Es bien sabido que cualquier función de onda que se exprese como determinante de Slater construido a partir de orbitales moleculares doblemente ocupados es invariante frente a transformaciones unitarias de dichos orbitales.Aunque las posibilidades de elección son ilimitadas, en la práctica sólo se utilizan dos tipos de orbitales: los canónicos y los localizados. Los primeros se caracterizan por ser funciones propias de algún hamiltoniano monoelectrónico efectivo y entre sus propiedades más interesantes están la de ser orbitales adaptados a la simetría de aquel hamiltoniano y la de satisfacer el teorema de Koopmans, cualidades que los hacen de especial utilidad en aplicaciones espectroscópicas. Los orbitales localizados, en cambio, constituyen una representación alternativa de la distribución electrónica en la que el grado de "concentración" espacial de cada orbital y la "separación" entre cada dos orbitales son máximos. Existen diversas maneras de cuantificar estas dos magnitudes (concentración y separación), que dan lugar a distintos criterios de localización. Estos se pueden clasificar en dos grandes grupos: los externos, en los que se prefija de antemano la zona de la molécula en la que se obtendrá cada orbital localizado, y los intrínsecos, en los que no se efectúa tal asignación previa y la disposición de los orbitales localizados surge como resultado del proceso de cálculo. Los orbitales localizados se caracterizan por su elevado grado de transferibilidad entre sistemas que tienen alguna parte en común, como es el caso de moléculas con un mismo grupo funcional o un enlace de similares características. De hecho, podríamos decir que los orbitales canónicos son aproximadamente transferibles entre diferentes estados electrónicos o incluso entre diferentes estados de ionización de una misma molécula, en tanto que los localizados son aproximadamente transferibles de molécula a molécula. Estos últimos son, por tanto, adecuados para estudiar las características electrónicas de grupos funcionales, enlaces, pares no enlazantes, etc. Por otra parte, los orbitales localizados proporcionan una imagen de la estructura electrónica molecular en función de enlaces y pares no enlazantes estrechamente relacionada con las estructuras de Lewis, de tanta utilidad en muchos campos de la química, desde la nomenclatura e identificación de compuestos hasta la síntesis orgánica.A su vez, dicha imagen proporciona un nexo de unión entre el método de orbitales moleculares y el de enlace-valencia. Finalmente, la concentración y separación de los orbitales localizados hace que presenten un elevado grado de correlación intraorbital en relación con la interorbital, resultando, por ello, idóneos como punto de partida para mejorar la aproximación orbital.La determinación de los orbitales localizados puede hacerse de dos maneras:i) Introduciendo las condiciones que los definen en el procedimiento de cálculo de los orbitales asociados al operador monoelectrónico efectivo que caracteriza al sistema considerado, oii) Calculando previamente los orbitales canónicos como funciones propias de dicho operador y determinando después la transformación que relaciona a aquellos orbitales con los localizados.Este último es, sin duda, el modo de proceder más usual, debido a que no es, en general, más costoso que el primero y permite hacer uso de los métodos bien conocidos de cálculo de orbitales canónicos, quedando por resolver únicamente la segunda fase del problema, que se conoce con el nombre de "proceso de localización".En el presente trabajo nos limitaremos a considerar procedimientos del segundo tipo, es decir, métodos de localización de orbitales. En lo que a criterios de localización se refiere, nos ocuparemos principalmente de los intrínsecos, si bien introduciremos también un criterio externo en relación con el estudio de sistemas "pi". Aunque prácticamente todo lo publicado hasta el momento sobre localización de orbitales se ha restringido a orbitales reales y transformaciones ortogonales, procederemos a desarrollar un algoritmo de localización en el campo complejo, lo cual consideramos de fundamental interés por dos razones principalmente:i) En primer lugar, no se ha demostrado que los orbitales localizados hayan de ser necesariamente reales, ni siquiera en el caso de que lo sean los orbitales de partida. Esto abre la posibilidad de que sea preciso, en general, utilizar transformaciones unitarias complejas para obtener los orbitales que constituyen el máximo absoluto del grado de localización dentro del espacio complejo engendrado por los orbitales canónicos.ii) En segundo lugar, la existencia de estructuras cuya matriz hamiltoniana monoelectrónica efectiva es necesariamente compleja, como son las estructuras de referencia acíclicas introducidas para la definición de la energía de resonancia topológica exige disponer de un método de localización aplicable a orbitales complejos.En lo que a aplicaciones se refiere, nos dedicaremos fundamentalmente al estudio de sistemas "pi" de moléculas conjugadas planas, previa discusión de las condiciones bajo las cuales la localización de todos los orbitales ocupados conduce a estructuras con separación "sigma-pi". Entre los métodos de cálculo de orbitales canónicos para sistemas "pi" gozan de especial popularidad los que utilizan la topología molecular como única información y, en particular, el método de Hückel. Sin embargo, los métodos de localización disponibles implican un grado de sofisticación considerablemente superior y no pueden ser aplicados al nivel de la aproximación topológica. Por ello, hemos desarrollado procedimientos simplificados de localización que, si bien se inspiran en otros previamente establecidos, permiten la determinación de orbitales localizados sin necesidad de efectuar ningún cálculo de integrales. Tales métodos serán especialmente adecuados para localizar orbitales calculados a nivel topológico pero, de hecho, la supresión del cálculo de integrales los hace compatibles con cualquier nivel de aproximación.El interés que suscita la localización de orbitales "pi" se debe a que las peculiares características de éstos los hacen más ricos que los orbitales "sigma" en información relativa a características particulares de cada molécula. Por ejemplo, la aromaticidad de una molécula se traduce en un considerable grado de deslocalización en sus orbitales localizados "pi", lo cual puede servir de base para cuantificar no solo la propia aromaticidad, sino también las contribuciones a la misma por parte de diferentes regiones de la molécula (aromaticidad local). Junto con éste, consideraremos otros aspectos de los orbitales localizados "pi", como son su relación con las estructuras de Kekulé de la molécula, punto que exigirá la utilización de criterios tanto intrínsecos como externos, el paralelismo entre sistemas con topologías Hückel y Möbius y la relación entre la deslocalización de determinados orbitales localizados y la actividad cancerígena de la molécula.

