Made available in DSpace on 2014-08-27T14:36:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-07-25Bitstream added on 2014-08-27T15:57:14Z : No. of bitstreams: 1 000723022.pdf: 4573012 bytes, checksum: 3b0b87ba2cdde44c7203a2dc8e7fb5db (MD5) / O enovelamento de proteínas é um problema fundamental em Biofísica Molecular. A teoria aceita, conhecida como “energy landscape”, utiliza o funil de energia potencial como conceito fundamental para o entendimento do enovelamento de proteínas. Este funil ocorre em uma superfície multidimensional de difícil visualização. A investigação de métodos para analisar quantitativamente a estrutura desse funil é importante para o completo entendimento do problema. Neste trabalho são apresentados meios de fazer a visualização desses funis de enovelamento de proteínas para o modelo de rede cúbica 3×3×3. A partir de simulaões do enovelamento de proteínas são calculados as distâncias entre mínimos locais por meio de uma métrica efetiva, onde considera-se os contatos não covalentes feitos em cada conformação. Esta análise é restrita para conformações próximas ao estado nativo. Técnicas de visualização e minimização são usadas para mapear o processo do enovelamento em um espaço de fase de menor dimensionalidade. Por meio desta visualização é possível analisar o enovelamento com detalhes, como a conectividade entre conformações, os diferentes caminhos para se atingir o estado nativo e regiões onde a proteína pode ?car armadilhada. Para este trabalho, utilizou-se cinco proteínas distintas, sendo duas altamente estáveis, duas que possuem baixa estabilidade e uma quinta que tem o estado nativo degenerado. A visualização dos funis se mostraram bastantes distintas, sendo possível notar um padrão para cada proteí?na mesmo quando variado alguns parâmetros. Tais resultados são consistentes com as ideias associadas à teoria do funil de enovelamento de proteínas / The protein folding is a fundamental problem in molecular biophysics. The accepted theory, known as energy landscape, uses the funnel potential energy as a fundamental concept to understand the protein folding problem. The energy funnel occurs in a multidimensional surface, which is difficult to be visualized. The investigation of methods for a quantitative analysis of the funnel structure is important for complete understanding of the problem. In this work, ways for visualize the protein folding funnels in a 3×3×3 lattice models are presented. Protein folding simulations are carried out. Distances between conformations are determined by the non-covalent contact sand de?ned by effective metric of the structural con?guration. The analysis is restricted to conformations close to the native state, i.e., beyond the transition state. Computer minimization and visualization techniques were used to map the dynamics of the folding process into a lower dimensionality phase space, and then represent the folding funnel in two and three-dimensional surface. These techniques are applied to ?ve distinct sequences, which two are highly stable, two marginally stable and the last has a native degenerated state. Their folding funnels are very distinct, where each sequence has a signature even when some parameters varied. These results are consistent with the ideas of the theory of protein folding funnel

Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Banca: Antonio Francisco Pereira de Araujo / Banca: Leandro Cristanti de Oliveira / Resumo: O objetivo deste trabalho foi caracterizar o atrito interno que são evidenciados nos domínios R15, R16 e R17 da chicken brain α-Espectrina. A Espectrina é uma proteína que faz parte do citoesqueleto e foi descoberta primeiramente em eritrócitos, sendo importante para manter a estabilidade, estrutura e forma da membrana celular. Esta proteína é composta de duas subunidades, α e β, sendo que cada um dos domínios presentes nestas subunidades apresentam 106 amino ́acidos. Além disso, estes domínios apresentam alta similaridade estrutural (RMSD < 1 A) e os resultados experimentais indicam que o domínio R15 apresenta um tempo de enovelamento que é três ordens de grandeza menor que seus homólogos (R16 e R17), esta observação foi atribuída aos efeitos do atrito interno na taxa de enovelamento. Portanto, neste trabalho foi estudado o enovelamento do R15, R16 e R17 utilizando o modelo baseado em estrutura Cα . Em nossas simulações, além das interações homogêneas para os contatos nativos (conhecido como modelo vanilla), foi adicionado um potencial atrativo para as interações não nativas hidrofóbicas (conhecido como modelo flavored ) utilizando a tabela do potencial de interação Miyazawa-Jernigan, bem como simulações com carga fixa e a pH constante, onde foram analisadas as interações eletrostáticas no processo de enovelamento. Por fim, realizaram-se