Esta tese alia dois enfoques principais dentro da Química Farmacêutica. Por um lado, busca explorar uma nova fonte de insumos naturais, cascas de Malus  domestica, com vistas a obtenção dos triterpenos ácidos ursólico (AU) e betulínico (AB); e por outro lado, estuda a relação dos derivados triterpênicos semissintéticos obtidos com a proteína-alvo (PfATP6) destacada atualmente na literatura da terapia da malária com vistas ao planejamento de novos antimaláricos. O primeiro Capítulo inclui o desenvolvimento de um método eficiente, fácil e extremamente rápido onde são combinadas as técnicas de extração por ultrassom (UAE) e análise por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência Acoplada a Detector de Espectroscopia de Massas (LC-MS), para identificação e doseamento dos ácidos ursólico (AU) e betulínico (BA) em extratos de cascas frescas de maçã de cinco clones das cultivares Gala e Fuji (“Baigent”, “Fuji Mishima”, “Fuji Suprema”, “Fuji Select” and “Maxi Gala”) oriundas da Região Sul do Brasil. Os parâmetros cromatográficos do método analítico incluem: ionização por eletro spray em modo positivo (ESI+), fluxo de 1,0 mL/min, em modo de eluição isocrático, consistindo de 80% acetonitrila e 20% acetato de amônio 10 mM em pH 6,0 e temperatura ambiente. O método desenvolvido foi validado e mostrou ser seletivo, sensível (LOD e LOQ de 0,087 e 0,266 μg/mL para BA, e 0,398 e 2,117 μg/ mL para UA), coeficiente de regressão linear (r >0.99), preciso, exato e robusto para os analitos de interesse. A otimização do método combinado de UAE com LC-MS permitiu concluir os procedimentos de extração e análise em tempo inferior a 4 h, uma vez que o método não requer a secagem da amostra, etapa que demanda longos tempos de processamento. Este método foi aplicado e forneceu a primeira caracterização fitoquímica dos cinco clones de maçã estudados. Os resultados demonstraram que o método combinado de UAE-LC-MS é adequado às práticas do controle de qualidade. O segundo Capítulo apresenta o estudo da interação dos ligantes semissintéticos derivados dos AU e AB, sintetizados pelo nosso grupo de pesquisa, com a proteína Ca2+-ATPase do Plasmodium falciparum (PfATP6), através do emprego da técnica de Docking Molecular. A PfATP6 é descrita como um importante alvo para novos antimaláricos como Artemisinina (ART), cujo mecanismo de ação inclui, dentre outros, a modulação da homeostasia do cálcio intracelular. Investigações conduziram à hipótese do extravasamento do cálcio, do interior do retículo sarco-endoplasmático como mecanismo plausível para ação dos derivados triterpênicos do AU e AB. Os escores de energia determinados no Docking, de cada um dos nove ligantes (derivados triterpênicos) e quatro compostos de controle (ácidos ursólico e betulínico, artemisinina (ART) e tapsigargina (TPG) foram determinados (análises realizadas em triplicata) e correlacionados com os valores de IC50, para a atividade antimalárica. Os resultados mostraram excelente correlação entre os escores de energia (com a PfATP6) e os valores de IC50, superior a 80% (r > 0,83360). O estudo fornece fortes evidências de que a PfATP6 pode constituir um alvo para os derivados pentacíclicos do estudo, bem como permitiu identificar o perfil conformacional dos ligantes e os principais resíduos do sítio de ligação (SL) da PfATP6 envolvidos nas interações; bem como, contribuiu para a melhor compreensão das propriedades envolvidas na interação do ligante com o receptor e mecanismo de ação. O terceiro Capítulo faz uso de Métodos Clássicos e Quânticos para descrever as mudanças conformacionais da proteína PfATP6. As simulações de Dinâmica Molecular do receptor na forma isolada e complexada com os ligantes foram realizadas durante 10 ns. As conformações finais obtidas para os receptores foram avaliadas em termos RMSD, efeito da presença dos ligantes no sítio de ligação e tipos de interações estabelecidas entre o ligante e o receptor. Os resultados mostraram que as proteínas PfATP6 e SERCA tendem a manter sua conformação nativa e que o modelo utilizado é adequado aos propósitos do estudo. O monitoramento dos resíduos da região citoplasmática das proteínas permitiu evidenciar o efeito alostérico da presença dos ligantes AU e ART no SL, sobre os domínios A e N, da PfATP6. Esse efeito reproduz as conformações E1 e E2, bem estabelecidas para PfATP6, na presença e ausência de Ca2+. As análises de Dinâmica Molecular corroboram os achados do Capítulo II ao evidenciarem o estabelecimento de interações de hidrogênio com os resíduos importantes do SL da PfATP6. Esses resultados fundamentam os indícios de que as bombas de Ca2+-ATPase (SERCA), possam ser de fato, um alvo para os derivados triterpênicos dos AU e AB. / This thesis combines two main focuses within Pharmaceutical Chemistry. On the one hand, it seeks to explore a new source of natural inputs, bark of Malus domestica, in order to obtain ursolic (UA) and betulinic acid (BA) triterpenes. On the other hand, it studies the relation of the semi-synthetic triterpenic derivatives obtained with the target proteins (PfATP6), currently highlighted in the literature on malaria therapy with a view to planning new antimalarial drugs. The first chapter includes the development of an efficient, easy and extremely fast method where ultrasonic extraction techniques (UAE) and high-performance liquid chromatography coupled to mass spectroscopy (LC-MS) are combined for identification and assay of ursolic acid (UA) and betulinic acid (BA) in fresh apple peel extracts from five clones of the Gala and Fuji cultivars (Baigent, Fuji Mishima, Fuji Suprema, Fuji Select and Maxi Gala ") in the Southern Region of Brazil. Chromatographic parameters of the analytical method include: electrospray ionization (ESI +), flow rate of 1.0 mL/min in isocratic elution mode, consisting of 80% acetonitrile and 20% 10 mM ammonium acetate at pH 6.0 and room temperature. The method was validated and proved to be selective, sensitive (LOD and LOQ of 0.087 and 0.266 μg/mL for BA, and 0.398 and 2.117 μg/mL for UA), linear regression coefficient (r> 0.99), accurate, robust for analytes of interest. The optimization of the combined method of UAE with LC-MS allowed to complete the procedures of extraction and analysis in less than 4 h, since the method does not require drying the sample, a stage that demands long processing times. This method was applied and provided the first phytochemical characterization of the five apple clones studied. The results demonstrated that the combined UAE-LC-MS method is suitable for quality control practices. The second chapter presents the study of the interaction of the semi-synthetic ligands derived from the UA and BA, synthesized by our research group, with the Plasmodium falciparum Ca2+-ATPase protein (PfATP6), using the Molecular Docking technique. PfATP6 is described as an important target for new antimalarials such as Artemisinin (ART), whose action mechanism includes, among others, the modulation of intracellular calcium homeostasis. Investigations led to the hypothesis of extravasation of calcium from the interior of the sarco-endoplasmic reticulum as a plausible mechanism for the action of the triterpenic derivatives of UA and BA. The Docking energy scores (binding energy) of each of the nine ligands (triterpenic derivatives) and four control compounds (ursolic and betulinic acids, artemisinin (ART) and tapsigargine (TPG)) with PfATP6, were calculated (analyses performed in triplicate) and correlated with its antimalarial IC50 value. The results showed an excellent correlation between energy scores (with PfATP6) and IC50 values, higher than 80% (r > 0.83360). The study supplies strong evidence that PfATP6 may be a target for the pentacyclic derivatives of the study, and also allowed identifying the conformational profile of the ligands and the main residues of the PfATP6 binding site (BS) involved in the interactions. It further contributed to a better understanding of the properties involved in the interaction of the ligand with the receptor and its action mechanism. The third chapter uses Classical and Quantum Methods to describe the conformational changes of the PfATP6 protein. The Molecular Dynamics simulations of the receptor in the isolated and complexed form with the ligands were performed for 10 ns. The final conformations obtained for the receptors were evaluated in RMSD terms, effect of the presence of ligands at the binding site and types of interactions established between the ligand and the receptor. The results showed that the PfATP6 and SERCA proteins tend to maintain their native conformations and that the model used is adequate for the purposes of the study. The monitoring of the residues of the cytoplasmic region of the proteins allowed evidencing the allosteric effect of the presence of UA and ART ligands in BS, on the A- and N-domains of PfATP6. This effect reproduces the well-established E1 and E2 conformations for PfATP6, in the presence and absence of Ca2+, respectively. Molecular Dynamics analyses corroborate the findings of Chapter II, by showing the possibility of establishing hydrogen interactions with the important residues of PfATP6 BS. These results support the evidence that Ca2+-ATPase (SERCA) pumps may be a target for the triterpenic derivatives of UA and BA.

Esta tese alia dois enfoques principais dentro da Química Farmacêutica. Por um lado, busca explorar uma nova fonte de insumos naturais, cascas de Malus  domestica, com vistas a obtenção dos triterpenos ácidos ursólico (AU) e betulínico (AB); e por outro lado, estuda a relação dos derivados triterpênicos semissintéticos obtidos com a proteína-alvo (PfATP6) destacada atualmente na literatura da terapia da malária com vistas ao planejamento de novos antimaláricos. O primeiro Capítulo inclui o desenvolvimento de um método eficiente, fácil e extremamente rápido onde são combinadas as técnicas de extração por ultrassom (UAE) e análise por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência Acoplada a Detector de Espectroscopia de Massas (LC-MS), para identificação e doseamento dos ácidos ursólico (AU) e betulínico (BA) em extratos de cascas frescas de maçã de cinco clones das cultivares Gala e Fuji (“Baigent”, “Fuji Mishima”, “Fuji Suprema”, “Fuji Select” and “Maxi Gala”) oriundas da Região Sul do Brasil. Os parâmetros cromatográficos do método analítico incluem: ionização por eletro spray em modo positivo (ESI+), fluxo de 1,0 mL/min, em modo de eluição isocrático, consistindo de 80% acetonitrila e 20% acetato de amônio 10 mM em pH 6,0 e temperatura ambiente. O método desenvolvido foi validado e mostrou ser seletivo, sensível (LOD e LOQ de 0,087 e 0,266 μg/mL para BA, e 0,398 e 2,117 μg/ mL para UA), coeficiente de regressão linear (r >0.99), preciso, exato e robusto para os analitos de interesse. A otimização do método combinado de UAE com LC-MS permitiu concluir os procedimentos de extração e análise em tempo inferior a 4 h, uma vez que o método não requer a secagem da amostra, etapa que demanda longos tempos de processamento. Este método foi aplicado e forneceu a primeira caracterização fitoquímica dos cinco clones de maçã estudados. Os resultados demonstraram que o método combinado de UAE-LC-MS é adequado às práticas do controle de qualidade. O segundo Capítulo apresenta o estudo da interação dos ligantes semissintéticos derivados dos AU e AB, sintetizados pelo nosso grupo de pesquisa, com a proteína Ca2+-ATPase do Plasmodium falciparum (PfATP6), através do emprego da técnica de Docking Molecular. A PfATP6 é descrita como um importante alvo para novos antimaláricos como Artemisinina (ART), cujo mecanismo de ação inclui, dentre outros, a modulação da homeostasia do cálcio intracelular. Investigações conduziram à hipótese do extravasamento do cálcio, do interior do retículo sarco-endoplasmático como mecanismo plausível para ação dos derivados triterpênicos do AU e AB. Os escores de energia determinados no Docking, de cada um dos nove ligantes (derivados triterpênicos) e quatro compostos de controle (ácidos ursólico e betulínico, artemisinina (ART) e tapsigargina (TPG) foram determinados (análises realizadas em triplicata) e correlacionados com os valores de IC50, para a atividade antimalárica. Os resultados mostraram excelente correlação entre os escores de energia (com a PfATP6) e os valores de IC50, superior a 80% (r > 0,83360). O estudo fornece fortes evidências de que a PfATP6 pode constituir um alvo para os derivados pentacíclicos do estudo, bem como permitiu identificar o perfil conformacional dos ligantes e os principais resíduos do sítio de ligação (SL) da PfATP6 envolvidos nas interações; bem como, contribuiu para a melhor compreensão das propriedades envolvidas na interação do ligante com o receptor e mecanismo de ação. O terceiro Capítulo faz uso de Métodos Clássicos e Quânticos para descrever as mudanças conformacionais da proteína PfATP6. As simulações de Dinâmica Molecular do receptor na forma isolada e complexada com os ligantes foram realizadas durante 10 ns. As conformações finais obtidas para os receptores foram avaliadas em termos RMSD, efeito da presença dos ligantes no sítio de ligação e tipos de interações estabelecidas entre o ligante e o receptor. Os resultados mostraram que as proteínas PfATP6 e SERCA tendem a manter sua conformação nativa e que o modelo utilizado é adequado aos propósitos do estudo. O monitoramento dos resíduos da região citoplasmática das proteínas permitiu evidenciar o efeito alostérico da presença dos ligantes AU e ART no SL, sobre os domínios A e N, da PfATP6. Esse efeito reproduz as conformações E1 e E2, bem estabelecidas para PfATP6, na presença e ausência de Ca2+. As análises de Dinâmica Molecular corroboram os achados do Capítulo II ao evidenciarem o estabelecimento de interações de hidrogênio com os resíduos importantes do SL da PfATP6. Esses resultados fundamentam os indícios de que as bombas de Ca2+-ATPase (SERCA), possam ser de fato, um alvo para os derivados triterpênicos dos AU e AB. / This thesis combines two main focuses within Pharmaceutical Chemistry. On the one hand, it seeks to explore a new source of natural inputs, bark of Malus domestica, in order to obtain ursolic (UA) and betulinic acid (BA) triterpenes. On the other hand, it studies the relation of the semi-synthetic triterpenic derivatives obtained with the target proteins (PfATP6), currently highlighted in the literature on malaria therapy with a view to planning new antimalarial