Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 10556.pdf: 3868334 bytes, checksum: db3b8774b1e81550d9d9483f00d514f7 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Medium chain fatty acids (MCFAs) are essential molecules for a wide range of pharmaceutical, biotechnological, and industrial applications. These are naturally occurring saturated or unsaturated fatty acids containing 6-12 carbons with complex and pH sensitive aggregation. Medium chain fatty acids such as capric acid (C10) or lauric acid (C12) have additionally been shown to exhibit antibacterial activity. A number of studies have observed the aggregation behavior of long chain fatty acid using the titration curves by molecular dynamic (MD) simulations.  In this study, we performed constant-pH coarse-grained MD simulations to determine pKa values and titration behavior using a two-states model for C10 and C12. In the simulations, pH was varied between 2 to 8 and pKa values were determined using the Hill equation. The pKa for C10 (capric acid) was found to be 4.8 and for C12 (lauric acid) 5.4, in good agreement with the literature values (4.9 and 5.3, respectively).

La Sarcolipine (SLN) est un hélice transmembranaire de 31 résidus dont la function est de reguler l’ATPase-Ca2+ SERCA1a. Ce régulateur peut subir une modification post-traductionnelle chez certaines espèces. Par exemple, chez le lapin, il est palmitoyle ou oleoylé sur le résidu Cys9. Pour comprendre au niveau moléculaire l’effet de cette modification post-traductionnelle sur la SLN, nous avons réalisé des simulations de dynamique moléculaire de la SLN de lapin insérée dans une bicouche de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC), non acylée et palmitoylée. L’analyse de ces simulations démontre que la palmitoylation n’affecte pas la structure secondaire, l’orientation (tilt et azimut), ainsi que l’enfouissemnt de la SLN dans la membrane. De plus, l’analyse de simulations tout atome de la SLN humaine insérée dans une bicouche de POPC montre que la SLN humaine a la même structure secondaire et orientation que la SLN de lapin mais est plus enfouie dans la membraneque celle de lapin, du fait de sa sequence en acides amines N-terminale plus hydrophobe.L’ATPase-Ca2+ SERCA1a, une ATPase de type P, est localisée dans la membrane du reticulum sarcoplasmique des cellules du muscle squelettique. Elle est impliquée dans les processus de contraction/relaxation musculaire en transportant rapidement le Ca2+ cytosolique dans le lumen du reticulum sarcoplasmique grâce à l’énergie fournie par l’hydrolyse de l’ATP. D’importants changements conformationnels de SERCA1a ont lieu durant son cycle catalytique comme le montrent les nombreuses structures cristallines de SERCA1a. En particulier, à l’état E1, la cavité contenant les sites de fixation du Ca2+ est ouverte vers le cytoplasme, tandis qu’à l’état E2, cette cavité est ouverte vers le lumen. La transition de l’état E1 à E2 nécessite la phosphorylation du résidu Asp351. Des structures 3D du complexe SERCA1a-SLN ont été déterminées par diffraction aux rayons X avec SERCA1a dans un état E1-Mg2+. Pour comprendre le mécanisme détaillé de la regulation de SERCA1a par la SLN, des simulations de dynamique moléculaire et des analyses des modes normaux (NMA) ont été réalisées en utilisant la structure 3D du complexe SERCA1a-SLN inséré dans une bicouche de POPC. Les résultats principaux de ces analyses sont les suivants : 1) la SLN régule les transitions E1.Mg2+ → E1.2Ca2+ et E1.Mg2+ → E2 ; 2) l’interaction de la SLN influe sur la structure et la dynamique de SERCA1a et modifie la position de l’hélice transmembranaire TM1 de sorte à ce que la cavité contenant les sites de fixation du Ca2+soit