Molecular electronics is an emergent area of the new technologies related to the use of organic and biological materials in optoelectronic and electronic devices. Among the materials used in electronic applications, low molecular weight materials, or molecular materials, became of great interest in the last years, due to the advantages they present in front of the traditional polymeric materials, such as, easier synthesis, purification and characterization, and a better processability.The objectives of this thesis were the preparation and characterization of new molecular materials bearing the carbazole heterocycle (part 1), the evaluation of their charge transport properties (part 2) and their application in electronic devices, for the ones that presented the required properties (part 3).1. Materials. New compounds belonging to two groups were prepared: non-radical carbazole derivatives, mainly based in the N-phenylcarbazole aromatic core, and radical carbazole derivatives, based on structures that combine the unit tris(2,4,6-trichlorophenyl)methyl radical and the carbazole fragment. Depending on the morphology of their solid state, the sought materials were classified in liquid crystals and molecular glasses, that is, molecular materials showing glassy states. The light absorption, photoluminescence and electrochemical properties of the different derivatives and their solid state phases were determined by different techniques. The studies proved that the mesogens deriving from N-phenylcarbazole with 7 alkoxyl chains presented ordered columnar phases. These columnar mesophases were stabilized by doping with 2,4,7-trinitrofluorenone and destabilized by the presence of terminal carboxílic acids. However, the derivatives with the same aromatic core but only 4 alkoxyl chains formed lamelar phases (layers). The analogous N-phenylcarbazole derivatives with 7 and 4 methoxy groups, though, presented glassy states. Derivatives of the 1,3,5-tris(N-carbazolyl)benzene bearing tricyanovinyl moieties, which showed reversible reductions -an opposite behavior to the 1,3,5-tris(N-carbazolyl)benzene hole-transporting precursor- and high thermal stability, were prepared. The first discotic radical bearing the unpaired electron in the center of the aromatic core and showing columnar liquid-crystalline phases was prepared. A change in the magnetic behavior due to changes in the molecular disposition was detected in this radical compound at temperatures under rt. and over rt.2. Charge transport properties. The most representative glassy molecules and columnar liquid crystals were evaluated as semiconductors. The used techniques were the xerographic time-of-flight (XTOF), for molecular glasses, and the time of flight (TOF), for liquid crystals. The obtained results indicated that some of the radical molecular glasses presented charge transport with high mobility values for both holes and electrons (bipolar materials), whereas some of the non-radical molecular glasses showed moderate hole mobility values by XTOF measurements. The charge mobility of liquid crystals could not be evaluated due to the highly dispersive regime of their charge transport. A methodology to attain homeotropic alignment of the radical mesogen columns within the measure cells was found.3. Electronic devices. Organic thin film transistors (OTFTs) of two radical compounds, as well as of an N-phenylcarbazole derivative were built. A p-type semiconductor behavior was observed in some cases. Schottky type and bulk-heterojunction organic photovoltaic devices (OPVs) with N-carbazolylTTM radical were prepared. In these devices the radical adduct worked as a donor material. Acceptable open circuit voltage values and symbathic behaviors were observed in the measured cells. / De entre els materials que es fan servir per aplicacions electròniques, els materials de baix pes molecular, o materials moleculars, han estat el centre d'un gran interés en els últims anys al camp de l'electrònica molecular degut als avantatges que presenten enfront dels materials polimèrics tradicionals.El treball realitzat durant aquesta tesi tingué com a objectiu la preparació i caracterització de nous materials moleculars que continguessin l'heterocicle de carbazole (part 1), l'avaluació de les seves propietats de transport de càrrega (part 2) i la seva aplicació en dispositius electrònics (part 3). 1. Materials. Es van preparar i caracteritzar nous compostos pertanyents a dos grups: derivats del carbazole no radicalaris, principalment basats en el nucli aromàtic d'N-fenilcarbazole i derivats del carbazole radicalaris, basats en estructures que combinen la unitat radicalària de tris(2,4,6-triclorofenil)metil i el fragment de carbazole. Es van determinar les propietats fotoluminiscents i electroquímiques dels diferents derivats i es van caracteritzar les seves fases cristall-líquid o vítries mijtançant diferents tècniques. Entre els materials preparats es van detectar des de cristalls líquids columnars que presentaven processos d'oxidació reversible fins a vidres moleculars amb capacitat de reduir-se reversiblement. A més, es va obtenir el primer radical discòtic que presenta l'electró desaparellat en el centre del nucli aromàtic. El comportament magnètic d'aquest radical variava en funció de la temperatura degut als canvis en la seva ordenació molecular.2. Propietats de transport de càrrega. Es van avaluar els vidres moleculars per la tècnica de temps de vol xerogràfic (XTOF) i els cristalls líquids columnars per la tècnica de temps de vol (TOF). Els resultats obtinguts més rellevants indicaven que alguns dels compostos radicalaris actuaven com a vidres moleculars bipolars (transportardors de forats i electrons). 3. Dispositius electrònics. Es va observar un comportament de semiconductor tipus-p en alguns transistors de capa fina orgànics (OTFTs) basats en compostos radicalaris i en un derivat de l'N-fenilcarbazole. Es van preparar cel·les solars (OPVs) amb el radical N-carbazolilTTM que presentaren voltatges de circuit obert amb valors acceptables i comportaments simbàtics.

