a uma distância finita entre si, além da qual considera-se nula a força de interação. Por ter o balanço de momento linear formulado como uma equação integral que permanece válida na presença de descontinuidades, a teoria peridinâmica é adequada para o estudo do comportamento de materiais em regiões com singularidades. A primeira parte deste trabalho consiste no cálculo das propriedades de um material peridinâmico elástico linear no contexto de uma teoria peridinâmica de estado, linearmente elástica e tridimensional, que utiliza o campo quociente de deslocamento relativo na vizinhança de um ponto material e leva em conta mudanças relativas angulares e de comprimento. Esse modelo utiliza uma função energia livre que apresenta quatro constantes materiais, sendo, portanto, diferente de outros modelos peridinâmicos investigados na literatura, os quais contêm somente duas constantes materiais. Utilizando resultados de convergência da teoria peridinâmica para a teoria de elasticidade linear clássica no limite de pequenos horizontes e um argumento de correspondência entre as funções energia livre proposta e densidade de energia de deformação da teoria clássica, expressões para três constantes peridinâmicas foram obtidas em função das constantes de um material elástico e isotrópico da teoria clássica. O argumento de correspondêmcia, em conjunto com o campo de deformações de uma viga submetida à flexão pura, é utilizado para calcular a quarta constante peridinâmica do material, que relaciona mudanças angulares relativas e de comprimentos das ligações entre as partículas. Obtem-se uma expressão para a quarta constante em termos do coeficiente de Poisson e do módulo de elasticidade ao cisalhamento da teoria clássica. A validade dessa expressão é confirmada por meio da consideração de outros experimentos da mecânica, tais como flexão de um viga por cargas terminais e cisalhamento anti-plano de um eixo cilíndrico. Em particular, os resultados numéricos indicam que as expressões para as constantes são independentes do experimento escolhido. A segunda parte deste trabalho consiste em uma investigação do comportamento de uma barra unidimensional linearmente elástica de comprimento L no contexto da teoria peridinâmica; especialmente, próximo às extremidades da barra, onde espera-se que o comportamento da barra peridinâmica possa ser muito diferente do comportamento de uma barra elástica linear clássica. A barra está em equilíbrio e sem força de corpo, fixa em uma extremidade, e sujeita a deslocamento imposto na outra extremidade. A barra possui micromódulo C, o qual está relacionado ao módulo de Young E da teoria clássica por meio de diferentes expressões encontradas na literatura. Dependendo da expressão para C, o campo de deslocamento pode ser singular próximo às extremidades, o que contrasta com o comportamento linear do campo de deslocamento observado na elasticidade linear clássica. Apesar disso, é mostrado também que o campo de deslocamento peridinâmico converge para o campo de deslocamento da teoria clássica quando o horizonte peridinâmico tende a zero.

A estrutura e o comportamento de proteínas são de grande interesse a uma infinidade de áreas de conhecimento, com especial destaque para alimentação e saúde. As proteínas compõem uma fundamental classe de moléculas biológicas, com capacidade para interagir com diversas outras estruturas e formar complexos. Dois tópicos principais são abordados neste trabalho: (a) avaliação da formação de complexos entre três proteínas do soro do leite (-lactoalbumina, -lactoglobulina e lactoferrina) em diferentes condições experimentais de força iônica e pH da solução através de derivadas da energia livre e (b) avaliação de aspectos relacionados com a fundamentação teórica dos modelos moleculares com granularidade grossa e uso do dielétrico contínuo empregados para estudo do fenômeno da complexação molecular, através da análise, em larga escala, da correlação de cargas em proteínas disponíveis no banco de dados de proteínas. Os estudos teóricos de complexação foram realizados através do emprego de simulações Monte Carlo Metropolis, com o modelo do solvente contínuo, constante dielétrica homogênea e sal implicitamente descrito. Os estudos de complexação permitem compreender os mecanismos moleculares envolvidos, elucidando, inclusive, controvérsias experimentais e oferecendo orientação para aplicações. Já os resultados do estudo de correlação de cargas em estruturas experimentais de proteínas permitem justificar as aproximações do modelo. / The structure and behavior of proteins are of great interest for a number of science fields, with special emphasis to food industry and health. Proteins comprise a fundamental group of biological molecules, with the capacity of interacting with several other structures and creating complexes. Two major topics are covered in this study: (a) evaluation of complex formation among three whey proteins (-lactalbumin, -lactoglobulin and lactoferrin) under different experimental conditions of ionic strength and pH of solution through free energy derivatives and (b) evaluation of features related to the theoretical basis of the coarse-grained molecular models and the use of continuous dielectric which are employed to investigate the molecular complexation phenomenon, through analysis, on a large scale, of charge correlation in proteins available in the protein data bank. The theoretical studies of complexation were performed through the use of Monte Carlo Metropolis simulations, with continuous solvent model, homogeneous dielectric constant and salt implicitly described. The complexation studies allow to understand the molecular mechanisms involved, also elucidating experimental controversies and offering orientation to applications; whereas the results of the charge correlation study in experimental structure of proteins allow justify the approximations of the model.

