Orientador: Maria Izabel Maretti Silveira Bueno / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T20:33:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_Lidianede_M.pdf: 4129293 bytes, checksum: dfd187be78cdfad4de2c7f489eff5300 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esse trabalho representa uma inovação na área de química analítica, abordando novas potencialidades da técnica de fluorescência de raios-X e utilizando o espalhamento da radiação como medida analítica e a quimiometria para tratamento dos dados. As potencialidades dessa técnica para análise das substâncias restritas pela Diretiva Européia 2002/95/EC ¿ RoHS foram avaliadas a partir de estudos realizados com um equipamento de EDXRF, equipado com um tubo de ródio como fonte de raios-X. As amostras analisadas eram soluções contendo cinco diferentes elementos (cádmio, chumbo, mercúrio, bromo e cromo). Além de adequado, o método proposto mostrou-se bastante rápido, simples e eficaz, bem como não destrutivo e de baixo custo, com grande potencial de substituir de forma eficiente as três técnicas analíticas usadas tradicionalmente. Os modelos de calibração apresentaram bons coeficientes de regressão (> 0,99), baixos valores de erros de previsão para amostras externas (< 15%, exceto para especiação de cromo) e limites de detecção e quantificação abaixo dos limites de controle definidos pela norma. Com esse mesmo método também foi possível a especiação direta de cromo utilizando um aparelho de raios-X convencional, fato inédito na literatura científica. Nesse caso os modelos de calibração também apresentaram bons coeficientes de regressão (> 0,97) e baixos valores de erros de previsão para amostras externas (< 10%) / Abstract: This work represents an innovation in analytical chemistry, dealing with new potentialities of X-ray fluorescence technique and using X-ray scattering effects and chemometrics for processing the data. The potential of this technique to analyze the restricted substances by European Directive RoHS/2002/95/EC were evaluated from studies with an EDXRF equipment, fitted with a rhodium tube as an X-ray source. The samples evaluated were solutions containing five different elements (cadmium, lead, mercury, bromine and chromium). Besides appropriate, the proposed method proved to be very fast, simple and effective, as well as not destructive and of low cost, with great potential to efficiently replace the three analytical techniques used traditionally. The calibration models present high values of regression coefficients (> 0,99), low values of prediction errors for external samples (< 15%, except for speciation of chromium) and limits of detection and quantification below the RoHS control limits. With this same method, it was possible the direct speciation of chromium using a conventional X-ray apparatus, an unprecedented fact in the scientific literature. In this case, the calibration models also present high values of regression coefficients (> 0,97) and low values of prediction errors for external samples (< 10%) / Mestrado / Quimica Analitica / Mestre em Química

Orientador: Ricardo Aparicio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T05:53:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Reis_MarceloAugustodos_D.pdf: 42698206 bytes, checksum: fa5cd41ff5c44a71b42dd07db4a8fd79 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neste trabalho de tese, o problema da caracterização estrutural de proteínas foi abordado de maneira contextualizada e com um viés em modelagem computacional utilizando vínculos experimentais obtidos com a técnica de espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS, Small-Angle X-ray Scattering). Parte das pesquisas foram concentradas na caracterização estrutural da proteína SurE de Xylella fastidiosa (XfSurE) por técnicas experimentais e computacionais. Estudos estruturais da XfSurE realizados com a técnica de SAXS apontaram para um arranjo tetramérico da enzima apo e, do nosso conhecimento, foi a primeira estrutura em solução descrita na literatura para esta família de proteínas. Quando associada às técnicas computacionais ¿ como, por exemplo, análise de modos normais de vibração¿a interpretação das análises por SAXS foi realçada. Neste caso, o vínculo experimental imposto pela curva I(q) possibilitou que uma estrutura em solução fosse modelada apenas com o uso de um único modo normal, cujo efeito estaria relacionado com as possíveis transições alostéricas de XfSurE. Em outra frente de trabalho, um novo programa denominado SAXSTER foi desenvolvido. SAXSTER tem a habilidade de gerar modelos estruturais mais prováveis para uma proteína-alvo a partir de alinhamentos ótimos obtidos por threading e de estruturas similares identificadas em um banco de dados, com o auxílio de SAXS. A partir dos dados de entrada, é realizada uma busca no Protein Data Bank para que a estrutura da proteína-alvo possa ser predita. O programa foi testado para 553 proteínas não redundantes. Foi demonstrado que SAXSTER pode melhorar consistentemente o resultado global da classificação dos alinhamentos, com p-valores que variam de 10 a 10. De acordo com TM-score médio, conclui-se que SAXSTER tende a melhorar o desempenho preditivo conforme a estrutura da proteína-alvo se afasta da forma globular / Abstract: In this work, the protein structure problem was approached from two different perspectives: from the computational modeling to the experimental data mainly collected by Small-Angle X-ray Scattering technique (SAXS) whose data were also used as constraint for modelling. Part of the research was focused on the structural characterization of the protein SurE of Xylella fastidiosa (XfSurE) by experimental and computational techniques. Structural studies of XfSurE performed by SAXS technique indicated a tetrameric arrangement of the apo enzyme and to our knowledge, this was the first solution structure of a SurE protein described in the literature. When combined with computational techniques ¿ for instance, normal mode analysis ¿ the interpretation of SAXS analysis was enhanced. In that case, the experimental constraints imposed by the I(q) curve allowed to reach a new structure model that fits the SAXS profile using only a single normal mode. This effect would be associated with the possible allosteric transitions of the XfSurE. It was also developed a new program called SAXSTER (SAXS-assisted multi-source ThreadER). SAXSTER has the ability to generate more likely structural models for the target protein from optimal alignments obtained by threading and similar structures identified in the Protein Data Bank aided by SAXS. The program was tested on 553 nonredundant proteins. It was shown that SAXSTER can consistently improve the overall classification of the alignments, with p-values ranging from 10 to 10. According to average TM-score, a more promising use of the SAXSTER algorithm would be to improve the template recognition results for protein whose structure is more rod-like than globular-like ones / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Neste trabalho, utilizamos a técnica de espalhamento de raios-X a baixos Ângulos (SAXS) para estudar a influência de dois derivados fenotiazínicos na estrutura de sistemas micelares, assim como suas propriedades de auto-associação, além de investigar a influência da variação de pH e de concentração nas interações entre proteínas em solução. Para tanto, utilizamos dois fármacos fenotiazínicos, (Trifluoperazina, TFP e