BEZERRA, Italo Pereira. Auto-organização de aglomerados finitos de dipolos magnéticos carregados. 2009. 65 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-04T18:22:34Z No. of bitstreams: 1 2009_dis_ipbezerra.pdf: 8023171 bytes, checksum: e47ba0b7e87905fb3b10ff887cc2f1f8 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-07T16:51:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_dis_ipbezerra.pdf: 8023171 bytes, checksum: e47ba0b7e87905fb3b10ff887cc2f1f8 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-07T16:51:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_dis_ipbezerra.pdf: 8023171 bytes, checksum: e47ba0b7e87905fb3b10ff887cc2f1f8 (MD5) Previous issue date: 2009 / It is studied at this thesis a two-dimensional cluster of magnetic particles, with surface charge, confined by a circular parabolic potential. The particles have the same magnitude of magnetic dipole moment and the same amount and sign of surface charge. The goal of the present study is the characterization of the ground state configurations and the normal mode spectra of the cluster. The numerical study of the system is based on the Monte Carlo simulation technique, using the Metropolis Algorithm. It was also used the called Newton Method technique to reach the ground state configurations . The present study is divided in two parts: i) In the first one, the dependence of the equilibrium configurations and the normal modes is analyzed considering the presence or not of a external magnetic field. The magnetic dipole moment is taken as constant. ii) In the second one, the surface charge and the magnetic dipole moment are taken as constant, and the ground state configurations and the normal modes are studied as function the the external magnetic field intensity. At this part, it is also calculated the magnetization of the system as function of the external magnetic field. It was observed a great number of different ground state configurations, like concentric rings, and chains. The vibrational normal mode frequencies spectra was obtained by using the harmonic approximation. Due to the non-spatial symmetry of the magnetic dipole interaction, the normal modes must show an extra rotational component. It can be noted that due to surface charge of the particles the frequencies spectra can present elevated variation on the intensity. It can also be noted that some properties of the first case system also occurs on the second case system, and these properties are independent of the applied magnetic field, and in the second case system it can be noted that there are less different ground state configurations as compared with the first one. / Estuda-se, neste trabalho, aglomerados bidimensionais de partículas dipolares magnéticas, com carga elétrica superficial, confinadas em um potencial parabólico circular. As partículas possuem mesmo módulo de momento de dipolo magnético, assim como mesmos módulo e sinal de carga superficial. O objetivo do presente estudo é a caracterização das configurações do estado fundamental e do espectro dos modos normais do aglomerado. O sistema é estudado numericamente através de simulações Monte Carlo, utilizando o algoritmo de Metropolis. Utilizou-se ainda o chamado Método de Newton Modificado para auxiliar a obtenção das configurações de mínima energia. O estudo é dividido em duas partes: i) Na primeira, a dependência das configurações de equilíbrio e modos normais é analisada em função da carga superficial, na presença e ausência de campo magnético externo, considerando-se o momento de dipolo magnético constante. ii) Na segunda, a carga superficial e o momento de dipolo magnético são fixados e as configurações de equilíbrio e os modos normais são estudados em função da intensidade do campo magnético externo. Nesta parte, calcula-se ainda a magnetização do sistema em função do campo externo. O espectro de frequências dos modos normais de vibração foram obtidos através da técnica de aproximação harmônica. Devido à não-simetria espacial da interação magnética dipolar, os modos normais devem apresentar um componente extra de rotação. Observa-se que para um intervalo característico da carga superficial das partículas, o espectro de frequências sofre uma grande variação de intensidade. Observa-se que no caso dependente da carga, o sistema apresenta características que independem do campo magnético aplicado. Observa-se, no caso dependente do campo aplicado, uma menor variedade de configurações de equilíbrio deste tipo de sistema em relação ao dependente da carga.