Made available in DSpace on 2014-07-29T16:11:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARCELO DO NASCIMENTO capitulos.pdf: 46847 bytes, checksum: 9184c68b4afbd4f8c18e081f4c9274be (MD5) Previous issue date: 2009-06-15 / In the field of a research line that seeks the planning, the synthesis and the pharmacologycal evaluation of new candidates to prototypes of anti-inflammatory drugs, we will describe in this project the planning of derived new pyrazolics (LQFM 002-003), originally drawn starting from the nerolidilcatecol (24) and arylsulfonilpiperazines, (25) that present profile inhibition of the enzyme sPLA2. The compounds (E)-N-(3,7-dimethylocta-2,6-dienyl)-1,3-dimethtyl-1-H-pyrazol-5-amine (LQFM 002) and (E)-N-(3,7-dimethylocta-2,6-dienyl)-1,3-dimethyl-4-((4-methylpiperazin-1-il) methyl)-1H-pyrazol-5-amine (LQFM 003), were submitted to pharmacologycal rehearsals in vitro, seeking to evaluate the enzymatic inhibition activity of the sPLA2. For the prototype (LQFM 002) the inhibition halos were 14,43 ± 6,28%, 16,68 ± 2,45%, 23,61 ± 2,62%, 37,06 ± 3,25%, in the doses of 250, 500, 1000 and 2000 μg/mL respectively. For the compound (LQFM 003), the halos were 1,85 ± 1,38%, 9,29 ± 3,33%, 7,82 ± 3,32%, 13,21 ± 3,22%, respectively. Subsequently the rehearsal in vivo was accomplished to evaluate the profile of cellular migration. Being also analyzed the concentration of plasmatic protein by the methodology of the Evans of blue once the inflammatory process was induced. The compound (LQFM 002) presented inhibition on cellular migration of 50,46 ± 14,34% in the peritonit test, 68,7 ± 2,65% in the pleurisy test and reduction of 40,1 ± 6,40% of the plasmatics proteins for the method of coloration of the Evans of blue. The compound (LQFM 003) presented 25,89 ± 5,39% inhibition, in the doses of 50 mg/Kg, characterizing, significant anti-inflammatory profile for the prototype (LQFM 002). Parallel to the pharmacologycal synthetic work and, we carried out theoretical studies through the application of molecular dynamics. The parameters of the enzyme sPLA2 was more effective through the applications of the water box's, once the smaller state energy observed was of -175000kcal/mol. At the end of this project, we can conclude that the structural planning applied in the project was validated through the applications of the pharmacologycal rehearsals, once both molecules were recognized by the enzyme sPLA2 and they presented anti-inflammatory activity in the rehearsal of cellular migration. In addition, the applied synthetic methodology for obtaining of the prototypes pyrazolics (LQFM 002-003) studied was satisfatory. / No âmbito de uma linha de pesquisa que visa o planejamento, a síntese e a avaliação farmacológica de novos candidatos a protótipos de fármacos anti-inflamatórios, descreveremos neste trabalho o planejamento de novos derivados pirazólicos (LQFM 002-003), originalmente desenhados a partir do nerolidilcatecol (24) e arilsulfonilpiperazínicos (25), que apresentam perfil inibitório da enzima sPLA2. Os compostos (E)-N-(3,7-dimetilocta-2,6-dienil)-1,3-dimetil-1-H-pirazol-5-amina (LQFM 002) e (E)-N-(3,7-dimetilocta-2,6-dienil)-1,3-dimetil-4-((4-metilpiperazina-1-il) metil)-1H-pirazol-5-amina (LQFM 003), foram submetidos a ensaios farmacológicos in vitro, visando avaliar a atividade de inibição enzimática da sPLA2. Para o protótipo LQFM 002 os halos de inibição foram 14,43 ± 6,28%, 16,68 ± 2,45 %, 23,61 ± 2,62 %, 37,06 ± 3,25 %, nas doses de 250, 500, 1000 e 2000 μg/mL respectivamente. Para o composto LQFM 003, os halos foram 1,85 ± 1,38 %, 9,29 ± 3,33 %, 7,82 ± 3,32 %, 13,21 ± 3,22 %, respectivamente. Posteriormente foram realizados os ensaios in vivo o qual avalia o perfil de migração celular para cavidade peritoneal e pleural. Sendo também analisada a concentração de proteína plasmática pela metodologia do azul de Evans quando induzido o processo inflamatório. O composto LQFM 002 apresentou inibição sobre a migração celular de 50,46 ± 14,34 % no teste de peritonite, 68,7 ± 2,65 % no teste de pleurisia e redução de 40,1 ± 6,40 % das proteínas plasmáticas pelo método de coloração do azul de Evans. O composto LQFM 003 apresentou inibição de 25,89 ± 5,39%, nas doses de 50 mg/Kg, caracterizando, desta forma, perfil anti-inflamatório significativo para o protótipo (LQFM 002). Paralelamente ao trabalho sintético e farmacológico, foi realizado estudos teóricos através do emprego de dinâmica molecular. A parametrização da enzima sPLA2 foi mais efetiva através do emprego de caixa de água, uma vez que o estado de menor energia observado foi de -175000kcal/mol. Ao término deste trabalho, podemos concluir que o planejamento estrutural empregado no mesmo foi validado através dos ensaios farmacológicos empregados, uma vez que ambas as moléculas foram reconhecidas pela enzima sPLA2 e apresentaram atividade anti-inflamatória no ensaio de migração celular. Ademais, a metodologia sintética empregada se mostrou satisfatória para a obtenção dos protótipos pirazólicos (LQFM 002 - 003) estudados.

