Made available in DSpace on 2014-06-12T18:08:18Z (GMT). No. of bitstreams: 3 arquivo8047_1.pdf: 1992919 bytes, checksum: 57d424bed65e6b9de5a2871e338a68ec (MD5) arquivo8047_2.pdf: 10283231 bytes, checksum: f15b859b779fd47ee1dedfaf5d8331b5 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2002 / Neste trabalho, estudamos o modelo de rede neural para áreas do neocórtex cerebral humano, proposto por L. Ingber (1992) para explicar a atividade neocortical de duração entre centenas de milisegundos e vários segundos. O modelo permite a simulação de grandes regiões neocorticais, pelo fato de resumir em cada nó centenas de graus de liberdade correspondentes a vários neurônios. O conjunto de suas unidades básicas, chamadas mesocolunas, é modelado através de um autômato celular que evolui no tempo de acordo com regras locais estocásticas, determinadas por interações de tipo não-linear entre os nós através de conexões limitadas (de alcance finito) entre eles, uma constatação decorrente das pesquisas biológicas experimentais

A caracterização das flutuações dos resíduos da proteína em torno do seu estado nativo é essencial para estudar mudanças conformacionais, interação proteína-proteína e interação proteína-ligante. Tal caracterização pode ser capturada pelo modelo de rede gaussiana (GNM). Este modelo tem sido modificado e novas propostas têm surgido nos últimos anos. Nesta Tese, apresentamos um estudo sobre como melhorar o GNM e exploramos o seu desempenho em predizer os fatores-B experimentais. Modelos de redes elásticas são construídos a partir das coordenadas experimentais dos levando em consideração pares de átomos de C? distantes entre si até um dado raio de corte Rc . Estes modelos descrevem as interações entre os atómos por molas com a mesma constante de força. Desenvolvemos um método baseado em simulações numéricas com um campo de forças simplificado para atribuir pesos a estas constantes de mola. Este método considera o tempo em que dois átomos de C? permanecem conectados na rede durante o desenovelamento parcial, estabelecendo assim uma forma de medir a intensidade de cada ligação. Examinamos dois diferentes campos de forças simplificados e exploramos o cálculo desses pesos a partir do desenovelamento das estruturas nativas. Nós comparamos o seu desempenho na predição dos fatores-B com outros modelos de rede elástica. Avaliamos tal desempenho utilizando o coeficiente de correlação entre os fatores-B preditos e experimentais. Mostramos como o nosso modelo pode descrever melhor os fatores-B / The characterization of the fluctuations in protein residues around its native state is essential to study conformational changes, protein binding interaction and protein-protein interaction. Such characterization can be captured by simple elastic network models as the Gaussian Network Model (GNM). This model has been modified and new proposals have emerged in recent years. In this Thesis we propose an extended version of GNM, namely wGNM. Elastic network models are built on the experimental C? coordinates,and they only take the pairs of C? atoms within a given cutoff distance Rc into account. These models describe the interactions by elastic springs with the same force constant to predicted the experimental B-factors, providing insights into the structure-function properties of proteins. We have developed a method based on numerical simulations with a simple coarse-grained force field, to attribute weights to these spring constants. This method considers the time that two C? atoms remain connected in the network during partial unfolding, establishing a means of measuring the strength of each link. We examined two different coarse-grained force fields and explored the computation of these weights by unfolding native structures. We compare the B-factors predicted by different elastic network models with the experimental ones employing the correlation coefficient between these two quantities. We show that wGNM performs better and consequently provides better evaluation of the B-factors

Submitted by Everaldo Pereira (pereira.evera@gmail.com) on 2017-02-21T02:09:05Z No. of bitstreams: 1 Danilo Lisboa Dissertação.pdf: 1609868 bytes, checksum: fb22cfd92f14b7275027cf6ace7d5365 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-21T02:09:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Danilo Lisboa Dissertação.pdf: 1609868 bytes, checksum: fb22cfd92f14b7275027cf6ace7d5365 (MD5) / Ao longo dos últimos anos, o processo conhecido como branqueamento dos corais tem sido um dos principais objetos de pesquisas relacionadas aos estudos climáticos nos ambientes marinhos. Devido à complexidade envolvida nestes fenômenos, sua previsão tornou-se um dos grandes desafios da comunidade científica empenhada em compreender os processos atuantes no ambiente recifal. Nesta pesquisa dados de monitoramento recifal do complexo recifal dos Abrolhos referentes a nove verões foram utilizados para construir e ensinar um modelo de previsão de branqueamento capaz de gerar prognósticos em termos de probabilidades de ocorrência de eventos extremos na região. O modelo proposto fundamentou-se em duas ideias principais extensivamente