Muitas aplicações biológicas da quitosana dependem de sua interação com membranas celulares, cujo mecanismo não é conhecido em nível molecular. Nesta tese, empregam-se filmes de Langmuir dos fosfolipídios dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC), dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) e ácido dimiristoil fosfatídico (DMPA) para mimetizar a membrana, e é avaliada a influência dos grupos hidroxila e amino de quitosana nas propriedades dos filmes. Para tanto, O-acilquitosanas foram produzidas por meio de reação de acilação, gerando os derivados 3,6 - O,O\'- dietanoilquitosana (DEQUI) e 3,6 - O,O\'- dipropanoilquitosana (DPPQUI) solúveis em solução aquosa ácida, e 3,6 - O,O\'- dimiristoilquitosana (DMQUI) e 3,6 - O,O\'- dipalmitoilquitosana (DPQUI), solúveis em clorofórmio. DEQUI e DPPQUI afetam mais fortemente as isotermas de pressão de superfície e elasticidade dos filmes do que quitosana, sendo os efeitos de DPPQUI (mais hidrofóbico) maiores do que para DEQUI. Isso indica que ligações hidrogênio envolvendo as hidroxilas da quitosana não são essenciais na interação. Espectros no infravermelho com modulação de polarização (PM-IRRAS) confirmaram interações hidrofóbicas, com penetração dos derivados entre as moléculas de fosfolipídio. DEQUI causa mais ordenamento das cadeias do fosfolipídio, enquanto o efeito de DPPQUI é oposto. DMQUI e DPQUI formam filmes de Langmuir altamente compactados com agregação de moléculas, inferida das isotermas de pressão e potencial de superfície. Os resultados sobre a influência dos grupos amino foram inconclusivos, pois o comportamento atrativo entre os materiais pode ser devido tanto à existência de grupos com cargas opostas, quanto interações hidrofóbicas. Quitosanas com diferentes massas moleculares (alta - QAMM e baixa - QBMM) foram utilizadas para obter informações sobre a orientação dos grupos químicos da quitosana e fosfolipídios e conformação do polímero em solução. Espectros PM-IRRAS indicam maior efeito de QBMM em monocamadas de DPPG, provocando diminuição na intensidade e deslocamento para maiores números de onda das bandas de CH, inversão na orientação do grupo P=O do DPPG e maior intensidade da banda amida II, sugerindo maior densidade desses grupos na interface. Os espectros de geração de soma de frequência (SFG) mostraram diminuição na ordenação/compactação das caudas de DPPG, aumento do espaçamento entre as moléculas e de defeitos gauche. Conclui-se que derivados O-acilados de quitosana têm maior efeito sobre modelos de membrana, principalmente devido às forças hidrofóbicas, sendo mais adequados em aplicações biológicas que dependam dessa interação. Também favorece a interação com a membrana a atração eletrostática, com efeitos mais relevantes para quitosanas de menores massas moleculares. / Many biological applications of chitosan depend on its interaction with cell membranes, whose mechanism at the molecular level is not known. In this thesis, Langmuir films from the phospholipids dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC), dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) and dimyristoyl phosphatidic acid (DMPA) were used to mimic the cell membrane, and effects from the hydroxyl and amine groups in chitosan on the film properties were evaluated. For this, O-acylchitosans were produced by acylation reaction, resulting in the derivatives 3,6 - O,O\' - diacetylchitosan (DECT) and 3,6 - O,O\'- dipropionylchitosan (DPPCT), which are soluble in acidic aqueous solution, and 3,6 - O,O\'- dimyristoylchitosan (DMCT) and 3,6 - O,O\'- dipalmitoylchitosan (DPCT), soluble in chloroform. DECT and DPPCT affect the surface pressure and elasticity of the films more strongly than chitosan, especially DPPCT that is more hydrophobic. This indicates that hydrogen bonds involving the hydroxyl groups from chitosan are not essential for the interaction. Polarization-modulated infrared reflection absorption (PM-IRRAS) spectra confirmed hydrophobic interactions with penetration of derivatives between the phospholipid molecules. DECT induces ordering in the chains, while the opposite occurs for DPPCT. DMCT and DPCT form highly compressed films with aggregation, as shown by surface pressure and surface potential isotherms. The results on the importance of amino groups were inconclusive because the attractive behavior between materials may be due to either the oppositely charged groups or hydrophobic interactions. Chitosans with different molecular weights (high - CHMW and low - CLMW) were used to obtain information about the chitosan and phospholipids chemical groups orientation and polymer conformation in solution. PM-IRRAS spectra indicate greater effect from QBMM on DPPG monolayers, causing a decrease in intensity and shift to higher wavenumbers of the CH bands, inversion in the orientation of the P=O group from DPPG and greater intensity of the amide II band, suggesting greater density of these groups at the interface. The sum-frequency generation (SFG) spectra showed a decrease in ordering/packing of the DPPG chains, increased spacing between molecules and gauche defects. Overall, the O-acyl derivatives of chitosan have greater effect on cell membrane models, owing to hydrophobic forces, being therefore more suitable for biological applications that depend on this interaction. Also important for the interaction is the electrostatic attraction, with more relevant effects observed with low-molecular weight chitosans.

