A absorção intestinal de fármacos (HIA, na sigla em inglês para human intestinal absorption) é um dos processos farmacocinéticos mais críticos para a ação de medicamentos administrados por via oral. Modelos in vitro baseados em células que mimetizam os enterócitos do intestino humano (células Caco-2), ou aqueles que utilizam membranas articifiais são muito utilizados no estudo da permeabilidade celular de moléculas bioativas. No processo de planejamento de fármacos, estas técnicas são frequentemente empregadas em paralelo com estratégias computacionais na avaliação de propriedades físico-químicas e farmacocinéticas. Nessa tese de doutorado foram desenvolvidos modelos computacionais para a predição da permeabilidade celular de compostos bioativos em células Caco-2 e em membrana artificial paralela (PAMPA, na sigla em inglês para Parallel Artificial Membrane Permeability Assay). Os modelos foram gerados através do método baseado em fragmentos moleculares holograma QSAR (HQSAR). Os indicadores estatísticos obtidos indicam a boa capacidade de correlação dos modelos Caco-2 e PAMPA para os dados utilizados na modelagem e o alto poder de predição destes modelos para a permeabilidade de um conjunto teste de compostos. Adicionalmente, os modelos foram avaliados quanto a sua capacidade preditiva frente a dois conjuntos de validação, constituídos por novas moléculas que foram planejadas e testadas experimentalmente durante o desenvolvimento deste trabalho. Para estes conjuntos, os modelos demonstraram alta capacidade de predição da permebildade tanto em células Caco-2 quanto em ensaios PAMPA. O processo de validação experimental foi essencial para a confirmação da robustez dos modelos desenvolvidos, que serão incorporados à base de dados de propriedades farmacocinéticas PK/DB (http://www.pkdb.ifsc.usp.br/), contribuindo desta forma para o seu aprimoramento. Os métodos computacionais e experimentais utilizados neste projeto permitiram o desenvolvimento de ferramentas úteis para a avaliação da absorção de fármacos administrados por via oral e para o planejamento de moléculas bioativas com propriedades farmacocinéticas otimizadas. / Human intestinal absorption is a critical pharmacokinetics-related parameter for orally given drugs. In vitro models based on Caco-2 cells, which mimetize enterocytes, or those based on the parallel artificial membrane permeability assay (PAMPA) are broadly used in permeability studies of bioactive molecules. In drug discovery projects, these techniques are simultaneously used with computational methods to evaluate physico-chemical and pharmacokinetics properties. In this study, computational models to predict the cellular permeability of bioactive compounds in Caco-2 cells and in PAMPA assays were developed. The models were constructed by using the fragment-based method Hologram Quantitative Structure Activity Relationships (HQSAR). The obtained statistical indexes indicated the suitable correlation ability of the Caco-2 and PAMPA models for the employed data set, and the high predictive power for selected test set compounds. In addition, the HQSAR models were evaluated regarding their predictive ability against two validation sets, which are comprised by novel molecules that were designed and experimentally tested during this study. For these compounds, both the Caco-2 and PAMPA models demonstrated high predictive power. The process of experimental validation was an essential step for confirming the robustness of the developed models, which will be incorporated into the database of pharmacokinetic properties PK/DB (http://www.pkdb.ifsc.usp.br/), thus contributing to its improvement. The developed HQSAR models will be incorporated to the PK/DB pharmacokinetics database (http://www.pkdb.ifsc.usp.br/), thus contributing to its improvement. The molecular modeling and experimental methods employed in this study allowed for the development o robust tools for evaluating intestinal drug absorption and for the design of bioactive molecules with improved pharmacokinetics profiles.

