Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao final.pdf: 1262049 bytes, checksum: 07f1ebc0954cc7f649c905b7d60adcf7 (MD5) Previous issue date: 2008-08-25 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / The understanding of receptor-ligand molecular recognition is one of the central aspects in structure-based design and discovery of new drugs. The key methodology is the docking of small molecules in active sites of proteins. There are two aims in any program of molecular docking: the search for the best ligand-protein conformation and the calculation of the free energy of this association, or its affinity constant. The test set used in this work was composed by 50 protein- ligand complexes, with experimentally measured Ki or Kd values for the construction of an empirical function specific to the DOCKTHOR program, using as input variables: energy of electrostatic interaction and Lennard-Jones, contact area of ligand-receptor on the surface accessible to the solvent, the presence of hydrogen bridges, and the number of the ligand rotatable bonds that were frozen in the process of docking. These variables were used for the construction of two types of free energy scoring functions. The importance of each variable used as input data for the construction of those functions was rated by means of multiple regression. A neural network was x also used to try to build the best model for the calculation of the affinity constant. The DOCKTHOR program currently has a prediction power leading to r = 0.4245, which indicates the importance of improving its scoring. The function built with the multiple regression methodology used 5 input variables and had linear, quadratic, and cross-product terms leading to r = 0.7542. Using the methodology of group cross-validation (VCG), it was concluded that the best architecture for the neural network consists of 9 neurons in the hidden layer, as it has the smallest error of generalization and greater consistency in errors. In the tests with this neural network architecture built using the same 50 protein-ligand complexes in training and test, 66% of the complexes had a difference smaller than 1.0 in the observed values. The generalization error (obtained by VCG) of a neural network that uses 9 neurons in the hidden layer was about ten times lower than that obtained by using a polynomial function. This is an indication of the superiority of the neural network methodology with respect to the multivariate regression methodology, specially for an empirical function developed for a broad range of receptor-ligand complexes. / A compreensão dos mecanismos de reconhecimento molecular receptor-ligante é um dos aspectos centrais na descoberta e planejamento de novos fármacos baseado em estrutura. Uma metodologia chave é o atracamento de pequenas moléculas em sítios de ligação de proteínas, o atracamento molecular (em inglês, "molecular docking"). Existem dois pontos chaves em qualquer programa de atracamento: a busca da "melhor" conformação ligante-proteína e o cálculo da energia livre desta associação, ou sua constante de afinidade. Foi construído neste trabalho um conjunto-teste formado por 50 complexos proteína-ligante, com valores de K i ou K d determinados experimentalmente, para a construção de uma função empírica específica para o programa DOCKTHOR, utilizando como variáveis de entrada valores de energias de interação eletrostática e de Lennard-Jones, área de contato ligante-receptor da superfície acessível ao solvente, presença de ligações hidrogênio, e o número de ligações torcionáveis do ligante. Estes variáveis foram utilizados para a construção de dois tipos de funções de cálculo de energia livre. Através de regressão múltipla, foi avaliada a importância de cada uma das variáveis utilizadas como dados de entrada na construção desta função. Utilizando uma rede neural, buscou-se construir o melhor modelo para o cálculo de constantes de afinidade. O programa DOCKTHOR atualmente tem poder de predição correspondente a r = viii 0,4245, o que mostra a importância de se melhorar sua função de avaliação. A função construída com a metodologia de regressão múltipla que obteve melhor resultado foi a que utilizou as 5 variáveis de entrada apresentando termos lineares, cruzados e quadráticos, com r igual a 0,7542. Funções empíricas construídas por redes neurais também foram avaliadas neste trabalho. Utilizando a metodologia de validação cruzada de grupo (VCG) chegou-se à conclusão que a melhor arquitetura para a rede neural é constituída por 9 neurônios na camada oculta, pois possui o menor erro de generalização e a