discutidas em periódicos relacionados ao tema: 1- o branqueamento dos corais é principalmente influenciado por anomalias térmicas positivas na água do mar; e 2- existe uma relação entre a intensidade do fenômeno El Niño e anomalias térmicas positivas na região do Atlântico Sul Ocidental. A abordagem Bayesiana proposta para a construção do modelo demonstrou ser adequada ao organizar hierarquicamente as variáveis locais e combiná-las com os indicadores do El Niño referentes ao inverno predecessor para gerar previsões de branqueamento com alguns meses de antecedência. Os resultados, fornecidos pela rede em termos de probabilidades condicionais, são calculados a partir da propagação da evidência através da estrutura da rede, segundo o teorema de Bayes. Durante a validação do modelo através do método Leave one out, demonstrou-se que a rede foi capaz de prever acertadamente todos os 28 (vinte e oito) casos com os quais foi ensinada. Quatro diferentes aplicações foram propostas para o modelo, demonstrando uma expressiva utilidade tanto de caráter prático, ao ser utilizado como ferramenta suporte durante as campanhas de campo, assim como na previsão para o verão de 2016, como de caráter teórico ao ser empregado para se realizar especulações a respeito do papel da turbidez durante os episódios de branqueamento. Outra aplicação de caráter teórico refere-se à previsão “passada” de eventos extremos para os verões dos anos de 2004 a 2009, quando não foram realizadas campanhas de campo. Além disso, uma última utilidade foi proposta ao usarmos os dados de entrada do modelo para construir mapas de probabilidade média de branqueamento passiveis de serem empregados como critério de seleção de áreas prioritárias para conservação ambiental na região do complexo recifal dos Abrolhos. Estes mapas indicam onde, segundo o modelo, os corais teriam melhores chances de sobrevivência frente à tendência atual de aumento gradativo na TSM e consequentemente na frequência e intensidade dos episódios de branqueamento. Portanto, o modelo apresentado nesta pesquisa alcançou seus objetivos ao demonstrar utilidade prática e teórica, além de apresentar-se consistente em suas previsões, representando, dessa maneira, uma ferramenta apta a conceder suporte à gestão ambiental na região do complexo recifal dos Abrolhos. / ABSTRACT - Over the past few years, the process known as coral bleaching has been one of the main objects of research related to climate studies in marine environments. Due to the complexity involved in these phenomena, his prediction has become a major challenge for the scientific community committed to understanding the processes acting in the reef environment. In this research reef monitoring data of the Abrolhos reef complex referring to nine summers were used to construct and teach a bleaching prediction model capable of generating predictions in terms of probabilities of occurrence of extreme events in the region. The proposed model was based on two main ideas discussed extensively in journals related to the topic: 1- coral bleaching is mainly influenced by positive thermal anomalies in sea water; and 2- there is a relationship between the intensity of El Niño and positive temperature anomalies in the South West Atlantic region. The Bayesian approach proposed for the construction of the model was suitable to hierarchically organize the local variables and combine them with the El Niño indicators for the predecessor winter to generate bleaching predictions for a few months in future. The results provided by the network in terms of conditional probabilities are calculated from the spread of evidence through the network structure, according to the Bayes theorem. During the validation of the model by the method Leave One Out, it was demonstrated that the network was able to correctly predict all 28 (twenty eight) cases which have been taught. Four different applications have been proposed for the model, demonstrating an important utility of practical nature, to be used as a support tool during field campaigns, as well as the forecast for the summer of 2016. A theoretical character utility was demonstrated to perform speculation about the role of turbidity during episodes of bleaching. Another theoretical character application refers to the forecast "last" of extreme events for the summers of 2004 to 2009, when field campaigns were not carried out. Also, one last use was proposed in using the model input data to construct medium probability maps of susceptible to bleaching to be employed as a criterion for selection of priority areas for conservation in the reef complex region of the Abrolhos. These maps indicate where, according to the model, the corals would have better chances of survival facing the current trend of gradual increase in SST and consequently the frequency and intensity of bleaching episodes. Therefore, the model presented in this study achieved its objectives to demonstrate theoretical and practical utility, in addition to present consistent in their predictions, representing, thus, an apt tool to provide support to environmental management in the reef complex region of the Abrolhos.