Modelos de Relações Quantitativas entre Estrutura Química e Atividade Biológica (QSAR), previamente gerados no grupo para uma série de brometos de N-benzil-N,N-dimetil-2-(4-X-benzamido)etan-1-amônio substituídos (compostos estruturalmente análogos à procaína), mostraram uma contribuição positiva da lipofilicidade (expressa pelo parâmetro lipofílico, logPapp) para a atividade de bloqueio da transmissão neuromuscular observada para estes. Como os compostos desta série são sais de amônio quaternários, sendo alguns altamente hidrofílicos, as determinações dos seus valores de logPapp pelo método shake-flask acarretam dificuldades experimentais, levando a altas incertezas. Para contornar estas dificuldades, em outro trabalho iniciado no grupo, sugeriu-se, como estratégia metodológica, avaliar a aplicação do conceito do par iônico, usando, para tanto, um contraíon grande e hidrofóbico. Assim, observou-se, para um único composto desta série, o aumento da sua lipofilicidade, por possível formação de par iônico, tornando-o menos hidrofílico. Nesta dissertação, visando ampliar os estudos envolvendo a aplicação desta estratégia metodológica e seus efeitos sobre a lipofilicidade, outros compostos foram selecionados para que uma faixa mais ampla de valores de LogPapp pudesse ser avaliada. Para tanto, os valores de logPapp de cinco compostos desta série foram determinados pelo método shake-flask, usando o sistema n-octanol/água, avaliando-se, ainda, os efeitos da força iônica na partição. Para estes, a faixa de valores de LogPapp determinados variou de -1,73 a 0,99. Para avaliar a aplicação do conceito do par iônico como estratégia, os valores de LogPapp destes compostos foram determinados na presença de diferentes concentrações do contraíon hidrofóbico n-octil sulfato de sódio (OcS). Verificou-se aumento da lipofilicidade com aumento das concentrações de OcS. Obteve-se, também, os correspondentes valores de LogPapp extrapolados para concentração zero de OcS (LogPapp0), que concordaram, dentro do erro experimental, com os valores determinados diretamente na ausência de OcS. Estes resultados indicam que o conceito do par iônico pode ser aplicado como estratégia metodológica, para melhorar as condições experimentais e diminuir as incertezas nas determinações de valores de LogPapp para esta série de brometos de amônio quaternários hidrofílicos. Finalmente, foram realizados experimentos complementares para verificar a formação de par iônico: (i) determinações dos valores de logP da benzamida (composto sem carga permanente) na presença de OcS; (ii) análise por RMN de um dos compostos desta série, na presença de OcS. Ambos indicaram que, somente para os brometos de amônio quaternários estudados, o aumento da lipofilicidade observado ocorre por possível formação de par iônico. E, ainda, foi avaliada a aplicação do conceito do par iônico e seus efeitos sobre a lipofilicidade do QX-222 e do brometo de neostigmina (compostos altamente hidrofílicos), revelando limitações na sua aplicação como estratégia metodológica. / Quantitative Structure-Activity Relationships (QSAR) models previously generated in our group for a set of N-benzyl-N,N-dimethyl-2-(4-X-benzamido)ethan-1-ammonium bromides (procaine structural analogs) showed a positive contribution of the lipophilic term (expressed by the partition coefficient, logPapp) to their neuromuscular blockage activity. However, since some of them are hydrophilic quaternary ammonium bromides, their logPapp measurements were usually associated with experimental shortcomings, leading to low accuracy logPapp values. In order to make these experiments more feasible, the application of the ion-pair concept was evaluated as a methodological strategy in another previous work, initially to one compound of this set. For this purpose, logPapp measurements have been done in the presence of a large and hydrophobic counter ion, leading to an increase of its lipophilicity, due to possible ion-pair formation. In the present work, in order to further investigate this strategy and its effects on the lipophilicity, we include more compounds, allowing the assessment of a wider range of logPapp values. Thus, logPapp values of five compounds were obtained by the shake-flask method, using n-octanol/water, with and without ionic strength adjustment. For them, logPapp range values were determined from -1.73 to 0.99. To evaluate the application of the ion-pair concept as strategy, logPapp values of these compounds were determined in the presence of eleven sodium octyl sulfate (OcS) concentrations. It was observed that the lipophilicity of these compounds, increased with the addition of OcS. Moreover, we obtained the corresponding logPapp values extrapolated to zero OcS concentration (logPapp0), which agreed, within the experimental error, with the corresponding values determined in absence of OcS. These results suggest that the ion-pair concept can be applied as a strategy to improve the experimental conditions, increasing the accuracy of logPapp measurements for this set of hydrophilic quaternary ammonium bromides. Finally, supplementary experiments were done to verify the ion-pair formation: (i) measurement of logP values of benzamide (not a permanent ion) in presence of OcS; (ii) NMR spectroscopy analysis of one compound of this set, also in presence of OcS. Both indicated that only for the studied quaternary ammonium bromides the lipophilicity increase is due to possible ion-pair formation. Additionally, the application of the ion-pair concept and its effects on the lipophilicity was evaluated for QX-222 and for neostigmine bromide (highly hydrophilic compounds), which revealed limitations in its application as a methodological strateg

Preparou-se, neste trabalho, nove cloridratos de N,N- [(dimetilamino)metil]benzamidas-p-X-substituidas em que X = N02, Br, Cl, I, F, H, CH3, OCH3 e N(CH3)2, SÉRIE II, ainda não descritos na literatura, a partir das respectivas bases, SÉRIE I. Os compostos obtidos foram identificados por seus espectros de I.V e RMN1H, e suas purezas determinadas por análise elementar e ponto de fusão. A seguir, determinou-se os valores de vC=O (cm-l ) em HCCl3, como medida de sua polaridade tanto para os compostos da SÉRIE I como para os da SÉRIE II. A aplicação da equação de HAMMETT, simples e expandida, aos valores obtidos forneceu excelentes correlações, verificando-se que os efeitos eletrônicos que os substituintes exercem sobre o grupo carbonila são de natureza indutiva e de ressonância, não havendo predominância de um sobre o outro. Determinou-se também, por bloqueio nervoso periférico em pata de rato, o grau de atividade anestésica local de sete dos nove compostos da SÉRIE II. A aplicação da equação de HANSCH aos valores de atividade anestésica local mostrou haver correlação razoável considerando-se os efeitos eletrônicos e hidrofóbicos exercidos pelos substituintes. A análise dos coeficientes de regressão obtidos sugere haver contribuição preponderante dos efeitos eletrônicos em relação à contribuição do efeito hidrofóbico para a atividade anestésica local. / In the present work nine N,N-[(dimethyl amino)methyl]benzamides-p-X-substituededs hydrochlorides (SERIES II) were prepared from the corresponding bases, (SERIES I), where X = N02, Br, Cl, I, F, H, CH3, OCH3 and N(CH3)3. The purity of the novel compounds, SERIES II, was established by elemental analysis. The recorded infrared and 1HNMR spectra were in agreement with their structures. For both sets of compounds the carbonyl group infrared frequencies in HCCl3 were determined and used as measurement of the polarity of the group. The obtained vC=O (cm-1) values showed excellent correlations when a simple or a multiparameter HAMMETT equation was applied. This suggests that the eletronic effect of the substituents on the carbonyl stretching frequencies is of inductive and ressonanee nature, without predominances of one over the other. Were also determined by peripheryc nervous blockade on rats paw, the degree of local anesthetic activity on seven of the nine compounds of SERIES II. The application of the HANSCH equation to the local anesthetie activity values showed reasonable correlation when the eletronic and hydrophobic effects of the substituents were considered. Analysis of the obtained regression coefficents suggest that the contribution of the former effect to the local anesthetic activity predominants.