drugs. The first chapter includes the development of an efficient, easy and extremely fast method where ultrasonic extraction techniques (UAE) and high-performance liquid chromatography coupled to mass spectroscopy (LC-MS) are combined for identification and assay of ursolic acid (UA) and betulinic acid (BA) in fresh apple peel extracts from five clones of the Gala and Fuji cultivars (Baigent, Fuji Mishima, Fuji Suprema, Fuji Select and Maxi Gala ") in the Southern Region of Brazil. Chromatographic parameters of the analytical method include: electrospray ionization (ESI +), flow rate of 1.0 mL/min in isocratic elution mode, consisting of 80% acetonitrile and 20% 10 mM ammonium acetate at pH 6.0 and room temperature. The method was validated and proved to be selective, sensitive (LOD and LOQ of 0.087 and 0.266 μg/mL for BA, and 0.398 and 2.117 μg/mL for UA), linear regression coefficient (r> 0.99), accurate, robust for analytes of interest. The optimization of the combined method of UAE with LC-MS allowed to complete the procedures of extraction and analysis in less than 4 h, since the method does not require drying the sample, a stage that demands long processing times. This method was applied and provided the first phytochemical characterization of the five apple clones studied. The results demonstrated that the combined UAE-LC-MS method is suitable for quality control practices. The second chapter presents the study of the interaction of the semi-synthetic ligands derived from the UA and BA, synthesized by our research group, with the Plasmodium falciparum Ca2+-ATPase protein (PfATP6), using the Molecular Docking technique. PfATP6 is described as an important target for new antimalarials such as Artemisinin (ART), whose action mechanism includes, among others, the modulation of intracellular calcium homeostasis. Investigations led to the hypothesis of extravasation of calcium from the interior of the sarco-endoplasmic reticulum as a plausible mechanism for the action of the triterpenic derivatives of UA and BA. The Docking energy scores (binding energy) of each of the nine ligands (triterpenic derivatives) and four control compounds (ursolic and betulinic acids, artemisinin (ART) and tapsigargine (TPG)) with PfATP6, were calculated (analyses performed in triplicate) and correlated with its antimalarial IC50 value. The results showed an excellent correlation between energy scores (with PfATP6) and IC50 values, higher than 80% (r > 0.83360). The study supplies strong evidence that PfATP6 may be a target for the pentacyclic derivatives of the study, and also allowed identifying the conformational profile of the ligands and the main residues of the PfATP6 binding site (BS) involved in the interactions. It further contributed to a better understanding of the properties involved in the interaction of the ligand with the receptor and its action mechanism. The third chapter uses Classical and Quantum Methods to describe the conformational changes of the PfATP6 protein. The Molecular Dynamics simulations of the receptor in the isolated and complexed form with the ligands were performed for 10 ns. The final conformations obtained for the receptors were evaluated in RMSD terms, effect of the presence of ligands at the binding site and types of interactions established between the ligand and the receptor. The results showed that the PfATP6 and SERCA proteins tend to maintain their native conformations and that the model used is adequate for the purposes of the study. The monitoring of the residues of the cytoplasmic region of the proteins allowed evidencing the allosteric effect of the presence of UA and ART ligands in BS, on the A- and N-domains of PfATP6. This effect reproduces the well-established E1 and E2 conformations for PfATP6, in the presence and absence of Ca2+, respectively. Molecular Dynamics analyses corroborate the findings of Chapter II, by showing the possibility of establishing hydrogen interactions with the important residues of PfATP6 BS. These results support the evidence that Ca2+-ATPase (SERCA) pumps may be a target for the triterpenic derivatives of UA and BA.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3640.pdf: 5869617 bytes, checksum: 4643e7ab6ff128afd74bd3d51d8588f3 (MD5) Previous issue date: 2011-03-30 / Financiadora de Estudos e Projetos / This study, based on molecular docking, describes the search for the most favorable conformations when complexes between herbicides, used in soybean cultivation, and an enzyme involved in the detoxification process are formed and based on these results some guidelines for the developing of new compounds are proposed. The glutathione transferase Tau, GmGSTU4-4, from soybean was the target protein, and diclofop, fluazifop, Clethodim, clomazone, diquat, paraquat, atrazine, diuron, bentazone, acifluorofem, fomesafem, sulfentrazone, glyphosate and clorimurom, the 14 herbicides studied. These last ones were chosen based on the list of those that are used in soybean crops and are registered with the Ministry of Agriculture and Supply of Brasil. For all of them the GmGSTU4-4-herbicide complexes were obtained. The protein binding site, analyzed by molecular visualization, presents an almost cylindrical shape, open and exposed to the solvent and is composed of two sites G and H. Three water molecules were observed in the G-site in that participate in molecular interactions with several of the studied herbicides, This finding suggests that new compounds that could, and should, be developed need to have in their structure chemical groups capable of interacting with the water, both as donors and acceptors of hydrogen bonds. Another interesting finding was that the largest herbicides may occupy both the G and H sites, and seem to be most promising in the activity of detoxification. / Este estudo, baseado em docking molecular, descreve a busca das conformações mais favoráveis para a formação dos complexos alvo-ligante com herbicidas utilizados no cultivo de soja e uma enzima envolvida no processo de desintoxicação, e baseado nestes resultados são propostas algumas diretrizes para o desenvolvimento de novos compostos. A proteína estudada foi a glutationa transferase Tau de soja, a GmGSTU4-4. Foram estudados 14 herbicidas: diclofope, fluazifope, cletodim, clomazona, diquate, paraquate, atrazina, diurom, bentazona, acifluorofem, fomesafem, sulfentrazona, clorimurom e glifosato. A escolha dos herbicidas se baseou na lista daqueles que são utilizados na cultura da soja e estão registrados no Ministério da Agricultura e Abastecimento do Brasil. Foram obtidos os complexos GmGSTU4-4-herbicidas. O sítio de ligação analisado por visualização molecular mostra uma forma quase cilíndrica, aberta e exposta ao solvente e composto de dois sítios G e H. No sítio G foram observadas três moléculas de água que participam de interações moleculares com vários dos herbicidas estudados o que sugere que novos compostos poderiam ser desenvolvidos observando a necessidade da presença de grupos químicos capazes de interagir com a água, tanto como doadores como aceptores de ligações de hidrogênio. Os herbicidas maiores podem ocupar os sítio G e H e parecem ser mais promissores na atividade de desintoxicação.