Este trabalho visa ao entendimento da interação de capsaicinóides com membranas celulares utilizando sistemas modelo. Dentre os alcalóides derivados de plantas do gênero Capsicum, a capsaicina e a dihidrocapsaicina respondem por 90% dos capsaicinóides, que são usados como analgésicos e antiinflamatórios, devido a sua interação específica com receptores. O mecanismo neurofarmacológico já foi bastante estudado, mas o modo de ação não neural ainda não foi elucidado. Usamos extratos brutos (EBs) de pimenta malagueta e de dedo-de-moça, que têm atividade superficial, e afetaram monocamadas de Langmuir de fosfatidil colina de dipalmitoíla (DPPC) e fosfatidil glicerol de dipalmitoíla (DPPG). Tais efeitos não tiveram dependência expressiva com a carga, pois o EB de dedo-de-moça interagiu mais fortemente com o DPPC do que com o DPPG, ao passo que o contrário se verificou para o EB de malagueta. Também não houve diferença significativa entre os EBs das duas pimentas. Nas monocamadas de Langmuir representativas para a bactéria S. aureus, ambos os EBs tiveram efeito, tanto nas isotermas de pressão quanto nos resultados de espectroscopia de absorção e reflexão no infravermelho com modulação de polarização (PM-IRRAS), sem distinção significativa entre malagueta e dedo-de-moça. No entanto, as medidas de vazamento com lipossomos mostraram maior interação com o EB de dedo-de-moça, o que é consistente com a atividade bactericida para S. aureus. De fato, a concentração inibitória mínima (MIC) foi 0,13 mg mL-1 para o EB da pimenta dedo-de moça e 4,0 mg mL-1 para o EB de malagueta. Para a E. coli, os EBs interagiram com as monocamadas de Langmuir sem diferenças dignas de nota para as duas pimentas, e nas medidas de vazamento o efeito maior foi para a dedo-de-moça. Não houve efeito bactericida para nenhum dos extratos. Isso se explica porque bactérias gram-negativas, como a E. coli, têm uma camada externa protetora de lipossacarídeos (LPS). Das medidas de monocamadas de Langmuir representativas da camada de LPS, observou-se pouca incorporação dos EBs. Conclui-se, assim, que os EBs não conseguem causar rompimento da camada de LPS. Do conjunto dos resultados, infere-se que o mecanismo de ação para a S. aureus envolve solubilização parcial da membrana, e não há relação entre pungência e atividade bactericida, pois a pimenta dedo-de-moça, que é menos pungente, teve maior efeito do que a malagueta. Depreende-se, também, que a ação de extratos de pimenta deve depender da interação com receptores na membrana, o que explica porque o uso de tais extratos tem sido principalmente em aplicações tópicas. / This study is aimed at understanding the interaction of capsaicinoids with cell membranes using model systems. Among the alkaloids derived from plants of the genus Capsicum, capsaicin and dihydrocapsaicin account for 90% of capsaicinoids, which are used as analgesic and anti-inflammatory due to their interaction with specific receptors. The neuropharmacological mechanism has been well studied, but the non-neural mode of action has not been elucidated. Here, we use crude extracts (EBs) of malagueta and dedo-de-moça chilli peppers, which are surface active, and affected Langmuir monolayers of dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) and dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG). Such effects did not depend on the charge, since EB from dedo-de-moça interacted more strongly with DPPC than with DPPG, while the opposite applied for malagueta. In addition, there was no significant difference between the two EBs. For Langmuir monolayers representing the bacteria S. aureus, both EBs affected the surface pressure isotherms and the polarizationmodulated infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) data, without significant distinction between dedo-de-moça and malagueta. However, in the leakage measurements with liposomes the EB from dedo-de-moça was more efficient in rupturing the liposome, which is consistent with the bactericidal activity for S. aureus. In fact, the minimum inhibitory concentration (MIC) was 0.13 mg mL-1 for dedo-de-moça and 4.0 mg mL-1 for malagueta. For the Langmuir monolayers mimicking the E. coli membrane, the EBs interacted much in the same way, while the EB from dedo-de-moça caused larger leakage in liposomes. There was no bactericidal effect of the EBs. This is explained by the fact that gram-negative bacteria, such as E. coli, have a protective outer layer of liposaccharides (LPS). In monolayers representing LPS, there was little incorporation of EBs, from which one infers that the EBs cannot cause disruption of the LPS layer. Taking all these results together, it appears that the mechanism of action for S. aureus involves partial solubilization of the membrane. Furthermore, there is no relationship between pungency and bactericidal activity because dedo-de-moça, which is less pungent, had greater effect than malagueta. It seems also that the action of pepper extracts must depend on the interaction with membrane receptors, which explains why the use of such extracts has been essentially in topical applications.

