Orientador: Augusto Agostinho Neto / Orientador: Elso Drigo Filho / Coorientador: Tereza Pereira de Souza / Banca: Iolanda Midea Cuccovia / Banca: Marcelo Andres Fossey / Resumo: Proteínas e peptídeos são constituídos por subunidades estruturalmente mais imples chamadas aminoácidos. Uma importante propriedade destes é que, dependendo das características do meio (tais como pH e concentração iônica), os seus grupos onizáveis podem ceder prótons e, assim, adquirir carga elétrica não nula. Tal carga nfluenciará na eficiência da formação de ligações peptídicas e em interações proteína- igante, por exemplo. Partindo da hipótese de que a diferença entre os valores de pK dos rupos ionizáveis isolados e destes como partes constituintes de um aminoácido é devida, principalmente, à interação eletrostática adicional que se atribui à presença de rupos vizinhos, elaborou-se um modelo que emprega a forma linearizada da equação de Poisson-Boltzmann para o estudo de propriedades físico-químicas de moléculas com rês grupos ionizáveis. Neste trabalho tal modelo foi aplicado aos aminoácidos: Aspartato, Glutamato, Cisteína, Tirosina, Arginina, Lisina e Histidina. Calcularam-se os valores de pK e as respectivas cargas elétricas médias de tais moléculas. Como os esultados obtidos concordaram com aqueles oriundos de trabalhos experimentais, o modelo teórico foi expandido para tratar de di, tetra, pentapeptídeos e de resíduos de isina e glutamato da proteína Staphylococcal Nuclease. Os valores do Fator de Correlação de Pearson calculados para ambos proteínas e peptídeos são superiores a 0,99, fato este que evidencia a eficiência e versatilidade do modelo ao reproduzir alores de pK reportados por outros autores / Abstract: Proteins and peptides are composed of subunits structurally simpler called amino acids. An important property of these is that, depending on the medium characteristics (such pH and ionic concentration), its ionizable groups may provide protons and thereby acquire a nonzero electric charge. Such charge will affect the formation of peptide bond and protein-ligand interactions, for example. Assuming that the difference between pK values of the isolates ionizable groups and of these as constituents parts of an amino acid is mainly due to the extra electrostatic interaction attributed to the presence of neighboring groups, was developed a structure-based model that employs the linearized form of the Poisson-Boltzmann equation for the study of physicochemical properties of molecules with three ionizable groups. In this work it was applied to the amino acids: aspartate, glutamate, cysteine, tyrosine, arginine, lysine and histidine. The pK values and respective mean electric charges were calculated. As the calculated values agreed with those from experimental studies, the theoretical model has been expanded to the treatment of di, tetra, pentapeptides and Staphylococcal Nuclease residues. The Pearson Correlation Factor calculated for both proteins and peptides are above 0.99, what points to the effectiveness and versatility of the model to reproduce pK values reported by other works / Mestre

Electrostatics interaction plays a very important role in almost all biomolecular systems. The Poisson-Boltzmann equation is widely used to treat this electrostatic effect in an ionic solution. In this work, a simple mixed discrete-continuum model is considered and boundary element method is used to solve for the solution. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-03-22Bitstream added on 2014-06-13T19:49:17Z : No. of bitstreams: 1 bossa_gv_me_sjrp.pdf: 1762827 bytes, checksum: e5ab0758cdec4ff5faee4c416a7cc194 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Proteínas e peptídeos são constituídos por subunidades estruturalmente mais imples chamadas aminoácidos. Uma importante propriedade destes é que, dependendo das características do meio (tais como pH e concentração iônica), os seus grupos onizáveis podem ceder prótons e, assim, adquirir carga elétrica não nula. Tal carga nfluenciará na eficiência da formação de ligações peptídicas e em interações proteína- igante, por exemplo. Partindo da hipótese de que a diferença entre os valores de pK dos rupos ionizáveis isolados e destes como partes constituintes de um aminoácido é devida, principalmente, à interação eletrostática adicional que se atribui à presença de rupos vizinhos, elaborou-se um modelo que emprega a forma linearizada da equação de Poisson-Boltzmann para o estudo de propriedades físico-químicas de moléculas com rês grupos ionizáveis. Neste trabalho tal modelo foi aplicado aos aminoácidos: Aspartato, Glutamato, Cisteína, Tirosina, Arginina, Lisina e Histidina. Calcularam-se os valores de pK e as respectivas cargas elétricas médias de tais moléculas. Como os esultados obtidos concordaram com aqueles oriundos de trabalhos experimentais, o modelo teórico foi expandido para tratar de di, tetra, pentapeptídeos e de resíduos de isina e glutamato da proteína Staphylococcal Nuclease. Os valores do Fator de Correlação de Pearson calculados para ambos proteínas e peptídeos são superiores a 0,99, fato este que evidencia a eficiência e versatilidade do modelo ao reproduzir alores de pK reportados por outros autores / Proteins and peptides are composed of subunits structurally simpler called amino acids. An important property of these is that, depending on the medium characteristics (such pH and ionic concentration), its ionizable groups may provide protons and thereby acquire a nonzero electric charge. Such charge will affect the formation of peptide bond and protein-ligand interactions, for example. Assuming that the difference between pK values of the isolates ionizable groups and of these as constituents parts of an amino acid is mainly due to the extra electrostatic interaction attributed to the presence of neighboring groups, was developed a structure-based model that employs the linearized form of the Poisson-Boltzmann equation for the study of physicochemical properties of molecules with three ionizable groups. In this work it was applied to the amino acids: aspartate, glutamate, cysteine, tyrosine, arginine, lysine and histidine. The pK values and respective mean electric charges were calculated. As the calculated values agreed with those from experimental studies, the theoretical model has been expanded to the treatment of di, tetra, pentapeptides and Staphylococcal Nuclease residues. The Pearson Correlation Factor calculated for both proteins and peptides are above 0.99, what points to the effectiveness and versatility of the model to reproduce pK values reported by other works