Para desenvolver um novo medicamento, pesquisadores devem analisar os alvos biológicos de uma dada doença, descobrir e desenvolver candidatos a fármacos para este alvo biológico, realizando em paralelo, testes em laboratório para validar a eficiência e os efeitos colaterais da substância química. O estudo quantitativo da relação estrutura-atividade (QSAR) envolve a construção de modelos de regressão que relacionam um conjunto de descritores de um composto químico e a sua atividade biológica com relação a um ou mais alvos no organismo. Os conjuntos de dados manipulados pelos pesquisadores para análise QSAR são caracterizados geralmente por um número pequeno de instâncias e isso torna mais complexa a construção de modelos preditivos. Nesse contexto, a transferência de conhecimento utilizando informações de outros modelos QSAR\'s com mais dados disponíveis para o mesmo alvo biológico seria desejável, diminuindo o esforço e o custo do processo para gerar novos modelos de descritores de compostos químicos. Este trabalho apresenta uma abordagem de transferência de aprendizagem indutiva (por parâmetros), tal proposta baseia-se em uma variação do método de Regressão por Vetores Suporte adaptado para transferência de aprendizagem, a qual é alcançada ao aproximar os modelos gerados separadamente para cada tarefa em questão. Considera-se também um método de transferência de aprendizagem por instâncias, denominado de TrAdaBoost. Resultados experimentais mostram que as abordagens de transferência de aprendizagem apresentam bom desempenho quando aplicadas a conjuntos de dados de benchmark e a conjuntos de dados químicos / To develop a new medicament, researches must analyze the biological targets of a given disease, discover and develop drug candidates for this biological target, performing in parallel, biological tests in laboratory to validate the effectiveness and side effects of the chemical substance. The quantitative study of structure-activity relationship (QSAR) involves building regression models that relate a set of descriptors of a chemical compound and its biological activity with respect to one or more targets in the organism. Datasets manipulated by researchers to QSAR analysis are generally characterized by a small number of instances and this makes it more complex to build predictive models. In this context, the transfer of knowledge using information other\'s QSAR models with more data available to the same biological target would be desirable, nince its reduces the effort and cost to generate models of chemical descriptors. This work presents an inductive learning transfer approach (by parameters), such proposal is based on a variation of the Vector Regression method Adapted support for learning transfer, which is achieved by approaching the separately generated models for each task. It is also considered a method of learning transfer by instances, called TrAdaBoost. Experimental results show that learning transfer approaches perform well when applied to some datasets of benchmark and dataset chemical

A modificação molecular de fármacos do arsenal terapêutico é estratégia promissora no planejamento e desenvolvimento de novas entidades químicas que possam apresentar características pertinentes deste fármaco, e suprimir suas características indesejáveis. Desta forma, na busca por novos compostos com atividade antimicrobiana, uma série de vinte [N\'-(benzofuroxan-5-il)metileno]benzidrazidas substituídas, análogas funcionais da nifuroxazida (Passifuril®), foram sintetizadas e sua atividade biológica foi testada frente a cepas padrão e multirresistentes (MRSA e VISA) de Staphylococcus aureus, e frente a formas epimatigotas de Trypanosoma cruzi, agente causal da Doença de Chagas. A escolha dos grupos substituintes foi baseada em suas propriedades físico-químicas, tais como efeito eletrônico e hidrofobicidade, empregando o Diagrama de Craig. Os compostos foram obtidos por rota sintética descrita em literatura, assim como por rotas alternativas a fim de otimizar a metodologia tradicional e melhorar o rendimento dos produtos finais. Todos os compostos foram identificados e apresentam estrutura química inédita. A atividade dos vinte compostos frente S. aureus foi avaliada pelo método de determinação da concentração inibitória mínima (CIM); destes, dezesseis apresentaram os mesmos intervalos de CIM frente as cepas padrão e multirresistentes. O composto dissubstituído 3-CF3,4-NO2 (7t), apresentou a maior atividade com valores de CIM entre 12,7 - 11,4 µg/mL. A avaliação da atividade anti-T. cruzi também foi investigada, e na fase log de crescimento parasitário os compostos substituídos 4-H (7a), 4-CF3 (7n), 3,4-Cl2 (7s), 3-CF3,4-NO2 (7t) demonstraram os melhores resultados. O benznidazol, único fármaco utilizado no tratamento da Doença de Chagas, foi utilizado como referência nas mesmas concentrações. Os compostos que apresentaram melhores atividades nos ensaios realizados na fase estacionária de crescimento foram os compostos substituídos 4-I (7q) e 4-Br (7o) com valores de %IC50 de 6,11 µM e 7,38 µM, respectivamente. A influência das propriedades físico-químicas dos grupos substituintes em ambas as atividades foi observada e, a fim de avaliar quantitativamente suas contribuições para a