O ibuprofeno é um antiinflamatório não esteróide, com baixa solubilidade em água, que apresenta diversos efeitos colaterais, incluindo lesão gástrica e intestinal. Esses efeitos podem depender da interação com a membrana celular, o que nos motivou a investigar, na primeira parte deste trabalho, a incorporação do ibuprofeno em monocamadas de Langmuir como modelos de membrana celular. Monocamadas de dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) e dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC) co-espalhadas com o ibuprofeno ou depositadas sobre subfases contendo o fármaco foram estudadas por meio das isotermas de pressão e potencial de superfície. Foram observados efeitos significativos para monocamadas de DPPC, particularmente na transição de fase líquido-expandida para líquido-condensada, com modificações relevantes na elasticidade da monocamada. Esses efeitos aumentaram com a concentração do ibuprofeno. Para os dois tipos de fosfolipídios, o ibuprofeno pôde penetrar na região hidrofóbica, o que foi confirmado por espectroscopia de reflexão e absorção no infravermelho com modulação da polarização (PM-IRRAS), indicando assim a presença de interações hidrofóbicas. A análise por microscopia no ângulo de Brewster (BAM) mostrou que o ibuprofeno impede a formação de grandes domínios de DPPC, enquanto que não foram observadas alterações significativas para o DPPG. A interação entre o ibuprofeno e o DPPG também foi confirmada após a imobilização da monocamada mista em filmes LB com alterações na absorção no UV-Vis da molécula de ibuprofeno. No que diz respeito às implicações biológicas, a ação farmacológica que depende diretamente da interação com a membrana deve ocorrer primeiramente em regiões neutras via penetração do ibuprofeno na região hidrofóbica da membrana celular. A segunda parte deste trabalho foi dedicada à interação de capsaicinóides extraídos da pimenta malagueta com monocamadas de Langmuir constituídas de DPPG e DPPC. A capsaicina é um potente analgésico de uso tópico, que pode causar dessensibilização no local de aplicação dependendo da dose e, portanto há interesse na sua incorporação em sistemas de liberação controlada, como os lipossomos. A técnica de Langmuir foi empregada para verificar essa possibilidade. Os capsaicinóides expandiram as monocamadas de DPPG e aumentaram sua elasticidade. As isotermas de potencial de superfície indicaram que os capsaicinóides provocam aumento de 10% no momento de dipolo numa concentração de 30% em mol. Para os filmes mistos de DPPC e capsaicinóides, a área mínima diminuiu e a elasticidade da monocamada aumentou. De acordo com as isotermas de potencial, os momentos de dipolo diminuíram para as monocamadas de DPPC independentemente da concentração de capsaicinóides. Esses resultados sugerem que as moléculas de DPPC são solubilizadas para a subfase na presença do fármaco. A partir destes resultados, conclui-se que os capsaicinóides podem ser incorporados em estruturas lipídicas, constituídas principalmente de DPPG, o que é relevante para uso em sistemas de liberação de fármacos. / Ibuprofen is a nonsteroidal anti-inflammatory drug, with low solubility in water, which exhibits side effects including gastric and intestinal injury, often irreversible. Some of these effects may depend on the interaction with the cell membrane, which motivated us to investigate the incorporation of ibuprofen in Langmuir monolayers as cell membrane models, in the first part of this thesis. Dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC) or dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) monolayers co-spread with ibuprofen or deposited on ibuprofen-containing aqueous subphases were studied using surface pressure and surface potential isotherms. Significant effects were observed for DPPC monolayers, particularly at the liquid-expanded to liquid-condensed phase transition, with relevant changes in the elasticity of the monolayer. These effects increased with the ibuprofen concentration. For both types of phospholipids, ibuprofen could penetrate into the hydrophobic part of the monolayer, which was confirmed with polarization-modulated infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS), thus indicating the presence of hydrophobic interactions. BAM images showed that ibuprofen prevents the formation of large domains of DPPC, while no significant changes were observed for DPPG. The interaction between DPPG-ibuprofen was also confirmed for deposited layers in the form of LB films, with changes in the ibuprofen UV-Vis absorption. As for the biological implications, the pharmacological action depending directly on the membrane interaction should occur primarily with zwitterionic regions of the membrane via penetration of ibuprofen in the hydrophobic part of the monolayer. The second part of this thesis is dedicated to the interaction of capsaicinoids, extracted from malagueta pepper, with Langmuir monolayers of DPPC and DPPG. Capsaicin is a powerful analgesic of topical use, which can cause desensitization in the application site depending on the dose, and therefore there is interest in its incorporation in drug delivery systems, such as liposomes. The Langmuir technique was employed to verify this possibility. The capsaicinoids expanded the DPPG monolayer and increased its elasticity. Surface potential isotherms indicated that the capsaicinoids increased the average dipole moment by 10 % for 30 mol % of capsaicinoids. For the mixed films of DPPC and capsaicinoids, the minimum area decreased and the elasticity increased. According to the surface potential isotherms, the dipole moments decreased for DPPC monolayers regardless of the capsaicinoid concentrations. These results suggest that the DPPC molecules are solubilized into the subphase in the presence of the drug. From these results, it is concluded that the capsaicinoids can be incorporated into structures as the liposomes constituted mainly of DPPG, which is relevant for use in drug delivery systems.