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / In this thesis we analyze the structural properties and diffusive dynamics for a classical system of two-dimensional (2D) charged particles, interacting through a repulsive Yukawa potential of the type exp(−r/ lambda)/r, and confined in a parabolic channel that limits the movement of particles in the y direction. Along the x direction, the particles are subject to a periodic potential. The ground-state configurations and the normal mode spectra are obtained in terms of the periodicity (L), the intensity of the periodic potential (V0) and density. An interesting set of tunable ground-state configurations are found, with first- or second-order structural transitions between them. A configuration with particles aligned, perpendicular to the x direction, in each minimum of the periodic potential is obtained for V0 larger than some critical value that has a power-law dependence on the density. The phonon spectrum of different configurations was also calculated. A localization of the modes into a small frequency interval is observed for sufficiently large strength of the periodic potential, and a tunable gap in the phonon spectrum is found as a function of V0. Langevin dynamic simulations are used to investigate the effect of the particle density, the amplitude of the periodic substrate, and the range of the interparticle interaction potential on the diffusive behavior of the particles. We found that in general the diffusion is suppressed with increasing amplitude of the periodic potential, but for specific values of the strength of the substrate potential a remarkably increase of the diffusion is found with increasing periodic potential amplitude. In addition, we found a strong dependence of the diffusion on the specific arrangement of the particles, e.g. singlechain versus multi-chain configuration. For certain particle configurations, a reentrant behavior of the diffusion is found as function of the substrate strength due to structural transitions in the ordering of the particles. / Nesta tese analisamos as propriedades estruturais, dinÃmicas e difusivas para um um sistema clÃssico bidimensional (2D) onde partÃculas carregadas interagem atravÃs de um potencial do tipo Yukawa repulsivo $exp(-r/lambda)/r$, e estÃo confinadas em um canal do tipo parabÃlico, o qual limita o movimento das partÃculas na direÃÃo $y$. Ao longo da direÃÃo $x$, as partÃculas estÃo sujeitas a um potencial periÃdico. As configuraÃÃes do estado fundamental e o espectro dos modos normais sÃo obtidos em funÃÃo: da periodicidade ($L$), da intensidade do potencial periÃdico ($V_0$) e da densidade. Um interessante conjunto de estados fundamentais sÃo encontrados, com transiÃÃes estruturais de primeira ou de segunda entre eles. Uma configuraÃÃo com partÃculas alinhadas, perpendicular à direÃÃo $x$, em cada mÃnimo do potencial periÃdico à obtida para valores de $V_0$ maiores do que um determinado valor crÃtico, observa-se uma dependÃncia de $V_0$ em relaÃÃo a densidade na forma de uma lei de potÃncia. O espectro de fÃnons para diferentes configuraÃÃes tambÃm foi calculado. A localizaÃÃo dos modos em um pequeno intervalo de freqÃÃncia à observada para uma intensidade do potencial periÃdico suficientemente grande do, e um intervalo(gap) ajustÃvel no espectro fÃnon à encontrado em funÃÃo de $V_0$. A difusÃo de partÃculas carregadas interagindo por meio de simulaÃÃes de Langevin foram utilizadas para investigar o efeito da da densidade de partÃculas, da amplitude do substrato periÃdico, e o intervalo do potencial de interaÃÃo entre as partÃculas sobre o comportamento difusivo das partÃculas. Descobrimos que, em geral, a difusÃo à suprimida com o crescimento da amplitude do potencial periÃdico, mas para valores especÃficos da intensidade do potencial do substrato um aumento notÃvel na difusÃo à encontrado com o aumento da amplitude do potencial periÃdico. AlÃm disso, encontramos uma forte dependÃncia da difusÃo em relaÃÃo ao arranjo das partÃculas (uma cadeia versus duas cadeias). Para determinados arranjos das partÃculas, um comportamento reentrante na difusÃo à encontrado em funÃÃo da intensidade do substrato devido as transiÃÃes estruturais na ordenaÃÃo das partÃculas.