bioatividade, estudos de QSAR-2D e QSAR-3D foram desenvolvidos, auxiliando assim na predição de novas estruturas com propriedades farmacológicas otimizadas, uma vez que os resultados obtidos indicam o forte potencial destes compostos na identificação de novos candidatos a fármaco antimicrobiano. / Molecular modification of drugs from the therapeutic arsenal is a promising strategy for the design and development of new chemical entities that can demonstrate the relevant properties of this drug, and suppressing its undesirable properties. For the research of new leads with potential antimicrobial activity, a new series of twenty substituted [N´-(benzofuroxan-5-yl)methylene]benzohydrazides, nifuroxazide\'s (Passifuril®) functional analogs, was synthesized and tested against standard and multidrug-resistant Staphylococcus aureus (MRSA and VISA) strains and against epimastigote form of Trypanosoma cruzi, the etiological agent of Chagas\' Disease. The selection of the substituent groups was based on their physicochemical properties, such as hydrophobicity and electronic effects, employing Craig\'s diagram. The designed compounds were obtained by synthetic route described in the literature, as well as by an alternative route, in order to optimize the traditional methodology and also to improve the final compounds yields. All compounds were identified as unpublished chemical structures. Bacterial activity of the twenty compounds against S. aureus was performed by minimal inhibitory concentration method (MIC), and sixteen of them exhibited similar bacteriostatic activity against standard and multidrug-resistant strains. The most active compound was the 3-CF3,4-NO2 disubstituted derivative (7t), which presented a MIC value from 12.7 to 11.4 µg/mL. Anti-T. cruzi activity was also investigated. The substituted compounds 4-H (7a), 4-CF3 (7n), 3,4-Cl2 (7s), 3-CF3,4-NO2 (7t) showed better results at logarithmic growth phase. Benznidazole, that is the only drug available to threat Chagas\' disease, was used as a reference drug at the same concentrations of the compounds studied. The most effective substituded compounds were the 4-I (7q) and 4-Br (7o) substituted derivatives having %IC50 values of 6.11 µM and 7.38 µM, respectively, at stationary growth phase. The influence of the substituent\'s physicochemical properties on in vitro activities was observed, and, in order to establish quantitatively their contributions to bioactivity, 2D-QSAR and 3D-QSAR studies were developed, assisting in the prediction of new leads with improved pharmacological properties, since the results showed benzofuroxan derivatives as potential leads for identifying new drug candidates.

La presente tesis "Modelling of 5-HT2A and 5-HT2C receptors and of their complexes with actual and potential antipsychotic drugs" tiene como objetivo de profundizar los conocimientos actuales sobre el mecanismo de acción de los fármacos antipsicóticos. En este proyecto de larga duración, se han construidos modelos computacionales de los receptores 5-HT2A y 5-HT2C, utilizando un nuevo protocolo de modelización basado sobre los datos experimentales de otras proteínas GPCR de la misma familia. Las estructuras 3D se han validado e utilizado en estudios de acoplamiento ligando-receptor, simulaciones de dinámica molecular, y estudios 3D-QSAR con el ligando natural (serotonina), un agonista inverso bien conocido (ketanserina) y una serie de butyrofenonas con afinidad para ambos subtipos receptoriales. Las metodologías directas e indirectas utilizadas, han permitido de comprender mejor los elementos claves que gobiernan el acoplamiento ligando - receptor, mediante la identificación de los residuos más involucrados en esta interacción, el rol de la quiralidad de los ligandos y también las posiciones alternativas de acoplamiento que algunos ligandos pueden asumir en el sitio de unión de los receptores.Los resultados son coherentes con los datos experimentales y su interpretación ha proporcionado información valiosa, difícilmente obtenible con la simple inspección visual de las estructuras de los ligandos y de los receptores. / This thesis "Modelling of 5-HT2A and 5-HT2C receptors and of their complexes with actual and potential antipsychotic drugs" has the objective of investigate the mechanism of action of antipsychotic drugs. During the development of this project, computational models of 5-HT2A and 5-HT2C receptors have been built, by means of a new modeling protocol based on experimental data from other GPCR of the same family. 3D structures have been validated by means of docking, molecular dynamic simulations and 3D-QSAR studies, using the natural ligand (serotonin), a well known inverse agonist (ketanserin) and a series of butyrophenones with affinity for both receptor subtypes. Direct and indirect methodologies have been applied, allowing a better comprehension of the key elements governing the ligand-receptor docking, thanks to the identification of the most important residues that stabilize such interaction, role of chirality and alternative positions within the binding site. The results are coherent with experimental data and its interpretation provided valuable information, not available at a simple visual inspection of ligand - receptor structures.