plus ouverte et que les sites soient plus accessibles ; 3) l’interaction de la SLN avec TM6 affecte deux regions de SERCA1a indispensables à sa fonction : en modifiant la structure et la dynamique de TM6, la SLN perturbe la position et la fluctuation des résidus des sites de fixation du Ca2+, leur conférant une conformation inapte à fixer le Ca2+. De même, l’interaction avec TM6 induit la courbure de TM5, ce qui affecte de façon indirecte le site de phosphorylation (éloigné de plus de 35 Å de la SLN) et conduit à l’inhibition de la phosphorylation du résidu Asp351.Nos résultats de cette étude in silico fournissent de nouveaux éléments concernant le mécanisme par lequel la SLN régule SERCA1a et qui pourrait être complétés par des travaux expérimentaux. / Sarcolipin (SLN), a transmembrane helix of 31 residues, binds to and regulates the Ca2+-ATPase SERCA1a. This regulator is post-translationnally modified in some species. For example, in rabbit, it is palmitoylated or oleoylated on its Cys9 residue. To understand at a molecular level, the effect of this post-translationnal modification on SLN, all-atom molecular dynamics simulations of unacylated and palmitoylated rabbit SLN embedded in a POPC bilayer were performed. Analysis of the simulations demonstrates that palmitoylation does not affect the secondary structure, the orientation (tilt and azimuth) as well as the burying of SLN within the membrane. In addition, the analyses of all-atom simulations of human SLN embedded in a POPC bilayer show that human SLN has the same secondary structure and orientation as rabbit SLN but is more buried within the membrane than rabbit SLN as a result of its more hydrophobic N-terminal amino acids sequence.The Ca2+ pump SERCA1a, a P-type ATPase, is localized in the sarcoplasmic reticulum membrane of striated muscle cells. It is involved in the contraction/relaxation process by fast pumping the cytoplasmic Ca2+ from the cytosol to the lumen of the sarcoplasmic reticulum using the energy of ATP hydrolysis. Large conformational changes of SERCA1a occur during its catalytic cycle as evidenced by the various crystal structures of SERCA1a. In particular, in the E1 state, the cavity that contains the Ca2+ binding sites is open toward the cytoplasm while in the E2 state, this cavity is open toward the lumen. The transition from the E1 to the E2 state involves the phosphorylation of Asp351 residue. 3D structures of SERCA1a-SLN complex have been determined by X-Ray diffraction, with SERCA1a in a E1-Mg2+ state. To understand the detailed mechanisms of SERCA1a regulation by SLN, molecular dynamics (MD) simulations and normal mode analysis (NMA) were performed using the 3D structures of SERCA1a-SLN complex embedded in a POPC bilayer. Main results from these analyses are the followings: 1) SLN regulates the E1-Mg2+ → E1-2Ca2+ and E1-Mg2+ → E2 state transitions; 2) interaction of SLN with SERCA1a impact the structure and dynamic of SERCA1a and modifies the position of the transmembrane helix TM1 such that the cavity that contains the Ca2+ binding sites is more widely opened and the Ca2+ binding sites more accessible; 3) SLN interaction with affects two regions essential to its function. By changing the structure and dynamic of TM6, SLN alters the position and fluctuations of residues involved in the Ca2+ binding sites, such that those sites are unable to bind Ca2+. This interaction with TM6 also induces TM5 bending and thus, indirectly modifies the phosphorylation site conformation, leading to the inhibition of Asp351 phosphorylation.Our results from these in silico studies provide new insights into the mechanism by which SLN regulates SERCA1a activity and could be completed by experimental work.