a Clorpromazina, CPZ), em presença de L--fosfatidilcolina (LPC), um surfactante zwiteriônico (30 mM), a pH 4.0 e 7.0. Os resultados de SAXS indicam que a micela de LPC, em ausência de fenotiazina, pode ser representada por uma micela com forma elipsoidal (com razão axial 1.6 0.1). No entanto, em presença de TFP e de CPZ a forma da micela se altera, passando para um cilindro (com razão axial 2.5 0.1). Este efeito é acompanhado por uma diminuição do raio parafínico da micela (22.5 0.3 Å), em ausência de fármaco, para 20.0 0.5 em presença de 10 mM de fármaco. Em paralelo, realizamos medidas de EPR (Ressonância Paramagnética eletrônica) destes sistemas. Combinando os resultados de SAXS e de EPR, propusemos um sítio para a localização destes compostos nas micelas de LPC, que seria na interface polar/apolar da mesma. Em um segundo momento, utilizamos as técnicas de SAXS e de EPR para investigar as características estruturais dos agregados formados por TFP e CPZ (a 20 e 60 mM, a pH 4.0 e 7.0). As curvas de SAXS são compatíveis com o espalhamento de agregados pequenos com diferentes geometrias: elipsoidal, cilíndrico e tipo-paralelepípedo. Devido à resolução da técnica, dentro do intervalo de vetores de espalhamento utilizada (até cerca de 0.3 Å-1), não é possível determinar, de forma absoluta, a correta geometria dos agregados, ou seja, todas as geometrias citadas acima ajustam de forma satisfatória as curvas de SAXS. As análises dessas curvas também não excluem a possibilidade de que estes fármacos mantenham-se como nano-cristais em solução (compostos por cerca de 10 celas unitárias, empilhadas na direção-z), seguindo sua estrutura cristalográfica. Medidas de EPR indicam que os auto-agregados a pH 4.0 possuem características semelhantes às micelas, mas a pH 6.5 este efeito não foi evidenciado, uma vez que ocorre uma forte interação entre a sonda e os agregados. Este fato indica que os agregados, a pH 6.5, têm um maior empacotamento, em comparação aos sistemas a pH 4.0. Por fim, utilizamos a Albumina de Soro Bovina (BSA, a 10 50 mg/ml), em diferentes pHs (2.0 9.0), para investigar os efeitos de concentração e de pH nos potenciais de interação das macromoléculas em solução. O fator de forma da proteína foi obtido através da estrutura cristalográfica da HSA (Human Serum Albumine, proteína humana homóloga a BSA), enquanto que as interações proteína-proteína foram calculadas através da relação de fechamento RPA (Random Phase Approximation). Nossos dados indicam que a BSA mantém sua estrutura terciária inalterada de pH 4.0 a 9.0, independente de sua concentração. No entanto, a pH 2.0 a proteína sofre um processo de desenovelamento, indicado pelo aumento da dimensão máxima da mesma. Nossos dados dão suporte para concluir que as interações entre as proteínas, a 10 mg/ml, são praticamente desprezíveis, exceto para os sistemas compostos a pH 2.0 (onde a proteína está desenovelada) e a pH 4.0 (onde evidenciamos a presença de interferência atrativa entre as proteínas). Entretanto, a medida em que aumentamos a concentração proteica, uma função de interferência do tipo repulsiva aparece na curvas de SAXS (para os sistemas de pH 4.0 a 9.0). Além disso, no sistema composto por BSA, pH 5.4 e 50 mg/ml, evidenciamos a existência de monômeros e dímeros em solução, provavelmente devido a proximidade do ponto isoelétrico da proteína (entre 4.8 5.6). Este efeito não foi evidenciado para os outros pHs, nesta mesma concentração. A pH 2.0 (25 e 50 mg/ml) evidenciamos uma compactação da proteína, sendo que sua forma é diferente da forma nativa da BSA. Nestas condições, é possível que a proteína tenha alcançado um estado molten globule, como evidenciado em outros trabalhos. Acreditamos que os efeitos de volume excluído são de grande importância para a estabilidade da proteína in vivo. / In this work we study, mainly by means of small angle X-ray scattering (SAXS), the influence of two phenothiazine derivatives on biomimetic systems as well as the self-assembly features. At the same time, the conformational stability of proteins in the presence of denaturant agents (pH and concentration) was evaluated. First of all, the phenothiazine compounds trifluoperazine (TFP) and chlorpromazine (CPZ) with micelles of the zwitterionic surfactant L--lysophosphatidylcholine (LPC), at pHs 4.0 and 7.0, are reported. The SAXS results demonstrate that, upon addition of both phenothiazines, the LPC micelle of prolate ellipsoidal shape changes into a cylindrically shaped micelle, increasing its axial ratio from 1.6 0.1 (in the absence of drug) to 2.5 0.1 (for 5 and 10 mM of phenothiazine). Such an effect is accompanied by a shrinking of the paraffinic shortest semiaxis from 22.5 0.3 to 20.0 0.5 Å. Besides, EPR (Electronic Paramagnetic Resonance) evidenced a bigger motion immobilization of the nitroxe probe, in the presence of phenothiazines. Our results provide evidence that the positively charged phenothiazine molecule must be accommodated near the hydrophobic/hydrophilic inner micellar interface. Furthermore, SAXS and EPR experiments were carried out to investigate the structure of the self-aggregates of CPZ and TFP, in aqueous solution. SAXS studies (drug solutions of 20 and 60 mM, at pH 4.0 and 7.0) evidenced that several different particle form factors with a homogeneous electron density distribution, in respect to the water environment, could reproduce the scattering curves. Due to the limitation of scattering intensity in the q range above 0.15 Å-1, precise determination of the aggregate shape was not possible and all of the tested models for ellipsoids, cylinders, or parallelepipeds fitted the experimental data equally well. The SAXS data allows inferring, however, that CPZ molecules might self-assemble in a basis set of an orthorhombic cell, remaining as nanocrystallites in solution. Such nanocrystals are composed of a small number of unit cells (up to 10, in c-direction), with CPZ aggregation numbers of 60-80. EPR spectra of 5- and 16-doxyl stearic acids bound to the aggregates were also performed, indicating a micelle-like aggregate at pH 4.0, and a significant motional restriction of the nitroxide was observed at pH 6.5. This implies that the aggregate is densely packed at this pH and that the nitroxide is tightly bound to it producing a strongly immobilized EPR spectrum. Finally, the effect of concentration and pH on the protein-protein interactions of BSA (Bovine Serum Albumin, from 10 up to 50 mg/ml) was evaluated by SAXS. Our results give support to infer that BSA keeps its native shape (similar to the Human Serum Albumin, HSA, crystallographic structure) unaltered at middle-acid (pH 4.0) up to basic pHs (9.0). At pH 2.0, however, BSA undergoes an unfolding process, indicated by a non globular shape. The protein-protein interactions were analysed into the Random Phase Approximation. The results show that at smaller amounts of BSA (10 mg/ml) the interference effects are not significative over the SAXS curve for pH 5.4 up to 9.0. At pH 4.0 and 10 mg/ml, however, an attractive potential takes place over the SAXS curves, that becomes repulsive with increasing BSA concentration. Besides, at pH 5.4 and 50 mg/ml, we evidenced a dimer-monomer co-existence in the solution. At pH 2.0 and 25 and 50 mg/ml, BSA undergoes to a compact conformation. Probably, BSA is in a molten globule state. Our results give also support to infer that probably, the exclude volume effect plays an important role on the protein stability in vivo.