simulações com o acoplamento para melhor descrever o sistema estudado / Abstract: The main aim of this work is characterized the internal friction evident in the three chicken brain α - spectrin domains, known as R15, R16, and R17. Spectrin is a cytoskeletal protein that was first discovered in erythrocytes and it is important for maintaining the stability, structure, and shape of the cell membrane. The protein is composed of a modular structure of α and β subunits, which typically contain 106 residues amino acid sequence motifs called "spectrin repeats". They are very similar in terms of structure and stability (RMSD < 1 ˚A). However, experimental results indicate that R15 folds and unfolds 3 orders of magnitude faster than its homologs. Such baf- fling observation is usually attributed to the influence of "internal friction"on protein folding kinetics. However, this effect cannot be satisfactorily corroborated by computer simulation. In the present work, the folding of these three domains is addressed using Cα structure-based models. We carried out simulations using homogeneous interactions on native contacts (known as a vanilla model) and has been added an attractive potential in the non-native hydrophobic interactions with Miyazawa-Jernigan potential (known as flavored model), as well as simulations with fixed charge and at constant pH, where the electrostatic interactions were analyzed in the folding. Finally, simulations were performed with the coupling of the potential (flavored and fixed load) to better describe the system / Mestre

Orientador: Vitor B. Pereira Leite / Banca: Laurent Emmanuel Dardenne / Banca: Sidney Jurado de Carvalho / Resumo: O enovelamento de proteínas é um problema fundamental em Biofísica Molecular. A teoria aceita, conhecida como "energy landscape", utiliza o funil de energia potencial como conceito fundamental para o entendimento do enovelamento de proteínas. Este funil ocorre em uma superfície multidimensional de difícil visualização. A investigação de métodos para analisar quantitativamente a estrutura desse funil é importante para o completo entendimento do problema. Neste trabalho são apresentados meios de fazer a visualização desses funis de enovelamento de proteínas para o modelo de rede cúbica 3×3×3. A partir de simulaões do enovelamento de proteínas são calculados as distâncias entre mínimos locais por meio de uma métrica efetiva, onde considera-se os contatos não covalentes feitos em cada conformação. Esta análise é restrita para conformações próximas ao estado nativo. Técnicas de visualização e minimização são usadas para mapear o processo do enovelamento em um espaço de fase de menor dimensionalidade. Por meio desta visualização é possível analisar o enovelamento com detalhes, como a conectividade entre conformações, os diferentes caminhos para se atingir o estado nativo e regiões onde a proteína pode ficar armadilhada. Para este trabalho, utilizou-se cinco proteínas distintas, sendo duas altamente estáveis, duas que possuem baixa estabilidade e uma quinta que tem o estado nativo degenerado. A visualização dos funis se mostraram bastantes distintas, sendo possível notar um padrão para cada proteíına mesmo quando variado alguns parâmetros. Tais resultados são consistentes com as ideias associadas à teoria do funil de enovelamento de proteínas / Abstract: The protein folding is a fundamental problem in molecular biophysics. The accepted theory, known as energy landscape, uses the funnel potential energy as a fundamental concept to understand the protein folding problem. The energy funnel occurs in a multidimensional surface, which is difficult to be visualized. The investigation of methods for a quantitative analysis of the funnel structure is important for complete understanding of the problem. In this work, ways for visualize the protein folding funnels in a 3×3×3 lattice models are presented. Protein folding simulations are carried out. Distances between conformations are determined by the non-covalent contact sand defined by effective metric of the structural configuration. The analysis is restricted to conformations close to the native state, i.e., beyond the transition state. Computer minimization and visualization techniques were used to map the dynamics of the folding process into a lower dimensionality phase space, and then represent the folding funnel in two and three-dimensional surface. These techniques are applied to five distinct sequences, which two are highly stable, two marginally stable and the last has a native degenerated state. Their folding funnels are very distinct, where each sequence has a signature even when some parameters varied. These results are consistent with the ideas of the theory of protein folding funnel / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-08-03Bitstream