A doença de Chagas, também conhecida como tripanossomíase americana, é uma das doenças tropicais mais devastadoras e é causada pelo protozoário Trypanosoma cruzi. O parasita expressa uma enzima de superfície, Trypanosoma cruzi trans-sialidase (TcTS), responsável pela transferência de ácidos siálicos de células do hospedeiro para moléculas de -galactose terminais presentes em glicoproteínas de sua superfície. As moléculas de glicoproteína sialiladas estão envolvidas na adesão e subsequente penetração do parasita em células hospedeiras. Logo, TcTS desempenha papel fundamental no reconhecimento e na invasão de células do hospedeiro. Além disso, a ausência de trans-sialidase em seres humanos faz de TcTS um alvo potencial a ser explorado, no entanto nenhum inibidor desta enzima (em concentração nanomolar) é conhecido até o momento. Considerando a importância da unidade de galactose e da função carboxila do ácido siálico para interações no sítio activo de TcTS, focamos na síntese de derivados de galactose com ácido succínico em diferentes posições do anel de açúcar e sua avaliação biológica em TcTS. Além disso, foi proposta uma busca por novos inibidores de TcTS através de técnicas de modelagem molecular, como triagem virtual baseada no sítio ativo da enzima. -D-galactose e -Dgalactopiranosídeo de metila, disponíveis comercialmente, foram tratados com reagentes adequados para fornecer alguns intermediários com apenas uma hidroxila livre em poucas etapas. O tratamento destes compostos com anidrido succínico em piridina levou à formação dos respectivos derivados com ácido succínico em todas as posições do anel galactosídico. Após etapa de desproteção foi obtido apenas o derivado com ácido succínico na posição 4 (85), que foi testado em TcTS por ensaio fluorimétrico in vitro para avaliação de sua atividade inibitória. Adicionalmente, 85 foi testado em ensaios in vitro para avaliação de sua atividade tripanocida e citotóxica. De acordo com os ensaios biológicos, o composto 85 apresentou atividade inibitória promissora (56%) na concentração de 1,0 mM. Esse resultado preliminar foi importante para mostrar que esse tipo de derivado pode atuar como inibidor de TcTS e para orientar a síntese de novos derivados de galactose. O valor da atividade tripanocida foi inferior a 40% (0,5 mM) e não foi observada citotoxicidade na concentração de 0,5 mM. Os estudos de triagem virtual realizados neste trabalho através de simulações de \"docking\" resultaram na seleção das 50 melhores moléculas, baseada na orientação de maior pontuação, dentre 50.000 encontradas na base de dados diverset. O próximo passo envolve novos estudos para filtrar as moléculas mais promissoras para serem testadas em TcTS. / Chagas\' disease, also known as American trypanosomiasis, is one of the most devastating tropical diseases and it is caused by the protozoan Trypanosoma cruzi. The parasite expresses a cell surface enzyme, Trypanosoma cruzi trans-sialidase (TcTS), responsible for the transference of sialic acids from host cells to terminal -galactose molecules present on its glycoprotein surface. The sialylated glycoprotein molecules are involved in the attachment and subsequent penetration of the parasite into host cells. As a result, TcTS plays a key role in the recognition and invasion of host cells. Moreover, the lack of trans-sialidase in humans makes TcTS a potential drug target to be explored, however no strong inhibitors (at nanomolar range) of this enzyme are known to date. Considering the importance of galactose unit and the carboxyl function in sialic acid for interactions in the active site of TcTS, we have focused on the synthesis of galactose derivatives containing succinic acid in different positions of the sugar ring and on their biological evaluation against TcTS. In addition, we have proposed the search for new TcTS inhibitors applying molecular modeling techniques, like virtual screening based on the enzyme´s active site. Commercially available ,-D-galactose and methyl--D-galactopyranoside were treated with suitable reagents to afford some intermediates with just one free hydroxyl group in few steps. Treatment of these compounds with succinic anhydride in pyridine afforded