A caracterização das flutuações dos resíduos da proteína em torno do seu estado nativo é essencial para estudar mudanças conformacionais, interação proteína-proteína e interação proteína-ligante. Tal caracterização pode ser capturada pelo modelo de rede gaussiana (GNM). Este modelo tem sido modificado e novas propostas têm surgido nos últimos anos. Nesta Tese, apresentamos um estudo sobre como melhorar o GNM e exploramos o seu desempenho em predizer os fatores-B experimentais. Modelos de redes elásticas são construídos a partir das coordenadas experimentais dos levando em consideração pares de átomos de C? distantes entre si até um dado raio de corte Rc . Estes modelos descrevem as interações entre os atómos por molas com a mesma constante de força. Desenvolvemos um método baseado em simulações numéricas com um campo de forças simplificado para atribuir pesos a estas constantes de mola. Este método considera o tempo em que dois átomos de C? permanecem conectados na rede durante o desenovelamento parcial, estabelecendo assim uma forma de medir a intensidade de cada ligação. Examinamos dois diferentes campos de forças simplificados e exploramos o cálculo desses pesos a partir do desenovelamento das estruturas nativas. Nós comparamos o seu desempenho na predição dos fatores-B com outros modelos de rede elástica. Avaliamos tal desempenho utilizando o coeficiente de correlação entre os fatores-B preditos e experimentais. Mostramos como o nosso modelo pode descrever melhor os fatores-B / The characterization of the fluctuations in protein residues around its native state is essential to study conformational changes, protein binding interaction and protein-protein interaction. Such characterization can be captured by simple elastic network models as the Gaussian Network Model (GNM). This model has been modified and new proposals have emerged in recent years. In this Thesis we propose an extended version of GNM, namely wGNM. Elastic network models are built on the experimental C? coordinates,and they only take the pairs of C? atoms within a given cutoff distance Rc into account. These models describe the interactions by elastic springs with the same force constant to predicted the experimental B-factors, providing insights into the structure-function properties of proteins. We have developed a method based on numerical simulations with a simple coarse-grained force field, to attribute weights to these spring constants. This method considers the time that two C? atoms remain connected in the network during partial unfolding, establishing a means of measuring the strength of each link. We examined two different coarse-grained force fields and explored the computation of these weights by unfolding native structures. We compare the B-factors predicted by different elastic network models with the experimental ones employing the correlation coefficient between these two quantities. We show that wGNM performs better and consequently provides better evaluation of the B-factors

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

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

A abordagem de modos normais de baixa frequência na descrição das flutuações conformacionais dos estados nativos das proteínas globulares tem ajudado na caracterização das suas funções biológicas. Vários métodos teóricos e experimentais têm sido empregados para a determinação destas flutuações internas. Estes movimentos podem ser caracterizados pelo fator Debye-Waller (fator-B), correspondente à mobilidade local do resíduo em nível atômico. A análise de modos normais utilizando os modelos de rede elástica (ENM) demonstra ser uma técnica robusta. Fatores-B experimentais são reproduzidos teoricamente por meio desta técnica em tempos computacionais relativamente curtos, mostrando-se competitiva com as técnicas mais sofisticadas. O modelo de rede elástica é uma abordagem t ipo coarse-grain na qual a proteína no seu estado enovelado é representada por uma rede elástica tridimensional de carbonos conectados por molas. As molas representam as interações ligantes e não ligantes entre os carbonos . Neste trabalho, inicialmente, estudamos os modelos de rede elástica já conhecidos na literatura. Em seguida, realizamos um estudo comparativo entre eles. Neste estudo, comprovamos que os modelos pfGNM e pfANM apresentam melhor correlação com os fatores-B experimentais que os os modelos GNM e ANM tradicionais. Desenvolvemos também uma nova abordagem, a qual intitulamos número de contatos ponderados anisotrópica (AWCN). Mostramos que a abordagem AWCN apresenta um desempenho significativamente melhor que o modelo de rede elástica anisotrópica tradicional. Por fim, realizamos