maior homogeneidade nos erros. No teste com esta arquitetura de rede neural, com a função construída utilizando os 50 complexos proteína- ligante no treinamento e os mesmos, no teste, observamos que 66% dos complexos tiveram uma diferença menor que 1,0 dos valores observados em relação aos esperados. O erro de generalização, obtido por VCG, de uma rede neural utilizando 9 neurônios na camada oculta foi cerca de dez vezes menor ao obtido utilizando uma função polinomial. Isto é um indicativo da superioridade da metodologia de rede neural, com relação a metodologia de regressão multivariada, principalmente em uma função empírica desenvolvida para estimar afinidades relativas à uma ampla gama de complexos receptor-ligante.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseFlavia.pdf: 12428230 bytes, checksum: 6fb8e9ea53da0aa51093c702fb32bc4a (MD5) Previous issue date: 2009-06-06 / Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior / As the genome sequencing advances, the comprehension of protein structures becomes a crucial extension to these progresses. In spite of the numerous recent technological advances, experimental determination of protein terciary structures is still very slow compared to the accumulated data from amino acid sequences. That is what makes the protein folding a central problem to the development of the pots-genomic era. In this work we use an optimization method, the Generalized Simulated Annealing (GSA), which is based on Tsallis' generalized thermostatistics, to investigate the protein folding problem. Although GSA is a generic procedure, its efficiency depends not only on the appropriate choice of parameters, but also on topological characteristics of the energy hypersurface. By mapping all the GSA parameters, it can be possible to reduce the number of possible choices of them. That also allows an analysis of its effects on the algorithm behavior. As a initial step, we apply GSA to known structures, such as polyalanines. In sequence, we also apply GSA to three more peptides of ribosomal P proteins, which are of considerable importance on the comprehension of Chagas' heart disease. Each one contains 13 amino acids and differ only on the third residue by a non-conservative mutation. As these peptides do not have experimentally resolved structure, we analyze results obtained from GSA followed by Molecular Dynamics simulations. Validity of these results is studied such that, in the future, unknown structures can be determined by this technique with a higher degree of confidence. / Com os rápidos avanços no seqüenciamento do genoma, a compreensão da estrutura de proteínas torna-se uma extensão crucial a esses progressos. Apesar dos significativos avanços tecnológicos recentes, a determinação experimental da estrutura terciária de proteínas ainda é muito lenta se comparada com a taxa de acúmulo de dados das seqüências de aminoácidos. Isto torna o enovelamento de proteínas um problema central para o desenvolvimento da biologia pós-genômica. Em nosso trabalho, fazemos uso de um método de otimização, o Generalized Simulated Annealing (GSA), baseado na termoestatística generalizada por Tsallis. Embora o GSA seja um procedimento geral, sua eficiência depende não apenas da escolha apropriada de parâmetros, mas também das características topológicas da hiper--superfície de energia da função custo. Com o mapeamento dos parâmetros necessários à aplicação do GSA, pode-se reduzir significativamente o número de escolhas, além de tornar possível uma análise do efeito dos parâmetros no comportamento do algoritmo. Como passo inicial, usamos estruturas conhecidas, com as quais os resultados obtidos com o GSA possam ser comparados, como é o caso das polialaninas. Além disso, aplicamos, o GSA a três peptídeos de proteínas ribossomais da família P, de considerável importância no estudo da doença de Chagas. Cada um possui 13 aminoácidos, diferindo em apenas uma mutação não conservativa no terceiro aminoácido. Como os peptídeos não possuem estrutura experimentalmente resolvida, analisamos os resultados obtidos com GSA seguidos por simulações de Dinâmica Molecular. A validade destes resultados é estudada, de forma que, no futuro, estruturas desconhecidas possam ser determinadas com certo grau de confiabilidade.