Absorção e Emissão de radiação eletromagnética por moléculas na região do UV-Vis fornece informações sobre os estados eletrônicos excitados, sendo propriedades de grande interesse devido a sua relação com processos biológicos, bem como suas possíveis aplicações em diagnósticos e tecnologia. Essas propriedades são sensíveis ao meio em que as moléculas se encontram, tornando-se assim natural a busca por métodos teóricos que possibilitam descrever essas interações. Neste trabalho, nós usamos a metodologia Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics para estudar o espectro de absorção e de emissão de moléculas de relevância biológica, quando em solução. Simulações clássicas Monte Carlo foram usadas pra construir uma configuração eletrostática média do líquido para posterior cálculo das propriedades, feito através dos métodos multiconfiguracionais CASSCF e CASPT2. Cuidados especiais foram tomados para incluir a polarização eletrônica que o soluto sofre devido à presença do solvente. Nossa contribuição é a adaptação do método do Gradiente de Energia Livre para permitir a obtenção de geometrias de estados excitados do soluto em solução. A técnica foi implementada em um programa e aplicada com sucesso nos sistemas estudados. As perspectivas agora se abrem para a obtenção de intersecções cônicas em meio solvente, permitindo assim o estudo de decaimentos não-radiativos em sistemas solvatados. / Absorption and emission of electromagnetic radiation by molecules in the UV-Vis region yields information about the electronic excited states, being properties of great interest due its relation with biological process, as well as its possible applications in diagnostics and technology. These properties are sensible to the environment in which the molecules are, making natural the search for theoretical methods that describe these interactions. In this work, we have used the Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics methodology to study the spectrum of absorption and emission of molecules of biological relevance, when in solution. Classical Monte Carlo simulations were carried out to construct an average solvent electrostatic configuration and used to represent the liquid in posterior quantum mechanics calculation of the properties, performed by using the multiconfigurational methods CASSCF and CASPT2. Special cares were taken to include the electronic polarization of the solute due the solvent. Our contribution is the adaptation of the Free Energy Gradient method to allow the determination of the solute excited states geometries in solution. The method was implemented in a computer program and successfully applied in the systems studied. The perspectives are now open to the calculation of conical intersection in solvent environment, enabling the study of nonradioactive decays in solvated systems.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao final.pdf: 1262049 bytes, checksum: 07f1ebc0954cc7f649c905b7d60adcf7 (MD5) Previous issue date: 2008-08-25 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / The understanding of receptor-ligand molecular recognition is one of the central aspects in structure-based design and discovery of new drugs. The key methodology is the docking of small molecules in active sites of proteins. There are two aims in any program of molecular docking: the search for the best ligand-protein conformation and the calculation of the free energy of this association, or its affinity constant. The test set used in this work was composed by 50 protein- ligand complexes, with experimentally measured Ki or Kd values for the construction of an empirical function specific to the DOCKTHOR program, using as input variables: energy of electrostatic interaction and Lennard-Jones, contact area of ligand-receptor on the surface accessible to the solvent, the presence of hydrogen bridges, and the number of the ligand rotatable bonds that were frozen in the process of docking. These variables were used for the construction of two types of free energy scoring functions. The importance of each variable used as input data for the construction of those functions was rated by means of multiple regression. A neural network was x also used to try to build the best model for the calculation of the affinity constant. The DOCKTHOR program currently has a prediction power leading to r = 0.4245, which indicates the importance of improving its scoring. The function built with the multiple regression methodology used 5 input variables and had linear, quadratic, and cross-product terms leading to r = 0.7542. Using the methodology of group cross-validation (VCG), it was concluded that the best architecture for the neural network consists of 9 neurons in the hidden layer, as it has the smallest error of generalization and greater consistency in errors. In the tests with this neural network architecture built using the same 50 protein-ligand complexes in training and test, 66% of the complexes had a difference smaller than 1.0 in the observed values. The generalization error (obtained by VCG) of a neural network that uses 9 neurons in the hidden layer was about ten times lower than that obtained by using a polynomial function. This is an indication of the superiority of the neural network methodology with respect to the multivariate regression methodology, specially for an empirical function developed for a broad range of receptor-ligand complexes. / A compreensão dos mecanismos de reconhecimento molecular receptor-ligante é um dos aspectos centrais na descoberta e planejamento de