added on 2014-06-13T18:40:21Z : No. of bitstreams: 1 silva_pm_me_bauru.pdf: 730929 bytes, checksum: 5e701d75d10b9d8e43b1b946295d7e3f (MD5) / Compreender como a sequencia de aminoácidos de uma proteína determina a sua funcionalidade biológica é de grande importância conceitual e prática como, por exemplo, no projeto de novas drogas. As proteínas consistem em polipeptídios composta por 20 L- aminoácidos diferentes, (formados pelos átomos de hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio) ligados por ligações peptídicas. O que torna as proteínas diferentes não é o número de aminoácidos, mas a sequencia deles na cadeia polipeptídica. No presente trabalho, apresentamos uma simulação computacional, com modelo simples, para a enumeração exata de todas as conformações possíveis em uma rede de todas as conformações possíveis em uma rede quadrada para n = 1 a 17 monômeros. Resultados mostram que 2.155.667 conformações diferentes são possíveis. Neste trabalho, confirmamos estes resultados e atribuímos aos sítios da rede quadrada os monômetros no modelo que foram usados para computar o número de contatos entre os monômeros, distribuição da energia configuracional, distância em relação a frequencia relativa de todas as conformações, contato topológico de longo alcance, aplicamos e comparamos os resultados das simulações do modelo com sequencia de Epitopos. / The understanding of how the amino acids sequence determine the protein biological funtionality is one of the most practical and conceptual challenge as, for example, in the development of new drugs. The protein molecule consist of a long chain of polupeptides composed of 20 different amino acids (essentially formed by carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen atoms) linked together by peptide chemical bonds. What makes proteins different is not the number of amino acids in the chain but the amino acid sequence along the chain. In the present a computer simulation of a simple protein model, using the techinique of exact enumeration over all the possible conformations in the square lallice to a sequence of n = 1 to 17 monomers. The results indicate that we can found 2.155.1667 different possible conformations. We present the results for the Cartesian coordinates of all the monomers along the chain and computed the monomer-monomer contacts, the configurational energy, the long-range topological contact and a possible application of the HP model for a variety of epitopes sequences.

Os estudos sobre o mecanismo de enovelamento das proteínas é o resultado de um estudo intenso utilizando métodos bioquímicos, biofísicos e teóricos. \"In vitro\", o estado inicial deste estudo é a proteína desnaturada. Neste trabalho, temos estudado o reenovelamento, após desnaturação térmica, de uma glicoproteína denominada frutalina; da família das lectinas. A característica principal desta classe de proteínas é sua habilidade para interagir com carboidratos e, portanto, combinar-se com glicocomponentes da superfície da célula, induzindo suas propriedades biológicas. A frutalina é uma lectina tetramérica extraída das sementes de Artocarpus incisa. Ela é ligante de D-galactose e o espectro de CD (dicroísmo circular) de sua estrutura nativa foi identificado como sendo dominado por folhas ?. A desnaturação térmica e as etapas do reenovelamento foram monitoradas por espectroscopia de CD, fluorescência e também pela perda da atividade hemaglutinante. As condições de desnaturação utilizadas foram aquecimento à 60°C por 30 a 60 minutos, dependendo do tempo de estocagem (a -18°C) da proteína na forma nativa. Os resultados indicaram que o reenovelamento é promovido por um processo de congelamento na presença de PBS contendo 0,l M de D-galactose seguida por centrífugoconcentração em Centriprep 3. A hemaglutinação positiva ocorreu tanto para a fração nativa quanto para a fração reenovelada. O reenovelamento da frutalina desnaturada também ocorreu com PBS contendo 0,1 M de solução de D-glicose. Quando a forma desnaturada foi concentrada antes do congelamento em PBS sem D-galactose ou em PBS contendo xilose, o reenovelamento não ocorreu. Estes resultados mostraram que o reenovelamento da frutalina foi dependente da ligação com a D-galactose ou D-glicose, bem como a importância do congelamento para obter a forma biologicamente ativa. A análise da estrutura secundária utilizando o programa CCA forneceu um resultado importante: para a forma nativa da frutalina obtivemos 85% de folhas ? paralelas e antiparalelas, incluindo voltas ?, enquanto que para a forma reenovelada obtivemos 73%, mostrando que a estrutura reenovelada, a nível secundário, se aproximou satisfatoriamente da nativa, concordando com os resultados obtidos nos testes de hemaglutinação. / Our current understanding