Submitted by João Arthur Martins (joao.arthur@ufpe.br) on 2015-03-03T18:31:59Z No. of bitstreams: 2 MVPS_tese_versao_final_completa_sem_assinatura.pdf: 9794248 bytes, checksum: e8b0b56cd04ef0be4abb905d4891a1cb (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-03T18:31:59Z (GMT). No. of bitstreams: 2 MVPS_tese_versao_final_completa_sem_assinatura.pdf: 9794248 bytes, checksum: e8b0b56cd04ef0be4abb905d4891a1cb (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2012-08-17 / CNPq e FACEPE / Este documento apresenta a Tese de doutorado do estudante Marcus Vinicius Pereira dos Santos ao Programa de P´os-Gradua¸c˜ao em Ciˆencia de Materiais da Universidade Federal de Pernambuco. Neste trabalho procurou-se avaliar propriedades eletrˆonicas, espectrosc ´opicas e catal´ıticas de trˆes tipos de materiais moleculares: fenestranos, alcaplanos e o 1,4-benzenodimetanol. Os fenestranos possuem uma subunidade espiroalcano e apresentam como caracter´ısticas energ´eticas principais: energias de ioniza¸c˜ao da mesma ordem de metais alcalinos terrosos tais como c´alcio (6,11 eV), magn´esio (7,64 eV) e ber´ılio (9,32 eV), cujos valores est˜ao intimamente relacionados com o menor valor do ˆangulo torsional envolvendo o carbono central e seus carbonos vizinhos ( ). Por sua vez, o valor deste ˆangulo torsional est´a associado aos tipos de an´eis, `a presen¸ca ou n˜ao das liga¸c˜oes duplas e a quantidade de liga¸c˜oes duplas por anel. Isto permite um controle muito sens´ıvel n˜ao s´o da energia de ioniza¸c˜ao, mas tamb´em da energia de tens˜ao do anel, o que ´e essencial para se propor, simultaneamente, compostos com car´ater doador de el´etrons e sinteticamente vi´aveis para aplica¸c˜ao em sistemas aceitador-ponte-doador (A-B-D) utilizados em ´optica n˜ao-linear (NLO). Contudo, os alcaplanos s˜ao os materiais moleculares mais indicados como doadores de el´etrons em sistemas A-B-D, uma vez que possuem energias de ioniza¸c˜ao menores que 5 eV, mesmo em compostos que n˜ao possuem o ´atomo de carbono central tetracoordenado completamente plano (ptC), e assim como os fenestranos, possuem um controle sens´ıvel das propriedades energ´eticas com rela¸c˜ao ao valor de . A presen¸ca de liga¸c˜oes duplas nos an´eis e de grupos laterais do tipo -CH2- permite um controle diferenciado dessas propriedades, inclusive a supress˜ao da dependˆencia da energia de ioniza¸c˜ao com a planaridade (valor de ), o que permite o relaxamento da estrutura sem perder o baixo valor da energia de ioniza¸c˜ao do material. Por´em, os alcaplanos normalmente possuem tens˜oes de anel e entalpias de forma¸c˜ao maiores que os fenestranos, o que explica a dificuldade de s´ıntese desses compostos. A aproxima¸c˜ao PICVib, procedimento in´edito para an´alise da frequˆencia de modos normais espec´ıficos, mostra-se como uma alternativa simples, geral, robusta e com excelente desempenho na previs˜ao de frequˆencias vibracionais, mesmo com baixas energias (100 cm−1). Com seu aux´ılio, ´e poss´ıvel transpor facilmente a barreira de utiliza¸c˜ao de m´etodos p´os-Hartree-Fock mais sofisticados, com fun¸c˜oes de base triplo zeta que incluem fun¸c˜oes difusas