Made available in DSpace on 2016-08-17T18:39:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3649.pdf: 6160139 bytes, checksum: e2fc962eefef9b03fa83e0311a505531 (MD5) Previous issue date: 2010-11-23 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this research molecular docking was used to study enzime-ligand complexes of Cyclooxygenase 1 (COX-1) and Cyclooxygenase 2 (COX-2) with pyrimidine derivatives, aiming at understanding the possible mechanisms of action of these compounds and, thus, suggest modifications that could increase their specificity. The chosen ligands were a series of 25 substituted pyrimidines with known activity. The three-dimensional structures of these compounds were obtained by molecular modeling and that of the enzymes from the PDB and PDBSum under the codes 2OYE and 1CX2 for COX-1 and COX-2 respectively. The binding sites chosen for the docking studies were 20 Å around the crystallographic ligands IM8-700 (2OYE) and SC-558 (1CX2). In the COX-1 formed complexes the SO2Me moiety is positioned in such a way as to form hydrogen bonds with Ile517 and Phe518. The benzo[b]thiophen-2-ylmethyl-[2-(4-methanesulfonylphenyl)-6-trifluoromethylpyrimidin-4- yl]amine formed the most favorable complex with COX-1. In COX-2, the enzyme-ligand interaction pattern shows the SO2Me group in the side pocket, forming hydrogen bonds with His90 and Arg513 and the different substituent groups of the pyrimidine ring form hydrogen bonds with Arg120 and Tyr355. The presence of a small lipophilic pocket in COX-2 and the docking results suggest that the ligands 2, 15, 17, 22 and 23 may have their activity enhanced by the addition of a hydrophobic group on the phenyl or thiophenyl rings so this group can interact within this pocket. In both cases the mechanism of inhibition is probably competitive. As the search for new anti-inflammatory drugs must deal with a subtle balance of COX-2 and COX-1 inhibitions, the ligands 2 and 22 that showed better results for COX-2 rather than for COX-1 would be the most promising ones and therefore, those that should be tested in vivo. / Neste trabalho, o docking molecular foi utilizado para o estudo da formação de complexos alvoligante das enzimas Ciclooxigenase 1 (COX-1) e Ciclooxigenase 2 (COX-2) com derivados pirimidínicos, com a finalidade de entender os possíveis mecanismos de ação e, assim, propor modificações nos compostos visando diminuir prováveis efeitos colaterais. Os ligantes escolhidos foram uma série de 25 pirimidinas substituídas com atividade conhecida. As estruturas tridimensionais destas moléculas foram obtidas por modelagem molecular e as das enzimas dos bancos de dados PDB e PDBSum sob o código 2OYE e 1CX2 para COX-1 e COX- 2 respectivamente. Os sítios de ligação escolhidos para os cálculos de docking foram de 20 Å ao redor dos ligantes cristalográficos IM8-700 (2OYE) e SC-558 (1CX2). Das pirimidinas analisadas as que formaram complexo com a COX-1 se orientaram com a porção SO2Me formando ligações de hidrogênio com a Ile517 e Phe518. Sendo o benzo[b]tiofen-2-ilmetil-2-(4- metanosulfonilfenil)-6-trifluorometilpirimidina-4-il]amina o mais favorável para a formação de complexo com a COX-1. Para a COX-2, os compostos que se ligaram mostram um padrão que inclui ligações de hidrogênio entre a porção SO2Me e a His90 e Arg513 do bolso lateral e entre a Arg120 e Tyr355 com os grupos substituintes do anel pirimidínico. A presença de um pequeno bolso lipofílico na COX-2 e os resultados de docking permitem sugerir que os ligantes 2, 15, 17, 22 e 23 poderiam mostrar melhor atividade mediante a adição de um grupo hidrofóbico no anel fenila ou tiofenila para que este grupo se posicione dentro desse bolso. Em ambos os casos o tipo de inibição provável é o competitivo. Como a busca por novos fármacos antiinflamatórios deve lidar com um equilíbrio entre a inibição de COX-2 e COX-1, os ligantes 2 e 22 que apresentaram resultados favoráveis para a COX-2 e não tanto para a COX-1 seriam os mais promissores e, portanto, aqueles que poderiam ser testados in vivo.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-05-10T11:35:54Z No. of bitstreams: 1 arquivo total.pdf: 3109388 bytes, checksum: 647810f9fb25d144a271d5f256240096 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-10T11:35:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivo total.pdf: 3109388 bytes, checksum: 647810f9fb25d144a271d5f256240096 (MD5) Previous issue date: 2016-06-09 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work the properties of the Sb(III) and Bi(III) complexes with mesoionic 1,3-thiazolium-5-thiolates and derivatives of the 1,3,5-triazine have been investigate from theoretical and experimental perspectives. This thesis was divided in three parts. In the first part, the performance of the semiempirical methods was assessed regarding to the prediction of the geometries of 54 Sb(III) complexes and 75 of Bi(III) with ligands, macrocyclic, heterocyclic, amine carboxylate tiocompounds and organometallic. The results indicated that AM1 and PM3 correctly predict the geometries of Sb complexes. PM6 is more accurate to predict the geometries of both Sb and Bi tiocompounds. However, PM6 presented an inability to reproduce the geometries of complexes with Sb−N bonds. In general, PM6 is more accurate to Bi complexes. In the second part, a theoretical and experimental study of Sb(III) and Bi(III) complexes with mesoionic 1,3-thiazólio-5-thiolates ligands has been performed. Five new complexes of formulas [Sb4Cl12(M1)3], [SbCl3(M2)]·H2O, [Bi4Cl12(M1)3], [Bi4Br12(M1)3] and [Bi4Br12(M2)3] have been synthesized and characterized by elemental analysis, IR, 13C NRM and conductivity measurements. Both complexes and mesoionic ligands were studied for their antimicrobial activity against species of bacteria Estafilococos aureus and