Aquest treball està dedicat a l'estudi, tant des del punt de vista termodinàmic com cristal·logràfic, dels aliatges moleculars binaris en fase plàstica d'alguns derivats del neopentà.Mitjançant el tensor de dilatació tèrmica, es presenta un estudi de les interaccions intermoleculars de quatre compostos que són cristalls plàstics derivats del neopentà.Mitjançant mesures calorimètriques i difractomètriques, s'han elaborat o reelaborat un total de set diagrames de fase binaris entre components derivats del neopentà.S'ha aplicat l'anàlisi termodinàmica a un total de quinze diagrames de fase els components dels quals són cristalls plàstics, tretze dels quals són derivats del neopentà. La correlació entre les magnituds termodinàmiques pròpies dels aliatges binaris dels derivats del neopentà ha permès establir que aquests aliatges en la seva fase desordenada orientacionalment (fase ODIC), presenten, en termes de la teoria de compensació, una temperatura i una pressió de compensació el valor de les quals és de 630 K i 4200 atm., respectivament.Tanmateix, l'excel·lent correlació existent entre la compacitat d'aquests aliatges en la seva fase ODIC, a través del paràmetre de dissimilitud, i l'entalpia d'excès equimolar, permet predir, per a les fases ODIC relatives a altres sistemes binaris dintre del conjunt dels derivats del neopentà, valors d'aquesta darrera magnitud amb els quals s'obtenen diagrames de fase calculats per a l'equilibri [fase ODIC + fase líquida] en acceptable concordància amb els obtinguts experimentalment. Utilitzant com a paràmetre exotermodinàmic la diferència normalitzada en el número de grups -CH2OH per mols de substància, es constata l'existència de vàries subfamílies d'aliatges binaris ODIC entre els derivats del neopentà. Finalment, la comparació de la temperatura de compensació, Tc, per a les fases ODIC i l'existent per a les fases prèvies a la fusió en altres tipus d'aliatges binaris, en funció de la temperatura mitjana, Tm, del equilibri entres dites fases i la fase líquida, realitzada en un diagrama log Tc - log Tm, permet la ubicació de tots aquests aliatges en la regió per a la qual log Tc > log Tm (denominada regió ordinària), no havent-se trovat fins al moment cap aliatge binari que per a la seva fase prèvia a la fusió sigui log Tc < log Tm.(denominada "regió extraordinària"). / Mediante el tensor de dilatación térmica, se presenta un estudio de las interacciones intermoleculares de cuatro compuestos que son cristales plásticos derivados del neopentano. En base a medidas calorimétricas y difarctométricas, se han elaborado o reelaborado un total de siete diagramas de fase binarios entre compuestos derivados del neopentano. Se ha aplicado el análisis termodinámico a un total de quince diagramas de fase binarios cuyos componentes son cristales plásticos, trece de los cuales son derivados del neopentano.La correlación entre las magnitudes termodinámicas propias de las aleaciones binarias de los derivados del neopentano, ha permitido establecer que dichas aleaciones en su fase orientacionalmente desordenada (fase ODIC), presentan, en términos de la teoría de compensación, una temperatura y una presión de compensación cuyo valor es de 630 K y 4216 atm., respectivamente. Asimismo, la excelente correlación existente entre la compacidad de estas aleaciones en su fase ODIC, a através del parámetro de disimilitud, y la entalpía de exceso equimolar, permite predecir, para las fases ODIC de otros sistemas binarios dentro del conjunto de los derivados del neopentano, valores de esta última magnitud con los cuales se obtienen diagramas de fase calculados para el equilibrio [fase ODIC + fase líquida] en aceptable concordancia con los obtenidos experimentalmente. Utilizando como parámetro exotermodinámico el número de puentes de hidrógeno por mol de sustancia, se constata la existencia de varias subfamilias de aleaciones binarias ODIC entre los derivados del neopentano. Finalmente, la comparación de la temperaura de compensación, Tc, para las fases ODIC y la existente para las fases previas a la fusión de otros tipos de aleaciones binarias, en función de la temperatura media, Tm, del equilibrio entre dichas fases y la fase líquida, realizada en un diagrama log Tc - log Tm, permite ubicar todas estas aleaciones en la región para la cual log Tc > log Tm (denominada región ordinaria), no habiéndose encontrado hasta el presente ningúna aleación binaria para la cual en su fase previa a la fusión log Tc < log Tm (denominada "región extraordinaria"). / The present work is devoted to the study of molecular binary mixtures, in their plastic phases, between some neopentane derivatives, both from thermodynamic and crystallographic points o view.By means of the thermal expansion tensor, a study is presented concerning the intermolecular interaction in four compounds which are neopentane derivatives plastic crystals. On the other hand, by means of thermal and diffractometric measurements, a whole of seven isobaric binary plastic-crystalline phase mixed crystals of neopentane derivatives, has been determined or newly determined.Thermodynamic analysis has been made of a set of fifteen binary phase diagrams thirteen of which are composes of neopentane derivatives. The correlation between characteristic thermodynamic magnitudes of neopentane derivatives binary mixed crystals allows coming at the conclusion that those materials, in their orientationally disordered phase, exhibit, in terms of the compensation theory, a compensation temperature Tc, and pressure, pc, of about 630 K and 4216 atm, respectively. Moreover, the excellent correlation exhibited by the so called packing parameter and the excess equimolar enthalpy of the orientationally disordered phases (ODIC) of those materials permits the values of this enthalpy for the ODIC phase of other binary mixed crystals in the same series of neopentane derivatives to be predicted in such a way that the corresponding values provide the theoretical corresponding equilibrium [ODIC phase + liquid phase] in very acceptable concordance with the experimental ones. By using the number of molar hydrogen bonds as an exothermodynamic parameter, the existence of several subfamilies of ODIC binary mixed crystals in the neopentane derivatives is confirmed. Finally, if the Tc for not only ODIC phases of the neopentane derivatives, but also for other ones previous to the liquid phase for binary mixtures of other different kinds of materials and the so called average temperature, Tm, for the equilibrium between those phases and the liquid phase are ploted in a logTc - logTm axes, it results that all the involved mixtures are placed in a region into which logTc > logTm (called "ordinary region") and, as far as the author knows, there are no binary mixtures of which occupy the region characterized by the condition logTc < logTm (called "the extraordinary region").