A absorção intestinal de fármacos (HIA, na sigla em inglês para human intestinal absorption) é um dos processos farmacocinéticos mais críticos para a ação de medicamentos administrados por via oral. Modelos in vitro baseados em células que mimetizam os enterócitos do intestino humano (células Caco-2), ou aqueles que utilizam membranas articifiais são muito utilizados no estudo da permeabilidade celular de moléculas bioativas. No processo de planejamento de fármacos, estas técnicas são frequentemente empregadas em paralelo com estratégias computacionais na avaliação de propriedades físico-químicas e farmacocinéticas. Nessa tese de doutorado foram desenvolvidos modelos computacionais para a predição da permeabilidade celular de compostos bioativos em células Caco-2 e em membrana artificial paralela (PAMPA, na sigla em inglês para Parallel Artificial Membrane Permeability Assay). Os modelos foram gerados através do método baseado em fragmentos moleculares holograma QSAR (HQSAR). Os indicadores estatísticos obtidos indicam a boa capacidade de correlação dos modelos Caco-2 e PAMPA para os dados utilizados na modelagem e o alto poder de predição destes modelos para a permeabilidade de um conjunto teste de compostos. Adicionalmente, os modelos foram avaliados quanto a sua capacidade preditiva frente a dois conjuntos de validação, constituídos por novas moléculas que foram planejadas e testadas experimentalmente durante o desenvolvimento deste trabalho. Para estes conjuntos, os modelos demonstraram alta capacidade de predição da permebildade tanto em células Caco-2 quanto em ensaios PAMPA. O processo de validação experimental foi essencial para a confirmação da robustez dos modelos desenvolvidos, que serão incorporados à base de dados de propriedades farmacocinéticas PK/DB (http://www.pkdb.ifsc.usp.br/), contribuindo desta forma para o seu aprimoramento. Os métodos computacionais e experimentais utilizados neste projeto permitiram o desenvolvimento de ferramentas úteis para a avaliação da absorção de fármacos administrados por via oral e para o planejamento de moléculas bioativas com propriedades farmacocinéticas otimizadas. / Human intestinal absorption is a critical pharmacokinetics-related parameter for orally given drugs. In vitro models based on Caco-2 cells, which mimetize enterocytes, or those based on the parallel artificial membrane permeability assay (PAMPA) are broadly used in permeability studies of bioactive molecules. In drug discovery projects, these techniques are simultaneously used with computational methods to evaluate physico-chemical and pharmacokinetics properties. In this study, computational models to predict the cellular permeability of bioactive compounds in Caco-2 cells and in PAMPA assays were developed. The models were constructed by using the fragment-based method Hologram Quantitative Structure Activity Relationships (HQSAR). The obtained statistical indexes indicated the suitable correlation ability of the Caco-2 and PAMPA models for the employed data set, and the high predictive power for selected test set compounds. In addition, the HQSAR models were evaluated regarding their predictive ability against two validation sets, which are comprised by novel molecules that were designed and experimentally tested during this study. For these compounds, both the Caco-2 and PAMPA models demonstrated high predictive power. The process of experimental validation was an essential step for confirming the robustness of the developed models, which will be incorporated into the database of pharmacokinetic properties PK/DB (http://www.pkdb.ifsc.usp.br/), thus contributing to its improvement. The developed HQSAR models will be incorporated to the PK/DB pharmacokinetics database (http://www.pkdb.ifsc.usp.br/), thus contributing to its improvement. The molecular modeling and experimental methods employed in this study allowed for the development o robust tools for evaluating intestinal drug absorption and for the design of bioactive molecules with improved pharmacokinetics profiles.