This diploma thesis is focused on two parts. The first one deals with rheological behavior of sodium carboxymethylcellulose (CMC-Na) solutions in the presence of sodium and calcium ions. The solutions of various concentrations were prepared by solubilization in aqueous solutions of NaCl or CaCl2. The effect of monovalent and bivalent ions on apparent viscosity and viscoelastic properties of these solutions was studied. It was found that in the case of low concentrations of CMC-Na in the sample (up to 0.5% w/w) the elastic character increases. At the same time the stiffness of the sample is higher with higher concentration of calcium ion in the solution. This increase might indicate the formation of gel network. On the other hand the viscosity of these solutions decreases with higher concentration of calcium ions. In case of solutions with concentration higher than 1.5% w/w changes of viscosity did not happen by influence of addition ions. Rheological behavior was compared also with solutions prepared without adding an electrolyte as well as with acid form of carboxymethylcellulose (CMC-H). In terms of second part the molecular dynamic simulations of hyaluronan tetramer both sodium and calcium in aqueous medium were performed. Structure and arrangement of water molecules in the surrounding of hyaluronan chain were studied. Structure was described by formalism of radial distribution functions. In the case of system containing sodium ions only, the obtained results are in accordance with earlier published data. Presence of calcium ions does not cause qualitative changes during the radial distribution functions in comparison with the system with sodium ions.

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Gelöster Wasserstoff in Metallen führt in vielen Fällen zu einer Reduzierung der Güte von mechanischen Eigenschaften. Dies äußert sich auf vielfältige Weise und wird unter dem Begriff Wasserstoffversprödung zusammengefasst. Für ein grundlegendes Verständnis dieses Phänomens müssen die Vorgänge im Metall auf mikroskopischer Skala ergründet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein Aspekt der Wasserstoffversprödung, die Interaktion von Wasserstoff mit Versetzungen, näher untersucht. Zur Untersuchung des Einflusses von Wasserstoff auf die Versetzungsbildung wurden verschiedene Verformungsexperimente an Palladium und Vanadium durchgeführt. Prinzipielle Vorgänge der Defektbildung wurden durch Versuche an einzelnen Versetzungen unter Verwendung von Nanoindentation und Zugexperimenten im ETEM durchgeführt, um einen breiten Überblick zu erlangen. Zusätzlich wurden zum besseren Verständnis der Vorgänge Molekulardynamiksimulationen von derartigen Versuchen ausgeführt. Zur Untersuchung der Interaktion von Versetzungen miteinander wurden Säulen im Mikrometerbereich verformt und Blech durch Kaltwalzen verformt. Des Weiteren wurde durch Hochdruck-Torsion maximale Verformungen realisiert. Die verwendeten Modellmaterialien erlauben es verschiedene prinzipielle Vorgänge der Defektbildung zu untersuchen und so einen breiten Überblick über prinzipielle Vorgänge im kfz Gitter (Palladium) bzw. krz Gitter (Vanadium) zu erhalten.

La conception de récepteurs artificiels pour la reconnaissance moléculaire est un domaine très développé de la chimie supramoléculaire. Ce manuscript renferme les premières études réalisées sur une nouvelle classe de récepteurs supramoléculaires: les Discopus. Le Discopus offre un potentiel d’interactions via un cœur polyaromatique triphénylène (interactions p, effet hydrophobe) et une périphérie fonctionnelle flexible (Liaisons hydrogènes, interactions ioniques, hydrosolubilité) qui peut agir en coopérativité. Ces systèmes de reconnaissance peu préorganisés ont montré leur capacité de reconnaissance et leur aptitude à être sélectivif. Plusieurs familles de ces récepteurs ont été élaborées. Une famille de récepteurs phosphorylés reconnaît sélectivement les dérivés catéchol en milieu organique par liaisons Hydrogène et interactions p. Une seconde famille de Discopus carboxylés ont permis la reconnaissance, en milieu aqueux tamponné, de l’acétylcholine et les catécholamines par interactions ioniques et désolvatation de cibles. La préparation de cages à base triphénylène est en cours de réalisation afin d’amplifier le phénomène de reconnaissance. / The conception of artificial receptors is an intense field of research. This manuscript contains the first studies of a new class of receptors named discopus. The discopus can interact through a triphenylene core (p interactions, hydrophobic effect) and their flexible functional arms (hydrogen bonds, ionic interaction) which may cooperatively interact. These binding systems are just a little bit pre-organized and possess selective recognition properties. Several families of receptors have been prepared. Phosphorylated receptors showed a selective for catechol derivatives in organic media, through Hydrogen bond and p- interactions. In buffered media, carboxylated discopus allowed the recognition of acetylcholine and catecholamines through ionic interactions and desolvatation of the targets. The preparation of cages, based on triphenylene moieties, is in progress to increase the phenomenon of recognition.