fungi C. albicans, C. tropicalis, C. krusei. Sb complexes and their corresponding mesoionic ligands exhibited active against all the bacteria and fungi with minimum inhibitory concentration (MIC) in the range 256-1024 μg/mL. On the other hand, the Bi complexes not exhibit such activities. The theoretical study of the ground state geometries, electronic structures, thermodynamic stabilities and chemical bonds of the complexes [MX3(L)] (X = F, Cl, Br, L= M1, M2, M3) in gas phase have been carried out at DFT and MP2 theoretical level. Potential energy curves (PECs) were calculated using B3LYP, M06-2X and MP2 level of theory with 6-31G basis set for all element, except Sb and Bi which we applied the 6-31G(d) basis set coupled to relativistic pseudopotentials. The PECs calculated with MP2 and M06-2X indicated that the minima structures are stable by multiple intramolecular interactions. The analysis considering NBO charges indicated which the metal coordination led to the loss of mesoionic character, producing large charge delocalization in the ring. The analysis considering the frontier molecular orbitals calculated at M06-2X/cc-pVTZ pointed out a large contribution from atomic orbitals of the exocyclic sulfur and metal atoms to HOMO. However, the atomic orbitals of the metal did not contribute to LUMO, suggesting a process of charge transfer metal to ligand. QTAIM study of the complexes have pointed out that the metal-sulfur bonds are closed shell, with small degree of electron sharing. Besides, the QTAIM study has indicated the intramolecular interactions as hydrogen bonds, halogen bonds and metal-π interactions. In the final part of this thesis, we have been synthesized the complexes [SbCl3(TMT)], [Sb3Cl9(TMT)2], [Bi3Cl9(TMT)2], [Sb2Cl6(PIPT)]·4H2O, [Bi2Cl6(PIPT)]·2H2O and characterized them by elemental analysis, IR, 13C NRM and thermal analysis. Biological activities of both triazines and their complexes with Sb and Bi against bacteria E. aureus and fungi C. albicans, C. tropicalis, C. krusei have been obtained. Sb complexes exhibited activities against all bacteria and fungi with CIM ranging in the interval of 512-1024 μg/mL. Both triazine ligands and their bismuth compounds did not exhibit such activities. / Nesse trabalho as propriedades dos complexos Sb(III) e Bi(III) com ligantes mesoiônicos do núcleo 1,3-tiazólio-5-tiolato e derivados da 1,3,5-triazina foram investigadas a partir de perspectivas teóricas e experimentais. O estudo foi dividido em três partes. Na primeira etapa foi avaliado a qualidade dos métodos semiempíricos na predição das geometrias de 54 complexos de Sb(III) e 75 de Bi(III) com ligantes macrocíclicos, heterocíclicos, aminocarboxilatos, tiocompostos e organometálicos. Os resultados indicam que o AM1 e PM3 predizem corretamente as geometrias dos complexos de Sb. O PM6 é mais exato para os tiocompostos de Sb e Bi. No entanto, falha na predição das estruturas dos complexos com ligações Sb−N. De modo geral, o PM6 é mais exato para os complexos de Bi. Na segunda parte, foi realizado um estudo teórico-experimental de complexos de Sb(III) e Bi(III) com os ligantes mesoiônicos da classe 1,3-tiazólio-5-tiolato. Para isso, foram sintetizados cinco novos complexos de fórmula [Sb4Cl12(M1)3], [SbCl3(M2)]·H2O, [Bi4Cl12(M1)3], [Bi4Br12(M1)3], [Bi4Br12(M2)3] e caracterizados por análise elementar, espectroscopia de absorção no infravermelho, RMN 13C e medidas de condutância. A atividade antimicrobiana in vitro dos complexos e ligantes mesoiônicos foi avaliada contra as espécies de bactérias Estafilococos aureus e fungos Candida albicans, C. tropicalis, C. krusei. Os complexos de Sb e mesoiônicos foram ativos contra todas as cepas estudadas, com CIM da faixa de 256-1024 μg/mL. Por outro lado, os compostos de Bi não foram ativos. O estudo teórico das geometrias do estado fundamental, estruturas eletrônicas, estabilidades termodinâmicas e ligações químicas dos complexos [MX3(L)] (X = F, Cl, Br, L= M1, M2, M3) em fase gasosa foi realizado. As curvas de energia potencial (CEP) dos complexos foram calculadas a nível MP2, DFT/B3LYP e M06-2X com o conjunto de base 6-31G para os elementos mais leves e 6-31G(d) para o Sb e Bi com pseudopotenciais relativísticos. As CEP calculadas a nível MP2 e M06-2X indicam que as estruturas de menor energia dos complexos são estabilizadas por múltiplas interações intramoleculares. O estudo estrutural e a análise das cargas NBO nos complexos indica que a coordenação resulta na quebra do caráter mesoiônico, permitindo uma maior deslocalização de cargas no anel. A análise dos orbitais moleculares de fronteira dos complexos calculados a nível M06-2X/cc-PVTZ, mostra uma grande contribuição dos orbitais atômicos do átomo de enxofre exocíclico e dos metais, para o HOMO. No entanto, os metais não contribuem para o LUMO, indicando a possibilidade de transições por transferência de carga metal-ligante. O estudo QTAIM dos complexos, define as ligações metal-enxofre como de camada fechada, com um pequeno grau de compartilhamento de elétrons. Além disto, o estudo QTAIM também caracterizou as interações intramoleculares como: ligações de hidrogênio, ligações de halogênio e interações do tipo metal-π. Na etapa final deste trabalho, foram sintetizados os complexos [SbCl3(TMT)], [Sb3Cl9(TMT)2], [Bi3Cl9(TMT)2], [Sb2Cl6(PIPT)]·4H2O, [Bi2Cl6(PIPT)]·2H2O e caracterizados por análises elementar, espectroscopia de infravermelho, RMN 13C e análise termogravimétrica. A atividade biológica dos ligantes triazínicos e complexos foi avaliada contra as bactérias do gênero Estafilococos e fungos C. albicans, C. tropicalis e C. krusei. Os complexos de Sb foram ativos contra todas as espécies e bactérias e fungos com CIM na faixa de 512-1024 μg/mL. Os ligantes triazínicos e complexos de Bi não apresentaram atividade antimicrobiana.

