Orientador: Newton Luiz Dias Filho / Banca: Andre Henrique Rosa / Banca: Wagner Luís Polito / Resumo: A combinação de diferentes tipos de materiais para obtenção de novas propriedades tem despertado grande interesse em vários campos da ciência de materiais. Em processos de separação, é de considerável interesse o uso de materiais com propriedades básicas extremamente diferentes. Entre os suportes mais usados está a sílica gel, um material com tamanho de partículas e porosidade bem definidas, elevada área superficial, e estabilidades mecânica, química e térmica elevadas. Neste contexto, a sílica gel modificada com grupos organofuncionais pode ser utilizada para a adsorção de íons metálicos em soluções aquosas e não aquosas, pré-concentração e separação de íons metálicos. Neste trabalho, a sílica gel 60 (Merck), com tamanho de partículas entre 0,2 e 0,05 mm e área superficial específica de 486 m2.g-1, foi quimicamente modificada em duas etapas. Primeiro, a sílica gel foi quimicamente modificada com 3-cloropropiltrimetoxisilano, resultando o 3-cloropropil sílica gel (CPSG). Na segunda etapa, o produto resultante, CPSG, reagiu com 2-mercaptopirimidina e 4-amino-2-mercaptopirimidina, resultando os materiais sólidos 2-mercaptopirimidina-propil sílica gel (MPSG) e 4-amino-2-mercaptopirimidinapropil sílica gel (AMSG). As quantidades de grupos funcionais conectados na superfície da sílica gel, N0, foram 7,007 x 10-4 mols e 7,416 x 10-4 mols de moléculas por grama de sílica, para MPSG e AMSG, respectivamente. Conhecendo a área superficial específica e assumindo que as moléculas cobrem uniformemente a superfície, a densidade média, d, das moléculas ancoradas e a distância intermolecular média, l, podem ser calculadas aplicando as equações d = N0 N/SBET e l = (l/d) 1/2 , onde N é o número de Avogadro. Os valores calculados são d = 1,42 moléculas.nm2 e l = 0,979 nm, e d = 1,166 moléculas.nm2 e l = 0,926 nm, para MPSG e... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / Abstract: The combination of different type of materials for achieving novel properties has always been of high interest in many fields of the materials sciences. The use of materials with extremely different basic properties, like organic and inorganic compounds, is of considerable interest in separation processes. Among the supports the most used is silica gel, a material of well-established particle sizes and well-define porosity, high surface area, and high mechanical, chemical, and thermal stability. In this context, silica gel modified with organofunctional groups has been used for adsorption of metal ions from aqueous and non-aqueous solutions, pre-concentration and separation of metallic ions. In this work, silica gel 60 (Merck) having secondary particles sized between 0,2 and 0,05 mm and specific surface area of 486 m2.g-1 was modified using a two step approach. First, the silica gel was chemically modified with 3- chloropropyltrimetoxysilane, resulting the 3-chloropropyl-silica gel (CPSG). Second, the resultant product, CPSG, reacted with 2-mercaptopyrimidine and 4-amino-2- mercaptopyrimidine, resulting the solid materials 2-mercaptopyrimidine-propyl-silica gel (MPSG) and 4-amino-2-mercaptopyrimidine-propyl-silica gel (AMSG). The quantities of functional groups attached on the silica gel surface, No, were 7,007 x 10-4 mols e 7,416 x 10-4 mols .g-1 of molecules per gram of silica, for MPSG and AMSG, respectively. It being known the specific surface area and assuming that the molecules uniformly cover the surface, the average density, d, of the attached molecules and the average intermolecular distance, l, can be calculated by applying the equations: d = N0 N /SBET and l = (l/d)1/2, where N is Avogadro's number. The calculated values were d = 1,042 molecules.nm-2 and l = 0,979 nm and d = 1,166 molecules.nm-2 and... (Complete abstract click electronic address below). / Mestre

O objetivo deste trabalho foi desenvolver biosensores de membranas baseados na técnica de Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR) e aplicá-los no estudo da interação do citocromo c (cit c) com modelos de membranas. SPR é uma técnica ótica, que através de medidas de variações de índice de refração (n) próximas a uma interface mensura com alta sensibilidade a adsorção ou ligação de moléculas. Inicialmente desenvolvemos um sistema de gradiente de fluxo acoplado ao SPR, denominado FIG-SPR, e demonstramos a determinação automatizada da variação de n em função da concentração (dn/dC) de diferentes compostos e biopolímeros. O desenvolvimento dos biosensores de membranas iniciou-se com o estudo dos fatores que afetam a formação de uma membrana de bicamada híbrida (HBM). HBMs são compostas de uma monocamada de alcanotiol adsorvida sobre o ouro, e sobre esta uma camada fosfolipídica. A formação da HBM depende da fusão de vesículas em superfícies hidrofóbicas e que não é bem compreendido no nível molecular. Nossos estudos mostraram que na presença de cálcio e espermina a formação da HBM é favorecida, de tal forma que a monocamada de fosfolipídio alcança