A proteína tirosina fosfatase eta de rato (rPTPeta), é uma RPTP transmembranar do tipo classe I. A rPTP eta e seu homólogo DEP-1 provenientes, respectivamente, de ratos e de humanos, estão inibidas em células neoplásicas. Este fenótipo maligno é revertido após reconstituição exógena, o que sugere que a capacidade restauradora da rPTP eta pode ser uma ferramenta importante na terapia de alguns tipos de câncer. Portanto, o objetivo deste projeto incluiu o estudo molecular, biofísico e estrutural do domínio catalítico da rPTPeta (rPTPetaDC). Para isso, sub-clonamos no vetor pET-28a(+) o inserto que codifica para a região C-terminal da rPTPeta . Em seguida, bactérias E. coli da linhagem BL21 (DE3) foram transformadas com o plasmídeo e a proteína recombinante expressada e purificada. A His6-rPTPetaDC purificada teve a cauda de histidina subseqüentemente removida por digestão com trombina. O ponto isoelétrico de 7,3 da proteína de 41kDa foi medido experimentalmente e a sua funcionalidade acessada pelo ensaio de hidrólise do pNPP. A enzima apresentou uma atividade específica de 9nmol/min/microg a qual é compatível com as atividades específicas descritas para as RPTPu, RPTPalfa, PTPB1 e SHP2. A estrutura secundária e a estabilidade da rPTPetaDC recombinante foi analisada por dicroísmo circular e espectroscopia de fluorescência. A rPTPetaDC mostrou-se estável a 18 graus Celsius e propriamente enovelada (Santos, et al., Prot. Expr. Purif., 2005. Anexo A). A proteína foi, em seguida, submetida a diferentes condições de cristalização e a estudos estruturais em solução. Nas condições de 0,1M de MES, pH 6,5 e 20% PEG 10000 cresceram cristais que difrataram na resolução de 1,87Å. Os cristais pertencem ao grupo espacial P2(1)2(1)2(1) com parâmetros de célula unitária: a=46,46; b=63,07; c=111,64 Å, e com uma única molécula por unidade assimétrica (Matozo, et al., Acta crystallogr. F, 2006. Anexo B). A estrutura da rPTPetaDC, em solução, foi analisada usando-se a técnica de SAXS e medidas de anisotropia de fluorescência. Os dados de SAXS mostraram que a proteína, forma dímeros alongados, com Rg de 2,65nm e Dmax de 8,5nm. A conformação da rPTPetaDC analisada por modelos de homologia sugere que seu dímero está mais próxima da estrutura cristalográfica dimérica da RPTPalfa-D1. Alem disso, a caracterização da rPTPetaDC por anisotropia de fluorescência demonstrou que o Kd do dímero da rPTPetaDC é de 21,6 + 2,0uM e a variação da energia livre de Gibbs dímero-monômero é de 7,2kcal/mol (Mtozo, et al., Biophys. J., 2007. Anexo C ). / The rat protein tyrosine phosphatase eta, rPTPeta, is a transmembrane RPTP, with an intracellular portion composed of a unique catalytic region. The rPTPeta and the human homolog DEP-1 are down-regulated in rat and human neoplastic cells, respectively. However, the malignant phenotype is reverted after exogenous reconstitution of rPTPeta, suggesting that its function restoration could be an important tool for gene therapy of several types of cancer. Therefore, the objective of our project aimed on the molecular, biophysical and structural study of the catalytic domain of rPTPeta, rPTPetaDC. We began our study cloning the rPTPetaDC into PET28a(+) vector, followed by its expression in Escherichia coli, and purification. The His6-tag from the rPTPetaDC purified was subsequently removed by thrombin digestion. PhastGel IEF electrophoresis demonstrated that the isoelectric point of the 41kDa was 7.3. To assess the functionality of the rPTPetaDC we used the pNPP hydrolysis assay and observed that the enzyme has a specific activity of 9nmol/min/ug. The experimentally determined rPTPetaDC specific activity showed to be in the same range as the previously reported activities for RPTPu, RPTPalfa, PTPB1 and SHP2. The secondary structure and stability of the recombinant protein was analyzed by circular dichroism and fluorescence spectroscopy. The results demonstrated that rPTPetaDC was stable at 18 Celsius and properly folded (Santos, et al., Prot. Expr. Purif., 2005. In attachment A). Then, the purified protein was submitted to different crystallization conditions and structural studies in solution. Crystals appeared at 0.1M MES, pH 6.5 and 20% PEG 10,000 and diffracted with resolution of 1.87Å. The crystals belong to spatial group P2(1)2(1)2(1) with unit cell parameters of a=46.46, b=63.07, c=111.64Å and contained one molecule for asymmetric unit (Matozo, et al., Acta crystallog. F, 2006. In attachment B). Also, the structural of rPTPetaDC, in solution, was analyzed by SAXS and fluorescence anisotropy. SAXS data showed that the protein forms elongated dimers in solution with an Rg of 2.65nm and a Dmax of 8.5nm. The rPTPetaDC conformation in solution, studied by homology models, suggested that the rPTPetaDC dimer architecture is more closely related to the crystal structure of RPTPalfa-D1. The characterization of rPTPetaDC by fluorescence anisotropy measurements demonstrated that the Kd of the dimer is 21.6 + 2.0uM and the energy Gibbs dimer-monomer is equal to 7.2kcal/mol (Matozo, et al., Bioph. J., 2007. In attachment C).