La seqüenciació del genoma humà ha marcat una fita important en la història de la biologia. Com a conseqüència, la genètica i la genòmica han experimentat un progrés enorme. Això ha permès un millor coneixement tant de les causes genètiques de malalties humanes, com del per què de les diferències comunes entre individus. Com a sistemes complexos que som tots els éssers vius, hem de considerar el paper que tenen les interaccions entre les diferents parts del genoma a l'hora d'especificar el resultat final, és a dir, el fenotip. Igualment, podem dir que el genoma conté un conjunt d'instruccions, però que la forma en què aquestes es porten a terme depèn, també de contingències ambientals i històriques. Per tant, la naturalesa de les instruccions genètiques no és completament determinista en tots els casos, si bé hi ha una sèrie de processos en què sí que es compleix aquesta perfecta relació entre herència i expressió final. Aquesta mateixa situació es presenta amb certes alteracions genètiques i amb el desenvolupament de patologies, la qual cosa facilita enormement el diagnòstic precoç i obre les possibilitats per a la teràpia genètica. Però la gran majoria de fenotips, incloent-hi moltes condicions d'interès per a la medicina, tenen una base complexa, és a dir, no existeix "el gen" que determina el caràcter de forma unívoca, sinó que aquest és el resultat de l'acció simultània de molts gens, no tots amb la mateixa participació, juntament amb l'efecte de l'ambient. Aquesta tesi doctoral va arrencar en aquest punt, tenint com a objectiu l'aprofundiment en les bases genètiques d'un tipus de sordesa lligada a mutacions al vi Preface DNA mitocondrial i de la qual se'n tenien evidències de la implicació tant de factors ambientals com diversos factors genètics. D'altra banda, els tests basats en l'ADN són un dels primers usos comercials i d'aplicació mèdica d'aquests nous descobriments de la genètica. Aquests tests poden ser utilitzats per al diagnòstic de malalties, confirmació diagnòstica, informació del pronòstic, així com del curs de la malaltia, confirmar la presència de malaltia en pacients assimptomàtics i amb diferents graus de certesa, predir el risc de futures malalties en persones sanes i en la seva descendència. Aquest és l'objectiu final, i sovint encara utòpic, de la recerca en biomedicina: una millor comprensió del procés biològic, que derivi en un millor tractament i prevenció de la malaltia. Aquesta tesi també ha volgut contribuir humilment en aquest aspecte. Durant aquests anys s'han recollit centenars de mostres de famílies sordes, amb la finalitat de donar un "diagnòstic" de la causa genètica. Poques vegades ho hem conseguit, però en qualsevol cas, si això alguna vegada ha ajudat a algú d'alguna manera, ja em dono per satisfeta.

Cells are the minimum unit of life. They are born, they eat, the may grow, they may move, and, eventually, they die. By contrast, from a physicist point of view, cells are systems out of equilibrium continuously transducing between matter, energy and information. This transduction is what grants the cell their active properties. In order to perform such tasks, cells have a set of macromolecules, a machinery, which are called, Molecular Motors or Molecular Machines. The operation of molecular motors is multiple. For instance, kinesins are molecular motors able to transport cargoes along the cell, or the Bacterial Flagellar Motor works as a nanometric ionic turbine transmitting its rotation to bacterial flagella propelling the cell. The energy input of such nanometric devices have two primary sources. On one hand the hydrolysis of nucleotide derivatives, such as ATP. On the other hand, molecular motors can also be found in biological membranes obtaining energy from the natural flux of ions crossing the membrane due to mechano-chemical energetic differences at each side. The recycling of ATP molecules takes place in another molecular machine, the F0F1 ATP synthase. F0F1 is made up of two subunits that can be separated themselves in two different molecular machines. This way, the F1 motor can couple a rotatory motor with the synthesis/hydrolysis of ATP. Understanding the working of molecular motors is not straightforward. The transduction processes result from a complex set of interactions of all the molecules conforming the motor plus all the interactions with the surrounding molecules. Thus, different approaches with different levels of abstraction are necessary. In the current thesis, molecular motors are studied through the identification of the energetic transduction cycles out of the trajectory of the motor. Trajectories allow to identify the different mechanical and chemical processes driving the motor and allow to propose a spatio-temporal potential for the motor that give information of the energetic performance of the motor such as power and efficiency. This analysis is performed on the F1 motor (in its hydrolysis regime). Such analysis allowed to identify the origin of two well differentiated mechanical and chemical processes that were quantified by means of the reaction kinetics theory and the overdamped dynamics associated with the nanometric biological scale. From this analysis resulted a prediction for the average velocity of the motor with the experimental control parameters. The resulting velocity matches experimental measures of the average velocity without fitting any parameter since all the parameters needed can be extracted from alternative experimental assays. The appealing results of the average velocity lead to a proposal of motor potential for the F1 motor consisting on two linear piece-wise potentials flashing between them. Each potential presenting the experimental characteristics observed when the catalytic site of the motor is empty or occupied. The potential also hold the substepping mechanism observed experimentally. Thus, the resulting potential can be tested, together with the overdamped dynamics of the potential and the thermal fluctuations characteristic of the biological cellular scale. This results in a Langevin equation leading the dynamics of the motor. Again, the stochastic dynamics proposed are able to reproduce the velocity of the motor returning a better approximation than the deterministic approach. As happened in the previous case, there is no fitting in the