Este trabalho visa ao entendimento da interação de capsaicinóides com membranas celulares utilizando sistemas modelo. Dentre os alcalóides derivados de plantas do gênero Capsicum, a capsaicina e a dihidrocapsaicina respondem por 90% dos capsaicinóides, que são usados como analgésicos e antiinflamatórios, devido a sua interação específica com receptores. O mecanismo neurofarmacológico já foi bastante estudado, mas o modo de ação não neural ainda não foi elucidado. Usamos extratos brutos (EBs) de pimenta malagueta e de dedo-de-moça, que têm atividade superficial, e afetaram monocamadas de Langmuir de fosfatidil colina de dipalmitoíla (DPPC) e fosfatidil glicerol de dipalmitoíla (DPPG). Tais efeitos não tiveram dependência expressiva com a carga, pois o EB de dedo-de-moça interagiu mais fortemente com o DPPC do que com o DPPG, ao passo que o contrário se verificou para o EB de malagueta. Também não houve diferença significativa entre os EBs das duas pimentas. Nas monocamadas de Langmuir representativas para a bactéria S. aureus, ambos os EBs tiveram efeito, tanto nas isotermas de pressão quanto nos resultados de espectroscopia de absorção e reflexão no infravermelho com modulação de polarização (PM-IRRAS), sem distinção significativa entre malagueta e dedo-de-moça. No entanto, as medidas de vazamento com lipossomos mostraram maior interação com o EB de dedo-de-moça, o que é consistente com a atividade bactericida para S. aureus. De fato, a concentração inibitória mínima (MIC) foi 0,13 mg mL-1 para o EB da pimenta dedo-de moça e 4,0 mg mL-1 para o EB de malagueta. Para a E. coli, os EBs interagiram com as monocamadas de Langmuir sem diferenças dignas de nota para as duas pimentas, e nas medidas de vazamento o efeito maior foi para a dedo-de-moça. Não houve efeito bactericida para nenhum dos extratos. Isso se explica porque bactérias gram-negativas, como a E. coli, têm uma camada externa protetora de lipossacarídeos (LPS). Das medidas de monocamadas de Langmuir representativas da camada de LPS, observou-se pouca incorporação dos EBs. Conclui-se, assim, que os EBs não conseguem causar rompimento da camada de LPS. Do conjunto dos resultados, infere-se que o mecanismo de ação para a S. aureus envolve solubilização parcial da membrana, e não há relação entre pungência e atividade bactericida, pois a pimenta dedo-de-moça, que é menos pungente, teve maior efeito do que a malagueta. Depreende-se, também, que a ação de extratos de pimenta deve depender da interação com receptores na membrana, o que explica porque o uso de tais extratos tem sido principalmente em aplicações tópicas. / This study is aimed at understanding the interaction of capsaicinoids with cell membranes using model systems. Among the alkaloids derived from plants of the genus Capsicum, capsaicin and dihydrocapsaicin account for 90% of capsaicinoids, which are used as analgesic and anti-inflammatory due to their interaction with specific receptors. The neuropharmacological mechanism has been well studied, but the non-neural mode of action has not been elucidated. Here, we use crude extracts (EBs) of malagueta and dedo-de-moça chilli peppers, which are surface active, and affected Langmuir monolayers of dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) and dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG). Such effects did not depend on the charge, since EB from dedo-de-moça interacted more strongly with DPPC than with DPPG, while the opposite applied for malagueta. In addition, there was no significant difference between the two EBs. For Langmuir monolayers representing the bacteria S. aureus, both EBs affected the surface pressure isotherms and the polarizationmodulated infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) data, without significant distinction between dedo-de-moça and malagueta. However, in the leakage measurements with liposomes the EB from dedo-de-moça was more efficient in rupturing the liposome, which is consistent with the bactericidal activity for S. aureus. In fact, the minimum inhibitory concentration (MIC) was 0.13 mg mL-1 for dedo-de-moça and 4.0 mg mL-1 for malagueta. For the Langmuir monolayers mimicking the E. coli membrane, the EBs interacted much in the same way, while the EB from dedo-de-moça caused larger leakage in liposomes. There was no bactericidal effect of the EBs. This is explained by the fact that gram-negative bacteria, such as E. coli, have a protective outer layer of liposaccharides (LPS). In monolayers representing LPS, there was little incorporation of EBs, from which one infers that the EBs cannot cause disruption of the LPS layer. Taking all these results together, it appears that the mechanism of action for S. aureus involves partial solubilization of the membrane. Furthermore, there is no relationship between pungency and bactericidal activity because dedo-de-moça, which is less pungent, had greater effect than malagueta. It seems also that the action of pepper extracts must depend on the interaction with membrane receptors, which explains why the use of such extracts has been essentially in topical applications.