Neste trabalho, avaliou-se a quantidade de informação diagnóstica contida na distribuição da radiação espalhada em mamografia, através de simulações Monte Carlo (MC). Para isto, este trabalho consistiu de dois objetivos: o primeiro diz respeito ao desenvolvimento de um código MC para o transporte de fótons em radiodiagnóstico, com ênfase em mamografia. O segundo diz respeito ao estudo da distribuição da radiação espalhada pela mama, e seu potencial diagnóstico. O modelo geométrico adotado nas simulações consistiu de uma mama comprimida semi-infinita, com um nódulo esférico inserido, simulando um nódulo maligno. Um receptor plano ideal foi posicionado abaixo da mama, a uma distância h. A distribuição angular da radiação espalhada pela mama, e sua distribuição espacial sobre o receptor, foram obtidas para um feixe estreito incidindo perpendicularmente sobre a superfície da mama. Estas distribuições foram utilizadas para calcular valores de contraste (CS) e razão contraste-ruído (CNRS) dos fótons espalhados, comparando as distribuições provenientes de regiões da mama sem e com o nódulo. Valores de CS e CNRS foram estudados para diferentes energias do feixe incidente, tamanho e posição do nódulo, e espessura e composição da mama. A influência de feixes polienergéticos nos valores de CS e CNRS também foi investigada. Para a distribuição espacial da radiação espalhada, valores de CS e CNRS também foram estudados como função da distância do receptor à mama. Os resultados mostram que a distribuição da radiação espalhada apresenta picos de espalhamento, que são produzidos pelos fótons elasticamente espalhados, e estão relacionados com a composição da mama. As distribuições angulares de CS e CNRS mostraram que valores máximos destas distribuições ocorrem próximos ao primeiro pico de espalhamento. Valores de CS maiores que o contrate primário foram obtidos em todas situações analisadas, embora o CNRS tenha se mostrado consideravelmente mais baixo que o CNR primário. As distribuições espaciais de CS e CNRS no receptor indicam que o uso de um receptor plano não reduz os valores de CS, comparados com os obtidos para a distribuição angular, embora o CNRS decresça a medida que h aumenta. Imagens planares, obtidas utilizando o feixe espalhado, mostram que, além de fornecer valores de contraste maiores que o contraste primário, a técnica permite realçar um determinado tipo de tecido na imagem, a partir da seleção de um determinado valor de momentum transferido x. Os resultados obtidos neste trabalho indicam que a radiação espalhada contém informação diagnóstica a respeito da presença de um nódulo na mama. Estudos futuros a respeito da otimização das condições de irradiação da mama e detecção da radiação espalhada devem ser realizados, a fim de se aumentar os valores de CNRS, sem comprometer os valores de CS. / In this work, the potential of forward x-ray scattering for contrast enhancement of malignant nodules in mammography was studied through MC simulations. This work consisted of two objectives: the ¯rst one refers to the development of a Monte Carlo (MC) code for simulation of photon transport in radiodiagnostic, focusing on mammography. The second objective refers to the study of the distribution of scattered photons by the breast, and its diagnostic potential. The geometric model adopted in the simulations consisted of a semi-in¯nite compressed breast, with a spherical nodule inserted within it, simulating a nodule. A planar ideal receptor was positioned under the breast, at a distance h from it. The angular distribution of scattered photons exiting the breast, and its spatial distribution on the receptor, were obtained for a pencil beam impinging normally on the breast surface. These distributions were used to compute values of scatter contrast (CS) and contrast-to-noise ratio (CNRS), by comparing the signal from regions of the breast without and with the nodule. Values of CS and CNRS were studied for di®erent beam energies, nodule size and position, and breast thickness and composition. In°uence of polienergetic spectra on CS and CNRS were also investigated. For the spatial distribution of scattered photons on the receptor, values of CS and CNRS were also studied as a function of the distance of the receptor to the breast. Results show that the distributions of scattered photons present scattering peaks, which are yielded by the elastic scattered photons, and are related to the breast composition. The angular distributions of CS and CNRS showed that maximum values occur close to the adipose scattering peak. Values of CS greater than primary contrast were obtained in all situations analyzed, although the CNRS was considerably lower than primary CNR. The spatial distributions of CS and CNRS indicate that the use of a planar receptor does not reduce the values of CS, compared with those from the angular distribution, although the CNRS decreases as h increases. Planar images, obtained for the scattered beam, showed that, in addiction to contrast enhancement, this technique allows the accentuation of a given tissue in image, by selecting a given value of transfer momentum x. The results obtained in this work indicate that scattered radiation contains diagnostic information about the presence of a nodule within the breast. Further studies, regarding optimization of conditions of breast irradiation and radiation detection, should be performed, in order to increase values of CNRS, without reducing values of CS.