parameters to test the validity of the velocity expression. Actually, the model is able to predict the measured substep angle from optimisation arguments. The mismatch between the deterministic and the stochastic results was identified as a result of a loss of ATP hydrolysis events due to thermal fluctuations that has been also properly quantified through the Fokker-Planck formalism of the corresponding Langevin equation. The motor potential proposed was also used to study experimental assays of the F1 motor working against conservative forces. The effect of a conservative torque in the working of the motor contains contributions both mechanical and chemical. Altogether, this contributions were successfully addressed presenting again an analytical and stochastic prediction for the velocity of the motor that matches the experimental observations without the need of any parameter fitting. This analysis also entailed a study of the energetic performance of the motor which is unavailable experimentally. The results show a complete divergence between the stochastic and deterministic predictions. The divergence is specially dramatical near the stall force of the motor where the determenistic analysis predicts an efficiency maximum and the stochastic analysis returns a null efficiency. This points out that the stochastic effects are very relevant to the energetic performance of the motor and can not be missed in a proper energetic study of a molecular machine. Besides the study of the F1 motor, also a rotatory device working with an ionic flux was analised. The aim of the analysis was the devise of a minimal mechanistic turbine and the study of its main working features. Such a machine is composed by a mobile piston with periodic boundary conditions at both ends of a nanometric channel separating two particle reservoirs. Hence, the turbine is able to transduce energy between the flux of ions and an external force hindering the natural motion of the piston. Again, thermal fluctuations provide a stochastic dynamic that must be studied through a Langevin equation that can be tackled analytically. This study revealed that the velocity and the flux are not coupled. Specially, two different stall forces appear for the motor. One for the velocity and one for the flux. This results in an intermediate zone where there is a continuous leakage of ions that does not allow any energetic output. This effect is originated from thermal fluctuations. Thus, when the energetic performance is evaluated, a similar behaviour than the one obtained for the F1 motor is recuperated. This minimal model was extended with more complex turbines that take into account more thoroughly the biophysics of molecular machines. All of them result in the same energetic landscape where a minimum of efficiency is obtained near the stall of the motor. Additionally, a new formalism has been developed to simplify the resulting Langevin equations (Fokker-planck white noise limit) and a new algorithm has been devised able to integrate Langevin equations with non-continuous multiplicative noise / Los Motores Moleculares son macromoléculas biológicas que se encargan de hacer las transducciones energéticas necesarias dentro de las células. Este trabajo estudia la transformación de energía de motores moleculares rotatorios reales principalmente la F1-ATPasa, el Motor Flagelar de las Bacterias y el F0. Para estudiar la dinámica del motor se han utilizado ecuaciones de Langevin sobreamortiguadas que recogen la importancia de las fluctuaciones térmicas, así como las fuerzas externas aplicadas al motor (conservativas y disipativas) y el potencial interno del motor que contiene la información físico-química de su comportamiento. Este estudio se ha aplicado a la F1-ATPasa, que se puede estudiar tanto analíticamente, obviando las fluctuaciones térmicas como desde su naturaleza estocástica mediante potenciales intermitentes. En ambos casos, el modelo es capaz de describir la dinámica del motor y su dependencia con los diferentes parámetros controlables experimentalmente: Concentración de ATP, fuerza disipativa y fuerza conservativa. En el mismo sentido se ha diseñado una turbina nanoscópica que recoge los principios básicos de la interacción mecánica entre un flujo de iones y la rotación del motor. En ambos casos, tanto en la turbina como en el F1 se observa que el ruido térmico no afecta mucho a la velocidad del motor y en cambio produce cambios enormes en parámetros energéticos como la potencia o la eficiencia. Concretamente, el escenario clásico en que un máximo de eficiencia se obtiene para la fuerza de calado desaparece obteniendo nuevos regímenes óptimos de trabajo. Adicionalmente, se ha desarrollado un formalismo para simplificar las ecuaciones de Langevin obtenidas (límite de ruido blanco) y se ha diseñado un nuevo algoritmo para integrar ecuaciones de Langevin en las cuales el ruido multiplicativo es discontinuo en el espacio.

La hibridació natural a plantes és un fenòmen àmplement conegut. És una important font de variabilitat que accelera l'evolució de les espècies. Es creu que és l'origen de moltes angiospermes, entre elles endemismes locals. Per altra banda, també pot tenir efectes negatius per la supervivència d'aquests endemismes, diluint els seus trets direfencials. En aquesta tesi s'estudia la possible hibridació natural que afecta a tres endemismes baleàrics (Viola jaubertiana, Lotus fulgurans i Helichrysum crassifolium), des del punt de vista dels marcadors moleculars basats en ADN i de la morfologia. S'avalua el paper de la hibridació natural la variabilitat, l'origen i la conservació d'aquestes espècies endèmiques. / Natural hybridization is a widely known process in plants. It is an important source of variation promoting species evolution. It is likely to be the origin of many angiosperms, including local endemisms. Oppositely, it is also regarded as a potential threat for endemisms survivorship, diluting their differentail traits. This thesis deals with putative natural hybridization processes involving three Balearic endemics (Viola jaubertiana, Lotus fulgurans i Helichrysum crassifolium), from the points of view of the DNA molecular markers and the morphology. The role of natural hybridization in the variation, origin, and conservation of the above endemics is evaluated.