e de polariza¸c˜ao, em sistemas moleculares com cerca de 50 ´atomos. J´a sua vers˜ao de baixo custo, a PICVib-v, requer bastante cautela para uso, uma vez que depende fortemente do qu˜ao diferente ´e a geometria obtida como m´etodo low comparada vi RESUMO vii `aquela fornecida pelo m´etodo high. Existe algum alcaplano ptC est´avel? Ao contr´ario do que foi comentado e proposto na literatura, acreditamos que uma resposta definitiva n˜ao pode ser dada por metodologias baseadas no funcional da densidade ou at´e mesmo com a teoria de perturba¸c˜ao de segunda ordem, pois em v´arios casos estudados nesta tese esses m´etodos forneceram resultados discordantes e contradit´orios. Com teorias mais sofisticadas, como ´e o caso de “coupled-cluster”(CC) aliado ao PICVib (ou PICVib-v), constata-se que dentre os quatro compostos analisados contendo ptC, o dimetilespiroalcaplano proposto por Radom apresenta uma frequˆencia imagin´aria no valor de 371i cm−1 calculada com o m´etodo CCSD, contradizendo um dos principais resultados obtidos na literatura, al´em dos pr´oprios resultados obtidos neste trabalho com o m´etodo MP2 (com diferentes fun¸c˜oes de base). Os resultados CCSD mostram ainda que dois compostos com ptC apresentam frequˆencias reais, mas ambos apresentam instabilidade da fun¸c˜ao de onda. Assim, acreditamos que o tratamento empregado ´e inadequado. A nossa proposta de alcaplano com ptC ´e inst´avel, pois apresenta constante de for¸ca negativa. Assim, n˜ao resta nenhum composto proposto com ptC que seja est´avel. Acreditamos que por causa da estrutura eletrˆonica ex´otica e pouco usual destes compostos, o uso de m´etodos quˆanticos tradicionais podem levar `a conclus˜oes equivocadas acerca da estabilidade de alcaplanos com ptC. Entretanto, a problem´atica da estabilidade n˜ao afeta a proposta desta tese, pois excelentes grupos doadores de el´etrons podem ser obtidos com alcaplanos contendo carbono central tetracoordenado quase-plano (quase-ptC). Desse modo, utilizando esses grupos doadores em sistemas A-B-D, obtivemos valores de polarizabilidades (), primeira () e segunda () hiperpolarizabilidades compar´aveis aos maiores valores j´a relatados na literatura. Infelizmente, problemas na instabilidade da fun¸c˜ao de onda n˜ao permitem que esses c´alculos sejam realizados com fun¸c˜oes de base mais sofisticadas. Com rela¸c˜ao ao processo de cat´alise com o 1,4-benzenodimetanol (BDM), os mecanismos de rea¸c˜oes SN2 e E2 envolvendo o ´ıon acetato e o cloroetano s˜ao espontˆaneos, mas somente s˜ao catalisados pela intera¸c˜ao com o BDM no solvente dimetilsulf´oxido (DMSO), mostrando que os efeitos do solvente s˜ao essenciais para se observar a cat´alise dessa rea ¸c˜ao. Mesmo com a proposi¸c˜ao de novos caminhos reacionais SN2 e E2, essa tendˆencia se mant´em. A modifica¸c˜ao do BDM com a inclus˜ao de mais um grupo -CH2-OH n˜ao favorece a cat´alise desses mecanismos. Contudo, do ponto de vista termodinˆamico, os mecanismos de rea¸c˜oes SN2 s˜ao espontˆaneos n˜ao apenas em DMSO, mas tamb´em em fase g´as. O mesmo n˜ao ocorre para os diferentes mecanismos E2, em que a espontaneidade ocorre apenas em DMSO.