In this study, we consider electrostatics contributed from the molecules in the ionic solution. It plays a significant role in determining the binding affinity of molecules and drugs. We develop the overall framework of computing electrostatic properties for three-dimensional molecular structures, including potential, energy, and forces. These properties are derived from Poisson-Boltzmann equation, a partial differential equation that describes the electrostatic behavior of molecules in ionic solutions. In order to compute these properties, we derived new boundary integral equations and designed a boundary element algorithm based on the linear time fast multipole method for solving the linearized Poisson-Boltzmann equation. Meanwhile, a higher-order parametric formulation called algebraic spline model is used for accurate approximation of the unknown solution of the linearized Poisson-Boltzmann equation. Based on algebraic spline model, we represent the normal derivative of electrostatic potential by surrounding electrostatic potential. This representation guarantees the consistent relation between electrostatic potential and its normal derivative. In addition, accurate numerical solution and fast computation for electrostatic energy and forces are also discussed. In addition, we described our hierarchical modeling and parameter optimization of molecular structures. Based on this technique, we can control the scalability of molecular models for electrostatic computation. The numerical test and experimental results show that the proposed techniques offer an efficient and accurate solution for solving the electrostatic problem of molecules. / text

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, a partição iônica e o potencial de membrana em um eritrócito são analisados via equação de Poisson-Boltzmann modificada, considerando as interações não eletrostáticas presentes entre os íons e macromoléculas, assim como, o potencial β. Este potencial é atribuído à diferença de potencial químico de referência entre os meios intracelular e extracelular e ao transporte ativo de íons. O potencial de Gibbs-Donnan via equação de Poisson-Boltzmann na presença de carga fixa em um sistema contendo uma membrana semipermeável também é estudado. O método de aproximação paraboloide em elementos finitos em um sistema estacionário e unidimensionalé aplicado para resolver a equação de Poisson-Boltzmann em coordenadas cartesianas e esféricas. O parâmetro de dispersão relativo às interações não eletrostáticas écalculado via teoria de Lifshitz. Os resultados em relação ao potencial de Gibbs-Donnan mostram-se adequados, podendo ser calculado pela equação de Poisson-Boltzmann. No sistema contendo um eritrócito, quando o potencial β é considerado igual a zero, não se verifica a diferença iônica observada experimentalmente entre os meios intracelular e extracelular. Dessa forma, os potenciais não eletrostáticos calculados via teoria de Lifshitz têm apenas uma pequena influência no que se refere à alta concentração de íon K+ no meio intracelular em relação ao íon Na+ / In this work, the ionic partition and the membrane potential in an erythrocyte are analyzed by modified Poisson-Boltzmann equation, considering non-electrostatic interactions between ions and macromolecules as well as the β potential. This potential is attributed to the difference in chemical potential reference states between intracellular and extracellular environment and the active transport of ions. The Gibbs-Donnan potential is also studied usingthe Poisson-Boltzmann equation with fixed chargeon a system containing a semipermeable membrane. The second order spline finite elements methodin a steady one-dimensional system is applied to solve the Poisson-Boltzmann equation in Cartesian and spherical coordinates.The dispersion parameter of the non-electrostatic interactions is calculated by Lifshitztheory. The results regarding the Gibbs-Donnan potential are adequate and can be calculated by the Poisson-Boltzmann equation. In a system containing an erythrocyte, when the β potential is considered equal to zero, it doesnt check the ionic difference observed experimentally between the intracellular and extracellular environment. Thus, non-electrostatic interactions calculated by Lifshitz theory have only a small influence in the high K+level inside cells while keeping Na+ outside