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2016-09-08T19:08:46Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Karina_Final_CD.pdf: 2797138 bytes, checksum: 5e86db88edfdb58a92aceb27cf908735 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-08T19:08:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Karina_Final_CD.pdf: 2797138 bytes, checksum: 5e86db88edfdb58a92aceb27cf908735 (MD5) Previous issue date: 2015-10-16 / A partir dos parâmetros eletrônicos obtidos com a Teoria do Funcional Densidade, realizamos um estudo Quantitativo da Relação Estrutura Atividade (QSAR) de derivados de cetonatiossemicarbazonas e de ácidos kójico e benzoico para analisar o potencial de inibição da melanogênese destes compostos. Utilizando técnicas computacionais em conjunção com uma Regressão linear múltipla, obtivemos uma expressão capaz de prever a concentração inibitória (IC50) destes compostos e dos demais aqui propostos. Para a previsão da IC50 foram utilizados os seguintes parâmetros eletrônicos e físico-químicos: afinidade eletrônica (EA), gap de energia (HHL), momento de dipolo (μ) e o logaritmo do coeficiente de partição [octanol/água](LogP). Para as cetonatiossemicarbazonas os descritores eletrônicos que proporcionaram uma boa correlação linear com a IC50 experimental foram: a carga atômica do nitrogênio N2 e a EA. Para as demais moléculas avaliadas nesta pesquisa, além desses parâmetros, foram incluídos o potencial de ionização (IP), a energia do atracamento molecular (G), eletronegatividade absoluta (), dureza (), maciez (S), logaritmo do coeficiente de solubilidade (LogS), volume molar (VM) e o coeficiente de Hansch (). Como resultado da QSAR, os descritores que proporcionaram a melhor correlação linear com a IC50 experimental foram: a HHL e o VM. Na análise QSAR dos derivados dos ácidos kójico e benzoico foi utilizado um conjunto de treinamento formado por dez moléculas e um grupo de teste constituído por duas moléculas para uma validação cruzada tipo boostrap. Os cálculos de G se restringiram a encontrar o valor da energia livre de interação dos derivados dos ácidos kójico e benzoico e da enzima tirosinase por meio da formação do complexo ligante-tirosinase. Os valores das energias de interação obtidos para as moléculas propostas se revelaram promissores, visto que apresentaram valores mais baixos do que o obtido para o complexo ácido kójico-tirosinase. Em todas as análises QSAR, os valores dos parâmetros estatísticos de validação, como coeficiente de correlação, desvio-padrão, teste de Fischer e do nível geral de confiabilidade do modelo, estão dentro do esperado para um bom modelo estatístico. Os modelos obtidos fornecem uma boa previsão das atividades biológicas investigadas neste trabalho apontam para novos compostos candidatos com potencial para inibição da melanogênese. / We have carried ant studies of QSAR using electronic structure derived parameters be the means of Density Functional Theory (DFT) calculations for derivatives of ketonethiosemicarbazones, kojic acid and benzoic acid. The aim was to evaluate the melanogenesis inhibiting potential of these compounds, by using this procedure and performing a Multiple Linear Regression we obtained an expression able to predict the inhibitory concentration (IC50) of the compounds studied here. In predicting the IC50 we used the electronic and physical-chemical parameters of electron affinity (EA), energy gap (HHL), dipole of moment (μ) and the [octanol/water] logarithm of the partition coefficient (LogP). For ketonethiosemicarbazones the electronic parameters that provide a good linear correlation with experimental IC50 are the atomic charge of nitrogen N2 and the EA. For the other molecules analyzed in this study, in addition to these parameters it is included ionization potential (IP), molecular docking of energy (G), absolute electronegativity (), hardness(), softness (S), partition coefficient of molar solubility (LogS), molar volume (VM) and Hansch coefficient (). We found that the parameters leading to the best linear correlation with experimental IC50 are the interaction energy and the molar volume. In the QSAR analysis of derivatives of the benzoic and kojic acids it is used a training group formed by ten molecules and a test group formed of two molecules to realize a bootstrap-type cross validation. The calculations of the molecular docking are restricted to values of free energy of derivatives of the benzoic and kojic acids and to the enzyme tyrosinase forming the tyrosinase-ligand complex. In all QSAR analysis, the statistical validation such as correlation coefficient, standard deviation, Fisher test and the model reliability are in that range expected for a good statistical model. As a conclusion, we show that our model gives a good prediction of the biological activities, which allow us to indicate new compounds with potential in inhibiting melanogenesis.