La plupart du temps, les bactéries vivent au sein de biofilms : un tissu biologique accroché sur des surfaces (molles ou solides), qui est composé de bactéries et de matrice extracellulaire. Lors de cette thèse nous avons étudié les mécanismes qui contrôlent la formation d’un biofilm à l’interface eau-air par Bacillus subtilis (BS). D’abord, nous avons observé l’évolution phénotypique de BS au cours du développement de sa population en milieu liquide, dans des conditions de culture standard (pas de biofilm in fine). Nous avons constaté que la population exhibe différents types cellulaires (phénotypes) au cours du temps. Puis, afin d’observer les étapes de la formation d’un biofilm, nous avons créé une expérience qui permet de suivre l’évolution macroscopique de la concentration des bactéries et sa répartition spatiale au sein du milieu de culture. Nous constatons qu’une accumulation de bactéries se forme en dessous de l’interface eau-air avant même l’apparition d’un biofilms. Cette accumulation est concomitante avec de la convection dans le fluide (bioconvection). Le biofilm apparait lors de la phase de croissance de la population en bactérie pour une concentration moyenne dans le milieu de culture de l’ordre de 10¹³ bactéries/m³. Ensuite, nous avons formulé un modèle continu qui renseigne sur l’évolution de l’environnement des bactéries. Ce modèle reproduit la bioconvection observée dans les expériences et révèle son effet sur la concentration en dioxygène dissous dans la culture. Enfin, nous avons construit un modèle hybride continu-discret qui décrit la transition de bactéries déconnectées (nomades) vers des bactéries connectées formant un biofilm solide (sédentaires). Chaque bactérie est considérée comme une particule individuelle. Le modèle tient compte des forces de contact, ainsi que les forces élastiques qui peuvent s’établir entre les bactéries lorsqu’elles sont liées par de la matrice. Un nombre minimal d’aptitudes biologiques a été utilisé pour modéliser les bactéries : la division cellulaire qui leur permet de coloniser le milieu de culture, la motilité et l’aérotactisme qui explique leur migration vers la surface liquide, le quorum sensing (QS) et la différenciation cellulaire qui leur permet de passer du phénotype nomade (motile) au phénotype sédentaire (producteur de matrice). L’environnement en dioxygène des bactéries et les propriétés hydrodynamiques du milieu sont décrits par des champs continus. Le modèle reproduit toutes les étapes de la formation d'un biofilm observées dans nos expériences et confirme la nécessité de certaines aptitudes biologiques. Il montre que le seuil de QS joue un rôle majeur dans la morphologie du biofilm et sa cinétique de formation. En revanche, le taux de consommation de dioxygène par les bactéries ne semble pas avoir de rôle important. Enfin, nous avons établi que la bioconvection agit comme un retardateur de la formation du biofilm. / Most of the time, the bacteria live inside the biofilm: the biological tissue that is attached to the surface (soft or solid), is made of the bacteria and of extracellular matrix. According to this thesis we study the mechanics that control the formation of a biofilm at the interface water-air by Bacillus subtilis (BS). First, we absorbed the phenotype evolution of the BS during the development of its population in liquid medium, under the conditions of a standard culture (no of biofilm in fine). We noticed that the population exhibits different cellular types (phenotypes) during this time. Then, after absorbing the different stages of the development in the formation of a biofilm, we created an experience that allows us to follow the macroscopic evolution of the concentration of the bacteria and its special distribution in the middle of the culture. We found that an accumulation of the bacteria forms under the surface water-air, even before the appearance of a biofilm. This accumulation is concomitant with the conservation in the liquid (bioconvection). The biofilm appears during the growth phase of the bacterial population in an average concentration in the culture medium of about 10¹³ bacteria / m³. Then, we formed a continuous model that shows us the evolution of the environment of the bacteria. This model reproduced