Cette thèse présente deux sujets de recherche indépendants concernant l'application de méthodes stochastiques à des problèmes issus de la dynamique moléculaire. Dans la première partie, nous présentons des travaux liés à l'interprétation probabiliste de l'équation de Poisson-Boltzmann qui intervient dans la description du potentiel électrostatique d'un système moléculaire. Après avoir introduit l'équation de Poisson-Boltzmann et les principaux outils mathématiques utilisés, nous nous intéressons à l'équation linéaire parabolique de Poisson-Boltzmann. Avant d’énoncer le résultat principal de la thèse, nous étendons des résultats d'existence et unicité des équations différentielles stochastiques rétrogrades. Nous donnons ensuite une interprétation probabiliste de l'équation non-linéaire de Poisson-Boltzmann sous la forme de la solution d'une équation différentielle stochastique rétrograde. Enfin, dans une seconde partie prospective, nous commençons l'étude d'une méthode proposée par Paul Malliavin de détection des variables lentes et rapides d'une dynamique moléculaire. / This thesis presents two independent research topics. Both are related to the application of stochastic problems to molecular dynamics. In the first part, we present a work related to the probabilistic interpretation of the Poisson-Boltzmann equation. This equation describes the electrostatic potential of a molecular system. After an introduction to the Poisson-Boltzmann equation, we focus on the parabolic and linear equation. After extending an existence and uniqueness result for backward stochastic differential equations, we establish a probabilistic interpretation of the nonlinear Poisson-Boltzmann equation with backward stochastic differential equations. Finally, in a more prospective second part, we initiate a study of a slow and fast variables detection method due to Paul Malliavin.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-09-21Bitstream added on 2014-06-13T18:06:56Z : No. of bitstreams: 1 pazianotto_raa_me_sjrp.pdf: 946780 bytes, checksum: d9dd8103ed5cc8d44a4385ab65ab3dfa (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / No presente trabalho, foram avaliados modelos teóricos para a descrição da autodissociação de poliácido fraco, e para a formação de complexos entre polieletrólitos de cargas opostas. Os modelos descritos utilizam simetria cilíndrica e o modelo celular para representar a solução polieletrolítica. A equação de Poisson-Boltzmann, com condições de contorno que levam em conta a regulação carga-potencial, é utilizada nos modelos teóricos para descrever as interações eletrostáticas. Para auto-dissociação de poliácidos fracos, foram obtidos valores teóricos de pH, calculados em função da concentração de polímeros e de sal, os quais estão em boa concordância com resultados experimentais da diluição do ácido poligalacturônico e alginato. Na formação de complexos, a energia livre eletrostática e energia livre de mistura de Flory-Huggins foram combinadas para obter diagramas de estabilidade teóricos, em diferentes condições, para analisar alguns parâmetros críticos. Estes diagramas apresentam boa concordância quando comparados com resultados experimentais da complexação entre: goma arábica e gelatina, alginato e quitosana, DNA e quitosana, poli-L-lisina e sulfato de condroitina. / In the present work, theoretical models for the weak polyacid self-dissociation and polyelectrolyte complexation were evaluated. The models described use cylindrical symmetry and the polyelectrolyte solution is represented by the cell model. The Poisson-Boltzmann equation with boundary conditions which take into account the charge-potential regulation were used to describe the electrostatic interactions. For weak polyacid self-dissociation, theoretical values of pH, calculated as a function of polymer and salt concentrations, were obtained, and are in good agreement with experimental data of dilution of polygalacturonic acid and alginate. In the complex formation the electrostatic and the Flory- Huggins mixture free energies were combined to obtain stability diagrams in different conditions in order to analyze some critical parameters. The theoretical diagrams have shown good agreement when compared with experimental data for the complexation of: arabic gum/gelatin, alginate/chitosan, DNA/chitosan, poly-L-lysine/chondroitin sulfate.