derivatives thereof with succinic acid in all galactosidic ring positions. After deprotection step it was only obtained the derivative containing succinic acid at position 4 (85), which was tested in in vitro TcTS fluorimetric assay for evaluation of its inhibitory activity. In Addition, 85 was tested in in vitro assays for assessment of their trypanocidal activity and cytotoxic. According to the biological assays, compound 85 showed promising inhibitory activity (56%) at 1.0 mM concentration. This preliminary result was important both to show that this type of derivative can act as an inhibitor of TcTS and to guide the synthesis of new derivatives of galactose. The trypanocidal activity value was lower than 40% (0.5 mM) and there was no cytotoxicity at 0.5 mM concentration. The virtual screening studies performed in this work through docking simulations resulted in the selection of the 50 top-ranked molecules, based in the highest score orientation, among 50.000 found at diverset data base. The next step involves new studies to filter the most promising molecules to be tested against TcTS.

As propriedades físicas incomuns exibidas por fluidos confinados em meios porosos desempenham um papel importante em diversos processos químicos, geoquímicos e ambientais. Atualmente, muitos aspectos da estrutura e dinâmica dos fluidos espacialmente confinados ainda são pouco compreendidos. Nesse contexto, fenômenos interfaciais influenciam consideravelmente os processos que ocorrem em meios nanoporosos, podendo resultar em efeitos relevantes para o desenvolvimento dos dispositivos nanofluidicos. Esses sistemas multifásicos e com fenômenos multifísicos podem apresentar propriedades eletrônicos e dinâmicos envolvendo diferentes escalas de tamanho e tempo na interface sólido/fluido. Atualmente, uma única metodologia não é capaz de resolver toda a complexidade encontrada em tais sistemas pelo fato de cada qual estar restrita a uma escala ou demanda computacional específica. Além disso, as metodologias habitualmente aplicadas para investigar as fases bulk através da modelagem computacional, em geral, não são adequadas para acessar sistematicamente os efeitos de superfície que ocorrem na interface sólido/fluido. Os desafios impostos à modelagem molecular pelos sistemas nanofluídicos requerem iniciativas inovadoras (dentre as metodologias disponíveis) para acessar as propriedades de interface. Nessa tese, desenvolvemos e aplicamos novas abordagens computacionais em nível atômico a fim de modelar e caracterizar sistemas nanofluidicos. Nesse contexto, introduzimos um método multinível hierárquico top-down, que combina simulações de dinâmica molecular com cálculos ab initio de transporte eletrônico, para abordar fenômenos de multiescala. O potencial dessa implementação foi demonstrado em um estudo de caso envolvendo o fluxo de água e o transporte de íons através de um nanotubo de carbono tipo (6,6). Mostramos que o traço iônica pode representar uma mudança na condutância elétrica do nanocanal, e levar a uma medida indireta da corrente iônica. Também implementamos uma versão modificada da análise de rede de ligações de hidrogênio baseada em teoria de grafos, a fim de fazer o estudo das propriedades estruturais e dinâmicas em diferentes regiões do poro. Com essa abordagem, nós fomos capazes de explorar sistematicamente os efeitos de interface em fluidos espacialmente confinados. Combinando-se simulações de dinâmica molecular com a análise da rede de ligações de hidrogênio em camadas, nós pudemos avaliar a extensão dos efeitos de superfície nas propriedades dinâmicas e os detalhes da interface calcita/salmoura. Com a abordagem desenvolvida, conseguimos isolar os efeitos específicas dos íons da solução aquosa na rede de ligações de hidrogênio. Mostramos que a camada superficial exibe uma topologia de rede semelhante à observada em água pura, uma vez que a barreira eletrostática e física exibida por essa região, inibe a adsorção de íons na superfície da calcita. Fora dessa faixa, os íons influenciam consideravelmente a rede de ligações de hidrogênio: observamos a formação caminhos geodésicos mais extensos em relação àqueles observados em água pura. Esses ramos, que são