El limfoma de cèl•lules de mantell (MCL) i la leucèmia limfàtica crònica (CLL) són dues neoplàsies limfoides fins al moment incurables, per la qual cosa requereixen la recerca de nous fàrmacs. La identificació de noves dianes terapèutiques per al MCL i la CLL, i del mecanisme molecular d’actuació d’aquests fàrmacs en aquestes neoplàsies, té una gran rellevància translacional. El concepte de medicina personalitzada està basat en l’ús de teràpies dirigides a través d’un coneixement profund dels mecanismes moleculars d’acció d’aquests agents. Amb l’augment del coneixement sobre l’etiologia del càncer, s’han descobert noves dianes alterades específicament en les cèl•lules tumorals. Entre elles, la sobreexpressió de les HDACs, que provoca un estat epigenètic aberrant a la cèl•lula. Això ha motivat el desenvolupament del vorinostat, un inhibidor de les HDACs. Els resultats obtinguts demostren el vorinostat és efectiu i selectiu per a les cèl•lules tumorals de MCL. A nivell molecular, el vorinostat en el MCL indueix l’acetilació de les histones de la regió promotora dels gens de les proapoptòtiques de la família de Bcl-2 BH3-only BIM, BMF i NOXA, que són activats transcripcionalment. Totes tres proteïnes, Bmf, Bim i Noxa, cooperen en el procés d’apoptosi. A més, el vorinostat és sinèrgic amb l’agent que mimetitza les BH3-only, ABT-263. En els últims anys, s’ha identificat un gran nombre de cinases, que regulen moltes vies de supervivència i proliferació cel•lulars, que estan específicament activades i sobreexpressades en cèl•lules tumorals. En particular, recentment les cinases associades al receptor de cèl•lules B (BCR) han esdevingut un focus d’atenció important, ja que està activament implicat en la patogènesi de les neoplàsies limfoides. En aquesta tesi, hem analitzat l’efecte anti-tumoral de l’inhibidor multi-cinasa sorafenib en la CLL i el MCL. Els nostres resultats confirmen que el sorafenib indueix apoptosi selectiva en cèl•lules de CLL i de MCL, fins i tot en els casos de més mal pronòstic de la CLL. A nivell molecular, els nostres resultats han demostrat que el sorafenib indueix una desfosforilació ràpida, sostinguda i simultània de les cinases associades al BCR, Syk i de la família Src cinases. En la CLL i el MCL a temps d’incubació molt curts, el sorafenib provoca una disminució traduccional de l’anti-apoptòtica Mcl-1 alhora que de ciclina D1, sobreexpressada en el MCL. Tant Mcl-1 com ciclina D1 participen en l’apoptosi induïda per sorafenib, la disminució de Mcl-1 altera directament els senyals anti-apoptòtics, mentre que el sorafenib, a més de disminuir els nivells de ciclina D1, també allibera Bax del segrestament per part de ciclina D1, finalment activant mecanismes d’apoptosi caspasa-dependents i independents com AIF. El sorafenib també modula les interaccions del microambient amb la CLL i el MCL. En aquest sentit, s’ha demostrat que el sorafenib bloqueja la migració induïda per la quimiocina CXCL12 via inhibició de FAK, una cinasa substrat de Src que regula i promou la invasió. El complex Src-FAK afecta múltiples proteïnes, com ara les del citoesquelet d’actina. En consistència, el sorafenib bloqueja la reorganització del citoesquelet en cèl•lules de MCL estimulades amb CXCL12. Les cèl•lules estromals del microambient dels teixits, com ara el moll d’os i els teixits limfoides secundaris, interaccionen amb el tumor i en promouen el seu creixement i resistència a fàrmacs. En aquest context, s’ha demostrat que, en presència de l’estroma del microambient, les cèl•lules de MCL i CLL esdevenen resistents als agents quimioterapèutics habituals i el sorafenib és capaç de resensibilitzar-les. Tant la proliferació com l’activació del BCR en la CLL són majors en el gangli limfàtic que en sang. En aquest sentit, s’ha demostrat que el sorafenib és més efectiu en cèl•lules de CLL derivades de gangli limfàtic que les respectives derivades de moll d’os i de sang perifèrica. L’estimulació del BCR en la CLL també provoca la secreció de les citocines atraients de cèl•lules accessòries CCL3 i CCL4, que el sorafenib bloqueja amb eficiència. Globalment, els treballs que constitueixen aquesta tesi doctoral suposen una contribució important en el coneixement del mecanisme molecular d’acció del vorinostat i el sorafenib, fàrmacs nous que podrien ser efectius per al tractament d’aquestes dues entitats, el MCL i la CLL. / Mantle cell lymphoma (MCL) and chronic lymphocytic leukemia (CLL) are two incurable B-lymphoid malignancies, thus new therapeutic strategies are required. In the recent years, anti-tumor therapy has focused on pathways specifically altered in cancer cells. Among them, overexpression of histone deacetylases (HDACs) is a common feature. This led to the development of the HDAC inhibitor vorinostat. This thesis has shown that vorinostat could become a new therapeutic approach for MCL. The results show that vorinostat is effective and selective for MCL cells. The molecular mechanism of action of vorinostat involves acetylation of the histones in the gene promoter of the pro-apoptotic BH3-only from Bcl-2 family, BMF, BIM and NOXA, which induces its transcriptional activation. The respective proteins cooperate in the apoptosis induction. Moreover, vorinostat synergizes with the BH3-only mimetic ABT-263 in MCL. Plenty of kinases that have been recognized to regulate survival and proliferation pathways are overexpressed in tumor cells. In this work, we analyzed the anti-tumor effect of sorafenib, a multi-kinase inhibitor approved by the FDA, in CLL and MCL. Sorafenib induces selective apoptosis in CLL and MCL cells, being also effective in poor prognosis cases of CLL. At the molecular level, sorafenib dephosphorylates the B-cell receptor (BCR) associated kinases, specifically Syk and the Src family kinases. In CLL and MCL, sorafenib inhibits Mcl-1 and cyclin D1 translation. Mcl-1 downregulation is directly impairing anti-apoptotic signals. As for cyclin D1, sorafenib releases Bax from cyclin D1 sequestering. Both processes are involved in apoptosis induction, which occurs through caspase-dependent and independent mechanisms. In addition, sorafenib blocks CXCL12-induced migration and actin polymerization via FAK inhibition, a Src kinase substrate that regulates migration. Stromal cells from the microenvironment interact with and promote tumor growth and drug resistance. In this context, MCL and CLL cells become resistant to conventional chemotherapeutic drugs in the presence of stromal microenvironment, which is counteracted by sorafenib. Activation of the BCR and proliferation in CLL cells is higher in the lymph node microenvironments, a setting where sorafenib has been demonstrated to be more effective. BCR stimulation also leads to CCL3 and CLL4 chemoattractant cytokines secretion in CLL, that sorafenib blocks efficiently. Overall, this thesis is an important contribution to the understanding of the molecular mechanism of action of vorinostat and sorafenib, new drugs that might be effective for the treatment of these two entities, MCL and CLL.