Orientador: João Ruggiero Neto / Banca: Sergio Paulo Campana Filho / Banca: Márcio José Tiera / Resumo: No presente trabalho, foram avaliados modelos teóricos para a descrição da autodissociação de poliácido fraco, e para a formação de complexos entre polieletrólitos de cargas opostas. Os modelos descritos utilizam simetria cilíndrica e o modelo celular para representar a solução polieletrolítica. A equação de Poisson-Boltzmann, com condições de contorno que levam em conta a regulação carga-potencial, é utilizada nos modelos teóricos para descrever as interações eletrostáticas. Para auto-dissociação de poliácidos fracos, foram obtidos valores teóricos de pH, calculados em função da concentração de polímeros e de sal, os quais estão em boa concordância com resultados experimentais da diluição do ácido poligalacturônico e alginato. Na formação de complexos, a energia livre eletrostática e energia livre de mistura de Flory-Huggins foram combinadas para obter diagramas de estabilidade teóricos, em diferentes condições, para analisar alguns parâmetros críticos. Estes diagramas apresentam boa concordância quando comparados com resultados experimentais da complexação entre: goma arábica e gelatina, alginato e quitosana, DNA e quitosana, poli-L-lisina e sulfato de condroitina. / Abstract: In the present work, theoretical models for the weak polyacid self-dissociation and polyelectrolyte complexation were evaluated. The models described use cylindrical symmetry and the polyelectrolyte solution is represented by the cell model. The Poisson-Boltzmann equation with boundary conditions which take into account the charge-potential regulation were used to describe the electrostatic interactions. For weak polyacid self-dissociation, theoretical values of pH, calculated as a function of polymer and salt concentrations, were obtained, and are in good agreement with experimental data of dilution of polygalacturonic acid and alginate. In the complex formation the electrostatic and the Flory- Huggins mixture free energies were combined to obtain stability diagrams in different conditions in order to analyze some critical parameters. The theoretical diagrams have shown good agreement when compared with experimental data for the complexation of: arabic gum/gelatin, alginate/chitosan, DNA/chitosan, poly-L-lysine/chondroitin sulfate. / Mestre

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, a partição iônica e o potencial de membrana em um eritrócito são analisados via equação de Poisson-Boltzmann modificada, considerando as interações não eletrostáticas presentes entre os íons e macromoléculas, assim como, o potencial β. Este potencial é atribuído à diferença de potencial químico de referência entre os meios intracelular e extracelular e ao transporte ativo de íons. O potencial de Gibbs-Donnan via equação de Poisson-Boltzmann na presença de carga fixa em um sistema contendo uma membrana semipermeável também é estudado. O método de aproximação paraboloide em elementos finitos em um sistema estacionário e unidimensionalé aplicado para resolver a equação de Poisson-Boltzmann em coordenadas cartesianas e esféricas. O parâmetro de dispersão relativo às interações não eletrostáticas écalculado via teoria de Lifshitz. Os resultados em relação ao potencial de Gibbs-Donnan mostram-se adequados, podendo ser calculado pela equação de Poisson-Boltzmann. No sistema contendo um eritrócito, quando o potencial β é considerado igual a zero, não se verifica a diferença iônica observada experimentalmente entre os meios intracelular e extracelular. Dessa forma, os potenciais não eletrostáticos calculados via teoria de Lifshitz têm apenas uma pequena influência no que se refere à alta concentração de íon K+ no meio intracelular em relação ao íon Na+ / In this work, the ionic partition and the membrane potential in an erythrocyte are analyzed by modified Poisson-Boltzmann equation, considering non-electrostatic interactions between ions and macromolecules as well as the β potential. This potential is attributed to the difference in chemical potential reference states between intracellular and extracellular environment and the active transport of ions. The Gibbs-Donnan potential is also studied usingthe Poisson-Boltzmann equation with fixed chargeon a system containing a semipermeable membrane. The second order spline finite elements methodin a steady one-dimensional system is applied to solve the Poisson-Boltzmann equation in Cartesian and spherical coordinates.The dispersion parameter of the non-electrostatic interactions is calculated by Lifshitztheory. The results regarding the Gibbs-Donnan potential are adequate and can be calculated by the Poisson-Boltzmann equation. In a system containing an erythrocyte, when the β potential is considered equal to zero, it doesnt check the ionic difference observed experimentally between the intracellular and extracellular environment. Thus, non-electrostatic interactions calculated by Lifshitz theory have only a small influence in the high K+level inside cells while keeping Na+ outside

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