um estudo de caráter investigativo do comportamento do peso das interações entre resíduos. Este estudo re velou que, para os modelos WCN e AWCN, a correlação exibe o seu valor máximo para interações ponderadas $1/R^p$, entre resíduos $i$ e $j$j, para valores de $p$ em torno de 2. Nos modelos pfGNM e pfANM a correlação é maximizada para dois valores de $p$, o primeiro em torno de 2 e o segundo em torno de 4,75, indicando que a ponderação pelo recíproco do quadrado da distância, usualmente empregada na literatura, pode não ser adequada para obter a melhor correlação. / Low frequency normal mode approach to describe conformational fluctuations of globular proteins has helped to characterize their biological functions. Various theoretical and experimental methods have been employed to det ermine the magnitudes of those internal motions. Those motions can be characterized by the Debye-Waller factor (B-factor), co rresponding to the local mobility of the residue at the atomic level. Normal mode analysis using elastic network models (ENM) has demonstrated to be a robust technique. Experimental B-factors has been reproduced theoretically by means of this techniq ue in a short computational time and it has been shown to be competitive with more sophisticated techniques. The ENM is a coarse-grained approach in which the protein is represented by a three-dimensional elastic network of alpha-carbon atoms connect ed by springs. Springs represent bonded and non-bonded interactions between the alpha-carbon atoms. In this work, we study th e elastic network models known in the literature. Next, we perform a comparative study between them. We show that the pfGNM a nd pfANM models present better correlation with experimental B-factors than the traditional GNM and ANM models. We also devel op a new approach, which we entitled anisotropic weighted contact number (AWCN). We show that it presents results significantly better than the traditional anisotropic elastic network model. Finally, we perform a study of investigative character of the behavior for the weight of the interactions between residues. This study revealed that, for the WCN and AWCN models, the correlation exhibits its maximum value for weighted interactions $1/R^p$, between residues $i$ and $j$, for values of $p$ around 2. In the pfGNM and pfANM models the correlation is max imized for two values of $p$, the first one around 2 and the second one around 4.75. This indicates that the weighting by the reciprocal of the square of the distance, usually employed in the literature, may not be appropriate to obtain the best correlation.

A abordagem de modos normais de baixa frequência na descrição das flutuações conformacionais dos estados nativos das proteínas globulares tem ajudado na caracterização das suas funções biológicas. Vários métodos teóricos e experimentais têm sido empregados para a determinação destas flutuações internas. Estes movimentos podem ser caracterizados pelo fator Debye-Waller (fator-B), correspondente à mobilidade local do resíduo em nível atômico. A análise de modos normais utilizando os modelos de rede elástica (ENM) demonstra ser uma técnica robusta. Fatores-B experimentais são reproduzidos teoricamente por meio desta técnica em tempos computacionais relativamente curtos, mostrando-se competitiva com as técnicas mais sofisticadas. O modelo de rede elástica é uma abordagem t ipo coarse-grain na qual a proteína no seu estado enovelado é representada por uma rede elástica tridimensional de carbonos conectados por molas. As molas representam as interações ligantes e não ligantes entre os carbonos . Neste trabalho, inicialmente, estudamos os modelos de rede elástica já conhecidos na literatura. Em seguida, realizamos um estudo comparativo entre eles. Neste estudo, comprovamos que os modelos pfGNM e pfANM apresentam melhor correlação com os fatores-B experimentais que os os modelos GNM e ANM tradicionais. Desenvolvemos também uma nova abordagem, a qual intitulamos número de contatos ponderados anisotrópica (AWCN). Mostramos que a abordagem AWCN apresenta um desempenho significativamente melhor que o modelo de rede elástica anisotrópica tradicional. Por fim, realizamos um estudo de caráter investigativo do comportamento do peso das interações entre resíduos. Este estudo re velou que, para os modelos WCN e AWCN, a correlação exibe o seu valor máximo para interações ponderadas $1/R^p$, entre resíduos $i$ e $j$j, para valores de $p$ em torno de 2. Nos modelos pfGNM e pfANM a correlação é maximizada para dois valores de $p$, o primeiro em torno de 2 e o segundo em torno de 4,75, indicando que a ponderação pelo recíproco do quadrado da distância, usualmente empregada