O ibuprofeno é um antiinflamatório não esteróide, com baixa solubilidade em água, que apresenta diversos efeitos colaterais, incluindo lesão gástrica e intestinal. Esses efeitos podem depender da interação com a membrana celular, o que nos motivou a investigar, na primeira parte deste trabalho, a incorporação do ibuprofeno em monocamadas de Langmuir como modelos de membrana celular. Monocamadas de dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) e dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC) co-espalhadas com o ibuprofeno ou depositadas sobre subfases contendo o fármaco foram estudadas por meio das isotermas de pressão e potencial de superfície. Foram observados efeitos significativos para monocamadas de DPPC, particularmente na transição de fase líquido-expandida para líquido-condensada, com modificações relevantes na elasticidade da monocamada. Esses efeitos aumentaram com a concentração do ibuprofeno. Para os dois tipos de fosfolipídios, o ibuprofeno pôde penetrar na região hidrofóbica, o que foi confirmado por espectroscopia de reflexão e absorção no infravermelho com modulação da polarização (PM-IRRAS), indicando assim a presença de interações hidrofóbicas. A análise por microscopia no ângulo de Brewster (BAM) mostrou que o ibuprofeno impede a formação de grandes domínios de DPPC, enquanto que não foram observadas alterações significativas para o DPPG. A interação entre o ibuprofeno e o DPPG também foi confirmada após a imobilização da monocamada mista em filmes LB com alterações na absorção no UV-Vis da molécula de ibuprofeno. No que diz respeito às implicações biológicas, a ação farmacológica que depende diretamente da interação com a membrana deve ocorrer primeiramente em regiões neutras via penetração do ibuprofeno na região hidrofóbica da membrana celular. A segunda parte deste trabalho foi dedicada à interação de capsaicinóides extraídos da pimenta malagueta com monocamadas de Langmuir constituídas de DPPG e DPPC. A capsaicina é um potente analgésico de uso tópico, que pode causar dessensibilização no local de aplicação dependendo da dose e, portanto há interesse na sua incorporação em sistemas de liberação controlada, como os lipossomos. A técnica de Langmuir foi empregada para verificar essa possibilidade. Os capsaicinóides expandiram as monocamadas de DPPG e aumentaram sua elasticidade. As isotermas de potencial de superfície indicaram que os capsaicinóides provocam aumento de 10% no momento de dipolo numa concentração de 30% em mol. Para os filmes mistos de DPPC e capsaicinóides, a área mínima diminuiu e a elasticidade da monocamada aumentou. De acordo com as isotermas de potencial, os momentos de dipolo diminuíram para as monocamadas de DPPC independentemente da concentração de capsaicinóides. Esses resultados sugerem que as moléculas de DPPC são solubilizadas para a subfase na presença do fármaco. A partir destes resultados, conclui-se que os capsaicinóides podem ser incorporados em estruturas lipídicas, constituídas principalmente de DPPG, o que é relevante para uso em sistemas de liberação de fármacos. / Ibuprofen is a nonsteroidal anti-inflammatory drug, with low solubility in water, which exhibits side effects including gastric and intestinal injury, often irreversible. Some of these effects may depend on the interaction with the cell membrane, which motivated us to investigate the incorporation of ibuprofen in Langmuir monolayers as cell membrane models, in the first part of this thesis. Dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC) or dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) monolayers co-spread with ibuprofen or deposited on ibuprofen-containing aqueous subphases were studied using surface pressure and surface potential isotherms. Significant effects were observed for DPPC monolayers, particularly at the liquid-expanded to liquid-condensed phase transition, with relevant changes in the elasticity of the monolayer. These effects increased with the ibuprofen concentration. For both types of phospholipids, ibuprofen could penetrate into the hydrophobic part of the monolayer, which was confirmed with polarization-modulated infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS), thus indicating the presence of hydrophobic interactions. BAM images showed that ibuprofen prevents the formation of large domains of DPPC, while no significant changes were observed for DPPG. The interaction between DPPG-ibuprofen was also confirmed for deposited layers in the form of LB films, with changes in the ibuprofen UV-Vis absorption. As for the biological implications, the pharmacological action depending directly on the membrane interaction should occur primarily with zwitterionic regions of the membrane via penetration of ibuprofen in the hydrophobic part of the monolayer. The second part of this thesis is dedicated to the interaction of capsaicinoids, extracted from malagueta pepper, with Langmuir monolayers of DPPC and DPPG. Capsaicin is a powerful analgesic of topical use, which can cause desensitization in the application site depending on the dose, and therefore there is interest in its incorporation in drug delivery systems, such as liposomes. The Langmuir technique was employed to verify this possibility. The capsaicinoids expanded the DPPG monolayer and increased its elasticity. Surface potential isotherms indicated that the capsaicinoids increased the average dipole moment by 10 % for 30 mol % of capsaicinoids. For the mixed films of DPPC and capsaicinoids, the minimum area decreased and the elasticity increased. According to the surface potential isotherms, the dipole moments decreased for DPPC monolayers regardless of the capsaicinoid concentrations. These results suggest that the DPPC molecules are solubilized into the subphase in the presence of the drug. From these results, it is concluded that the capsaicinoids can be incorporated into structures as the liposomes constituted mainly of DPPG, which is relevant for use in drug delivery systems.