Diferentes abordagens teóricas têm sido utilizadas em estudos de sistemas biomoleculares com o objetivo de contribuir com o tratamento de diversas doenças. Para a dor neuropática, por exemplo, o estudo de compostos que interagem com o receptor sigma-1 (Sig-1R) pode elucidar os principais fatores associados à atividade biológica dos mesmos. Nesse propósito, estudos de Relações Quantitativas Estrutura-Atividade (QSAR) utilizando os métodos de regressão por Mínimos Quadrados Parciais (PLS) e Rede Neural Artificial (ANN) foram aplicados a 64 antagonistas do Sig-1R pertencentes à classe de 1-arilpirazóis. Modelos PLS e ANN foram utilizados com o objetivo de descrever comportamentos lineares e não lineares, respectivamente, entre um conjunto de descritores e a atividade biológica dos compostos selecionados. O modelo PLS foi obtido com 51 compostos no conjunto treinamento e 13 compostos no conjunto teste (r² = 0,768, q² = 0,684 e r²teste = 0,785). Testes de leave-N-out, randomização da atividade biológica e detecção de outliers confirmaram a robustez e estabilidade dos modelos e mostraram que os mesmos não foram obtidos por correlações ao acaso. Modelos também foram gerados a partir da Rede Neural Artificial Perceptron de Multicamadas (MLP-ANN), sendo que a arquitetura 6-12-1, treinada com as funções de transferência tansig-tansig, apresentou a melhor resposta para a predição da atividade biológica dos compostos (r²treinamento = 0,891, r²validação = 0,852 e r²teste = 0,793). Outra abordagem foi utilizada para simular o ambiente de membranas sinápticas utilizando bicamadas lipídicas compostas por POPC, DOPE, POPS e colesterol. Os estudos de dinâmica molecular desenvolvidos mostraram que altas concentrações de colesterol induzem redução da área por lipídeo e difusão lateral e aumento na espessura da membrana e nos valores de parâmetro de ordem causados pelo ordenamento das cadeias acil dos fosfolipídeos. As bicamadas lipídicas obtidas podem ser usadas para simular interações entre lipídeos e pequenas moléculas ou proteínas contribuindo para as pesquisas associadas a doenças como Alzheimer e Parkinson. As abordagens usadas nessa tese são essenciais para o desenvolvimento de novas pesquisas em Química Medicinal Computacional. / Different theoretical approaches have been used in the studies of biomolecular systems aiming to contribute with the treatment of several diseases. For neuropathic pain, for example, the study of compounds that interact with sigma-1 receptor (Sig-1R) can elucidate the main factors associated to their biological activities. For this purpose, studies of Quantitative Structure-Activity Relationships (QSAR) using Partial Least Squares (PLS) and Artificial Neural Network (ANN) methods were applied to 64 Sig-1R antagonists belong to 1-arylpyrazole class. PLS and ANN models were used in order to describe linear and nonlinear behavior, respectively, between a set of descriptors and the biological activity of the selected compounds. The PLS model was obtained with 51 compounds in the training set and 13 compounds in the test set (r² = 0.768, q² = 0.684 and r²test = 0.785). Leave-N-out tests, biological activity randomization and outliers detection confirmed the robustness and stability of the models and showed that they were not obtained by chance correlations. Models were also generated from Multilayer Perceptron Artificial Neural Network (MLP-ANN) and the 6-12-1 architecture, trained by tansig-tansig transfer functions, showed the best result for the biological activity prediction of the compounds (r²training = 0.891, r²validation = 0.852 and r²test = 0.793). Another approach was used to simulate synaptic membranes environment using lipid bilayers composed by POPC, DOPE, POPS and cholesterol. Performed molecular dynamics studies showed that high cholesterol concentration induces decrease of area per lipid and lateral diffusion and increase of membrane thickness and order parameter caused by ordering of phospholipids acil chains. The obtained lipid bilayers can be used to simulate interactions between lipids and small molecules or proteins contributing for researches associated to Alzheimer and Parkinson diseases. The approaches used in this thesis are essential for the development of new researches in Computational Medicinal Chemistry.

As metaloproteinases de matriz (MMP) são enzimas superexpressas em quase todos os tumores humanos, sendo que os subtipos MMP-2 e MMP-9 têm sido associados ao potencial metastático e prognóstico desfavorável em neoplasias malignas como, por exemplo, melanoma metastático e glioma. Compostos capazes de inibir a atividade destas enzimas podem representar potenciais agentes terapêuticos. O composto 4-nerolidilcatecol (4-NC), isolado de plantas do gênero Pothomorphe, apresentou resultados promissores para o tratamento do melanoma e glioma e foi capaz de atuar em várias etapas bioquímicas importantes envolvidas na progressão dessas patologias, inclusive inibindo MMP-2 e MMP-9. No entanto, o mecanismo de ação do 4-NC não está completamente elucidado. O presente estudo envolveu a aplicação de métodos de modelagem molecular e de formalismos do planejamento de novas moléculas auxiliado por computador, CAMD (Computer-Aided Molecular Design) a fim de explorar a interação entre esta molécula e as enzimas MMP-2 e MMP-9, além de planejar novos inibidores para estes alvos. Análise exploratória de dados, que compreende a análise de agrupamentos hierárquicos e de componentes principais. foi desenvolvida para um conjunto de hidroxamatos (N=64) descritos como inibidores de MMP-2 e MMP-9, a fim de identificar as propriedades moleculares que mais influenciavam o processo de discriminação dos compostos. As propriedades termodinâmicas, eletrônicas e estéricas foram importantes para descrever os compostos mais ativos no conjunto de dados da MMP-2. Para a MMP-9, o coeficiente de distribuição (ClogD) em pH 1,5 