of the protein folding mechanism is the result of intense study employing biophysical, biochemical and theoretical methods. \"In vitro\", the initial state of the protein in this puzzle is its unfolded form. In the present work we have studied the refolding, after thermal denaturation, of the glycoprotein frutalin, a member of the lectin class. The main characteristic of these proteins is their ability to interact with carbohydrates and thus combine with glycocomponents of the cell surface, leading to their biological properties. Frutalin is a tetrameric lectin extracted from the seeds of Artocarpus incisa. It is D-galactose specific and its native CD spectrum was identified as being dominated by ? -sheet. The thermal unfolding and refolding steps were measured by CD and fluorescence spectroscopies together with the loss of hemagglutinating activity. The unfolding conditions used were 60°C for 30 to 60 minutes, depending on the protein storage time. The results indicate that refolding is promoted by the freezing process in the presence of 0,1 M D-galactose-PBS followed by three-fold concentration in a Centriprep 3. Positive hemagglutination occurred for both the native and refolded forms. Refolding of denatured frutalin also occurred with PBS containing 0,1 M D-glucose. When the unfolded form was concentrated before freezing in PBS without D-galactose or in PBS containing xylose, refolding did not occur. These results show that the refolding of frutalin is dependent on the binding of D-galactose or D-glucose, and demonstrate the importance of freezing in order to obtain the biologically activity form. An analysis of secondary structure using the CCA program showed an important result: the native form, presented 85% ? -sheet/ ?-turns, while in the refolded form, this content fell to 73%. These results show that the refolded form is very similar to the native protein, which is in agreement with the hemagglutination results.

O estudo de enovelamento de proteínas tem sido um problema de fundamental importância em biofísica e biologia molecular. Neste trabalho, estudamos os processos de desnaturação e renovelamento das lectinas jacalina e frutalina. Estas lectinas são tetraméricas, apresentam alta homologia estrutural, porém diferem em atividade biológica, sendo a frutalina mais potente. Apesar desta homologia, estas lectinas diferem também nos processos de desnaturação e renovelamento como função da temperatura e o comportamento frente ao desnaturante químico hidrocloreto de guanidina (GndHCl). Ambas proteídas foram desnaturadas pela ação de GndHCl e suas curvas de desnaturação medidas por espectroscopia de fluorescência e CD. As medidas de fluorescência da frutalina deram valores de estabilidade conformacional de 17,12 kJ/mol e 12,34 kJ/mol, na presença e na ausência de D-Galactose, enquanto a jacalina forneceu valores de 8,12 kJ/mol para a transição NI e 5,61 kJ/mol para a transição IU em PBS. Os valores na presença de açúcar foram similares. NOs estudos da frutalina foram separadas as formas nativa, desnaturada, renovelada e uma forma molecularmente distinta chamada mal-enovelada, por cromatografia de exclusão molecular. Estas formas foram analisadas por atividades hemaglutinante e espectroscopias de CD e fluorescência. Todos os resultados obtidos confirmaram a ocorrência do renovelamento de ambas lectinas e que os monômeros renovelados, depois de alcançarem sua estrutura tridimensional, se associam espontaneamente para a formação dos tetrâmeros. / Protein refolding is currently a fundamental problem in biophysics and molecular biology. We have studied the refolding process of jacalin and frutalin. They are tetrameric lectins that present structural homology, buti jacalin shows a more marked biological activity than the latter. These proteins, despite their homology, have different unfolding/refolding behaviors as function of temperature and chemical agents. Both proteins were unfolded induced by guanidine hydrochlroide and their dnaturation curves mesuared by fluorescence emission and CD. Fluorescence measurments of frutalin gave values of conformational stability of 17.12 kJ/mol and 12.32 kJ/mol, in the presence and absence of D-Galactose, while jacaline gave values of 8.12 kJ/mol for NI transition and 5.61 kJ/mol for IU transition in PBS. In sugar presence the values are similar. In the frutalin studies were separeted the native, unfolded, refolded and a distinct molecular form denoted misfolded, by Size Exclusion Chromatography. These forms were analyzed for hemagglutination activity, CD and fluorescence spectroscopy. All the results obtained confirmed the successful refolding of the both lectins and the refolded monomers, after adopting their native three-dimensional structures, spontaneously assembled to form tetramers.