Orientador: João Ruggiero Neto / Resumo: Os peptídeos sintéticos L1A (IDGLKAIWKKVADLLKNT-NH2, Q = +3e) e seu análogo acetilado (acL1A, Q = +2e) utilizados neste estudo foram projetados para que tenham características estruturais semelhantes ao peptídeo Polybia-MP1 extraído do veneno da vespa Polybia paulista, em que um dos dois resíduos ácidos ocupa a segunda posição na região Nterminal, e resíduos básicos são terceiros e/ou quartos vizinhos dos resíduos ácidos. Esses peptídeos possuem significativa atividade bactericida seletiva para bactérias Gram-negativas, especialmente Escherichia coli, sem serem hemolíticos. Estudos anteriores, em sistemas modelo, demonstraram que a acetilação do N-terminal resultou no aumento da atividade lítica em vesículas aniônicas (8POPC/2POPG) em comparação com o L1A, o que sugeriu perturbação do empacotamento lipídico de modo mais eficaz para o análogo que é menos carregado. Considerando que a membrana plasmática de bactérias Gram-negativas contém majoritariamente fosfatidiletanolamina (PE) e fosfatidilglicerol (PG), o presente trabalho propôs investigar o impacto dos peptídeos L1A e acL1A em membranas modelo compostas por 3POPE/1DOPG utilizando uma variedade de técnicas experimentais. Os resultados demonstraram que ambos os peptídeos induziram segregação lipídica, sendo o análogo acetilado mais eficiente em recrutar PG e segregar PE. / Abstract: The synthetic peptides L1A (IDGLKAIWKKVADLLKNT-NH2, Q = +3e) and its acetylated analog (acL1A, Q = +2e) used in this study were designed to have some structural features similar to the peptide Polybia-MP1 extracted from the venom of the wasp Polybia paulista, in which one of the acidic residues occupies the second position on the N-terminus region and basic residues are third and/or fourth neighbors of the acidic residues. These peptides display significant bactericidal activity against Gram-negative bacteria, especially Escherichia coli, being non-hemolytic. Previous work performed in model membrane systems has shown that the N-terminal acetylation led to an increase on the lytic activity in anionic vesicles (8POPC/2POPG) compared with L1A, suggesting that the less charged peptide has higher ability to perturb the lipid-packing. Considering that the Gram-negative cell membranes contain mainly phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylglycerol (PG), the present work proposed to investigate the impact of L1A and acL1A on model membranes composed of 3POPE/1DOPG using a variety of experimental techniques. The results suggested that both peptides induced lipid segregation being the acetylated analog more efficient in recruiting PG and segregating PE. / Mestre

As ligações de hidrogênio (LH), fundamentais na determinação da estrutura da água, proteínas, etc., são muito importantes no reconhecimento molecular e nos mecanismos de reações enzimáticas. A determinação da energia das LHs intramoleculares em proteínas e intermoleculares entre uma proteína e o solvente água, porque fornece informações sobre a estrutura secundária, terciária e quaternária das proteínas. Um método para quantificar e qualificar as LHs foi desenvolvido utilizando critérios de distância, geométricos e energéticos a partir das trajetórias obtidas por simulações de dinâmica molecular. O método foi testado com o monômero de uma fosfolipase A2 homodimérica, sem atividade catalítica, isolada do veneno da Bothrops asper(BaspMT-II). No dímero, a análise das LHs mostrou que elas são também essenciais na manutenção da estrutura quaternária. Essa análise permitiu identificar movimentos do tipo dobradiça acompanhados da formação transitória, na interface dimérica, de LHs controladas pelo triptofano na posição 77. Esses movimentos podem estar associados à ação danosa às membranas, uma vez que podem promover a inserção da região C-terminal na membrana. Estudos prévios mostraram que o peptídeo sintético (3Y codificado pelos aminoácidos 115-129 da BaspMT-II) apresenta atividade bactericida e citolítica. Um outro peptídeo (3W), mutante de 3Y, no qual três resíduos tirosina são substituidos por triptofano, apresenta um aumento do dano às membranas e do efeito miotóxico. Os mecanismos de ação desses peptídeos e as suas estruturas foram estudados por dinâmica molecular, dicroísmo circular (DC), microscopia