A Doença de Chagas, causada pelo parasita Trypanosoma cruzi, atinge cerca de um quarto da população da América Latina. Os fármacos disponíveis para o tratamento desta doença são inapropriados, apresentam baixa eficácia e sérios efeitos colaterais que limitam o seu uso. Esse grave panorama torna urgente a descoberta de novos agentes quimioterápicos para o tratamento seguro e eficaz da doença. A via glicolítica é principal forma de obtenção de energia de tripanosomatídeos. Um alvo molecular atrativo desta via bioquímica que desempenha papel essencial no controle do fluxo glicolítico do Trypanosoma cruzi, a enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH), foi selecionada neste trabalho de Tese para estudos em biologia estrutural e química medicinal visando à identificação e planejamento de novos inibidores enzimáticos. Neste contexto, triagens biológicas resultaram na identificação de compostos de origem natural e sintética com atividade inibitória in vitro frente à GAPDH de T. cruzi, ampliando a diversidade química de moduladores seletivos deste alvo. Estudos cinéticos e estruturais demonstraram o comportamento não cooperativo entre os sítios ativos da enzima GAPDH de T. cruzi em relação à interação com o cofator NAD+, fornecendo importantes evidências mecanísticas e estruturais para uma melhor compreensão das bases moleculares envolvidas no processo de reconhecimento molecular. Os estudos das relações quantitativas entre a estrutura e atividade (QSAR 2D e QSAR 3D) resultaram na geração de modelos com elevada consistência estatística interna e externa, além de alto poder preditivo da propriedade-alvo. Além disso, estudos de modelagem molecular e de QSAR 3D revelaram aspectos estruturais relevantes para o planejamento de inibidores seletivos da enzima GAPDH de tripanosomatídeos. Por fim, uma estratégia de triagem virtual baseado na estrutura do receptor foi empregada para a identificação de novos inibidores da GAPDH de T. cruzi, consistindo, entre outros, na aplicação de filtros hierárquicos sucessivos envolvendo restrições farmacofóricas e estudos de docagem molecular que resultaram na seleção de 35 candidatos a inibidores da enzima-alvo. Os trabalhos integrando estudos em química medicinal e biologia estrutural apresentados nessa Tese de Doutorado significam importantes contribuições no desenvolvimento de bases científicas sólidas para o planejamento de novos inibidores potentes e seletivos da enzima GAPDH de T. cruzi, um alvo molecular de alta prioridade em nosso grupo de pesquisa. / Parasitic diseases are the foremost threat to human health and welfare around the world. Chagas\' disease (also called American trypanosomiasis) is a tropical parasitic disease which occurs in Latin America, particularly in South America. The currently available drugs for this parasitic disease have severe limitations, including poor efficacy and high toxicity. The crucial dependence of trypanosomatids on glycolysis as a source of energy makes the glycolytic enzymes promising targets for drug design. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) from Trypanosoma cruzi, a key enzyme in the glycolytic cascade, has been selected as an attractive drug target in this PhD Thesis work for studies in structural biology and medicinal chemistry for the identification and design of new enzyme inhibitors. In this context, compounds from both natural and synthetic sources with in vitro inhibitory activity against T. cruzi GAPDH were identified by screening assays, improving the chemical diversity of selective modulators of the target. Kinetic and structural studies have demonstrated the non-cooperative behavior between the T. cruzi active sites in the interaction with the NAD+ cofactor, shedding some light on the mechanistic and structural determinants underlying the biochemical recognition phenomenon. Quantitative structure-activity relationships (2D QSAR 2D and 3D QSAR) were successfully created, resulting in statistically significant models with good predictive ability for untested compounds. In addition, molecular modeling and 3D QSAR studies highlighted important structural aspects to assist the design of novel trypanosomatid GAPDH inhibitors. Finally, a structure-based virtual screening approach was employed for the identification of novel inhibitors of T. cruzi GAPDH, consisting of several consecutive hierarchical, fast pharmacophore matching and molecular docking, which afforded 35 inhibitor candidates for the target enzyme. The integration of structural biology and medicinal chemistry studies presented in this PhD Thesis are important contributions in the development of strong scientific basis for the design of new selective and potent inhibitors of GAPDH from T. cruzi, a molecular target of highest priority in our research group.