A parede das plantas é formada por uma matriz composta principalmente por celulose, hemicelulose e lignina. Celulose é o principal polissacarídeo das paredes das plantas, apresentando alta cristalinidade e recalcitrância. Xiloglucano (XyG) é um polissacarídeo complexo envolvido no controle da expansão celular e na biossíntese de componentes da parede celular vegetal. Uma complexa rede entre XyG e celulose é mediada por ligações de hidrogênio. A eficiente hidrólise de XyG e celulose é uma estratégia promissora na desconstrução da biomassa lignocelulósica pela ação orquestrada de CAZymes. Aqui são descritas as caracterizações funcional e estrutural de três novas enzimas das hidrolase de glicosídeos das famílias 9 (BlCel9), 48 (BlCel48) e 74 (XcGH74). XcGH74 é uma xiloglucanase de Xanthomonas campestris altamente específica para XyG. Durante a hidrólise do XyG por XcGH74 XX e XG são os produtos finais. A estrutura cristalográfica dessa enzima foi resolvida e as razões moleculares para sua alta permissibilidade no reconhecimento de XyG analisadas. Os resultados sugerem que XcGH74 cliva XyG preferencialmente entre motivos X&ndash;X; no entanto, não hidrolisa entre os motivos L&ndash;L, onde uma substituição da cadeia lateral é um pré-requisito para o reconhecimento do substrato. BlCel9 e BlCel48 são celulases de Bacillus licheniformis. BlCel48 é cataliticamente estável em uma ampla gama de temperaturas e pHs exibindo atividade em celulose inchada com ácido fosfórico (PASC) e celulose bacteriana (BC). BlCel48 libera predominantemente celobiose, e também pequenas quantidades de celotriose, celotetraose como produtos do PASC e tem processividade aparente 4,6 vezes maior em BC do que em PASC. Análises de espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS) mostraram que essa enzima é globular e monomérica em solução. A estrutura cristalográfica de BlCel48 foi resolvida na presença de ligantes nas posições -5 a -2 e +1 a +2 no sítio catalítico. A especificidade no reconhecimento de celo-oligossacarídeo foi investigada por cromatografia de troca aniônica de alto desempenho (HPLC-PAD), cristalografia de proteínas e análise de acoplamento estatístico, mostrando que esta enzima possui endo iniciação durante a hidrólise de PASC. BlCel9 é uma endoglucanase que exibe eficiência catalítica máxima em pH 7,0 e 60 &deg;C. Tem maior atividade em PASC, seguida por BC e, em menor grau, carboximetilcelulose (CMC). A análise por HPAEC-PAD dos produtos hidrolíticos demonstrou que o produto final da hidrólise é principalmente celobiose. Análises de dados cristalografia de raios X e SAXS mostraram que essa enzima é monomérica em solução, conforme estimado a partir dos dados do SAXS. Tem uma forma alongada composta por um módulo de ligação à carboidratos (CBM3c) N-terminal ligado ao domínio catalítico (GH9) C-terminal por um linker de 20 aminoácidos. Os domínios estão intimamente justapostos em uma conformação estendida e formam uma estrutura relativamente rígida em solução, indicando que as interações entre os domínios catalíticos e CBM3c desta enzima têm um papel cooperativo no reconhecimento da celulose. Juntos, esses resultados lançam alguma luz sobre a relação entre estrutura e função das hidrolases glicosídicas das famílias 9, 48 e 74. / Plant cell walls form a matrix composed mainly of cellulose, hemicellulose, and lignin. Cellulose is the main polysaccharide of the plant cell walls with high crystallinity and recalcitrance. Xyloglucan (XyG) is a complex polysaccharide involved in the control of cell expansion and biosynthesis of cell walls components. A complex crosslink between XyG and cellulose is mediated by H-bonds. An efficient hydrolysis of XyG and cellulose is a promising strategy to achieve an effective lignocellulosic biomass deconstruction by orchestrated action of CAZymes. Here are described the functional and structural characterization of three novel enzymes belonging to glycoside hydrolase families 9 (BlCel9), 48 (BlCel48) and 74 (XcGH74). XcGH74 is a highly specific xyloglucanase from Xanthomonas campestris . During the XyG hydrolysis, XX and XG are its end products. We also solved the structure of this enzyme and analyzed molecular reasons for its high permissibility in XyG recognition. These results suggest that the XcGH74 is able to cleave XyG preferentially between X-X motifs; however, it is unable to hydrolyze the polysaccharide between L-L motifs where a side-chain substitution is a prerequisite to improved substrate recognition. The BlCel9 and BlCel48 are cellulases from Bacillus licheniformis. BlCel48 is catalytically stable in a broad range of temperatures and pH conditions, exhibiting hydrolytic activity against phosphoric acid swollen cellulose (PASC) and bacterial cellulose (BC). BlCel48 releases predominantly cellobiose, and also small amounts of cellotriose and cello-tetraose as products from PASC with apparent processivity 4.6-times greater performance on BC than on PASC. Small-angle X-ray scattering (SAXS) data analysis revealed a globular molecular shape and monomeric state in solution. The crystal structure of BlCel48 was solved and used in presence of ligands spanning -5 to -2 and +1 to +2 subsites into the catalytic site. The specificity of the recognition of the cello-oligosaccharide was investigated by high-performance anion exchange chromatography (HPLC-PAD), protein crystallography, and statistical coupling analysis, which showed that this enzyme has an endo-like initiation on PASC. BlCel9 is a processive endoglucanase exhibiting maximum catalytic efficiency at pH 7.0 and 60 &deg;C, exhibiting highest hydrolytic activity against PASC, followed by BC, and to a lesser extent carboxymethyl-cellulose (CMC). The HPAEC-PAD analysis of the hydrolytic products demonstrated that the end product of the enzymatic hydrolysis is primarily cellobiose. SAXS and X-ray crystallographic data analyses revealed that this enzyme adopts a monomeric state in solution, as estimated from SAXS data; has an elongated shape composed of an N-terminal family 3 carbohydrate-binding module (CBM3c) and a C-terminal GH9 catalytic domain joined together by 20 amino acid residue long linker peptides. The domains are closely juxtaposed in an extended conformation and form a relatively rigid structure in solution, indicating that the interactions between the CBM3c and GH9 catalytic domains might play a key role in cooperative cellulose recognition. Together, these results shed some light on the structure-function relationship of glycoside hydrolases from families 9, 48 and 74.