Els treballs realitzats en aquesta tesi tenen com objectius l'aplicació de la sistemàtica molecular i la filogeografia per resoldre relacions filogenètiques, clarificar la taxonomia i descriure la història de les poblacions de les espècies incloses dins de dos grups de mamífers d'elevat interés conservacionista: els mustélids (família Mustelidae) i els macacs (génere Macaca).L'ús de diferents marcadors genétics mitocondrials (el gen citocrom b i la regió control) i un de nuclear (les seqüencies flanquejants d'una regió repetitiva) ha permés reconstruir les relacions filogenètiques entre 33 espècies de mustelids; delimitar quatre grups filogeogràfics en el teixò euroasiàtic (Meles meles); detectar la venta de productes derivats d'aquesta espècie en països on està protegida; i estudiar el procès d'especiació del macac japonès (Macaca fuscata). A partir dels resultats obtinguts també s'han proposat canvis en la taxonomia d'aquests grups. Al final de la tesi es fan reflexions sobre el paper que desenvolupen els marcadors moleculars en la sistemàtica, sobre com classificar aquelles espècies que no ha finalitzat els seus processos d'especiació i sobre les aplicacions de la sistemàtica, la biologia evolutiva i la genètica en la conservació de la biodiversitat. / The objectives of this thesis were the application of molecular systematics and phylogeography to resolve phylogeny, to clarify taxonomy and to study the population history of species included within two groups of mammals of high conservation interest: the mustelids (Family Mustelidae) and the macaques (Genus Macaca).Using different mitochondrial (cytochrome b gene and control region) and nuclear (flanking sequences of a repetitive region) markers, we have been able to reconstruct the phylogeny of 33 mustelid species; to delimit four phylogeographic groups in the Eurasian badger (Meles meles); to detect the trade of Eurasian badger products in countries where this species is protected; and to study the speciation process of the Japanese macaque (Macaca fuscata). According to our results we have also proposed taxonomic changes in these groups.At the end of the thesis, there are also some reflections about the role of genetic markers in systematics; about how to classify the species that have not finished their speciation process; and about the application of systematics, evolutionary biology and genetics in conservation biology.

Una de les àrees més prometedores en recerca biomèdica i farmacèutica és el disseny molecular computacional, que intenta establir relacions entre propietats físico-químiques i activitat biològica. L'èxit d'aquestes tècniques depen críticament de la qualitat de la descripció molecular. En aquest sentit, metodologies basades en potencials d'interacció molecular (MIP) són eines útils per la comparació de compostos que presenten comportaments biològics semblants. Aquest projecte desenvolupa eines per comparar molècules basades en la caracterització de llurs MIPs. El programa de similaritat molecular MIPsim ha estat desenvolupat i aplicat a diferents problemes biològics. Aquesta tesi consisteix en quatre estudis científics que mostren l'ús del MIPSim en aliniament molecular, catalisi enzimàtica, en acoratge de molècules dins el lligand i en estudis 3D-QSAR. / One of the most promising areas in biomedical and pharmaceutical research is computer assisted molecular design, which tries to stablish relationships between physicochemical properties and biological activity. The success of these techniques depends critically on the quality of the molecular description. In this sense, methodologies based on molecular interaction potentials (MIP) are useful tools for the comparison of compounds displaying related biological behaviours. This project aims to develop tools to compare 'molecules based on the characterization 'of their MIPs. To this end, the molecular similarity program MIPSim has been further developed and applied to different biological problems. This thesis consists on four scientific studies showing the use of MIPSim for molecular alignment, enzymatic catalysis, ligand-protein docking and 3D-QSAR analyses.