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-04-28Bitstream added on 2014-06-13T18:41:06Z : No. of bitstreams: 1 oliveira_lc_dr_sjrp.pdf: 1552331 bytes, checksum: ff9be69b536d540081c28a83bf038868 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A topologia do estado nativo de uma proteína desempenha um papel crucial no processo de enovelamento. Neste trabalho uma nova aproximação utilizando aspectos topol ogicos para investigar a evolução protéica e apresentada. O modelo utiliza uma rede c ubica 3 3 3 de 27 monômeros e um mapa de conexões entre diferentes conformações em espa co de fase estrutural e de sequência. Desenhamos a melhor sequência não frustrada para cada uma das 103346 conformações maximamente compactas usando um algorítimo que maximiza o número de tipos de monômeros na sequência. Isto significa que cada sequência não pode possuir contatos desfavor aveis. O n umero m aximo de tipos de monômeros e 5. A sequência-conformação e considerada \protein-like se ela tem uma unica conformação de mais baixa energia, alem de acessibilidade e robustez. De todas as conformações maximamente compactas, somente 4; 75% geraram sequências \protein-like', o qual são o alvo neste estudo. Com esses dados realizamos simulações de Monte Carlo (MC) no qual examinamos as melhores sequêencias estruturas baseando-se no ZScore. A simulação e iniciada com uma sequência aleatória no qual e testada em todas as conformações, seguindo as regras estipuladas por MC. Se o ZScore aumenta, assumimos que a nova conformação e mais estável que a anterior. Esse processo e repetido até que as sequências otimamente desenhadas (com mais alto ZScore) são alcançadas. Mantendo as trajetórias originadas via MC, um mapa de conectividade sequências-estruturas e obtido. Os resultados mostram trajetórias conectadas com estruturas com baixos valores de ZScore. O aumento do ZScore ao longo da simulação conduz a um pequeno grupo de conformações preferenciais. O modelo sugere um funil de estruturas para a evolução de proteínas no qual as estruturas do fundo estão associadas com o ii \motif de uma proteína... / The topology of a protein native state plays a crucial role in the folding process. In this work a new approach using topological aspects to investigate the protein evolutions is presented. The model uses the 27-mer in a cubic lattice of 3 3 3, and a conection map between di erent conformations is found in the sequence and structural phase space. We designed the best unfrustrated sequence for each of the 103346 maximally compact conformation, using an algorithm that maximizes the number for monomers types in the sequence. This means that each sequence cannot have unfavorable contacts. The maximum number of types of monomer is 5. The sequence-conformation is considered protein-like if it has a unique lowest energy conformation, accessible and robust . Out of all maximally compact conformations, only 4,75% generated protein-like sequence, with are targeted in this study. With this data we performed a Monte Carlo simulations in which we probe for better sequence-structure based on Zscore. The simulation start which a random sequence and it is tested all conformations, nding its conformations according to the Monte Carlo rules. If the Zscore increases, we assume that the new conformation is more stable than the previous. This process is repeated until the optimally designed sequence (with the highest Zscore) is reached. Keeping track of all the Monte Carlo trajectories, a map of conectivity of sequence-structures is obtained. The results shows trajectories connected with structures of low Zscore values. The increase of Zscore along of the simulation leads to a small group of preferred conformations. The model suggest a funnel like structure for folding evolution, in which the structures at the bottom of the funnel are associated with the motif of a protein. This result can be a possible iv explanation for the restricted number of conformations compared to the large number of sequences... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-03-02Bitstream added on 2014-06-13T20:40:48Z : No. of bitstreams: 1 dias_mvb_dr_sjrp.pdf: 1876290 bytes, checksum: 23b7eed3a1969047a218e84730531e7a (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A tuberculose representa hoje um dos principais problemas de saúde pública mundial. É estimado que cerca de cem milhões de pessoas sejam infectadas anualmente. Para este grande número de casos, dois fatores têm contribuído significativamente, a resistência da Mycobacterium tuberculosis aos antibióticos existentes e o aumento de casos de co-infecção com HIV. Por isso, é importante o desenvolvimento de novas drogas contra o seu agente causador. Há duas abordagens principais para o desenvolvimento de drogas. Primeiramente pode-se identificar e inibir proteínas que estejam presentes em uma determinada classe de microorganismos, mas não sejam conservadas em humanos, levando