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

Orientador: Marcos Roberto de Mattos Fontes / Resumo: Acidentes ofídicos são considerados um problema de saúde pública global, dada sua alta ocorrência de mortes, onde alguns casos resultam em sequelas irreparáveis, deixando o indivíduo desabilitado por toda a vida. Somente no Brasil, em média 20 mil mortes ao ano são registradas. Desta forma, alguns pesquisadores têm buscado estudar a estrutura-função de componentes dos venenos de serpentes peçonhentas à fim de desenvolver alternativas terapêuticas para esse problema de grande interesse médico. Um dos componentes que tem recebido atenção nas últimas décadas é a BthTX-I, uma proteína PLA2s-homóloga não catalítica, devido seu efeitos farmacológico notadamente miotóxico. Embora diversas técnicas tenham sido empregadas na compreensão do mecanismo de ação dessas proteínas, o conhecimento nessa área permanece controverso, tornando-se necessário a continuidade de estudos. O estudo estrutural e computacional de proteínas constitui uma alternativa viável para identificar as várias conformações de uma dada proteína, bem como seu comportamento dinâmico. Sendo assim, o presente trabalho buscou aplicar métodos computacionais, como simulação de MD, análise de Modos Normais (NM) e Dinâmica Molecular excitada por Modos Normais (MDeNM) à BthTX-I em pH ácido ou básico e nativa ou em complexo com o α-tocoferol – molécula tida como ativadora alostérica – na descrição do seu espaço conformacional, buscando compreender os aspectos estruturais do seu mecanismo de ação. Além disso, foram empregadas té... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Ophidian accidents constitute a global public health problem due its high mortality, with some cases leading to permanent sequels. In Brazil, around 20 thousand deaths are registered. Therefore, researchers have been studying the snake venom composition in order to develop therapeutic alternatives to this medical problem. Some components from snake venom are highlighted in the past decades, as BthTX-I, a non-catalytic PLA2s-homologous protein, due its many pharmacological effects, notably myotoxic. Although many techniques have been employed to better understand the molecular mechanism of action for these proteins, this knowledge remains controversial, emphasizing the need to progress this field. The structural and computational study of proteins is a valuable tool to access the various conformations of a given protein, as well its dynamical behavior. Thus, the present work applied computational methods as MD, Normal Modes (NM) analysis and Molecular Dynamics with excited Normal Modes (MDeNM) to BthTX-I in acidic or basic pH and unbound or bound to α-tocopherol – a molecule identified as an allosteric activator – in order to describe the conformational space of this protein and determine the structural aspects of its mechanism of action. Further, biophysical experiments as Dynamic Light Scattering (DLS) were employed in order to comprehend the oligomeric form of BthTX-I with or without α-tocopherol. MD simulations showed that dimeric form of BthTX-I is stable when in neutral/... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Estuda-se, neste trabalho, aglomerados bidimensionais de partÃculas dipolares magnÃticas, com carga elÃtrica superficial, confinadas em um potencial parabÃlico circular. As partÃculas possuem mesmo mÃdulo de momento de dipolo magnÃtico, assim como mesmos mÃdulo e sinal de carga superficial. O objetivo do presente estudo à a caracterizaÃÃo das configuraÃÃes do estado fundamental e do espectro dos modos normais do aglomerado. O sistema à estudado numericamente atravÃs de simulaÃÃes Monte Carlo, utilizando o algoritmo de Metropolis. Utilizou-se ainda o chamado MÃtodo de Newton Modificado para auxiliar a obtenÃÃo das configuraÃÃes de mÃnima energia. O estudo à dividido em duas partes: i) Na primeira, a dependÃncia das configuraÃÃes de equilÃbrio e modos normais à analisada em funÃÃo da carga superficial, na presenÃa e ausÃncia de campo magnÃtico externo, considerando-se o momento de dipolo magnÃtico constante. ii) Na segunda, a carga superficial e o momento de dipolo magnÃtico sÃo fixados e as configuraÃÃes de equilÃbrio e os modos normais sÃo estudados em funÃÃo da intensidade do campo magnÃtico externo. Nesta parte, calcula-se