valores de espessura próximos àqueles previstos, cerca de 20 Å\'. Além disso, mostramos que em soluções de baixa força iônica a camada lipídica não é homogênea. Demonstramos também que a presença de cálcio na concentração 150 mM diminui o tempo de formação da monocamada lipídica cerca de 14 vezes quando comparado ao tempo indicado na literatura. A homogeneidade da HBM e a carga superficial da mesma foram verificadas com a adsorção e a dissociação de cit c e de albumina bovina (BSA). Utilizando HBMs de composição lipídica variada demonstramos a adsorção e a dissociação de cit c induzida por cálcio em HBMs mistas, incluindo um modelo mimético da membrana mitocondrial interna (IMM) constituído de fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina e cardiolipina (PC/PE/CL) na proporção (4,5:3,5:2,0). Demonstramos que a adsorção de cit c nativo segue um perfil cooperativo e padrões esperados de variação de afinidade e cooperatividade em pHs 6,8, 7,4 e 8,0. Um modelo matemático foi desenvolvido para tratar as curvas de ligação de cit c, que é uma adaptação do modelo de Hill para adsorção de proteínas em superfícies. Os resultados de SPR juntamente com dados obtidos por Microscopia de Força Atômica (AFM) sugerem que a ligação cooperativa de cit c com HBM ocorre devido à reorganização das moléculas de CL e formação de domínios fosfolipídicos. O tratamento dos resultados cinéticos da dissociação de cit c por cálcio indica a existência de duas constantes de velocidade de dissociação (kd), sendo a primeira constante (kd1) relacionada à perda das interações eletrostáticas entre a proteína e a HBM, e a segunda (kd2) à perda das interações hidrofóbicas. Além disso, a dissociação do cit c do modelo estudado requer uma concentração mínima de cálcio de 30 µM para se tornar significativa. O estudo da interação entre moléculas de cit c foto-oxidadas (citc405) e a HBM de PC/PE/CL sugerem que ela ocorre com menor afinidade, nos três pHs estudados, se comparados aos resultados com cit c nativo. Além disso, nossos resultados sugerem que o citc405 não é facilmente dissociado por cálcio devido à perda da cooperatividade na interação. Possíveis implicações em eventos celulares destas descobertas, como a liberação do cit c da IMM e a iniciação da apoptose, são discutidas / The aim of this work was to develop membrane biosensors based on Surface Plasmon Resonance (SPR) and to apply them to study the interactions between cytochrome c (cyt c) and model membranes. SPR is an optical technique that provides high-sensitivity measurements of refractive index (n), allowing the characterization of the adsorption and desorption of molecules near interfaces. Initially we developed a flow gradient system connected to SPR, which was called FIG-SPR, and demonstrated the automated determination of the concentration gradient of refractive index (dn/dC) of different materials and biopolymers. The development of the membrane biosensors was initiated by studying the factors that affect the formation of a hybrid bilayer membrane (HBM). HBMs are composed of two monolayers: an alcanethiol monolayer adsorbed on gold over which is adsorbed a layer of phospholipids. The formation of an HBM depends on the fusion of phospholipid vesicles on hydrophobic surfaces, a process that is not well understood at the molecular level. Our results showed that in the presence of calcium and spermine the complete formation of an HBM is facilitated, i.e., the phospholipid monolayer reaches the expected thickness of about 20Å\'. However, in low ionic strength solutions the lipid layer that is formed is not homogeneous. We have also demonstrated that in the presence of 150 mM of calcium the time necessary for the formation of the lipid monolayer is reduced 14 times when compared to the times suggested in the literature. The homogeneity of the HBM and its superficial charge were verified with the adsorption and desorption of cyt c and bovine serum albumine (BSA). The adsorption and desorption of cyt c in different HBMs were studied including a model of the internal mitochondrial membrane (IMM), which is made of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and cardiolipin (PC/PE/CL) in the ratio (4,5: 3,5: 2,0). We demonstrated that the adsorption of native cyt c follows a cooperative profile showing expected changes in affinity and cooperativity in different solution pHs of 6,8, 7,4 and 8,0. A mathematical model, which is an adaptation of the Hill model for adsorption of proteins in surfaces, was developed to treat the binding curves of cyt c. The results of SPR together with those obtained by Atomic Force Microscopy (AFM) suggested that the cooperative binding of cyt c in HBMs occurs due to the reorganization of CL molecules and formation of phospholipid domains. The kinetic results of the dissociation of cyt c induced by calcium indicates the existence of two velocity constants (kd), being the larger (kd1) related to the dissociation of cyt c interacting electrostatically with the HBM, and the smaller (kd2) related to the dissociation of cyt c interacting hydrophobically with the HBM. Moreover, the dissociation of cyt c from the HBM requires a minimum calcium concentration of 30 µM. The study of the interaction between photo-oxidized cyt c molecules (cytc405) and the PC/PE/CL HBM suggests that it occurs with smaller affinity when compared with the results obtained with the native cyt c. Moreover, cytc405 is not easily dissociated by calcium due to the loss of the interaction cooperativity with the HBM. Possible implications of these discoveries in cellular events, such as the release of cyt c from the IMM and the initiation of apoptosis, are discussed