O Projeto Genoma Humano do Câncer (PGHC), financiado pela FAPESP e pelo Instituto Ludwig de Pesquisa sobre o câncer, buscou identificar os genes expressos nos tipos mais comuns de câncer no Brasil. Tal projeto conseguiu identificar aproximadamente um milhão de sequências de genes de tumores frequentes no Brasil. A contribuição brasileira foi maior para tumores de cabeça e pescoço, mama e cólon. Uma das iniciativas mais recentes e estimuladas pelo PGHC é o projeto Genoma Clínico, o qual visa desenvolver novas formas de diagnóstico e tratamento do câncer através do estudo de genes expressos. A partir da análise molecular de tecidos saudáveis e neoplásicos em diferentes estágios, é possível identificar marcadores de prognóstico, permitindo escolhas de terapias mais adequadas e eficientes. A proteína MARK3 foi identificada como um desses marcadores, em neoplasias de tecidos de cabeça e pescoço, sendo o objetivo deste estudo a aplicação de técnicas de bioinformática e modelagem molecular no planejamento baseado em estrutura de candidatos a fármacos antineoplásicos que bloqueiem a atividade da proteína MARK3. Após screening virtual em bases de dados de compostos (1.000.000 aproximadamente) com propriedades drug-like, 20 compostos com potencial de inibidor da MARK3 foram selecionados. Os modos de ligação para cada um dos mesmos no sítio ligante da proteína MARK3 foram sugeridos por simulações de docking e apresentaram um bom encaixe espacial com os sítios receptores virtuais calculados pelos campos de interação molecular (MIF). Simulações de dinâmica molecular foram realizadas com o intuito de avaliar a estabilidade dos compostos selecionados, que também foram avaliados quanto à presença de grupamentos toxicofóricos em sua estrutura. / The Brazilian Project Genoma Câncer (PGHC) supported by FAPESP and the Ludwig Institute for Cancer Research, intended to identify the genes involved in the most common cases of cancer in Brazil. In this project about a million of gene sequences were identified. The major contribution was made in breast, colorectal and head and neck cancers. The results obtained stimulated the creation of another project, called Genoma Clínico, which intend to develop new trends in treatments and diagnosis of cancer based on the study of expressed genes. Analyzing healthy and neoplasic tissues in different stages, it is possible to identify molecular markers related to the prognosis of cancer, allowing the use of more efficient therapies. The MARK3 protein was identified as a molecular marker in head and neck cancer, where the objective of this work lies in the application of bioinformatics and molecular modeling strategies by structure-based drug design to identify potential antineoplasic drug candicates that could act against MARK3 protein. After the virtual screening simulations performed with drug-like compound databases, containing approximately 1.000.000 compounds, 20 were selected as potential ligands of MARK3 protein. The binding modes suggested for these compounds, by docking simulations, presented a good spatial fit when compared with the virtual receptor sites calculated by molecular interaction fields (MIF). Molecular dynamics simulations were performed in order to evaluate de stability of the binding modes suggested. The potential ligands were also evaluated to identify toxicophoric features in its chemical structures.

Este trabalho visa estudar a viabilidade do emprego de processos oxidativos avancados na degradacao de solucoes aquosas de polimeros que sao comumente utilizados em aplicacoes industriais e estao presentes em seus efluentes. Para maior entendimento das reacoes envolvidas no processo oxidativo utilizou-se modelagem molecular nos calculos de constantes cineticas. Na parte experimental estudou-se a degradacao de polietilenoglicol (PEG), polivinilpirrolidona (PVP) e poliacrilamida (PAM) pelos processos foto-Fenton e UV/H2O2. Realizaram-se analises de carbono organico dissolvido (COD), cromatografia liquida de alto desempenho (HPLC) e cromatografia de permeacao em gel (GPC). Observou-se separacao de fases para PVP e PAM, o que contribuiu para uma remocao final de COD de ate 85%. Nas analises de HPLC foram detectados como intermediarios da reacao os acidos: oxalico, formico, malonico e acetico. Os resultados de GPC indicaram comportamentos distintos das distribuicoes de pesos moleculares em funcao do tempo de reacao para os processos UV/H2O2 e foto- Fenton. No conjunto, os resultados comprovam a viabilidade dos processos estudados na degradacao destes polimeros, embora a analise de intermediarios para PAM nao tenha sido conclusiva quanto a formacao de acrilamida. A modelagem molecular confirma que a reacao de abstracao de hidrogenio de uma cadeia polimerica pelos radicais alquilperoxila e de fato a etapa mais lenta do processo oxidativo para PEG e PAM. Para PAM os resultados da modelagem mostram que o ataque dos radicais hidroxila acontece preferencialmente no hidrogenio ligado ao carbono terciario e que a abstracao de hidrogenio do grupo lateral amida parece pouco viavel, ou acontece por um mecanismo diferente do modelado. A reacao de formacao da acrilamida de acordo com o mecanismo proposto tambem apresentou uma constante cinetica muito baixa, o que esta de acordo com os resultados experimentais, ja que nao foi detectada acrilamida como produto da degradacao de poliacrilamida pelos processos foto-Fenton e UV/H2O2, com limite de deteccao de 50 ppb. / The aim of this work is to apply advanced oxidative processes to study the degradation of industrial wastewater containing water-soluble polymers. Kinetic constants of reactions involved in the oxidation processes were calculated by molecular modeling. In the experimental part the degradation of polyvinylpirrolidone (PVP), polyacrylamide (PAM) and polyethyleneglycol (PEG) was studied by photo-Fenton and UV/H2O2 processes. Intermediates of the degradation processes were identified by HPLC and the molecular weight distribution was monitored by GPC. In the experiments with PAM and PVP phase separation was observed, and more than 85% of the DOC was removed. The following intermediate acids were identified: acetic, malonic, formic and oxalic. The molecular weight distribution curves measured by GPC indicate that distinct reaction paths exist for each process studied, although the analysis of intermediates formed during the degradation of PAM was not conclusive with respect to acrylamide formation. The kinetic constants for the reactions involving hydrogen abstraction from PEG chain by hydroxyl and alkylperoxy radicals were calculated. The molecular modeling results confirm that hydrogen abstraction from polymeric chain by alkylperoxy radicals is the determinant step in the oxidation process for PEG and PAM. Polyacrylamide possesses three sites for attack by hydroxyl radicals and the favored path is the abstraction of tertiary hydrogen atom, followed by secondary hydrogen. The abstraction of the amide hydrogen was more difficult. The mechanism proposed for acrylamide formation was not the preferential reaction path. This was expected since acrylamide was not detected in the experiments with a limit detection of 50 ppb.