formados por ligações de hidrogênio contíguas, podem conectar moléculas de baixa a alta dinâmica. Tal estrutura, pode explicar as propriedades mecânicas adesivas observadas em fluidos altamente confinados. Nossas principais contribuições decorrem na descrição da estrutura do solvente, dos íons da solução aquosa na interface calcita/fluido; e suas indicações físicas, e seu potencial significado nos processos de crescimento e dissolução de cristais. Nossas implementações fornecem contribuições interessantes para a compreensão atual dos processos que ocorrem em meios porosos. Especialmente, podendo contribuir para um desenvolvimento racional de novos dispositivos nanofluidicos. / The unusual physical properties exhibit by fluids within nanoscopic porous media play an important role in the plethora of chemical, geochemical and environmental processes. Currently, many aspects of the structure and dynamics of the spatially constrained fluids are still poorly understood. Additionally, the interfacial phenomena considerably influences the processes occurring in nanoporous media, which can have a major effect on nanofluidics devices. These multiphase systems and multi-physics phenomena occurs at solid/solution interfaces, with electronic and dynamic effects taking place across size and time scales. Currently, a single methodology is not capable to disentangle all the complexity find in such systems because it is restricted to a specific scale or computationally demand. In addition, the usual computational modeling methodologies applied to investigate bulk phases, they are, in general, not suitable to systematically access the surface effects occurring at solid/fluid interfaces. The challenges imposed by the nanofludics-based systems within the molecular modeling framework require innovative initiatives (among the available methodologies) to correctly access the interface properties. In this thesis, we develop and apply novel computational approaches to properly design and characterize nanofluidics-based systems at atomic level. In this context, we introduced an hierarchical top-down multilevel method by combining molecular dynamics simulations with first principles electronic transport calculations to address the multiscale phenomena problem. The potential of this implementation was demonstrated in a case study involving the water and ionic (Na, Li, and CL) flow through a (6,6) carbon nanotube. We showed that the ionic trace, observed on the electronic transmittance, it may handle an indirect measurement of the ionic current that is recorded as a sensing output. We implemented also a layered version of hydrogen bond network analysis based on graph theory. With this approach, we were able to properly explore interface effects arising on spatially confined fluids. By combining molecular dynamics simulations with the layered hydrogen bond network analysis, we evaluated the extension of surface effects on the fluids dynamics properties and the interaction details at calcite/brine interface. With the developed approach, we have been able to isolate the specific features of the aqueous solutions ions on the hydrogen bond network. We showed that the surface layer near the calcite/brine interface displays similar network topology as observed in pure water, since the electrostatic and physical barrier displayed by this layer inhibit the adsorption of ions on the calcite surface. Outside that region, these ions affect the hydrogen bond network. We observed a more extended geodesic paths with respect to that observed in pure water. Such hydrogen bond branches may connect low to high dynamics molecules across the pore and hence, it may explain the glue-like mechanical properties observed in confinement environment. Our main contributions in this work relies on describing the structure of solvent and electrolyte aqueous solution at calcite/fluid interface and their physical indications and potential significance on the crystal growth and dissolution processes. Our implementations provide interesting contributions to the current understanding of processes occurring in porous media. Specially, it may contribute on the rational design of novel nanofluidics devices.