Nesta tese, utilizamos técnicas de química quântica para o estudo de sistemas contendo átomos de silício e nitrogênio. Nesse contexto, o trabalho aqui apresentado procurou concentrar-se em três tópicos principais: aglomerados de silício e nitrogênio, a superfície Si(100) e a interação de um átomo de nitrogênio com essa superfície. Estudamos inicialmente os aglomerados de fórmula SiNN e Si3N2, onde procuramos caracterizar de forma rigorosa a estabilidade e a natureza das ligações químicas das várias espécies. Com relação ao sistema SiNN, os resultados utilizando cálculos de alto nível mostraram a necessidade de novos dados experimentais para a caracterização inequívoca dessa espécie. Além disso, obtivemos os primeiros resultados para as propriedades de quatro novas estruturas. Estudamos a estrutura de várias espécies com fórmula Si3N2, e obtivemos como mínimo global uma estrutura planar contendo apenas ligações Si-N. Para a simulação da superfície Si(100) utilizamos os aglomerados de fórmula Si9H12 e Si15H16. Apenas a metodologia do Funcional da Densidade indicou a existência de uma estrutura distorcida para o Si9H12. Os cálculos CASSCF mostraram a necessidade do uso de funções multideterminantais. Com relação ao aglomerado Si15H16, obteve-se uma estrutura distorcida com os dímeros alternados como a forma mais estável. Entretanto, o uso do CASSCF mostrou ser a forma simétrica a mais estável. Com base no estudo dos aglomerados Si9H12 e Si15H16, partimos para a investigação dos mecanismos envolvidos no processo de interação e incorporação de átomos de nitrogênio na superfície de silício. Estruturas com simetria de spin quarteto e dupleto foram estudadas, sendo os mecanismos bastante semelhantes, com o nitrogênio interagindo inicialmente com um dos silícios dímeros para em seguida poder formar duas outras estruturas, uma com o nitrogênio ligado aos dois silícios dímeros e outra com o nitrogênio inserido no interior do aglomerado. Esta última estrutura corresponde à forma mais estável. Os resultados mostram claramente que a reação é bastante favorável do ponto de vista energético. Questionamos também o uso de vínculos durante a otimização das estruturas por impedir um devido relaxamento apropriado dos átomos de silício da primeira e segunda camadas. / In this thesis, quantum chemical techniques were used to study molecular systems containing silicon and nitrogen atoms. ln this context, the work was concentrated on three main topics: silicon-nitrogen clusters, the Si(100) surface, and the interaction of a nitrogen atom with that surface. We studied initially the clusters SiNN and Si3N2, where we tried to characterize with rigour the stability and the nature of the chemical bonds of the various species. Concerning the system SiNN, using high level calculation, the results showed the necessity of new experimental data for the unequivocal characterization of this species. Moreover, the properties of four new structures were described for the first time in this study. The structures of various species with formula Si3N2 were studied, and the global minimum corresponds to a planar structure containing only Si-N bonds. For the simulation of Si(100) surface, the clusters Si9H12 and Si15H16 were used. Density Functional Theory predicted the existence of an asymmetric geometry for the Si9H12 cluster. The CASSCF calculations showed the necessity of using multideterminantal wave functions. Concerning the Si15H16 cluster, the most stable structure corresponds to a distorted one with alternated dimers. However, the CASSCF methodology showed that the symmetric structure is the most stable. Based on the results for the Si9H12 and Si15H16 clusters, we started to investigate the mechanism involved in the interaction and incorporation of a nitrogen atom into the silicon surface. Structures with quartet and doublet spin symmetry were studied, being their mechanisms very similar, with the nitrogen atom interacting initially with one silicon dimer; after that two other structures can be formed, one with the nitrogen bonded to two silicon dimers, and the other with the nitrogen bonded to one silicon dimer and two internal silicons. This last structure corresponds to the most stable species. The results show clearly that the reaction is very favorable energetically. The use of geometrical constraints during the optimization was questioned since it prevents the proper relaxation of the silicon atoms in the first and second layers.