novos fármacos baseado em estrutura. Uma metodologia chave é o atracamento de pequenas moléculas em sítios de ligação de proteínas, o atracamento molecular (em inglês, "molecular docking"). Existem dois pontos chaves em qualquer programa de atracamento: a busca da "melhor" conformação ligante-proteína e o cálculo da energia livre desta associação, ou sua constante de afinidade. Foi construído neste trabalho um conjunto-teste formado por 50 complexos proteína-ligante, com valores de K i ou K d determinados experimentalmente, para a construção de uma função empírica específica para o programa DOCKTHOR, utilizando como variáveis de entrada valores de energias de interação eletrostática e de Lennard-Jones, área de contato ligante-receptor da superfície acessível ao solvente, presença de ligações hidrogênio, e o número de ligações torcionáveis do ligante. Estes variáveis foram utilizados para a construção de dois tipos de funções de cálculo de energia livre. Através de regressão múltipla, foi avaliada a importância de cada uma das variáveis utilizadas como dados de entrada na construção desta função. Utilizando uma rede neural, buscou-se construir o melhor modelo para o cálculo de constantes de afinidade. O programa DOCKTHOR atualmente tem poder de predição correspondente a r = viii 0,4245, o que mostra a importância de se melhorar sua função de avaliação. A função construída com a metodologia de regressão múltipla que obteve melhor resultado foi a que utilizou as 5 variáveis de entrada apresentando termos lineares, cruzados e quadráticos, com r igual a 0,7542. Funções empíricas construídas por redes neurais também foram avaliadas neste trabalho. Utilizando a metodologia de validação cruzada de grupo (VCG) chegou-se à conclusão que a melhor arquitetura para a rede neural é constituída por 9 neurônios na camada oculta, pois possui o menor erro de generalização e a maior homogeneidade nos erros. No teste com esta arquitetura de rede neural, com a função construída utilizando os 50 complexos proteína- ligante no treinamento e os mesmos, no teste, observamos que 66% dos complexos tiveram uma diferença menor que 1,0 dos valores observados em relação aos esperados. O erro de generalização, obtido por VCG, de uma rede neural utilizando 9 neurônios na camada oculta foi cerca de dez vezes menor ao obtido utilizando uma função polinomial. Isto é um indicativo da superioridade da metodologia de rede neural, com relação a metodologia de regressão multivariada, principalmente em uma função empírica desenvolvida para estimar afinidades relativas à uma ampla gama de complexos receptor-ligante.

Uma das propriedades fundamentais de soluções de micelas aquosas é sua capacidade de solubililizar uma ampla faixa de solutos orgânicos com diferentes graus de polaridade e hidrofobicidade. Recentemente Quina et. aI., estudaram as interações químicas específicas que governam a solubilidade para um ampla faixa de solutos orgânicos em micelas usando relações lineares de energia livre de solvatação (LSERs), baseado nos parâmetros empíricos do soluto desenvolvido por Abraham. O presente trabalho trata a solubilização de solutos orgânicos em micelas baseado em parâmetros obtidos unicamente da estrutura molecular do soluto através de cálculos de química quântica. Nossos resultados mostram que valores experimentais de Ks para solubilização de solutos orgânicos em detergentes aniônicos (micelas de SDS, dodecil sulfato de sódio e agregados de SDS com PEG-polietilenoglicol) podem ser reproduzidos usando parâmetros teóricos. A relação linear teórica de energia livre de solvatação resultante é quimicamente condizente com LSERs baseados em parâmetros empíricos do soluto. No caso de detergentes catiônicos e não iônicos, a metodologia apresenta limitações, por que o método de cálculo de cargas formais usando a definição de análise populacional de Mulliken não descreve de maneira apropriada o caráter ácido e básico das pontes de hidrogênio entre os solutos e a água. Alternativas para resolver o problema da limitação imposta pelos parâmetros teóricos, mantendo a aproximação linear de energia livre, são discutidas. / One of the most fundamental properties of aqueous micelar solutions is their ability to solubilize a wide variety of organic solutes with quite distinct polarities and degree of hydrophobicity. Recently Quina et al., studied the specific chemical interactions governing the solubilities of a wide range of solutes in micelles using linear solvation energy relationships (LSERs) based on empirical solute parameters developed by Abraham. This work reports an investigation of the solubilization of organic solutes in micelles based on the use of theoretical solute parameters derived from quantum chemical calculations Our results show that the experimental Ks values for solubilization of organic solutes in anionic detergents (micelles of SDS-sodium dodecyl sulfate and aggregate formed between SDS and PEG-poly(ethylene glycol)) can be reproduced using theoretical parameters. The resultant theoretical linear solvation energy relationships are chemically consistent with LSERs based on empirical solute parameters. In the case of cationic and nonionic detergents, the theoretical parameters used to describe hydrogen bonding fail because methods of calculating formal charges using the concept of Mulliken populational analysis cannot describe hydrogen bonding donor and acceptor character in an appropriate way. Possible strategies to solve the theoretical descriptor problem in the context of the linear free energy approximation are discussed.