ainda a magnetizaÃÃo do sistema em funÃÃo do campo externo. O espectro de frequÃncias dos modos normais de vibraÃÃo foram obtidos atravÃs da tÃcnica de aproximaÃÃo harmÃnica. Devido à nÃo-simetria espacial da interaÃÃo magnÃtica dipolar, os modos normais devem apresentar um componente extra de rotaÃÃo. Observa-se que para um intervalo caracterÃstico da carga superficial das partÃculas, o espectro de frequÃncias sofre uma grande variaÃÃo de intensidade. Observa-se que no caso dependente da carga, o sistema apresenta caracterÃsticas que independem do campo magnÃtico aplicado. Observa-se, no caso dependente do campo aplicado, uma menor variedade de configuraÃÃes de equilÃbrio deste tipo de sistema em relaÃÃo ao dependente da carga. / It is studied at this thesis a two-dimensional cluster of magnetic particles, with surface charge, confined by a circular parabolic potential. The particles have the same magnitude of magnetic dipole moment and the same amount and sign of surface charge. The goal of the present study is the characterization of the ground state configurations and the normal mode spectra of the cluster. The numerical study of the system is based on the Monte Carlo simulation technique, using the Metropolis Algorithm. It was also used the called Newton Method technique to reach the ground state configurations . The present study is divided in two parts: i) In the first one, the dependence of the equilibrium configurations and the normal modes is analyzed considering the presence or not of a external magnetic field. The magnetic dipole moment is taken as constant. ii) In the second one, the surface charge and the magnetic dipole moment are taken as constant, and the ground state configurations and the normal modes are studied as function the the external magnetic field intensity. At this part, it is also calculated the magnetization of the system as function of the external magnetic field. It was observed a great number of different ground state configurations, like concentric rings, and chains. The vibrational normal mode frequencies spectra was obtained by using the harmonic approximation. Due to the non-spatial symmetry of the magnetic dipole interaction, the normal modes must show an extra rotational component. It can be noted that due to surface charge of the particles the frequencies spectra can present elevated variation on the intensity. It can also be noted that some properties of the first case system also occurs on the second case system, and these properties are independent of the applied magnetic field, and in the second case system it can be noted that there are less different ground state configurations as compared with the first one.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho, sÃo analisados dois sistemas mesoscÃpicos bidimensionais sujeitos a um confinamento externo do tipo parabÃlico. Quanto ao primeiro analisam-se as propriedades estruturais e dinÃmicas de um sistema binÃrio de cargas, as quais interagem atravÃs de um potencial do tipo Coulombiano blindado. As energias do estado fundamental sÃo calculadas analiticamente e numericamente, e dependendo da densidade e da razÃo entre as duas cargas existentes, o sistema cristaliza-se em um certo nÃmero de cadeias. Como funÃÃo da densidade, as configuraÃÃes do estado fundamental e suas transiÃÃes estruturais sÃo analisadas, tanto atravÃs de cÃlculos analÃticos assim como por meio de simulaÃÃes com DinÃmica Molecular. Em geral, mostra-se que uma segregaÃÃo entre os diferentes tipos de partÃcula ocorre para valores crÃticos de densidade. As diferentes configuraÃÃes do sistema podem ser resumidas num rico diagrama de fase. TransiÃÃes de fase estruturais contÃnuas e descontÃnuas sÃo observadas. Observa-se que a ordem da transiÃÃo à determinada pela razÃo entre as cargas e densidade linear. O espectro dos modos normais foi cuidadosamente analisado para o caso no qual o sistema acomoda-se numa estrutura de 1 e 2 cadeias. Em relaÃÃo ao segundo trabalho, apresentam-se resultados preliminares das propriedades estruturais de um sistema com interaÃÃo competitiva, onde novamente variando-se a densidade do sistema, observa-se diversas estruturas na forma de linhas, aglomerados ou em camadas.

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

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.