Los embutidos fermentados ligeramente acidificados son un grupo de productos tradicionales mediterráneos, caracterizados por un pH superior a 5,3.Para un control eficiente de la seguridad microbiológica de los embutidos se necesitan técnicas rápidas para la identificación y recuento de los microorganismos patógenos a estudiar. En el presente trabajo, se desarrolló una técnica para la enumeración de L. monocytogenes que combinó el método del número más probable y la identificación mediante PCR específica. Para la detección de Salmonella spp. y L. monocytogenes se desarrolló un sistema de PCR-multiplex que permitió la identificación de ambos patógenos de forma simultánea en una sola reacción.El estudio de la calidad microbiológica de los embutidos fermentados ligeramente acidificados se completó con la caracterización de las comunidades microbianas más importantes en estos productos. Se identificaron a nivel de especie los aislados de bacterias del ácido láctico (BAL), de enterococos y de cocos gram-positivos catalasa-positivos (CGC+). Posteriormente se realizó una tipificación molecular de los mismos mediante RAPD y análisis del perfil plasmídico y se estudiaron las principales características de interés higiénico-sanitario y tecnológico de las cepas.Mediante PCR se identificó Lactobacillus sakei como la especie predominante (74%), seguida por Lactobacillus curvatus (21,2%). La actividad aminoácido-descarboxilasa se asoció a la especie L. curvatus (el 66% de los aislados presentaron esta actividad).La identificación de los enterococos se realizó mediante PCR-multiplex y por secuenciación del gen sodA. Enterococcus faecium fue la especie de enterococos predominante (51,9%) seguida por Enterococcus faecalis (14,2%).Todas las cepas de E. faecalis presentaron genes asociados a factores de virulencia. E. faecalis presentó mayor resistencia a antibióticos que el resto de las especies de enterococos estudiadas. Tan sólo una cepa de E. faecium presentó el genotipo vanA (que confiere resistencia de alto nivel a la vancomicina).La identificación de los aislados de CGC+ (mediante PCR específica y amplificación de la región intergénica 16S-23S ARNr) demostró que Staphylococcus xylosus es la especie predominante en los embutidos fermentados ligeramente acidificados (80,8%).La amina biógena más común en los CGC+ fue la feniletilamina, producida por un 10,8% de aislados. Un pequeño porcentaje de aislados fueron mecA+ (4,6%), presentando además resistencia a múltiples antibióticos. El potencial enterotoxigénico de las cepas de CGC+ fue muy reducido (3,3% de los aislados), detectándose únicamente el gen entC.El estudio pormenorizado de las comunidades bacterianas de interés permitió la selección de 2 cepas de L. sakei y 2 cepas de S. xylosus con características tecnológicas e higiénico-sanitarias óptimas. Para evaluar su efectividad como cultivos iniciadores se elaboraron dos tipos de embutidos ligeramente ácidos, chorizo y fuet, inoculados con microorganismos patógenos (Salmonella spp., L. monocytogenes y S. aureus). El uso de cultivos iniciadores permitió el control de L. monocytogenes, Enterobacteriaceae y Enterococcus así como del contenido en aminas biógenas. Los recuentos de Salmonella spp. disminuyeron de forma significante durante la maduración de los embutidos, independientemente del uso de cultivos iniciadores. El uso del tratamiento de alta presión (400 MPa) en los embutidos madurados consiguió la ausencia de Salmonella spp. en los lotes tratados. / Low-acid fermented meat products (final pH, 5.3 to 6.2) are a group of traditional Mediterranean products with a great diversity within the regions.To control the microbial quality of this kind of sausages is necessary to use rapid methods able to produce results quickly and reliably. In this study, a highly sensitive PCR-based method to detect and quantify L. monocytogenes in fermented sausages was developed. This method combined the high sensitivity of the most-probable-number method with a L. monocytogenes specific PCR assay. Also a multiplex-PCR based method for the simultaneous identification of L. monocytogenes and Salmonella spp. was designed. The study of the microbial quality of the slightly fermented sausages was followed by the characterization of the microbial communities of this kind of products. Lactic acid bacteria (LAB), enterococci and Gram-positive catalase-positive cocci (GCC+) were identified at species level. RAPD-PCR and plasmid profiling were used to evaluate the genetic diversity within species and to identify identical isolates of the same strain. Safety and hygienic properties were also studied in order to characterize the isolates in detail. With this aim, bacteriocin production, biogenic amine production and antibiotic susceptibility were determined. By species-specific PCR, Lactobacillus sakei was identified as the predominant LAB (74%) followed by Lactobacillus curvatus (21.2%) and Leuconostoc mesenteroides (4.8%). The production of biogenic amines was mainly related to the species L. curvatus (66% of the isolates were biogenic amine-producers).Species-specific PCR and partial sequencing of sodA gene were used to identify enterococcal population. Enterococcus faecium was the most frequently isolated species (51.9%) followed by Enterococcus faecalis (14,2%). All the E. faecalis strains carried virulence genes. E. faecalis showed higher antibiotic resistance than the other species. Only one E. faecium strain showed vanA genotype (high-level resistance to glycopeptides).Species-specific PCR and amplification of the 16S-23S rDNA intergenic region were used to identify GCC+ population. Staphylococcus xylosus was the predominant species (80.8%) in this kind of sausages.Tyramine was the most intense biogenic amine produced, although by only 4.6% of the GCC+ isolates. Phenylethylamine was more frequently detected (10.8% of isolates) but at lower levels. A low percentage of isolates (4.6%) showed mecA genes displaying also resistance to multiple antibiotics. Only 3.3% of isolates showed staphylococcal enterotoxins genes, all identified as entC gene.The study of the safety and technological properties of the isolates allowed to select 2 strains of L. sakei and 2 strains of S. xylosus on the basis of their technological and safety characteristics. To evaluate their suitability as starter cultures two types of low acid fermented sausages, fuet and chorizo, were manufactured. Batters were inoculated with L. monocytogenes, S. enterica and S. aureus. Starter cultures were able to control the growth of L. monocytogenes, Enterobacteriaceae, Enterococcus and the biogenic amine content. Salmonella spp counts decreased significantly during ripening independently of the use of starter culture and product.High hydrostatic pressure treatment was necessary to assure absence of Salmonella spp. in final products.