na literatura, pode não ser adequada para obter a melhor correlação. / Low frequency normal mode approach to describe conformational fluctuations of globular proteins has helped to characterize their biological functions. Various theoretical and experimental methods have been employed to det ermine the magnitudes of those internal motions. Those motions can be characterized by the Debye-Waller factor (B-factor), co rresponding to the local mobility of the residue at the atomic level. Normal mode analysis using elastic network models (ENM) has demonstrated to be a robust technique. Experimental B-factors has been reproduced theoretically by means of this techniq ue in a short computational time and it has been shown to be competitive with more sophisticated techniques. The ENM is a coarse-grained approach in which the protein is represented by a three-dimensional elastic network of alpha-carbon atoms connect ed by springs. Springs represent bonded and non-bonded interactions between the alpha-carbon atoms. In this work, we study th e elastic network models known in the literature. Next, we perform a comparative study between them. We show that the pfGNM a nd pfANM models present better correlation with experimental B-factors than the traditional GNM and ANM models. We also devel op a new approach, which we entitled anisotropic weighted contact number (AWCN). We show that it presents results significantly better than the traditional anisotropic elastic network model. Finally, we perform a study of investigative character of the behavior for the weight of the interactions between residues. This study revealed that, for the WCN and AWCN models, the correlation exhibits its maximum value for weighted interactions $1/R^p$, between residues $i$ and $j$, for values of $p$ around 2. In the pfGNM and pfANM models the correlation is max imized for two values of $p$, the first one around 2 and the second one around 4.75. This indicates that the weighting by the reciprocal of the square of the distance, usually employed in the literature, may not be appropriate to obtain the best correlation.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-04-28Bitstream added on 2014-06-13T18:41:06Z : No. of bitstreams: 1 oliveira_lc_dr_sjrp.pdf: 1552331 bytes, checksum: ff9be69b536d540081c28a83bf038868 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A topologia do estado nativo de uma proteína desempenha um papel crucial no processo de enovelamento. Neste trabalho uma nova aproximação utilizando aspectos topol ogicos para investigar a evolução protéica e apresentada. O modelo utiliza uma rede c ubica 3 3 3 de 27 monômeros e um mapa de conexões entre diferentes conformações em espa co de fase estrutural e de sequência. Desenhamos a melhor sequência não frustrada para cada uma das 103346 conformações maximamente compactas usando um algorítimo que maximiza o número de tipos de monômeros na sequência. Isto significa que cada sequência não pode possuir contatos desfavor aveis. O n umero m aximo de tipos de monômeros e 5. A sequência-conformação e considerada \protein-like se ela tem uma unica conformação de mais baixa energia, alem de acessibilidade e robustez. De todas as conformações maximamente compactas, somente 4; 75% geraram sequências \protein-like', o qual são o alvo neste estudo. Com esses dados realizamos simulações de Monte Carlo (MC) no qual examinamos as melhores sequêencias estruturas baseando-se no ZScore. A simulação e iniciada com uma sequência aleatória no qual e testada em todas as conformações, seguindo as regras estipuladas por MC. Se o ZScore aumenta, assumimos que a nova conformação e mais estável que a anterior. Esse processo e repetido até que as sequências otimamente desenhadas (com mais alto ZScore) são alcançadas. Mantendo as trajetórias originadas via MC, um mapa de conectividade sequências-estruturas e obtido. Os resultados mostram trajetórias conectadas com estruturas com baixos valores de ZScore. O aumento do ZScore ao longo da simulação conduz a um pequeno grupo de conformações preferenciais. O modelo sugere um funil de estruturas para a evolução de proteínas no qual as estruturas do fundo estão associadas com o ii \motif de uma proteína... / The topology of a protein native state plays a crucial role in the folding process. In this work a new approach using topological aspects to investigate the protein evolutions is presented. The model uses the 27-mer in a cubic lattice of 3 3 3, and a conection map between di erent conformations is found in the sequence and structural phase space. We designed the best unfrustrated sequence for each of the 103346 maximally compact conformation, using an algorithm that