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2016-07-29T17:57:19Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) MMR-TESE.pdf: 16044503 bytes, checksum: 1c3b4963930b3b75a91e718bd1893e50 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-29T17:57:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) MMR-TESE.pdf: 16044503 bytes, checksum: 1c3b4963930b3b75a91e718bd1893e50 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Facepe / Este trabalho apresenta uma metodologia in silico para o estudo de complexos de inclus o utilizados na inova o terap utica. Um complexo de inclus o formado por um host (hospedeiro), e por um guest (h spede). Neste trabalho, o host estudado a ciclodextrina (e seus derivados) e o guest, um ligante (f rmaco, em potencial), formando o complexo host:guest. O objetivo desse projeto desenvolver uma plataforma (CycloMolder) capaz de realizar estudos in silico dos complexos de inclus o de forma autom tica e precisa, fazendo uso de uma interface gr fica de usu rio. Esse objetivo foi tra ado para facilitar os estudos de modelagem molecular para este tipo de sistema qu mico, com interesse farmac utico. A plataforma composta por dois m dulos: CycloGen e CycloDock. O primeiro m dulo (CycloGen) constr i modelos com mais de uma estrutura para representar um derivado de ciclodextrina. O segundo m dulo (CycloDock) realiza o c lculo de docking molecular entre as mol culas host e guest, utilizando o programa Autodock Vina e apresenta os resultados obtidos, incluindo gr ficos que mostram a distribui o energ tica e as intera es intermoleculares do complexo. O programa CycloMolder foi testado atrav s de estudos de casos inspirados em problemas farmac uticos reais. Os testes realizados destacaram a import ncia da gera o de mais de uma configura o para representar significativamente um derivado de ciclodextrina, e tamb m mostrou o potencial anal tico do programa, proporcionado pela automa o do estudo de modelagem, execu o dos c lculos e an lise dos resultados. De forma geral, o programa CycloMolder atinge seus objetivos, automatizando e simplificando os estudos in silico dos complexos de inclus o, contribuindo desta forma para a inova o terap utica. / This work presents an in silico methodology for study of inclusion complexes used in therapeutic innovation. An inclusion complex is formed by a host and a guest. In this work, the host is the cyclodextrin and their derivatives and the guest is a potential drug, forming a host:guest complex. The goal of this work is to development a platform (CycloMolder) able to perform in silico studies of inclusion complexes in an automated and precise fashion, making use of a graphical user interface. The platform (CycloMolder) consists of two modules: CycloGen and CycloDock. The first module (CycloGen) builds models with more than one chemical structure to represent a cyclodextrin derivative. The second module (CycloDock) performs the molecular docking calculations between the host and guest molecules, using the AutoDock Vina program, and displays the results, including graphs showing the energy distribution and intermolecular interactions present in the host:guest complexes. The CycloMolder program was tested through case studies inspired by real pharmaceutical problems. The tests highlighted the importance of generating more than one chemical structure to better represent a ciclodextrin derivative, also showed the analytical potential of the program, provided by the automation of the modeling study, execution of calculations and analysis of results. Overall, the CycloMolder program achieves its goals by automating and simplifying the in silico studies of inclusion complexes, thus contributing to the therapeutic innovation.

Made available in DSpace on 2014-07-29T16:11:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao lenis farmacia.pdf: 979538 bytes, checksum: 87e0e8efbc86129446e270aa9e9aa8b5 (MD5) Previous issue date: 2009-06-26 / Before the approval of an active compound, metabolism studies are necessary to ensure its safety, once active metabolites could be synthesized during human biotransformation. The use of eukaryotic microorganisms for the study of drug metabolism has been widely explored, due to its capability of producing metabolites similar to the mammalians, and in silico studies consist in a fast strategy when compared with traditional metabolism studies. In this context, molecular modeling, using docking of molecules of interest in the active site of enzymes involved in drug metabolism, is a useful tool to evaluate the interactions between drug and receptor, because it could predict favorable orientations that could be biotransformated. In this work, sixteen filamentous fungi strains, obtained from collections and isolated from soil in the central Brazil, were evaluated for their capability of the antiretroviral stavudine biotransformation, also complemented by animal metabolism studies and molecular modeling of the most relevant cytochrome P450 isoform of human metabolism: CYP3A4. From the bioconversion experiments, the fungus Cunninghamella elegans ATCC 26169 was capable of metabolize stavudine, forming mammalian metabolites, producing the thymine derivative. Dynamic molecular studies demonstrated that the most probable reactions for stavudine, catalyzed by CYP3A4, involves hydroxylation of methyl group (position C-7) and the double bond epoxidation of the furanic ring, showing the importance of some residues of the active site in this process, like Arg212 / Antes da aprovação de uma substância ativa, estudos do metabolismo são necessários para garantir sua segurança, uma vez que metabólitos ativos podem ser produzidos durante a biotransformação no organismo humano. O uso de microrganismos eucarióticos para estudos do metabolismo de fármacos tem sido bastante explorado, devido à sua capacidade de produzir metabólitos semelhantes aos de mamíferos, e os estudos in silico consistem em uma estratégia rápida quando comparada com os estudos tradicionais. Dentro deste contexto, a modelagem molecular, utilizando docking de moléculas de interesse no sítio ativo de enzimas envolvidas no metabolismo, é empregada para a avaliação das interações entre o fármaco e a proteína, podendo prever as orientações favoráveis à biotransformação. Neste trabalho, dezesseis cepas de fungos filamentosos, obtidas de coleções e isoladas do Cerrado, foram utilizadas para o estudo do metabolismo do anti-retroviral estavudina, e complementadas pelo estudo do metabolismo animal e pelo emprego da modelagem molecular da isoforma humana de citocromo P-450 mais importante para o metabolismo: CYP3A4. A partir dos experimentos de bioconversão, a cepa Cunninghamella elegans ATCC 26169 foi capaz de biotransformar a estavudina de forma semelhante aos mamíferos, produzindo o derivado timina. Os estudos de dinâmica molecular, por sua vez, demonstraram que as reações mais prováveis para a estavudina, catalisadas pelo CYP3A4, envolvem a hidroxilação da metila (posição C-7) e a epoxidação da dupla ligação pertencente ao anel furânico, evidenciando, ainda, a importância de determinados resíduos do sítio ativo neste processo, como a arginina 212