Este trabalho teve como objetivo estudar a interação de polimetacrilato com vesículas de metacrilato de dioctadecildimetílamônio (DODAM) e brometo de dioctadecildimetilamônio (DODAB). A fotoirradiação de vesículas de DODAM a formou polimetacrilato na superfície vesicular do polímero, através da polimerização do contra-íon. Vesículas polimerizadas foram mais estáveis frenta á adição de metanol do que vesículas não polimerizadas. A estabilização da bicamada vesicular foi confirmada com o aumento da retenção da carboxifluoresceína (CF). Vesículas injetadas de DODAM retiveram cerca de 25% de CF, enquanto que vesículas polimerizadas retiveram cerca de 75%. Experimentos de temperatura de transição de fase por turbidez e tensão superfícial mostraram que o polimetacrilato formado na superfície vesicular diminui a temperatura de transição de fase e reduz a cooperatividade. A interação de fosfatase alcalina (Fal) com vesículas de DODAM e colinametacrilato de dicetilfosfato (DCM) foi estudada, como um primeiro passo para a construção de um micro-reator. Foi observada a precipitação na presença de DODAM, mas não em presença de DCM. Isto pode ser explicado pela forte interação entre a superfície de vesículas de dioctadecildimetilamônio (bicamada com carga negativa) com a fosfatase alcalina (carga negativa). Esta precipitação não foi observada com vesículas de DCM (bicamada negativa). Experimentos de monocamada confirmaram estes resultados. DCM e DODAM formaram monocamadas mistas estáveis, sugerindo que vesículas mistas poderiam ser usadas para superar as interações eletrostáticas fortes entre os surfactantes e a enzima. / This work had as objective studying the interaction of polymethacrylate with dioctadecyldimethylammonium methacrylate (DODAM) and brornide (DODAB). The fotoirradiation of vesicular suspensions of DODAM formed polymethacrylate on the vesicle surface though counter-ion polymerization. Polymerized vesicles were more stables on methanol addition than non-polymerized vesicles. Bilayer stability was confirmed with the retention of carboxyfluorescein (CF). DODAM injected vesicles without polymerization retained about 25% of CF, while polymerized DODAM retained about 75%. Experiments of phase transition temperature by turbidity and surface tension showed that polymethacrylate formed at vesicle surface drops phase transition temperature and reduces cooperativity. Polymethacrylic acid and polymethacrylic acid containing rodhamine B covalently linked was used to monitor polymer-vesicle interaction. Experiments showed that the polymer interacts electrostatically with the DODAB bilayer, causing precipitation and or aggregation. The polymer, initially on a confonnation with many hipercoiled hydrophobic regions, opens as interacts with DODAB vesicles. The interaction of alkaline phosphatase (Fal) with vesicles of DODAM and colina-methacrylate dicetylphosphate (DCM) was studied, as a preliminary step for a micro-reactor construction. Precipitation was observed in presence of DODAM, but not in presence of DCM. This may be explained by the strong interaction between the surface of dioctadecyldimethy lammonium vesicles (positive charged bylayer) with Fal (negative charge). This precipitation was not observed with DCM vesicles (negative charged bilayer). Monolayer experiments confirm these results. Experiments showed that DCM and DODAM form stabled mixed monolayers. Suggesting that mixed vesicles could be tried to overcome strong electrostatic interactions between surfactants and enzyme.