As peçonhas de serpente do gênero Bothrops se caracterizam por induzir miotoxicidade, edema, coagulação e hemorragia. Por essa razão, alguns pesquisadores estão buscando por tratamentos alternativos contra os envenenamentos ofídicos com inibidores naturais e artificiais. O presente estudo tem como objetivo estudar as interações entre as PLA2s (Asp49 e Lys49) de veneno de serpente Bothrops jararacussu, denominadas BthTX-I e BthTX-II, respectivamente, e o inibidor vegetal isolado da espécie Cordia verbenacea. C. verbenacea apresenta diversas atividades farmacológicas já demonstradas, sendo utilizada também pela população como antiofídica. O extrato hidroalcoólico das folhas preparado à seco, foi submetido a técnicas cromatográficas como Sephadex LH-20 e CLAE, obtendo-se a purificação do princípio ativo antiofídico da planta, denominado ácido rosmarínico. A peçonha de B. jararacussu foi submetida à cromatografia de filtração em gel Sephadex G-75 e, à cromatografia de troca iônica. O ácido rosmarínico (AR) foi isolado do extrato metanólico de C. verbenacea e apresentou inibição da hemorragia provocada pela peçonha bruta de B. jararacussu. Em comparação, o ácido rosmarínico® também inibiu o efeito hemorrágico causado pela peçonha bruta de B. jararacussu. A atividade edematogênica provocada pelas toxinas BthTX-I e II foi avaliada e testada com os inibidores. Ambos AR e AR® não inibiram significativamente a induçào de edema. Resultados semelhantes foram obtidos com as atividades anticoagulante, e fosfolipásica. O ácido rosmarínico, AR e AR®, demonstrou alto efeito inibitório sobre a citotoxicidade e miotoxicidade induzida pela peçonha bruta e pela toxina BthTX-I. Ambos inibidores apresentou um menor efeito sobre a atividade miotóxica induzida pela toxina BthTX-II. Simulações de docking realizadas com três PLA2s e AR mostraram perfis de interações similares, reforçando as principais interações enzima-inibidor obtidas experimentalmente, relatadas na literatura. Os cálculos de derivação de farmacóforo baseados em diferentes inibidores relatados na literatura, assim como estudos de campos de interação molecular foram realizados, nos quais os resultados indicaram as principais modificações na estrutura do inibidor ácido rosmarínico necessárias para otimização. Nas simulações de screening virtual, novos potenciais inibidores de BthTX-I foram selecionados a partir de base de dados de compostos drug-like, direcionando os próximos passos aos testes biológicos, os quais serão realizados com esta fosfolipase e os novos candidatos a inibidores modelados. / Snake venoms from Bothrops genus are characterized by inducing myotoxicity, edema, thrombosis and hemorrhage. Thus, some researchers are searching for alternative treatments against ophidian poisoning with natural and artificial inhibitors. This work aimed study the interactions between PLA2s (Asp49 e Lys49) from Bothrops jararacussu snake venom, named BthTX-I and BthTX-II, respectively, and the inhibitor isolated from Cordia verbenacea plant. C. verbenacea presents several pharmacological activities already demonstrated, and it is also used by the population by its antiophidic activity. The hydroalcoholic extract prepared from the dried leaves, was submitted to chromatographic techniques as Sephadex LH-20 and HPLC, resulting in the purification of the antiophidian compound active from the plant, named rosmarinic acid. B. jararacussu snake venom was submitted to gel filtration chromatography on Sephadex G-75 and ion exchange chromatography. Rosmarinic acid (RA) was isolated from the C. verbenacea methanolic extract and it presented hemorrhage inhibition caused by crude venom from B. jararacussu. In comparison with this, Rosmaric acid® also inhibited the hemorrhagic effect caused by crude venom from B. jararacussu. Edematogenic activity caused by BthTX-I and II was evaluated and tested with the inhibitors. Both, RA e RA® did not inhibit the edema indution significantly. Similar results were obtained with the anticoagulant and phospholipasic activity. The rosmarinic acid, RA e RA®, presented high inhibitory effect for myotoxicity and cytotoxicity induced by crude venom and the toxin BthTX-I. Both inhibitors presented minor effect on myotoxicity activity induced by BthTX-II toxin. Docking simulations performed with three PLA2 and RA have shown similar interactions profiles, corroborating the main enzyme-inhibitor interactions experimentally obtained, reported in literature. Pharmacophore perception calculations based on different inhibitors reported in literature as well as molecular interaction fields studies were here carried out, whose results indicate the main changes in the structure of the rosmarinic acid inhibitor necessary to optimization. In the virtual screening simulations, novel potential BthTX-I inhibitors were selected from drug-like compounds databases, thus guiding next steps towards biological tests, which will must be performed with this phospholipase and the new inhibitor candidates modeled.