Esta tese apresenta resultados da caracterização estrutural de três sistemas de classes diferentes por meio, principalmente, da modelagem de dados de espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS). No sistema surfactante-surfactante as micelas mistas são formadas por dodecil sulfato de sódio (SDS) e um dos surfactantes da série Tween (Tween 20, 40, 60 e 80). A modelagem adotada impôs vínculos moleculares uma vez que os dados de SAXS estavam em escala absoluta. Isso reduziu a ambiguidade nos valores dos parâmetros ajustáveis e permitiu verificar que os dados de SAXS são satisfatoriamente descritos considerando-se que as micelas são elipsoides de revolução core-shell, podendo ser prolatas ou oblatas dependendo do tipo de Tween empregado. Para o sistema proteína-surfactante, a metodologia experimental utilizada permitiu um estudo estrutural e termodinâmico dos complexos formados por meio do acompanhamento do processo de ligação de SDS às proteínas lisozima e alfa-lactalbumina. A técnica de calorimetria de titulação isotérmica (ITC) forneceu um panorama geral sobre a desnaturação proteica e norteou os experimentos seguintes de SAXS e dicroísmo circular (CD). Por meio da análise dos dados de CD concluiu-se que as proteínas perdem quase totalmente sua estrutura terciária, mas não a secundária (esse estado é conhecido como molten globule). Já a modelagem de SAXS em escala absoluta com imposição de vínculos permitiu concluir que os complexos proteína-surfactante podem ser entendidos micelas decoradas, isto é, a proteína está distribuída sobre a superfície de uma micela de SDS. Esse modelo, aliado à abordagem experimental empregada, permitiu a caracterização sistemática dos complexos durante a desnaturação proteica. Em relação ao sistema lipossomas-(bio)ativos, a análise dos dados de SAXS por meio do Método da Deconvolução Gaussiana usando bicamadas simétricas, para os sistemas Phospholipon 90H curcumina/vitamina D3 e dipalmitoilfosfatidilcolina de soja (DPPC) ácido láurico (LA), e assimétricas, para o caso fosfatidilcolina de ovo (EPC) sumatriptano (SMT), permitiu acompanhar mudanças na estrutura das mesmas ocasionadas pela presença dos (bio)ativos. Verificou-se em todos os casos que a espessura da bicamada se mantém praticamente constante. A flexibilidade membranar aumenta, seja em função da temperatura, para o sistema Phospholipon 90H curcumina/ vitamina D3, seja em função da concentração de (bio)ativos, como nos outros dois casos. Para estes, concluiu-se pela análise dos perfis de contraste de densidade eletrônica que os (bio)ativos interagem preferencialmente com as cabeças polares dos fosfolipídeos que constituem os lipossomas, possivelmente causando defeitos topológicos nessa região e ocasionando o aumento da flexibilidade membranar mencionada antes. LA, diferentemente de SMT, induz uma transição de lipossomas multilamelares para unilamelares, e esse fenômeno é grandemente influenciado pelo pH do meio. / This thesis presents a structural characterization of three systems of different classes through, mainly, the small angle X-ray scattering (SAXS) technique. In the surfactant-surfactant system the mixed micelles are composed by sodium dodecyl sulfate (SDS) and one of the Tween surfactants (Tween 20, 40, 60 and 80). The adopted modeling imposed molecular constraints since the SAXS data was in absolute scale. This procedure reduced the ambiguity in the values of the adjustable parameters and allowed to verify that SAXS data is satisfactorily described considering that the micelles are core-shell revolution ellipsoids which can be prolate or oblate depending on the type of Tween used in the micelle. For the protein-surfactant system, the applied experimental methodology allowed a structural and thermodynamic study of the complexes formed through monitoring the binding of SDS to the proteins lysozyme and alpha-lactalbumin. Isothermal titration calorimetry (ITC) technique provided an overview of proteic denaturation and guided the following experiments of SAXS and circular dichroism (CD). From CD data analysis it was concluded that the proteins lose almost totally their tertiary structure, but not the secondary one (this state is known as \"molten globule\"). On the other hand, SAXS data modeling in absolute scale with molecular constraints leaded to the conclusion that protein-surfactant complexes can be considered decorated micelles in which the protein is distributed over a SDS micelle surface. This model, combined to the adopted experimental procedure, allowed the systematic characterization of the complexes along the protein denaturation. In the liposome-(bio)actives system, the SAXS data analysis using the Gaussian Deconvolution Method assuming symmetric bilayers, for the systems Phospholipon 90H curcumin /vitamin D3 and soybean dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) lauric acid (LA), and asymmetric bilayers, in the case of egg phosphatidylcholine (EPC) sumatriptan (SMT) system, allowed to follow changes in the lipid bilayer structure induced by the presence of the (bio)actives. It has been found, in all cases, that the bilayer thickness remains approximately. Membrane flexibility increases, depending on the temperature, for the Phospholipon 90H curcumin /vitamin D3 system, or as a function of the (bio)actives concentrations, as in the other two cases. For those, it was concluded, by the analysis of electron density contrast profiles, that the (bio)actives preferentially interact with the polar heads of the phospholipids forming the liposomes, possibly causing topological defects in that region and leading the membrane flexibility increase. LA, unlike SMT, induces a transition from multilamellar to unilamellar liposomes, and this phenomenon is greatly influenced by the pH of the medium.