foi relevante no processo de discriminação do conjunto. A presença de substituintes volumosos na porção R3 parece ser crucial para o conjunto de inibidores investigados. Esta região está envolvida em interações moleculares com a cavidade S1 de ambas as enzimas, mas há um limite de volume a ser considerado para estes substituintes. O formalismo QSAR-4D independente do receptor (IR) foi aplicado ao mesmo conjunto de dados e permitiu estabelecer o mapeamento do farmacóforo, além de explorar diferentes alinhamentos para a obtenção da hipótese de conformação bioativa prevista pelo melhor modelo de QSAR. OS modelos QSAR apresentaram boa capacidade de previsão, auxiliaram na proposição de novos inibidores e estimaram a atividade do 4-NC. Com o melhor modelo QSAR para MMP-9 (N=64), a atividade prevista para o 4-NC foi classificada na faixa dos inibidores com atividade moderada. Entretanto, o melhor modelo QSAR obtido para MMP-2 (N=38) não foi capaz de prever, de forma adequada, a atividade de compostos com arcabouço químico diferente daqueles utilizados na construção dos modelos. Estudos de ancoramento molecular foram desenvolvidos para investigar a orientação do 4-NC no sitio catalítico das duas enzimas e as interações que poderiam ser estabelecidas nestes complexos. Duas conformações favoráveis foram encontradas. Simulações computacionais de dinâmica molecular foram desenvolvidas com os complexos mais promissores selecionados nos estudos de ancoramento, a fim de obter informações mais detalhadas e de maior confiabilidade. sobre suas interações intermoleculares. O 4-NC tende a se orientar no sítio de forma a acomodar sua cadeia lateral no bolso S1 adjacente ao sítio catalítico em ambas as enzimas. Ensaios de zimografia também foram realizados com o objetivo de elucidar possíveis contribuições da cadeia lateral e do núcleo catecólico do 4-NC na atividade inibitória frente às enzimas em estudo. O núcleo catecólico parece ser o responsável por sua atividade, pois o composto 1,2dimetoxibenzeno, que possui as hidroxilas bloqueadas por grupos metil, não foi capaz de exercer atividade inibitória significante frente à MMP-2 e MMP-9. Estudos de voltametria reforçaram a hipótese de que o 4-NC tem a capacidade de quelar os íons zinco presentes no tampão de incubação. / Matrix metalloproteinases (MMP) enzymes are overexpressed in almost all human tumors, and MMP-2 and MMP-9 subtypes have been associated with metastatic potential and poor prognosis in malignant tumors, such as metastatic melanoma and glioma. Compounds capable of inhibiting the activity of theses enzymes would be considered as potential therapeutic agents. The 4-nerolidylcatechol compound (4-NC), isolated from plants of genus Pothomorphe, has showed promising results in the treatment of melanoma and glioma, and was able to act in several important biochemical steps involved in the progression of these diseases, as well as inhibiting MMP-2 and MMP-9. However, the 4-NC mechanism of action is not completely understood. This study has involved the application of molecular modeling methods and formalisms of computer-aided molecular design (CAMD) in order to explore the interaction between 4-NC and MMP-2/MMP-9, and to design new inhibitors for these targets. Exploratory data analysis, which comprises hierarchical cluster analysis and principal components analysis, was performed to a set of hydroxamates (N=64). previously reported as MMP-2 and MMP-9 inhibitors, in order lo identify the molecular properties that is most critical for the discrimination process regarding the investigated compounds. The thermodynamic, electronic, and steric properties were: quite important to describe the highly active compounds in the data set of MMP-2, whereas the apparent partition coefficient (ClogD) at pH 1.5 was the property more relevant for MMP-9 data set. The presence of bulky substituents on the R3 moiety seems to be crucial for this set of inhibitors due to the molecular interaction with the S1 subsite of both enzymes. However, there is a limit regarding the substituents volume in this region. Receptor independent (RI) 4D-QSAR analysis was applied lo the same data set and it was possible to establish the pharmacophore mapping, besides to explore different alignments in order to generate the hypothesized bioactive conformation through the best QSAR model. The QSAR models have presented good predictability, assisted in proposing new inhibitors, and estimated the activity of 4-NC. Regarding the best QSAR model for MMP-9 (N=64), the 4-NC predicted activity was classified in the range of the moderate active inhibitors. The best QSAR model obtained for MMP-2 (N=38), however was not able to properly predict the activity for compounds with different chemical scaffold from those used to build up the QSAR model. Molecular docking studies have been developed to investigate the 4-NC binding mode into the catalytic site of the two enzymes and the interactions that could be established in those complexes. The results have shown two favorable conformers regarding the MMP inhibition. Molecular dynamics computational simulation were combined to molecular docking studies in order to obtain more detailed and reliable information regarding the intermolecular interactions of each complex. The 4-NC molecule tends to accommodate the side chain in the S1 pocket adjacent to the catalytic site in both enzymes. Experimental zymography assays were also performed to elucidate the possible contribution of the side chain and the catechol core in the 4-NC inhibitory activity against the MMP-2 and MMP-9 enzymes. The catechol core seems to be responsible for its activity, since the 1,2 dimethoxybenzene compound, which has the hydroxyl blocked by a methyl group, was not able to exert any significant inhibition on enzymes. Voltametric assays confirmed the hypothesis that 4-NC chelates zinc ions present in the incubation buffer.