Os inibidores do receptor de angiotensina II do tipo 1 (AT1R), fármacos da classe das sartanas, são muito utilizados na terapêutica da insuficiência cardíaca. Apesar de serem eficientes por baixarem a pressão arterial, esses inibidores diminuem a contratilidade do músculo cardíaco, acentuando a patologia. Nesse sentido, os agonistas enviesados para β-arrestina do AT1R surgem como uma solução para esse problema. Estudos com o mais promissor peptídeo com ação agonista enviesada (TRV120027) mostram que ele é capaz de diminuir a pressão arterial sem causar o efeito inotrópico negativo no coração. Tendo em vista esse novo e promissor mecanismo de ação e a característica peptídica do novo agonista enviesado que restringe sua utilização, o presente trabalho visou à busca de ligantes não peptídicos com potencial ação enviesada. Foram realizados estudos de ancoramento seguidos de dinâmica molecular, no AT1R, de sete peptídeos agonistas e agonistas enviesados descritos na literatura, empregando-se os programas Surflex-Dock 2.0 e o GROMACS 4.5, além de análises de campos de interação molecular no programa GRID. Os dados das interações intermoleculares retirados da dinâmica e dos campos de interação guiaram a construção de um farmacóforo que foi utilizado posteriormente em uma busca virtual na base de dados ZINC, com o módulo UNITY 3D do pacote Sybyl-X Suite 2.0. Após ancoramento e análise visual das moléculas selecionadas na busca, foram identificadas 15 moléculas promissoras, sendo cinco delas consideradas de maior interesse. As moléculas selecionadas na busca poderão ser futuramente testadas quanto ao perfil de ação enviesada em receptores AT1R. Os resultados obtidos nesse estudo podem levar à descoberta de um novo protótipo mais eficiente e seguro para o tratamento de doenças cardiovasculares, como a insuficiência cardíaca. / Angiotensin II type 1 receptor (AT1R) inhibitors, the sartans, are widely used in the treatment of heart failure. Although they are effective for lowering blood pressure, these inhibitors decrease the contractility of the heart muscle, accentuating the pathology. Accordingly, β-arrestin biased agonists for AT1R emerge as a solution to this problem. Studies with the most promising biased agonist peptide (TRV120027) show that it is able to lower blood pressure without causing negative inotropic effect on the heart. Given this promising new mechanism of action and the peptide feature of the new agonist that restricts its use, this work aims the search for non-peptide ligands with a potential biased action. Docking studies, followed by molecular dynamics simultions, were performed for seven full and biased agonists in the AT1R, using the Surflex-Dock 2.0 and 4.5 GROMACS programs, besides molecular interaction fields analysis with GRID software. The data of intermolecular interactions from the molecular dynamic\'s analysis and the molecular interaction fields guided to the construction of a pharmacophore model which was subsequently used in a virtual screening from ZINC database, employing the 3D UNITY module from Sybyl-X Suite 2.0 package. After a docking study and visual analysis of the primary selected molecules, 15 promising molecules have been identified, five of them considered of most interest. The molecules selected in the search can be further tested for biased action on AT1R. The results of this study may lead to the discovery of a more efficient and secure lead for the treatment of cardiovascular diseases, such as heart failure.