Esta tese apresenta resultados da caracterização estrutural de três sistemas de classes diferentes por meio, principalmente, da modelagem de dados de espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS). No sistema surfactante-surfactante as micelas mistas são formadas por dodecil sulfato de sódio (SDS) e um dos surfactantes da série Tween (Tween 20, 40, 60 e 80). A modelagem adotada impôs vínculos moleculares uma vez que os dados de SAXS estavam em escala absoluta. Isso reduziu a ambiguidade nos valores dos parâmetros ajustáveis e permitiu verificar que os dados de SAXS são satisfatoriamente descritos considerando-se que as micelas são elipsoides de revolução core-shell, podendo ser prolatas ou oblatas dependendo do tipo de Tween empregado. Para o sistema proteína-surfactante, a metodologia experimental utilizada permitiu um estudo estrutural e termodinâmico dos complexos formados por meio do acompanhamento do processo de ligação de SDS às proteínas lisozima e alfa-lactalbumina. A técnica de calorimetria de titulação isotérmica (ITC) forneceu um panorama geral sobre a desnaturação proteica e norteou os experimentos seguintes de SAXS e dicroísmo circular (CD). Por meio da análise dos dados de CD concluiu-se que as proteínas perdem quase totalmente sua estrutura terciária, mas não a secundária (esse estado é conhecido como molten globule). Já a modelagem de SAXS em escala absoluta com imposição de vínculos permitiu concluir que os complexos proteína-surfactante podem ser entendidos micelas decoradas, isto é, a proteína está distribuída sobre a superfície de uma micela de SDS. Esse modelo, aliado à abordagem experimental empregada, permitiu a caracterização sistemática dos complexos durante a desnaturação proteica. Em relação ao sistema lipossomas-(bio)ativos, a análise dos dados de SAXS por meio do Método da Deconvolução Gaussiana usando bicamadas simétricas, para os sistemas Phospholipon 90H curcumina/vitamina D3 e dipalmitoilfosfatidilcolina de soja (DPPC) ácido láurico (LA), e assimétricas, para o caso fosfatidilcolina de ovo (EPC) sumatriptano (SMT), permitiu acompanhar mudanças na estrutura das mesmas ocasionadas pela presença dos (bio)ativos. Verificou-se em todos os casos que a espessura da bicamada se mantém praticamente constante. A flexibilidade membranar aumenta, seja em função da temperatura, para o sistema Phospholipon 90H curcumina/ vitamina D3, seja em função da concentração de (bio)ativos, como nos outros dois casos. Para estes, concluiu-se pela análise dos perfis de contraste de densidade eletrônica que os (bio)ativos interagem preferencialmente com as cabeças polares dos fosfolipídeos que constituem os lipossomas, possivelmente causando defeitos topológicos nessa região e ocasionando o aumento da flexibilidade membranar mencionada antes. LA, diferentemente de SMT, induz uma transição de lipossomas multilamelares para unilamelares, e esse fenômeno é grandemente influenciado pelo pH do meio. / This thesis presents a structural characterization of three systems of different classes through, mainly, the small angle X-ray scattering (SAXS) technique. In the surfactant-surfactant system the mixed micelles are composed by sodium dodecyl sulfate (SDS) and one of the Tween surfactants (Tween 20, 40, 60 and 80). The adopted modeling imposed molecular constraints since the SAXS data was in absolute scale. This procedure reduced the ambiguity in the values of the adjustable parameters and allowed to verify that SAXS data is satisfactorily described considering that the micelles are core-shell revolution ellipsoids which can be prolate or oblate depending on the type of Tween used in the micelle. For the protein-surfactant system, the applied experimental methodology allowed a structural and thermodynamic study of the complexes formed through monitoring the binding of SDS to the proteins lysozyme and alpha-lactalbumin. Isothermal titration calorimetry (ITC) technique provided an overview of proteic denaturation and guided the following experiments of SAXS and circular dichroism (CD). From CD data analysis it was concluded that the proteins lose almost totally their tertiary structure, but not the secondary one (this state is known as \"molten globule\"). On the other hand, SAXS data modeling in absolute scale with molecular constraints leaded to the conclusion that protein-surfactant complexes can be considered decorated micelles in which the protein is distributed over a SDS micelle surface. This model, combined to the adopted experimental procedure, allowed the systematic characterization of the complexes along the protein denaturation. In the liposome-(bio)actives system, the SAXS data analysis using the Gaussian Deconvolution Method assuming symmetric bilayers, for the systems Phospholipon 90H curcumin /vitamin D3 and soybean dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) lauric acid (LA), and asymmetric bilayers, in the case of egg phosphatidylcholine (EPC) sumatriptan (SMT) system, allowed to follow changes in the lipid bilayer structure induced by the presence of the (bio)actives. It has been found, in all cases, that the bilayer thickness remains approximately. Membrane flexibility increases, depending on the temperature, for the Phospholipon 90H curcumin /vitamin D3 system, or as a function of the (bio)actives concentrations, as in the other two cases. For those, it was concluded, by the analysis of electron density contrast profiles, that the (bio)actives preferentially interact with the polar heads of the phospholipids forming the liposomes, possibly causing topological defects in that region and leading the membrane flexibility increase. LA, unlike SMT, induces a transition from multilamellar to unilamellar liposomes, and this phenomenon is greatly influenced by the pH of the medium.

O objetivo desse projeto foi o de produzir sílica mesoporosa ordenada (SMO) do tipo SBA-15 com fósforos. A incorporação dos fósforos às paredes da sílica foi realizada através de um único processo de síntese. Os métodos experimentais utilizados para caracterização das amostras foram: RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) para a análise química, SAXS (Small Angle X Ray Scattering), XRD (X Ray Diffraction) e NAI (Nitrogen Adsorption Isotherms) para a análise estrutural destes materiais, além da fotoluminescência. Para a caraterização morfológica complementar das amostras, foi utilizado o SEM (Scanning Electron Microscopy). A incorporação de Eu na matriz de sílica preserva a estrutura de poros ordenada. Os resultados de XRD mostraram a formação de óxidos de európio. A partir dos resultados obtidos observaram-se diferentes efeitos da presença e ausência de sobrenadante durante o período de secagem nas amostras preparadas, como por exemplo, alterações de morfologia. As amostras preparadas com sobrenadante apresentaram menor área superficial e volume de poros. Materiais que mantiveram o sobrenadante apresentaram maior conteúdo de Eu e maior intensidade de luminescência. / The aim of this project was to synthesize ordered mesoporous silica (OMS) with phosphorus. The incorporation of phosphorus to the silica walls was performed by means of a one pot synthesis process. The experimental methods used to characterize the samples were: RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) for chemical analysis, SAXS (Small Angle X Ray Scattering), XRD (X Ray Diffraction) and NAI (Nitrogen Adsorption Isotherms) for structural analysis, besides fluorescence. SEM (Scanning Electron Microscopy) was used for complementary morphological characterization of the samples. The Eu incorporation in the silica matrix preserves the ordered mesoporous structure. The XRD results showed the presence of europium oxides. The presence and absence of the liquid solution during the drying process caused the formation of samples with different properties, as, for example, modification in morphology. Samples prepared in the presence of the liquid solutions showed smaller surface area and pore volume. Materials prepared with the liquid solution during the drying process presented larger Eu content and higher photoluminescence intensity.