a antibióticos de largo espectro, ou ainda pode-se identificar e inibir proteínas de um determinado microorganismo, levando a drogas específicas. Exemplos da primeira abordagem são as enzimas da via do ácido chiquímico e suas ramificações, como a via de síntese de triptofano. A via do ácido chiquímico é responsável pela biossíntese de corismato, que é o precursor comum utilizado na geração de vários compostos aromáticos importantes para sobrevivência da bactéria, entre eles os aminoácidos e co-enzimas; e exemplos da segunda abordagem são enzimas relacionadas com a síntese de ácidos micólicos, que são importantes constituintes da parede celular de micobactérias. O objetivo do presente trabalho foi realizar estudos estruturais de quatro proteínas que são alvos em potencial para o desenvolvimento de drogas contra tuberculose, sendo elas: a Chiquimato quinase e Corisamto sintase, ambas da via do ácido chiquímico; Triptofano sintase, última enzima da via de síntese de triptofano; e a enzima dependente de NADH enoil ACP redutase (InhA), relacionada com a síntese de ácidos micólicos... / Tuberculosis represents today a large problem of world public health. It is estimated that approximately a hundred million people are infected annually. For this large number of cases, two factors have contributed significantly, the resistance of Mycobacterium tuberculosis to existent antibiotics and the increase of the cases of the co-infection with HIV. Therefore, the development of new drugs against its etiologic agent is important. There are two main approaches for the development of drugs. Firstly, proteins of a determined class of microorganism, that are not present in humans, can be identified and inhibited leading to large-spectra antibiotics; or it can identify and inhibit proteins of a determined organism leading to specific drugs. Examples of the first approach are enzymes of the shikimate pathway and its branches, such as the tryptophan synthesis pathway. The shikimate pathway is responsible for biosynthesis of chorismate, it is a common precursor utilized in the production of various important aromatic compounds used in the survival of the bacteria, such as amino acids and coenzymes; an example of the second approach are enzymes related to the synthesis of mycolic acids, they are important constituents of the cellular wall of mycobacteria. The objective of the present work was to perform structural studies of four enzymes that are potential targets to the development of drugs against tuberculosis, such as: shikimate kinase and chorismate synthase, both of the shikimate pathway; tryptophan synthase, last enzyme of the trytophan pathway; and the dependent of NADH enzyme enoyl ACP reductase (InhA) related to the synthesis of mycolic acids. Here, the shikimate kinase structures from M. tuberculosis in complex with ADP and magnesium ion, in the absence of shikimate and the shikimate kinase in complex with ADP and shikimate, in the absence of the magnesium ion, are presented...(Complete abstract click eletronic access below)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-12Bitstream added on 2014-06-13T19:00:58Z : No. of bitstreams: 1 murakami_mt_dr_sjrp.pdf: 4603266 bytes, checksum: 354af33ced476bc60fd37bac536c3729 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / This work presents some features of essential biological processes such as the haemostatic system, integrity of biological membranes and thermostability of proteins. Crystallographic, spectroscopic and in silico tools have been used to obtain information at the molecular level of macromolecular complexes, action mechanisms and inhibition pathways. Worms, snakes, ticks, leeches and spiders produce a variety of proteins, which interfere in the regulation of these systems. Different toxins isolated from these organisms were characterized providing necessary information for the development of a new anti-myonecrotic molecule and reveal a new factor Xa exosite that is important for macromolecular substrates recognition and inhibition. The first crystal structure of a member of the sphingomyelinases D family was determined by the quick cryo-soaking technique and the catalytic mechanism was proposed, which involves a magnesium-binding site and two catalytic histidines. An alternative activation of the protein C pathway that does not require thrombomodulin was structurally characterized and revealed the dual role of the elestrotatic surface charge around the active site and the three strategically positioned carbohydrate moieties in the approach, recognition and activation of protein C.