the bioconvection that was observed in the experiments and reveals its effect on the concentration of oxygen in the biological culture. Finally we built a hybrid continuous-discreet model that described the transition of the disconnected bacteria (nomads) through the connected bacteria that form a solid biofilm (sedentary). Each bacteria is considered as an individual particle. The model takes the contact forces under consideration, as well as the elastic forces that can settle between the bacteria when linked by the matrix. A minimum number of biological skills were used to form a model from the bacteria; the cellular division that allowed it to colonize the medium biological culture, the motility and the aerotaxi that explains its migration towards the liquid surface, the quorum sensing (QS) and the cellular differentiation that allows them to spend nomadic phenotype (motile) sedentary phenotype (producer of matrix). The dioxygen environment of the bacteria and its middle hydrodynamic properties are described by continuous fields. The model reproduces all the formation steps of an observed biofilm in our experiment and confirms the need of certain biological skills. It shows that the threshold of QS plays a major role in the morphology and biofilm formation kinetics. On the other hand, the rate of diocygen consumption by the bacteria does not seem to have any significant role. Finally, we established that the bioconvection reacts as a retardant in the biofilm formation.

Apresentamos uma série de estudos, baseados em simulações de Dinâmica Molecular no vácuo e em solução, sobre o processo de complexação das supramoléculas tetraethylester p-tert-butyl calix[4]arene (CLE) e tetramethylketone p-tert-butyl calix[4]arene (CLC) com os íons Pb2+ e Cd2+ e espécies neutras. Os modelos para as moléculas de calixareno e do solvente foram baseados no campo de forças OPLS-AA. Os parâmetros para os íons foram desenvolvidos a partir de uma metodologia de ajuste de valores de modo a reproduzirem simultaneamente propriedades termodinâmicas e estruturais obtidas experimentalmente ou por cálculos de QM/MM. As simulações no estado líquido nos mostraram que o CLE aprisiona os íons de maneira mais eficiente que o CLC, formando complexos mais estáveis. A complexação do íon desencadeia um efeito alostérico em ambos os calixarenos estudados, permitindo a complexação de uma molécula de acetonitrila na cavidade hidrofóbica estabilizando o complexo. Nas simulações com o CLC observamos que a complexação da acetonitrila é necessária para manter o íon ligado à cavidade hidrofílica, evidenciando a dependência desses complexos com esse solvente em específico. Apesar de observarmos que o CLE apresenta maior afinidade com os íons Pb2+ e Cd2+ que o CLC, somente futuras simulações utilizando a água como solvente poderão confirmar a viabilidade do uso desta molécula em sistemas destinados à despoluição ambiental. / We report a series of Molecular Dynamics simulations, in vacuum and in acetonitrile solution, on the complexation process of the calixarens tetraethylester p-tert-butyl calix[4]arene (CLE) and tetramethylketone p-tert-butyl calix[4]arene (CLC) with Pb2+ and Cd2+ anions and neutral species. The solvent and calixarene molecules were modeled based on the OPLS-AA force field. The parameters for the ions were adjusted to simultaneously reproduce some structural and thermodynamic properties obtained either experimentally or from QM/MM calculations. The simulations in the liquid phase show CLE to be more efficient than CLC in trapping the studied metal ions, leading to more stable complexes. Ion complexation gives rise to an allosteric effect by which a solvent molecule is trapped in the hydrophobic cavity giving rise to further stabilization of the complex. Simulations on CLC show that formation of the calixarene-acetonitrile adduct is essential to the stabilization of the ionic complex, thus exhibiting the influence of this particular solvent in the very existence of the complex. In spite of the conclusion that CLE has higher affinity than CLC for Pb2+ and Cd2+ ions, only further studies in water solution will permit to evaluate the real potential of this molecule as an efficient scavenger of environmental heavy metal pollution.