Este estudo tem como finalidade principal a análise termodinâmica e estatística de proteínas através de modelos mínimos. Uma proteína é um polímero de aminoácidos, cuja função está essencialmente relacionada às conformações espaciais que ela adota em solução aquosa. Na forma funcional (dita nativa), essas conformações flutuam levemente em torno de um mínimo de energia-livre. O processo pelo qual uma cadeia protéica transita de estados não-nativos para a estrutura nativa é chamado de enovelamento, ou dobramento. Uma questão em aberto no campo de estudo de proteínas consiste justamente em entender a fundo o processo de enovelamento, cujo avanço tem um vasto potencial de aplicação, desde a predição de estruturas a partir de sequências de aminoácidos até o planejamento de fármacos e moléculas bioativas. Nossa investigação teórica procura abordar aspectos do enovelamento expressos através de grandezas termodinâmicas (energia média, calor específico, número de ligações de hidrogênio, entre outras) derivadas de modelos estatísticos na rede. Assim, num primeiro momento, analisamos o chamado modelo HP, ora por meio de enumeração exata, para cadeias curtas, ora por simulações de Monte Carlo, para cadeias maiores. No primeiro caso, propusemos a existência de uma relação entre a ocorrência de um segundo pico no calor específico associado na literatura à transição de congelamento com uma drástica redução no número de configurações entre os primeiros estados excitados e aqueles de menor energia. Observamos, também, que esse pico pode aparecer tanto para homopolímeros quanto para heteropolímeros, em ambas as redes quadrada e triangular. Num segundo momento, nosso enfoque se voltou para a inclusão de um solvente aquoso (dado pelo modelo de Bell-Lavis) ao sistema inicial. Isso nos possibilitou verificar, usando exclusivamente simulações de Monte Carlo e o algoritmo de Metropolis, o comportamento e a competição das ligações de hidrogênio água-água, água-proteína, proteína-proteína e na primeira camada de solvatação. O modelo acoplado exibiu algumas características do enovelamento, como o colapso hidrofóbico e a separação de monômeros (apolares no núcleo e polares na superfície), embora não capture a desnaturação fria. No apêndice, adicionamos algumas propostas para realização do cálculo numérico da pressão no ensemble canônico, desenvolvidas em paralelo ao projeto principal desta dissertação, mas que, numa primeira análise, verificamos serem consistentes e passíveis de futuros desdobramentos. / The finality of this study is to analyse proteins thermodynamics and statistics through minimal models. A protein is a polymer of amino acids, whose spatial conformations in aqueous solution determine its function. In the functional form (said native), those conformations fluctuates slightly around a free-energy minimum. The process by which a protein chain passes from non-native states to a stable native structure is called protein folding. An open question in the field of protein studies is to understand more deeply the folding process, whose advance can find a wide range of potential applications, since ab initio structure prediction from the amino acids sequence to biomolecules design. The theoretical approaches used here focus on aspects of protein folding given by some thermodynamic quantities (as mean energy, specific heat, number of hydrogen bonds and so on) obtained from statistical lattice models. Initially, we analyse the so-called HP model, at first using exact enumeration for short chains, then by Monte Carlo simulations for longer chains. In the first case, we propose a correlation between the occurrence of a second peak in the specific heat associated in the literature with a freezing transition and a sharp reduction on the number of configurations from the first excited states to the lowest energy states. In addition, we observe that this peak may appear to both homopolymers and heteropolymers on square and triangular lattices. At a second moment, our focus turned to the introduction of a water-like solvent (Bell-Lavis model) to the initial system. This allowed us to verify, exclusively by means of Monte Carlo simulations with Metropolis algorithm, the behavior and competition of hydrogen bonds between water-water molecules, water-protein, and protein-protein monomers and at the first hydration layer. The combined model showed some classical folding properties, as hydrophobic collapse and monomers segregation (apolar residues at the core and polar residues at the surface), although it did not capture cold denaturation. We have included in the appendix some proposals to perform numerical calculations of the canonical pressure, which were developed alongside the main subject of this thesis and a first analysis has proved to be consistent and susceptible to further developments.

Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Banca: Jorge Chahine / Banca: Luis Gustavo Dias / Banca: Nelson Augusto Alves / Banca: Pedro Geraldo Pascutti / Resumo: As interações eletrostáticas desempenham um papel crucial no enovelamento de proteínas. Além disso, essas interações entre resíduos carregados são fundamentais para a estabilidade proteica e para que as proteínas realizem suas funções biológicas. A distribuição de carga nessas macromoléculas é definida pelos tipos de resíduos que as compõem e pelas condições do ambiente a que elas estão sujeitas, como, por exemplo, concentração de sal e pH. Compreender como esses aspectos podem governar a estabilidade e o enovelamento de proteínas é de fundamental importância no desenvolvimento racional de aplicações biomédicas e biotecnológicas. No presente estudo, utilizou-se modelos computacionais simplificados visando investigar esses efeitos eletrostáticos nos processos de enovelamento, na estabilidade térmica e na presença e ausência de mutações do seguinte conjunto de proteínas: o domínio N-terminal da proteína ribossomal L9 (NTL9); a variante da proteína G (1PGB-QDD), a proteína Cold Shock A (CspA); e a proteína 5 do ácaro Blomia tropicalis (Blo t 5). A partir desses modelos computacionais, buscou-se avaliar os efeitos causados pelas mutações, pelo pH e pela concentração de sal na dinâmica e na estabilidade proteica. Os resultados obtidos via simulações foram comparados com dados experimentais e obtiveram uma excelente concordância, tendo em vista a simplicidade dos modelos utilizados. Além disso, os resultados computacionais permitiram obter uma enorme gama de informações sobre o... / Abstract: Eletrostatic interactions play a crucialrole in protein folding. In addition, these interactions between charged residues are fundamental for protein stability and for proteins to perform their biological functions. The charge distribution in these macromolecules is defined by the types of residues composing them and by the conditions of the environment to which they are subject, such as salt concentration and pH. Understanding how these aspects can govern protein folding and stability is of fundamental importance in the rational development of biomedical and biotechnological applications. In the present study, simplified computational models to investigate these electrostatic effects in the folding processes ... / Doutor

O entendimento dos princípios básicos do enovelamento protéico pode conduzir a muitas aplicações importantes. Embora não se conheçam todos os aspectos significativos envolvidos neste problema, experimentos e aproximações teóricas têm produzido avanços relevantes na sua compreensão. Um fato experimental importante tem sido a descoberta de que o logaritmo da taxa de enovelamento log kf se correlaciona linearmente com parâmetros estruturais globais, como a ordem de contato relativa c. Com o propósito de contribuir para o entendimento do processo de enovelamento, o objetivo primordial deste trabalho consiste em explicar o porquê de certas proteínas não seguirem o comportamento linear entre log kf e c, verificado para outras proteínas da mesma classe (usualmente proteínas pequenas e com termodinâmica descrita pela aproximação de dois estados). Para isso foi necessário identificar os parâmetros topológicos da estrutura nativa que constituíssem importantes determinantes da cinética do enovelamento de proteínas globulares. Também se estudou como as especificidades estéricas dos aminoácidos afetam o processo do enovelamento de proteínas, assim como influenciam na correlação entre a ordem de contato relativo e a taxa de enovelamento. Empregou-se neste estudo um modelo simplificado em rede cúbica, que foi tratado por meio de simulações Monte Carlo. Um conjunto de 52 estruturas maximamente compactas, correspondendo a cadeias de tamanho L = 27 monômeros, foi usado para representar estados nativos; estas estruturas foram escolhidas de forma a representar uma variedade significativa de padrões estruturais, independentemente de c. Através de uma análise detalhada da influência de parâmetros topológicos das configurações nativas na cinética do enovelamento, conclui-se que a taxa de enovelamento é fortemente dependente daquilo que denominamos aqui como “conteúdo de estruturas