Orientador: Raghuvir Krishnaswamy Arni / Banca: Antônio Carlos Martins Camargo / Banca: Nilson Ivo Tonin Zanchin / Banca: Beatriz Gómez Guimarães / Banca: Roberto da Silva / Abstract: This work presents some features of essential biological processes such as the haemostatic system, integrity of biological membranes and thermostability of proteins. Crystallographic, spectroscopic and in silico tools have been used to obtain information at the molecular level of macromolecular complexes, action mechanisms and inhibition pathways. Worms, snakes, ticks, leeches and spiders produce a variety of proteins, which interfere in the regulation of these systems. Different toxins isolated from these organisms were characterized providing necessary information for the development of a new anti-myonecrotic molecule and reveal a new factor Xa exosite that is important for macromolecular substrates recognition and inhibition. The first crystal structure of a member of the sphingomyelinases D family was determined by the "quick cryo-soaking" technique and the catalytic mechanism was proposed, which involves a magnesium-binding site and two catalytic histidines. An alternative activation of the protein C pathway that does not require thrombomodulin was structurally characterized and revealed the dual role of the elestrotatic surface charge around the active site and the three strategically positioned carbohydrate moieties in the approach, recognition and activation of protein C. / Doutor

Resumo: Angiotensina II, um peptídeo hipertensivo, e bradicinina, um peptídeo hipotensivo, são fatores humorais cruciais para a regulação da pressão sanguínea. A enzima chave desse sistema é a enzima conversora de angiotensina que produz angiotensina II a partir de angiotensina I e degrada bradicinina. A descoberta dos primeiros inibidores naturais dessa enzima, os peptídeos potenciadores de bradicinina (BPPs), tornou possível o desenvolvimento dos primeiros medicamentos utilizados no controle da pressão arterial humana. Caracteristicamente, os BPPs contêm de 5 a 13 resíduos de aminoácidos apresentando um resíduo de piroglutâmico no N-terminal e um resíduo de prolina no Cterminal. O precursor de BPPs encontrado na glândula de veneno de Bothrops jararaca contém 256 resíduos de aminoácidos e codifica para sete BPPs alinhados em tandem seguidos pelo peptídeo natriurético tipo-C. Até o momento, não se conhecem os mecanismos envolvidos para a liberação desses peptídeos da proteína precursora. Dessa forma, a resolução da estrutura dessa proteína pode contribuir para a elucidação do mecanismo evolvido no processamento do precursor para a liberação dos BPPs. Duas construções da proteína precursora de BPPs (domínio BPP e domínios BPP+CNP) da glândula de veneno de B. jararaca foram expressas, purificadas e suas identidades confirmadas por experimentos de western blotting. A pureza das amostras foi avaliada por SDS-PAGE e a presença de enovelamento após expressão heteróloga foi observada por experimentos de dicroísmo circular e fluorescência. Os ensaios de cristalização não foram promissores. Isso pode ser explicado pela baixa concentração da proteína usada no experimento. Assim, devido ao baixo nível de expressão de ambas as proteínas, métodos para maximização da expressão foram empregados resultando em significante...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Angiotensin II, a hypertensive peptide, and bradykinin, a hipotensive peptide, are crucial humoral factors for the regulation of blood pressure. The key enzyme for this system is the angiotensin-converting enzyme that produces angiotensin II from angiotensin I and degrades bradykinin. The discovery of the first natural inhibitors for this enzyme, the bradykinin potentiating peptides (BPPs), made it possible to develop the early drugs aimed at controlling unbalanced cardiovascular functions. Characteristically, BPPs contain 5 to 13 amino acid residues that have a pyroglutamyl residue at the N-terminus and a praline residue at the C-terminus. The BPP precursor protein contains 256 amino acid residues coding for seven BPPs aligned in tandem followed by the C-type natriuretic peptide. At present, there are no suggested mechanisms for understanding the release of BPPs from the precursor protein. Two constructs of the BPP precursor protein (BPP domain and BPP+CNP domains) from the venom gland of Bothrops jararaca were over-expressed, purified and the identity of both recombinant proteins confirmed by western blotting experiments. The purity of the samples was assessed by SDS-PAGE and the protein fold after expression was observed by circular dichroism and fluorescence experiments. Crystallization assays were not successful, probably due to the low protein concentration used for the experiment. Considering the low expression level observed for both recombinant proteins, the experimental methods were optimized to maximize the yield and resulted in high protein amounts in inclusion bodies. Methods were applied aiming at the solubilization of the proteins from the insoluble fraction and protein purification under denaturing conditions was carried out yielding high amounts of pure protein. Until this moment, none of the procedures were successful in producing refolded proteins. Work ...(Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Raghuvir Krishnaswamy Arni / Coorientador: Mirian Akemi Furue Hayashi / Banca: Fátima Pereira de Souza / Banca: Patrick Jack Spencer / Mestre

Resumo: A topologia do estado nativo de uma proteína desempenha um papel crucial no processo de enovelamento. Neste trabalho uma nova aproximação utilizando aspectos topol ogicos para investigar a evolução protéica e apresentada. O modelo utiliza uma rede c ubica 3 3 3 de 27 monômeros e um mapa de conexões entre diferentes conformações em espa co de fase estrutural e de sequência. Desenhamos a melhor sequência não frustrada para cada uma das 103346 conformações maximamente compactas usando um algorítimo que maximiza o número de tipos de monômeros na sequência. Isto significa que cada sequência não pode possuir contatos desfavor aveis. O n umero m aximo de tipos de monômeros e 5. A sequência-conformação e considerada \protein-like" se ela tem uma unica conformação de mais baixa energia, alem de acessibilidade e robustez. De todas as conformações maximamente compactas, somente 4; 75% geraram sequências \protein-like', o qual são o alvo neste estudo. Com esses dados realizamos simulações de Monte Carlo (MC) no qual examinamos as melhores sequêencias estruturas baseando-se no ZScore. A simulação e iniciada com uma sequência aleatória no qual e testada em todas as conformações, seguindo as regras estipuladas por MC. Se o ZScore aumenta, assumimos que a nova conformação e mais estável que a anterior. Esse processo e repetido até que as sequências otimamente desenhadas (com mais alto ZScore) são alcançadas. Mantendo as trajetórias originadas via MC, um mapa de conectividade sequências-estruturas e obtido. Os resultados mostram trajetórias conectadas com estruturas com baixos valores de ZScore. O aumento do ZScore ao longo da simulação conduz a um pequeno grupo de conformações preferenciais. O modelo sugere um funil de estruturas para a evolução de proteínas no qual as estruturas do fundo estão associadas com o ii \motif" de uma proteína... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The topology of a protein native state plays a crucial role in the folding process. In this work a new approach using topological aspects to investigate the protein evolutions is presented. The model uses the 27-mer in a cubic lattice of 3 3 3, and a conection map between di erent conformations is found in the sequence and structural phase space. We designed the best unfrustrated sequence for each of the 103346 maximally compact conformation, using an algorithm that maximizes the number for monomers types in the sequence. This means that each sequence cannot have unfavorable contacts. The maximum number of types of monomer is 5. The sequence-conformation is considered protein-like if it has a unique lowest energy conformation, accessible and robust . Out of all maximally compact conformations, only 4,75% generated protein-like sequence, with are targeted in this study. With this data we performed a Monte Carlo simulations in which we probe for better sequence-structure based on Zscore. The simulation start which a random sequence and it is tested all conformations, nding its conformations according to the Monte Carlo rules. If the Zscore increases, we assume that the new conformation is more stable than the previous. This process is repeated until the optimally designed sequence (with the highest Zscore) is reached. Keeping track of all the Monte Carlo trajectories, a map of conectivity of sequence-structures is obtained. The results shows trajectories connected with structures of low Zscore values. The increase of Zscore along of the simulation leads to a small group of preferred conformations. The model suggest a funnel like structure for folding evolution, in which the structures at the bottom of the funnel are associated with the motif of a protein. This result can be a possible iv explanation for the restricted number of conformations compared to the large number of sequences... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Coorientador: Jorge Chahine / Banca: Alexandre Souto Martinez / Banca: Antonio Caliri / Banca: Antonio Francisco Pereira de Araújo / Banca: José Roberto Ruggiero / Doutor