Sistemas alostéricos são característicos de proteínas com um ou mais estados de equilíbrio. Nesse sentido, uma enzima passa por modificações de sua atividade quando um substrato cooperativo se liga a um estado ou outro (1). Estes estados são reconhecidos por possuírem uma conformação mais estável e coexistirem num ensemble. Este trabalho sustenta que tais proteínas oscilem naturalmente entre esses estados. Experimentos de difração de raios-X e RMN, que proporcionam parâmetros de deslocamento anisotrópicos e tempos de relaxação de spin nuclear, já demonstram a coexistência de ambos estados em solução e descrevem o movimento como uma mudança de equilíbrio populacional dos confórmeros (2). Também é possível desenvolver métodos numéricos, como o cálculo de modos normais e a simulação de dinâmica molecular, para associar a geometria proteica a um movimento sobre determinado potencial de campos de força. O sistema adotado para o desenvolvimento desses estudos é a enzima alostérica Glucosamina-6-fosfato Desaminase. Características que defendem seu uso são sua reversibilidade catalítica, rápido equilíbrio cinético e muito baixa afinidade do estado T por ligantes. Sua estrutura também já foi resolvida por experimentos de cristalografia, identificando ambos estados alostéricos. E a caracterização das mudanças estruturais entre os estados T e R está bem estabelecida, identificando diferentes subunidades a distintos graus de rotação e prevendo uma oscilação de baixa frequência entre eles (3). Resultados obtidos neste projeto constituem: (a) uma dinâmica de 100ns partindo do estado T de toda a proteína (hexamérica) solvatada explicitamente, formando um ensemble NVT de 92000 átomos através do programa NAMD, usando o campo de forças CHARMM; (b) análise de componentes principais aproveitando esta dinâmica e usando algoritmos do programa Gromacs; (c) e análise de modos normais, em que os cálculos de minimização de energia foram feitos pelo programa Gromacs sob o campo de forças ENCADV, no vácuo. Análises desses resultados envolvem cálculos de RMSDs e flutuações, trajetórias calculadas para os autovetores oriundos de NMA ou de PCA, fatores de Debye-Waller e a confirmação visual (e gráficos de distância entre resíduos) de aproximação a um estado ou outro. Como a prévia caracterização da movimentação alostérica, identificava duas regiões para cada monômero como representativas de corpos rígidos, também é desenvolvida uma análise por tensores de inércia. Espera-se que, ao longo do tempo, essas subunidades se comportem como corpos quase rígidos e os movimentos destas regiões rígidas correspondam a uma maior representatividade da transição alostérica. Assim, a caracterização dos tensores seria capaz de filtrar movimentos de mais alta frequência que constituem ruído em relação a movimentos funcionais da proteína. - Algoritmos para cálculos matriciais dos tensores foram escritos em Fortran e em TCl. / Allosteric systems are characteristic of proteins with one or more equilibrium states. Such an enzyme experiences a modification of its activity when a cooperative substrate binds to a state or another, thus, establishing a change in population equilibrium (1). These states are recognized by having a more stable conformation, and they coexist in an ensemble. X-ray diffraction and NMR experiments already demonstrated this dynamic equilibrium, and simulation methods, as molecular dynamics and normal mode analysis, generally provide a more complete proof (2).The allosteric enzyme Glucosamine-6-Phosphate Deaminase appeared to be a good model to better understand the equilibrium dynamics as essential to the protein function, given its reversibility of the catalysis and rapid-equilibrium kinetic mechanism. It also has the structure elucidated for both its conformers (3). A computational approach would now give better perspective on how the conformational changes occur. A set of results of this latter kind were obtained: (a) a 100ns dynamic starting at the hexameric T conformer, explicitly solvated, building a NVT ensemble using NAMD program and CHARMM force field; (b) a principal components analysis making use of the calculated dynamic and of the Gromacs algorithms; (c) and normal mode analysis of the T conformer structure (pdb code 1fsf) minimized with Gromacs program using ENCADV vacuum force field. Not only the conventional analyses for these results (fluctuations and projections) were taken, but also an inertia tensor analysis was developed. As the allosteric conformational change, for this protein, was described by the displacement of only two rigid body subunits³, its description by inertia tensors should act as a filter for the high frequency and functionally uninteresting motions, which normally constitute only noise.