Nesta tese, utilizamos técnicas de química quântica para o estudo de sistemas contendo átomos de silício e nitrogênio. Nesse contexto, o trabalho aqui apresentado procurou concentrar-se em três tópicos principais: aglomerados de silício e nitrogênio, a superfície Si(100) e a interação de um átomo de nitrogênio com essa superfície. Estudamos inicialmente os aglomerados de fórmula SiNN e Si3N2, onde procuramos caracterizar de forma rigorosa a estabilidade e a natureza das ligações químicas das várias espécies. Com relação ao sistema SiNN, os resultados utilizando cálculos de alto nível mostraram a necessidade de novos dados experimentais para a caracterização inequívoca dessa espécie. Além disso, obtivemos os primeiros resultados para as propriedades de quatro novas estruturas. Estudamos a estrutura de várias espécies com fórmula Si3N2, e obtivemos como mínimo global uma estrutura planar contendo apenas ligações Si-N. Para a simulação da superfície Si(100) utilizamos os aglomerados de fórmula Si9H12 e Si15H16. Apenas a metodologia do Funcional da Densidade indicou a existência de uma estrutura distorcida para o Si9H12. Os cálculos CASSCF mostraram a necessidade do uso de funções multideterminantais. Com relação ao aglomerado Si15H16, obteve-se uma estrutura distorcida com os dímeros alternados como a forma mais estável. Entretanto, o uso do CASSCF mostrou ser a forma simétrica a mais estável. Com base no estudo dos aglomerados Si9H12 e Si15H16, partimos para a investigação dos mecanismos envolvidos no processo de interação e incorporação de átomos de nitrogênio na superfície de silício. Estruturas com simetria de spin quarteto e dupleto foram estudadas, sendo os mecanismos bastante semelhantes, com o nitrogênio interagindo inicialmente com um dos silícios dímeros para em seguida poder formar duas outras estruturas, uma com o nitrogênio ligado aos dois silícios dímeros e outra com o nitrogênio inserido no interior do aglomerado. Esta última estrutura corresponde à forma mais estável. Os resultados mostram claramente que a reação é bastante favorável do ponto de vista energético. Questionamos também o uso de vínculos durante a otimização das estruturas por impedir um devido relaxamento apropriado dos átomos de silício da primeira e segunda camadas. / In this thesis, quantum chemical techniques were used to study molecular systems containing silicon and nitrogen atoms. ln this context, the work was concentrated on three main topics: silicon-nitrogen clusters, the Si(100) surface, and the interaction of a nitrogen atom with that surface. We studied initially the clusters SiNN and Si3N2, where we tried to characterize with rigour the stability and the nature of the chemical bonds of the various species. Concerning the system SiNN, using high level calculation, the results showed the necessity of new experimental data for the unequivocal characterization of this species. Moreover, the properties of four new structures were described for the first time in this study. The structures of various species with formula Si3N2 were studied, and the global minimum corresponds to a planar structure containing only Si-N bonds. For the simulation of Si(100) surface, the clusters Si9H12 and Si15H16 were used. Density Functional Theory predicted the existence of an asymmetric geometry for the Si9H12 cluster. The CASSCF calculations showed the necessity of using multideterminantal wave functions. Concerning the Si15H16 cluster, the most stable structure corresponds to a distorted one with alternated dimers. However, the CASSCF methodology showed that the symmetric structure is the most stable. Based on the results for the Si9H12 and Si15H16 clusters, we started to investigate the mechanism involved in the interaction and incorporation of a nitrogen atom into the silicon surface. Structures with quartet and doublet spin symmetry were studied, being their mechanisms very similar, with the nitrogen atom interacting initially with one silicon dimer; after that two other structures can be formed, one with the nitrogen bonded to two silicon dimers, and the other with the nitrogen bonded to one silicon dimer and two internal silicons. This last structure corresponds to the most stable species. The results show clearly that the reaction is very favorable energetically. The use of geometrical constraints during the optimization was questioned since it prevents the proper relaxation of the silicon atoms in the first and second layers.