Marihuana (Cannabis sativa) é uma planta amplamente usada pelo ser humano há séculos e suas várias aplicações têm benefícios importantes. A planta Cannabis sativa tem sido usada pelo homem como comida, em práticas medicinais e rituais religiosos. Seus efeitos incluem analgesia, alteração na percepção, cognição, memória e atividade psicomotora. Os compostos canabinoides têm sido usados na quimioterapia do câncer e AIDS. No entanto, o uso da marijuana é um problema devido aos seus efeitos indesejados, nesse caso, a atividade psicotrópica apresentada pelos compostos canabinoides. Devido ao grande interesse nos efeitos causados pelos compostos extraídos da Cannabis, vários estudos têm sido realizados com o objetivo de melhor entender a relação entre a estrutura química e a atividade biológica de compostos canabinoides, bem como as suas interações com os receptores canabinoides, CB1 e CB2. Ambos são receptores de sete transmembranas (TM) que pertencem à família classe A, como a da rodopsina bovina, dos receptores acoplados à proteína-G (GPCRs). Esta Tese representa um estudo da modelagem molecular do receptor CB1 baseado na estrutura da rodopsina bovina já publicada, uma vez que a maioria dos efeitos terapêuticos dos canabinoides tem sido mostrado serem mediados pelo receptor canabinoide CB1. Esse trabalho fornece, também, uma investigação da interação ligante-receptor e um estudo da ativação do receptor CB1. Ao final, foi feito um estudo de docking a fim de entender as principais interações que ocorrem entre o ∆9 -THC, a principal molécula psicoativa presente na Cannabis, e seu receptor CB1. / Marijuana (Cannabis sativa) is a widely used plant and its various applications have important benefits. The plant Cannabis sativa has been used by man for centuries for eating, medicinal practices and religious rituals. In human subjects, its effects include analgesia, alterations in perceptions, cognition, memory and psychomotor activity. The cannabinoid compounds have been used in the cancer chemotherapy and AIDS, but the use of marijuana is a problem due to its unwanted effects (the psychotropic activity presented by the cannabinoid compounds). Due to the great interest in the effects caused by the compounds extracted from the Cannabis, several studies have been carried out with the aim to better understand the relationship between the chemical structure and the biological activity of cannabinoid compounds, as well as their interaction with the cannabinoid receptors (CB1 and CB2). Both are seven-transmembrane (TM) receptors that belong to the rhodopsin-like family Class A of G protein coupled receptors (GPCRs). This work represents a study of molecular modeling of the CB1 receptor based upon the published bovine rhodopsin structure, once the most of the therapeutic effects of cannabinoids compounds have been shown to be mediated through the CB1 cannabinoid receptor. This work also provides an investigation of the CB1 receptor-ligand interaction and a study of the CB1 receptor activation. A docking study was also performed in order to understand the main interactions that occur between ∆9 -THC, the principal psychoactive molecule present in cannabis, and its receptor CB1.

A cana-de-açúcar é uma das principais fontes de energia renovável, constituindo a matéria-prima mais importante na busca por energia limpa e sustentável. Os benefícios ambientais provenientes da produção e do uso dos derivados de cana-de-açúcar fomentam o desenvolvimento de métodos e produtos que aumentem, de modo sustentável, a geração de bioenergia. Dentre os diversos fatores limitantes para o aumento da produção de cana-de-açúcar, destaca-se a ocorrência e a severidade de fitopatologias como a escaldadura das folhas. Essa doença, causada pela bactéria Xanthomonas albilineans, causa diminuição da produtividade, necessidade de reforma precoce dos canaviais e queda de qualidade do caldo extraído que determinam prejuízos econômicos significativos para os agricultores. Atualmente, não há alternativas disponíveis para o controle químico ou biológico dessa fitopatologia. Portanto, existe uma necessidade urgente de desenvolvimento de novas moléculas como defensivos agrícolas que sejam eficazes, seletivas, de baixo custo e impacto ao meio ambiente. A X. albilineans produz uma família de antibióticos e fitotoxinas conhecida como albicidinas. As enzimas envolvidas na biossíntese de albicidinas são alvos moleculares extremamente atrativos para o planejamento de novos agroquímicos. Entre as enzimas dessa via, destaca-se a fosfopanteteinil transferase (XaPPT, E.C. 2.7.8.7), uma enzima essencial para o desenvolvimento da X. albilineans. Essa dissertação está dividida em duas partes: i. estudos computacionais e ii. estudos experimentais. Na parte computacional foi desenvolvida uma nova ferramenta, denominada ViTaMIn para auxiliar o desenvolvimento de modelos tridimensionais (3D) de proteínas. A enzima XaPPT foi utilizada como estudo de caso para validar o programa. Os resultados obtidos indicaram que ViTaMIn foi capaz de auxiliar a construção de um modelo 3D robusto da XaPPT. Além disso, foi verificado que ViTaMIn é uma alternativa útil para usuários iniciante e experientes na modelagem molecular. O modelo de XaPPT construído foi utilizado na triagem virtual para a identificação de novos candidatos a inibidores. A estratégia incluiu a aplicação de filtros moleculares e estudos de docagem molecular que resultaram na seleção de 10 candidatos a inibidores da enzima-alvo. Na parte experimental, o cultivo de culturas de X. albilineans