de fluorescência e monocamadas de Langmuir (Mlang). As adsorções dos peptídeos em monocamadas de ácido dimiristoil fosfatídico (DMPA) e dimiristoilfosfatidilcolina (DMPC) se processam por mecanismos diferentes ocasionados pelas diferentes naturezas físico-químicas dos resíduos tirosina e triptofano. A microscopia de fluorescência acoplada a Mlang de DMPA com 3W adsorvido mostra um aumento da fluidez da monocamada, enquanto que o 3Y modifica os domínios do DMPA para pequenas estruturas circulares. Foram realizadas simulações dos peptídeos 3Y e 3W em meio aquoso e nas regiões interfaciais água/n-hexano e água/bicamadas de DMPC. Os resultados confirmam os obtidos por Mlang, demonstrando que os peptídeos interagem diferentemente com as membranas por adotar conformações alternativas definidas previamente. Essas conformações, diferentes das observadas em meio aquoso, dependem da natureza da interface. As estruturas encontradas no final das simulaçoes corroboram o mecanismo proposto por Mlang, assim como as estruturas sugeridas por DC. Isso sugere que a atividade biológica reduzida do peptídeo 3Y ocorre porque os seus dois resíduos Leu se adsorvem na interface sem penetrá-la. Ao contrário de 3W, os resíduos carregados do peptídeo 3Y não estão localizados corretamente para promover uma interação suficientemente atrativa para permitir a sua inserção na membrana celular. / Hydrogen bonds (HB) are highly important in the determination of the structure of the water and proteins. They also play a important role in molecular recognition and in enzyme reaction mechanisms. The determination of protein/water intermolecular and protein intramolecular HB energies provide information with respect to the formation and stabilization of secondary, tertiary and quaternary protein structure. A method that quantifies and qualifies the properties of HB was developed using distance, geometric and energy criteria as applied to data obtained from the atomic trajectories generated by molecular dynamics simulations. The method was tested with a monomer of a catalytically inactive homodimeric phospholipase A2 from Bothrops asper(BaspMT-II) venom. HBs at dimmer interface are essential for maintaining the quaternary structure, and are highly conserved during hinge-like movements of the dimmer. HB formed by tryptophan residue at position 77 controls this movement. These motions can be associated to the membrane damaging action since they facilitate the insertion of the C-terminus into the cellular membrane. Previous studies have shown that synthetic peptide (3Y, coding the amino acids 115-129 of BaspMT-II ) presents bactericidal and cytolitic activities. A peptide variant ( 3W ), in which tyrosine residues were substituted by tryptophan residues, presents an enhanced membrane damaging activity increased miotoxic effect. The mechanism of action of the peptides and their structures were studied by molecular dynamics simulations, circular dichroism (CD), fluorescence microscopy and Langmuir monolayers (Mlang). The adsorption of the peptides on a monolayer composed of dimiristoyl phosphatidic acid (DMPA) and dimiristoylphosphatidyl choline (DMPC) occurs through different processes due to the differences in the physic-chemical nature of the tyrosine and tryptophan residues. Fluorescence microscopy together with Mlang of DMPA with adsorbed 3W indicates an increase of the membrane fluidity while small circular domains are formed with DMPA. Simulations were conducted with the 3Y and 3W peptides in aqueous media, is a water/n-hexane and water/DMPC bilayers. The results confirm the Mlang results, showing that the peptides interact differently with the membranes by adopting alternative previously defined conformations. These two conformations, both of which are different to those observed in water, are dependent of the nature of the interfaces. The final simulated configurations confirm the mechanism proposed by Mlang and the structures proposed by CD. It is suggest that the reduced biological activity of the 3Y peptide is due to the two Leu residues that only adsorb to the cellular membrane without penetrating the bilayer. In contrast to the 3W peptide, no charged residue is correctly located to promote the interaction and insertion of the 3Y peptide into the membrane.