tipo-secundárias" da estrutura nativa. Adicionalmente, observou-se que aquela (taxa), independentemente do valor da ordem de contato relativo, é fortemente influenciada pelos padrões confíguracionais e suas combinações presentes na nativa. Por meio dessa premissa, foi então possível explicar de forma consistente os casos que não obedecem a pretensa relação linear entre log kf e c, levando a concluir que o logaritmo da taxa de enovelamento e a ordem de contato relativo são linearmente dependentes somente para aquelas configurações em que há uma certa quantidade equilibrada (que depende de c) de padrões estruturais, mesclando contatos efetivos de curto alcance (alto conteúdo de estruturas tipo-secundárias), com outros de longo alcance (baixo conteúdo de estruturas tipo-secundárias). Estruturas nativas que quebram este equilíbrio têm sua cinética de enovelamento afetada com respeito à reta de regressão linear ajustada para o conjunto de todas as configurações consideradas. Dessa forma, verificou-se que o mecanismo físico básico que relaciona o conteúdo de estruturas tipo-secundárias e a taxa de enovelamento, envolve o conceito de cooperatividade: se a estrutura nativa é rica em combinações de padrões estruturais ricos em contatos efetivos de curto alcance, o processo de enovelamento é mais rápido porque contatos locais são naturalmente estimulados por flutuações térmicas. / The understanding of basic principles of the protein folding problem can lead to many important applications. Although not all the involved significant aspects of this problem are known, experiments and theoretical approaches have produced important advances in its understanding. An important experimental fact has been the discovery that the logarithm of the folding rate log kf correlates linearly with global structural parameters, like the relative contact order c. In order to contribute for the understanding of folding process, the primordial goal of this work consists in to explain why certain proteins do not follow the linear behavior between log kf and c, as verified to other proteins from the same class (usually small two states proteins). For this, it was necessary to identify those topological parameters of the native structure that are important to the folding kinetic of globular protein. It was also studied how steric specificities of the aminoacids affect the protein folding process, as well how they influence the correlation between the relative contact order and the folding rate. It was employed in this study a simplified cubic lattice model, treated by Monte Carlo simulation. A set of 52 maximum compact structures, corresponding to chains of size L = 27 monomers, was used to represent the native states; these structures were chosen in such a way to represent a significant diversity of structural patterns, independently of c. Through a detailed analysis of the influence of topological parameters of the native configurations on the folding kinetic, it was concluded that the folding rate is strongly dependent of what we call here as “content of type-secondary" of the native. Additionally, it was observed that log kf is, independently of c, strongly influenced by the configurational patterns and its combinations in the native. Through this premise it was possible to consistently explain the cases that do not obey the pretense linear relation between log kf and c, leading to conclude that the logarithm of the folding rate and the relative contact order are linearly related only for those configurations in that there is a certain balanced amount of structural patterns (which depend on c) mixing short-range effective contacts (high contents of secondary-type structures) and long-range contacts (low contents of secondary-type structures). Structures that break this balance have its folding kinetic affected with respect to the linear fitting adjusted for the set of all the considered configurations. Of this form, it was verified that basic physical mechanism that relates the content of type-secondary structures and the folding rate involves the cooperativety concept: if the native structure presents combinations of structural standards rich in effective contacts of short-range, the folding process is faster because local contacts are naturally stimulated by thermal fluctuations.