foi padronizado e estudos de biologia molecular com a XaPPT conduzidos a partir da extração de DNA genômico da bactéria. Estratégias clássicas e modernas foram empregadas para a clonagem da XaPPT. Os resultados obtidos indicaram a obtenção de proteína expressa na forma solúvel. Os trabalhos integrando estudos computacionais e experimentais apresentados nessa dissertação de mestrado significam importantes contribuições no desenvolvimento de bases científicas sólidas para o desenvolvimento de novos candidatos a agroquímicos para a cultura de cana de açúcar. / Sugarcane is a major source of renewable energy, representing the most important source for clean and sustainable energy. The environmental benefits collected from the production and use of sugarcane derivatives boost the development of new methods and products to improve, in a sustainable way, bioenergy generation. However, the occurrence and severity of plant diseases, such as leaf scald, hinder the productivity of sugarcane crops. Sugarcane leaf scald is a widespread and devastating disease caused by the bacteria Xanthomonas albilineans. The disease has a dramatic impact on crop productivity, including reduced yields and drop in quality of the juice. Currently, there is no chemical or biological treatment for disease control. Therefore, there is an urgent need for new effective and selective pesticides with low cost and environmental impact. The X. albilineans produces a family of antibiotics and phytotoxins known as albicidin. The enzymes involved in the biosynthesis of albicidin are attractive targets for the design of new agrochemicals. Among them, the phosphopantetheinyl transferase (XaPPT, EC 2.7.8.7) enzyme plays an essential role to the development of X. albilineans. This dissertation is divided into two parts: i. computational studies and ii. experimental studies. In the computational part, we developed a new tool, named ViTaMIn to assist the development of three-dimensional models (3D) of proteins. The XaPPT enzyme was employed as a case study to validate the program. The results indicated that ViTaMIn was capable of assisting the construction of a robust 3D model of XaPPT. Moreover, Vitamin is a useful alternative for beginners and advanced modelers. The XaPPT model was used in virtual screening approach to identify new candidate inhibitors. The strategy included the application of molecular filters and molecular docking studies which afforded 10 inhibitor candidates for the target enzyme. In the experimental part, X. albilineans was cultured and standardized. On the basis of that, molecular biology studies were conducted on XaPPT. Classical and modern strategies were employed to cloning XaPPT. The results indicated that protein is expressed soluble. The integration of computational and experimental studies presented in this dissertation are important contributions in the development of strong scientific basis for the design of new agrochemicals for sugarcane cultures.

O metabolismo de vitamina B9 é um alvo terapêutico conhecido para malária. A vitamina B6 foi validada como essencial para o parasita. Esse trabalho analisa bioquimica- e estruturalmente mutantes da enzima piridoxal quinase, pela combinação de análises in silico associadas a ensaios bioquímicos. A estrutura da PdxK de P. falciparum permitiu a localização do sítio ativo e da interface de dimerização. Logo foram sugeridas mutações que alterassem esses resíduos para investigar sua importância. Dinâmica molecular sugere que a dimerização é responsável pela estabilidade do sítio ativo, algo coerente com a diminuição da atividade enzimática na maioria das mutantes. Filtração em gel aponta um equilíbrio entre a conformação monômero-dímero mostrando que as mutações na interface não estão relacionadas a dimerização, mas envolvidas com a estabilização do folding na região do sítio ativo. A mesma é recoberta por uma tampa que impede a auto-hidrólise do ATP, há também um resíduo serina que estabiliza a conformação do piridoxal durante a catálise, as mutações em ambas as regiões levaram a inativação da enzimática. A hipótese de que a interação da PfPdxK com ligantes de RNA não se mostrou conclusiva. / Vitamin B9 metabolism is a known drug-target for malaria. Vitamin B6 was validated as essential for the parasite. We analysed biochemically and structurally the plasmodial dimeric pyridoxal kinase. PfPdxKs allowed us to determine the localisation of the active site as well the interface between the two monomers and to identify the involved residues. Molecular dynamics shows that the PdxKs dimerization is important for the active sites stability, which was confirmed by the decrease of activity in mutants related to this region. Gel filtration revealed equilibrium of monomer-dimer conformation and therefore the interface mutations decrease in activity might not be directly related to the dimerization processes, but rather to the active site organisation. The active site region shows a serine involved in keeping the pyridoxals conformation during catalyses and the identified lid region covering the ATP binding site is responsible for preventing auto-hydrolysis. Substitution of the respective amino acid to alanine resulted in enzyme inactivation. In silico analysis of the PfPdxK spacer region identified nucleic acid binding sides, however RNA binding experiments failed so far and the possibility of protein-RNA binding remains for elucidation.

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.

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.