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver biosensores de membranas baseados na técnica de Ressonância Plasmônica de Superfície (SPR) e aplicá-los no estudo da interação do citocromo c (cit c) com modelos de membranas. SPR é uma técnica ótica, que através de medidas de variações de índice de refração (n) próximas a uma interface mensura com alta sensibilidade a adsorção ou ligação de moléculas. Inicialmente desenvolvemos um sistema de gradiente de fluxo acoplado ao SPR, denominado FIG-SPR, e demonstramos a determinação automatizada da variação de n em função da concentração (dn/dC) de diferentes compostos e biopolímeros. O desenvolvimento dos biosensores de membranas iniciou-se com o estudo dos fatores que afetam a formação de uma membrana de bicamada híbrida (HBM). HBMs são compostas de uma monocamada de alcanotiol adsorvida sobre o ouro, e sobre esta uma camada fosfolipídica. A formação da HBM depende da fusão de vesículas em superfícies hidrofóbicas e que não é bem compreendido no nível molecular. Nossos estudos mostraram que na presença de cálcio e espermina a formação da HBM é favorecida, de tal forma que a monocamada de fosfolipídio alcança valores de espessura próximos àqueles previstos, cerca de 20 Å\'. Além disso, mostramos que em soluções de baixa força iônica a camada lipídica não é homogênea. Demonstramos também que a presença de cálcio na concentração 150 mM diminui o tempo de formação da monocamada lipídica cerca de 14 vezes quando comparado ao tempo indicado na literatura. A homogeneidade da HBM e a carga superficial da mesma foram verificadas com a adsorção e a dissociação de cit c e de albumina bovina (BSA). Utilizando HBMs de composição lipídica variada demonstramos a adsorção e a dissociação de cit c induzida por cálcio em HBMs mistas, incluindo um modelo mimético da membrana mitocondrial interna (IMM) constituído de fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina e cardiolipina (PC/PE/CL) na proporção (4,5:3,5:2,0). Demonstramos que a adsorção de cit c nativo segue um perfil cooperativo e padrões esperados de variação de afinidade e cooperatividade em pHs 6,8, 7,4 e 8,0. Um modelo matemático foi desenvolvido para tratar as curvas de ligação de cit c, que é uma adaptação do modelo de Hill para adsorção de proteínas em superfícies. Os resultados de SPR juntamente com dados obtidos por Microscopia de Força Atômica (AFM) sugerem que a ligação cooperativa de cit c com HBM ocorre devido à reorganização das moléculas de CL e formação de domínios fosfolipídicos. O tratamento dos resultados cinéticos da dissociação de cit c por cálcio indica a existência de duas constantes de velocidade de dissociação (kd), sendo a primeira constante (kd1) relacionada à perda das interações eletrostáticas entre a proteína e a HBM, e a segunda (kd2) à perda das interações hidrofóbicas. Além disso, a dissociação do cit c do modelo estudado requer uma concentração mínima de cálcio de 30 µM para se tornar significativa. O estudo da interação entre moléculas de cit c foto-oxidadas (citc405) e a HBM de PC/PE/CL sugerem que ela ocorre com menor afinidade, nos três pHs estudados, se comparados aos resultados com cit c nativo. Além disso, nossos resultados sugerem que o citc405 não é facilmente dissociado por cálcio devido à perda da cooperatividade na interação. Possíveis implicações em eventos celulares destas descobertas, como a liberação do cit c da IMM e a iniciação da apoptose, são discutidas / The aim of this work was to develop membrane biosensors based on Surface Plasmon Resonance (SPR) and to apply them to study the interactions between cytochrome c (cyt c) and model membranes. SPR is an optical technique that provides high-sensitivity measurements of refractive index (n), allowing the characterization of the adsorption and desorption of molecules near interfaces. Initially we developed a flow gradient system connected to SPR, which was called FIG-SPR, and demonstrated the automated determination of the concentration gradient of refractive index (dn/dC) of different materials and biopolymers. The development of the membrane biosensors was initiated by studying the factors that affect the formation of a hybrid bilayer membrane (HBM). HBMs are composed of two monolayers: an alcanethiol monolayer adsorbed on gold over which is adsorbed a layer of phospholipids. The formation of an HBM depends on the fusion of phospholipid vesicles on hydrophobic surfaces, a process that is not well understood at the molecular level. Our results showed that in the presence of calcium and spermine the complete formation of an HBM is facilitated, i.e., the phospholipid monolayer reaches the expected thickness of about 20Å\'. However, in low ionic strength solutions the