Lisozimas são enzimas que fazem parte do mecanismo de defesa contra bactérias, no entanto lisozimas com função digestiva também são encontradas no trato digestivo de vertebrados e no intestino médio de insetos. As lisozimas digestivas de insetos são do tipo c e assim compartilham semelhanças estruturais e mecanísticas com a lisozima da clara de ovo de galinha (HEWL). Entretanto, para desempenhar sua função digestiva, as lisozimas de insetos apresentam algumas propriedades particulares entre as quais se destaca um pH ótimo mais ácido em relação às lisozimas não-digestivas. Para elucidar as bases moleculares dessa diferença no pH ótimo, duas lisozimas digestivas (lisozima 1 AAQ20048 e lisozima 2 AAQ20047) da larva de Musca domestica (mosca Diptera Cyclorrhapha), clonadas em Pichia pastoris e purificadas, foram caracterizadas estruturalmente e cineticamente com o substrato sintético (MUQ3) e natural (cápsulas de Micrococcus lysodeikticus). Foi observado que o efeito do pH na atividade das lisozimas 1 e 2 sobre o MUQ3 é uma curva com formato de sino e pH ótimo mais ácido que o da HEWL. Essas curvas foram reflexos da diminuição simultânea dos valores de pKas do nucleófilo e do doador de prótons. Estruturas cristalográficas das lisozimas digestivas de Musca domestica foram obtidas a 1,9 Å e análise comparativa com a estrutura terciária da HEWL revelou resíduos de aminoácidos no ambiente do nucleófilo (N46) e do doador de prótons (S106 e T107) que podem estar envolvidos na modulação das constantes de ionização dos resíduos essenciais à catálise. Esses resíduos foram substituídos via mutagênese sítio-dirigida por D, V e A respectivamente e três mutantes simples (N46D, S106V e T107A) e um triplo (N46DS106V- T107A) foram produzidos e purificados. Caracterização revelou que as contribuições individuais da N46, S106 e T107 foram pequenas e próximas do limite de detecção da técnica utilizada. Por outro lado, o conjunto dos 3 aminoácidos foi responsável pelo pH ótimo ácido frente ao substrato sintético, elevando os valores de pKas do nucleófilo e doador de prótons para valores muito semelhantes ao da HEWL. Diferentemente, essa tripla mutação não foi suficiente para elevar o pH ótimo da lisozima 2 sobre cápsulas de Micrococcus lysodeikticus para valores próximos àqueles de HEWL, sugerindo que as bases moleculares do pH ótimo frente ao substrato natural e sintético são diferentes. Uma comparação estrutural entre lisozima 1 e HEWL sugere que os resíduos de aminoácidos carregados na superfície dessas lisozimas sejam importantes para determinação do pH ótimo. A investigação dessa hipótese foi feita substituindo 5 aminoácidos neutros e 1 ácido, via mutagênese sítio-dirigida, por resíduos básicos. A caracterização do mutante sêxtuplo revelou um aumento significativo nos valores de pH ótimo da lisozima 1, indicando que a redução da basicidade da superfície das lisozimas digestivas é determinante para seus pHs ótimos ácidos. / Lysozymes are enzymes that are part of the defence mechanism against bacteria, however lysozymes with digestive function are also found in the digestive tract of vertebrates and in the insect midgut. The digestive lysozymes from insects are c type, so they share similar structural and mechanistic characteristics with hen egg-white lysozyme (HEWL). However, to perform their digestive function, insect lysozymes present some particular properties among them a more acidic pH optimum than that of non-digestive lysozymes. To elucidate the molecular basis of this pH optimum difference, two digestive lysozymes (lysozyme 1 AAQ20048 and lysozyme 2 AAQ20047) from Musca domestica larvae (housefly Diptera Cyclorrhapha), cloned in Pichia pastoris and purified, were structurally and kinecticly characterized with synthetic (MUQ3) and natural (lyophilized cells of Micrococcus lysodeikticus) substrates. It was observed that the pH effect on the activity of lysozymes 1 and 2 upon MUQ3 is a bell shaped curve exhibiting a more acidic pH optimum than that of HEWL. These curves result from simultaneous decrease of pKas values of the nucleophile and proton donor. Crystallographic structures of these digestive lysozymes from Musca domestica were obtained at 1.9 Å and comparative analysis with the terciary structure of HEWL revealed amino acid residues in the catalytic nucleophile (N46) and proton donor environment (S106 and T107) that may be involved in the modulation of ionization