maximizes the number for monomers types in the sequence. This means that each sequence cannot have unfavorable contacts. The maximum number of types of monomer is 5. The sequence-conformation is considered protein-like if it has a unique lowest energy conformation, accessible and robust . Out of all maximally compact conformations, only 4,75% generated protein-like sequence, with are targeted in this study. With this data we performed a Monte Carlo simulations in which we probe for better sequence-structure based on Zscore. The simulation start which a random sequence and it is tested all conformations, nding its conformations according to the Monte Carlo rules. If the Zscore increases, we assume that the new conformation is more stable than the previous. This process is repeated until the optimally designed sequence (with the highest Zscore) is reached. Keeping track of all the Monte Carlo trajectories, a map of conectivity of sequence-structures is obtained. The results shows trajectories connected with structures of low Zscore values. The increase of Zscore along of the simulation leads to a small group of preferred conformations. The model suggest a funnel like structure for folding evolution, in which the structures at the bottom of the funnel are associated with the motif of a protein. This result can be a possible iv explanation for the restricted number of conformations compared to the large number of sequences... (Complete abstract click electronic access below)

[pt] A compreensão dos mecanismos e fenômenos de transporte relacionados ao fluxo multifásico em meios porosos é de grande relevância para diversas aplicações práticas como captura e sequestro de dióxido de carbono, transporte em células de combustível e recuperação avançada de reservatórios de hidrocarbonetos. A geometria do espaço poroso e as interações dos fluidos com sua parte sólida determinam propriedades macroscópicas como porosidade, permeabilidades relativas e pressão capilar. Porém, a visão em escala microscópica fornece uma melhor descrição e entendimento dos processos físicos e químicos do escoamento de fluidos no espaço poroso. Neste trabalho desenvolvemos um simulador de rede de poros para análise do escoamento bifásico de fluidos imiscíveis tanto para o processo de drenagem quanto para o de embebição. O modelo de rede 240×40 tem capilares com raios médios na ordem de 52.35 micrometro com constrição. Os padrões de escoamento e eficiências de deslocamento foram obtidos para diferentes razões de viscosidade e números de capilaridade. Os resultados encontrados, considerando deslocamento pistão, foram similares a de experimentos realizados previamente, injetando água no meio saturado de óleo. Na drenagem, a saturação residual de óleo cai com o aumento do número de capilaridade. O padrão de escoamento observado é de fingerings viscosos e, a frente de deslocamento torna-se mais estável com o aumento da razão de viscosidade. Na embebição, para números de capilaridade mais baixos, o escoamento foi dominado por fingers capilares. Para números de capilaridade altos, fingers viscosos foram predominantes e, com o aumento da razão de viscosidade, a frente apresentou maior estabilidade. / [en] Understanding the mechanisms and transport phenomena of multiphase flow in porous media has great relevance in several practical applications, such as capture and sequestration of carbon dioxide, transport in fuel cells and enhancement hydrocarbon recovery. The geometry of pore space and the fluid interactions with the solid determine macroscopic properties such as porosity, relative permeabilities and capillary pressure. However, microscopic analysis provides a better description and comprehension of physical and chemical processes of fluid flow in the pore space. In this work, we developed a pore-network simulator to analyze immiscible two-phase flow for both drainage and imbibition processes. The 240×40 pore-network model has constricted capillary channels with radius on the order of 52.35 micrometer. Flow patterns and displacement efficiencies evaluation were obtained at different viscosity ratios and capillary numbers. The results, considering piston-like displacement, were similar to experiments realized previously, injecting water in an oil saturated medium. In the drainage process, the oil saturation reduces with increasing capillary number. The observed flow pattern is viscous fingerings and the front is stable with the higher viscosity ratio. In imbibition, the flow was dominated by capillary fingers at low capillary numbers. At high capillary numbers, viscous fingers were predominant and, with increasing viscosity ratio, the front presented higher stability.