A análise de proteínas como redes é uma ferramenta poderosa para compreender as suas propriedades e a importância relativa de seus resíduos. Nesta análise, os resíduos que interagem entre si, covalentemente ou não, são chamados conectados. Nesta abordagem, alguns resíduos contribuem mais fortemente para manter as propriedades da rede, sendo chamados de centrais. Diversos trabalhos têm apontado que resíduos centrais da Rede de Estrutura Proteica também são importantes nas propriedades das proteínas, desempenhando papéis na catálise, estabilidade térmica e alosteria. No entanto, existe falta de trabalhos desenhados de forma sistemática para confirmar esta hipótese. Neste sentido, esta tese tem como objetivo avaliar se existe correlação entre a centralidade dos resíduos de uma enzima, a beta-glicosidase de Spodoptera frugiperda, Sf&#946;gli, e a importância destes resíduos na determinação das suas propriedades. Para isso, foram utilizadas duas abordagens (capítulo 1): Na primeira, os resíduos centrais foram diretamente perturbados substituindo-os, através de mutação sítio-dirigida, por alanina. Na segunda, perturbações no resíduo central foram feitas modificando a vizinhança deste resíduo através de mutações que introduziram ou removeram volume de seu entorno. A partir disso, foi avaliado se estas perturbações afetaram as propriedades Sf&#946;gli. De forma geral, foi observado (capítulo 2) que as perturbações nos resíduos centrais por ambas abordagens afetam significativamente a termoestabilidade da proteína, reduzindo a sua Tm em até 15°C e aumentando a velocidade de sua desnaturação térmica em até mais de 20 vezes. Além disso, a atividade catalítica de Sf&#946;gli é reduzida por estas perturbações (capítulo 3), sendo que este efeito e a perda da termoestabilidade parecem resultar da mesma causa, a perturbação do resíduo central. No capítulo 4, a investigação do estado oligomérico da Sf&#946;gli por SAXS revelou que esta ocorre preponderantemente como dímero em citrato-fosfato 100 mM pH 6,0, mas como um grande oligômero, possivelmente um dodecâmero, em fosfato 10 mM pH 6,0. Paralelamente foi demonstrado que Sf&#946;gli passa por uma ativação quando em tampão fosfato 10 mM, convergindo para as propriedades cinéticas de Sf&#946;gli em citrato-fosfato 100 mM. Redes de Estrutura Proteica foram produzidas considerando-se também a interação entre as cadeias polipeptídicas constituintes de oligômeros de Sf&#946;gli (dímeros, tetrâmeros e hexâmeros). Assim, observou-se que cinco resíduos são sempre centrais por betweeness, mesmo considerando diferentes oligomêros da Sfgli. Destes, E187, P188 e N329 desempenham papéis conhecidos na catálise e S247 e N249 foram caracterizados nesta tese. Por fim, no capítulo 5, analisando a centralidade dos resíduos da Rede Estrutural da Sf&#946;gli, observa-se uma preponderante presença de resíduos centrais por C&#916;Lp, closeness e betweeness no topo do beta-barril, demonstrando que esta região é muito próxima dos demais resíduos da proteína. Além disso, uma análise da centralidade dos resíduos de 21 beta-glicosidases GH1 revelou que resíduos centrais por closeness são bastante conservados, sendo encontrados predominantemente no sítio ativo destas enzimas, enquanto que dentre os centrais por betweeness há variabilidade. Portanto os resultados apresentados nesta tese suportam experimentalmente a hipótese de que a centralidade dos resíduos na Rede de Estrutura Proteica é correlacionada com propriedades funcionais das proteínas. / Analysis of protein structures as networks has been shown a powerful tool to understand their properties and to identify important residues. In the network analysis, residues that interact with each other are called connected. Some residues are essential to shorten the connection pathways between distant residues in the protein structure, being called central. Central residues have been proposed to have important roles in catalysis, thermal stability and allostery. In order to experimentally assess the correlation between the residue centrality and its importance in the protein properties, we use two approaches (chapter 1): The first one is to make single mutations at the central residues of a betaglucosidase Sf&#946;gly, changing those residues to alanine. The second one is to perturb a central residue (F251) by changing its environment through single mutations that introduces voids or additional volume. Next, we evaluate how those mutations affect the protein thermostability and function. In general, we have observed (chapter 2) that mutations at central residues reduce the Tm in 2 - 15°C and increase the unfolding rate up to 20 times, suggesting that damages in the central residues make the protein more unstable. Moreover, we have observed (chapter 3) that the perturbation of the central residues reduces Sf&#946;gly catalysis, which seems to arise from the same cause that lead to the loss of thermal stability. Besides that, in chapter 4, the investigation of oligomeric state of Sfgli using SAXS indicated that this protein is mainly a dimer in 100 mM citrate-phosphate pH 6,0, whereas it forms large oligomers, possibly dodecamers, in 10 mM phosphate pH 6,0. In parallel it was shown that Sf&#946;gly undergoes an activation process in 10 mM phosphate and its kinetic parameters converge to those observed for Sf&#946;gly in 100 mM citrate-phosphate. Protein Structural Networks were built considering also that there are links between the polypeptidic chains of the Sf&#946;gly oligomers. We observed 5 residues that are central in all kind of oligomeric structures here analyzed. Three of these residues, E187, P188 and N329, play important roles in the catalysis of this enzyme, and two of them (S247 and N249 are described in this thesis. Lastly, in the chapter 5, we observed that central residues by closeness, betweeness and C&#916;Lp are concentrated at the top of the beta-barrel (C-terminal end of the beta-strands and subsequent loops), suggesting that this region, where the active site is placed, is close, in terms of contacts, to the whole Sf&#946;gly structure. Moreover, we have built the Protein Structural Network of 21 beta-glucosidases of the Glucoside Hydrolases family 1, revealing that the closeness central residues are highly conserved, being located in the active site of these enzymes. On the other hand, betweeness central residues are located in the same sites in the structure of different beta-glucosidases, but they are not always conserved. Shortly, these data experimentally support the hypothesis that the residue centrality in Protein Structural Network is correlated with the protein properties, as catalysis and stability.