constants of those catalytic residues. N46, S106, and T107 were replaced via site-directed mutagenesis by D, V and A respectively and three simple (N46D, S106V and T107A) and one triple (N46D-S106V-T107A) mutants were produced and purified. Their characterization revealed that the individual contributions of N46, S106 and T107 were small and close to the detection borderline of the technique utilized. On the other hand, a set of these 3 amino acids was responsible by acidic pH optimum upon synthetic substrate, increasing the pKas values of nucleophile and proton donor to similar values to that of the HEWL. Differently, this triple mutation was not enough to increase the pH optimum of lysozyme 2 upon lyophilized cells of Micrococcus lysodeikticus to values close to those of HEWL, suggesting that the molecular bases of pH optimum upon natural and synthetic substrates are different. A structural comparison between lysozyme 1 and HEWL suggests that the charged amino acid residues on the surface of these lysozymes are important for pH optimum determination. The investigation of this hypothesis was done replacing 5 neutral and 1 acidic amino acids, via site-directed mutagenesis, by basic residues. The characterization of this mutant revealed a significant increase in the pH optimum values of lysozyme 1, suggesting that the reduction of basicity on the surface of the digestive lysozymes is a important factor in the determination of their acidic pH optimum.

Fundação Araucária / A Predição da Estrutura das Proteínas, conhecida como PSP (Protein Structure Prediction) pode ser considerada um dos problemas mais desafiadores da Bioinformática atualmente. Quando uma proteína está em seu estado de conformação nativa, a energia livre tende para um valor mínimo. Em geral, a predição da conformação de uma proteína por métodos computacionais é feita pela estimativa de dois valores de energia livre que são provenientes das interações intra e intermoleculares entre os átomos. Alguns estudos recentes indicam que estas interações estão em conflito, justificando o uso de abordagens baseadas em otimização multiobjetivo para a solução do PSP. Neste caso, a otimização destas energias é realizada separadamente, diferente da formulação mono-objetivo que considera a soma das energias. A Evolução Diferencial (ED) é uma técnica baseada em Computação Evolucionária e representa uma alternativa interessante para abordar o PSP. Este trabalho busca desenvolver um otimizador baseado no algoritmo de ED para o problema da Predição da Estrutura de Proteínas multiobjetivo. Este trabalho investiga ainda estratégias baseadas em parâmetros adaptativos para a evolução diferencial. Nicialmente avalia-se uma abordagem simples baseada em ED proposta para a solução do PSP. Uma evolução deste método que incorpora conceitos do algoritmo MOEA/D e adaptação de parâmetros é testada em um conjunto de problemas benchmark de otimização multiobjetivo. Os resultados preliminares obtidos para o PSP (para seis proteínas reais) são promissores e aqueles obtidos para o conjunto benchmark colocam a abordagem proposta como candidata para otimização multiobjetivo. / Protein Structure Prediction (PSP) can be considered one of the most challenging problems in Bioinformatics nowadays. When a protein is in its conformation state, the free energy is minimized. Evaluation of protein conformation is generally performed based on two values of the estimated free energy, i.e., those provided by intra and intermolecular interactions among atoms. Some recent experimental studies show that these interactions are in conflit, justifying the use of multiobjective optimization approaches to solve PSP. In this case, the energy optimization is performed separately, different from the mono-objective optimization which considers the sum of free energy. Differential Evolution (DE) is a technique based on Evolutionary Computation and represents an interesting alternative to solve multiobjective PSP. In this work, an optimizer based on DE is proposed to solve the PSP problem. Due to the great number of parameters, typical for evolutionary algorithms, this work also investigates adaptive parameters strategies. In experiments, a simple approach based on ED is evaluated for PSP. An evolution for this method, which incorporates concepts of the MOEA/D algorithm and parameter adaptation techniques is tested for a set of benchmarks in the multiobjective optimization context. The preliminary results for PSP (for six real proteins) are promising and those obtained for the benchmark set stands the proposed approach as a candidate to the state-of-art for multiobjective optimization.