As ligações de hidrogênio (LH), fundamentais na determinação da estrutura da água, proteínas, etc., são muito importantes no reconhecimento molecular e nos mecanismos de reações enzimáticas. A determinação da energia das LHs intramoleculares em proteínas e intermoleculares entre uma proteína e o solvente água, porque fornece informações sobre a estrutura secundária, terciária e quaternária das proteínas. Um método para quantificar e qualificar as LHs foi desenvolvido utilizando critérios de distância, geométricos e energéticos a partir das trajetórias obtidas por simulações de dinâmica molecular. O método foi testado com o monômero de uma fosfolipase A2 homodimérica, sem atividade catalítica, isolada do veneno da Bothrops asper(BaspMT-II). No dímero, a análise das LHs mostrou que elas são também essenciais na manutenção da estrutura quaternária. Essa análise permitiu identificar movimentos do tipo dobradiça acompanhados da formação transitória, na interface dimérica, de LHs controladas pelo triptofano na posição 77. Esses movimentos podem estar associados à ação danosa às membranas, uma vez que podem promover a inserção da região C-terminal na membrana. Estudos prévios mostraram que o peptídeo sintético (3Y codificado pelos aminoácidos 115-129 da BaspMT-II) apresenta atividade bactericida e citolítica. Um outro peptídeo (3W), mutante de 3Y, no qual três resíduos tirosina são substituidos por triptofano, apresenta um aumento do dano às membranas e do efeito miotóxico. Os mecanismos de ação desses peptídeos e as suas estruturas foram estudados por dinâmica molecular, dicroísmo circular (DC), microscopia de fluorescência e monocamadas de Langmuir (Mlang). As adsorções dos peptídeos em monocamadas de ácido dimiristoil fosfatídico (DMPA) e dimiristoilfosfatidilcolina (DMPC) se processam por mecanismos diferentes ocasionados pelas diferentes naturezas físico-químicas dos resíduos tirosina e triptofano. A microscopia de fluorescência acoplada a Mlang de DMPA com 3W adsorvido mostra um aumento da fluidez da monocamada, enquanto que o 3Y modifica os domínios do DMPA para pequenas estruturas circulares. Foram realizadas simulações dos peptídeos 3Y e 3W em meio aquoso e nas regiões interfaciais água/n-hexano e água/bicamadas de DMPC. Os resultados confirmam os obtidos por Mlang, demonstrando que os peptídeos interagem diferentemente com as membranas por adotar conformações alternativas definidas previamente. Essas conformações, diferentes das observadas em meio aquoso, dependem da natureza da interface. As estruturas encontradas no final das simulaçoes corroboram o mecanismo proposto por Mlang, assim como as estruturas sugeridas por DC. Isso sugere que a atividade biológica reduzida do peptídeo 3Y ocorre porque os seus dois resíduos Leu se adsorvem na interface sem penetrá-la. Ao contrário de 3W, os resíduos carregados do peptídeo 3Y não estão localizados corretamente para promover uma interação suficientemente atrativa para permitir a sua inserção na membrana celular. / Hydrogen bonds (HB) are highly important in the determination of the structure of the water and proteins. They also play a important role in molecular recognition and in enzyme reaction mechanisms. The determination of protein/water intermolecular and protein intramolecular HB energies provide information with respect to the formation and stabilization of secondary, tertiary and quaternary protein structure. A method that quantifies and qualifies the properties of HB was developed using distance, geometric and energy criteria as applied to data obtained from the atomic trajectories generated by molecular dynamics simulations. The method was tested with a monomer of a catalytically inactive homodimeric phospholipase A2 from Bothrops asper(BaspMT-II) venom. HBs at dimmer interface are essential for maintaining the quaternary structure, and are highly conserved during hinge-like movements of the dimmer. HB formed by tryptophan residue at position 77 controls this movement. These motions can be associated to the membrane damaging action since they facilitate the insertion of the C-terminus into the cellular membrane. Previous studies have shown that synthetic peptide (3Y, coding the amino acids 115-129 of BaspMT-II ) presents bactericidal and cytolitic activities. A peptide variant ( 3W ), in which tyrosine residues were substituted by tryptophan residues, presents an enhanced membrane damaging activity increased miotoxic effect. The mechanism of action of the peptides and their structures were studied by molecular dynamics simulations, circular dichroism (CD), fluorescence microscopy and Langmuir monolayers (Mlang). The adsorption of the peptides on a monolayer composed of dimiristoyl phosphatidic acid (DMPA) and dimiristoylphosphatidyl choline (DMPC) occurs through different processes due to the differences in the physic-chemical nature of the tyrosine and tryptophan residues. Fluorescence microscopy together with Mlang of DMPA with adsorbed 3W indicates an increase of the membrane fluidity while small circular domains are formed with DMPA. Simulations were conducted with the 3Y and 3W peptides in aqueous media, is a water/n-hexane and water/DMPC bilayers. The results confirm the Mlang results, showing that the peptides interact differently with the membranes by adopting alternative previously defined conformations. These two conformations, both of which are different to those observed in water, are dependent of the nature of the interfaces. The final simulated configurations confirm the mechanism proposed by Mlang and the structures proposed by CD. It is suggest that the reduced biological activity of the 3Y peptide is due to the two Leu residues that only adsorb to the cellular membrane without penetrating the bilayer. In contrast to the 3W peptide, no charged residue is correctly located to promote the interaction and insertion of the 3Y peptide into the membrane.