O entendimento dos princípios básicos do enovelamento protéico pode conduzir a muitas aplicações importantes. Embora não se conheçam todos os aspectos significativos envolvidos neste problema, experimentos e aproximações teóricas têm produzido avanços relevantes na sua compreensão. Um fato experimental importante tem sido a descoberta de que o logaritmo da taxa de enovelamento log kf se correlaciona linearmente com parâmetros estruturais globais, como a ordem de contato relativa c. Com o propósito de contribuir para o entendimento do processo de enovelamento, o objetivo primordial deste trabalho consiste em explicar o porquê de certas proteínas não seguirem o comportamento linear entre log kf e c, verificado para outras proteínas da mesma classe (usualmente proteínas pequenas e com termodinâmica descrita pela aproximação de dois estados). Para isso foi necessário identificar os parâmetros topológicos da estrutura nativa que constituíssem importantes determinantes da cinética do enovelamento de proteínas globulares. Também se estudou como as especificidades estéricas dos aminoácidos afetam o processo do enovelamento de proteínas, assim como influenciam na correlação entre a ordem de contato relativo e a taxa de enovelamento. Empregou-se neste estudo um modelo simplificado em rede cúbica, que foi tratado por meio de simulações Monte Carlo. Um conjunto de 52 estruturas maximamente compactas, correspondendo a cadeias de tamanho L = 27 monômeros, foi usado para representar estados nativos; estas estruturas foram escolhidas de forma a representar uma variedade significativa de padrões estruturais, independentemente de c. Através de uma análise detalhada da influência de parâmetros topológicos das configurações nativas na cinética do enovelamento, conclui-se que a taxa de enovelamento é fortemente dependente daquilo que denominamos aqui como “conteúdo de estruturas tipo-secundárias” da estrutura nativa. Adicionalmente, observou-se que aquela (taxa), independentemente do valor da ordem de contato relativo, é fortemente influenciada pelos padrões confíguracionais e suas combinações presentes na nativa. Por meio dessa premissa, foi então possível explicar de forma consistente os casos que não obedecem a pretensa relação linear entre log kf e c, levando a concluir que o logaritmo da taxa de enovelamento e a ordem de contato relativo são linearmente dependentes somente para aquelas configurações em que há uma certa quantidade equilibrada (que depende de c) de padrões estruturais, mesclando contatos efetivos de curto alcance (alto conteúdo de estruturas tipo-secundárias), com outros de longo alcance (baixo conteúdo de estruturas tipo-secundárias). Estruturas nativas que quebram este equilíbrio têm sua cinética de enovelamento afetada com respeito à reta de regressão linear ajustada para o conjunto de todas as configurações consideradas. Dessa forma, verificou-se que o mecanismo físico básico que relaciona o conteúdo de estruturas tipo-secundárias e a taxa de enovelamento, envolve o conceito de cooperatividade: se a estrutura nativa é rica em combinações de padrões estruturais ricos em contatos efetivos de curto alcance, o processo de enovelamento é mais rápido porque contatos locais são naturalmente estimulados por flutuações térmicas. / The understanding of basic principles of the protein folding problem can lead to many important applications. Although not all the involved significant aspects of this problem are known, experiments and theoretical approaches have produced important advances in its understanding. An important experimental fact has been the discovery that the logarithm of the folding rate log kf correlates linearly with global structural parameters, like the relative contact order c. In order to contribute for the understanding of folding process, the primordial goal of this work consists in to explain why certain proteins do not follow the linear behavior between log kf and c, as verified to other proteins from the same class (usually small two states proteins). For this, it was necessary to identify those topological parameters of the native structure that are important to the folding kinetic of globular protein. It was also studied how steric specificities of the aminoacids affect the protein folding process, as well how they influence the correlation between the relative contact order and the folding rate. It was employed in this study a simplified cubic lattice model, treated by Monte Carlo simulation. A set of 52 maximum compact structures, corresponding to chains of size L = 27 monomers, was used to represent the native states; these structures were chosen in such a way to represent a significant diversity of structural patterns, independently of c. Through a detailed analysis of the influence of topological parameters of the native configurations on the folding kinetic, it was concluded that the folding rate is strongly dependent of what we call here as “content of type-secondary” of the native. Additionally, it was observed that log kf is, independently of c, strongly influenced by the configurational patterns and its combinations in the native. Through this premise it was possible to consistently explain the cases that do not obey the pretense linear relation between log kf and c, leading to conclude that the logarithm of the folding rate and the relative contact order are linearly related only for those configurations in that there is a certain balanced amount of structural patterns (which depend on c) mixing short-range effective contacts (high contents of secondary-type structures) and long-range contacts (low contents of secondary-type structures). Structures that break this balance have its folding kinetic affected with respect to the linear fitting adjusted for the set of all the considered configurations. Of this form, it was verified that basic physical mechanism that relates the content of type-secondary structures and the folding rate involves the cooperativety concept: if the native structure presents combinations of structural standards rich in effective contacts of short-range, the folding process is faster because local contacts are naturally stimulated by thermal fluctuations.