lipid layer that is formed is not homogeneous. We have also demonstrated that in the presence of 150 mM of calcium the time necessary for the formation of the lipid monolayer is reduced 14 times when compared to the times suggested in the literature. The homogeneity of the HBM and its superficial charge were verified with the adsorption and desorption of cyt c and bovine serum albumine (BSA). The adsorption and desorption of cyt c in different HBMs were studied including a model of the internal mitochondrial membrane (IMM), which is made of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine and cardiolipin (PC/PE/CL) in the ratio (4,5: 3,5: 2,0). We demonstrated that the adsorption of native cyt c follows a cooperative profile showing expected changes in affinity and cooperativity in different solution pHs of 6,8, 7,4 and 8,0. A mathematical model, which is an adaptation of the Hill model for adsorption of proteins in surfaces, was developed to treat the binding curves of cyt c. The results of SPR together with those obtained by Atomic Force Microscopy (AFM) suggested that the cooperative binding of cyt c in HBMs occurs due to the reorganization of CL molecules and formation of phospholipid domains. The kinetic results of the dissociation of cyt c induced by calcium indicates the existence of two velocity constants (kd), being the larger (kd1) related to the dissociation of cyt c interacting electrostatically with the HBM, and the smaller (kd2) related to the dissociation of cyt c interacting hydrophobically with the HBM. Moreover, the dissociation of cyt c from the HBM requires a minimum calcium concentration of 30 µM. The study of the interaction between photo-oxidized cyt c molecules (cytc405) and the PC/PE/CL HBM suggests that it occurs with smaller affinity when compared with the results obtained with the native cyt c. Moreover, cytc405 is not easily dissociated by calcium due to the loss of the interaction cooperativity with the HBM. Possible implications of these discoveries in cellular events, such as the release of cyt c from the IMM and the initiation of apoptosis, are discussed

Este trabalho teve como objetivo estudar a interação de polimetacrilato com vesículas de metacrilato de dioctadecildimetílamônio (DODAM) e brometo de dioctadecildimetilamônio (DODAB). A fotoirradiação de vesículas de DODAM a formou polimetacrilato na superfície vesicular do polímero, através da polimerização do contra-íon. Vesículas polimerizadas foram mais estáveis frenta á adição de metanol do que vesículas não polimerizadas. A estabilização da bicamada vesicular foi confirmada com o aumento da retenção da carboxifluoresceína (CF). Vesículas injetadas de DODAM retiveram cerca de 25% de CF, enquanto que vesículas polimerizadas retiveram cerca de 75%. Experimentos de temperatura de transição de fase por turbidez e tensão superfícial mostraram que o polimetacrilato formado na superfície vesicular diminui a temperatura de transição de fase e reduz a cooperatividade. A interação de fosfatase alcalina (Fal) com vesículas de DODAM e colinametacrilato de dicetilfosfato (DCM) foi estudada, como um primeiro passo para a construção de um micro-reator. Foi observada a precipitação na presença de DODAM, mas não em presença de DCM. Isto pode ser explicado pela forte interação entre a superfície de vesículas de dioctadecildimetilamônio (bicamada com carga negativa) com a fosfatase alcalina (carga negativa). Esta precipitação não foi observada com vesículas de DCM (bicamada negativa). Experimentos de monocamada confirmaram estes resultados. DCM e DODAM formaram monocamadas mistas estáveis, sugerindo que vesículas mistas poderiam ser usadas para superar as interações eletrostáticas fortes entre os surfactantes e a enzima. / This work had as objective studying the interaction of polymethacrylate with dioctadecyldimethylammonium methacrylate (DODAM) and brornide (DODAB). The fotoirradiation of vesicular suspensions of DODAM formed polymethacrylate on the vesicle surface though counter-ion polymerization. Polymerized vesicles were more stables on methanol addition than non-polymerized vesicles. Bilayer stability was confirmed with the retention of carboxyfluorescein (CF). DODAM injected vesicles without polymerization retained about 25% of CF, while polymerized DODAM retained about 75%. Experiments of phase transition temperature by turbidity and surface tension showed that polymethacrylate formed at vesicle surface drops phase transition temperature and reduces cooperativity. Polymethacrylic acid and polymethacrylic acid containing rodhamine B covalently linked was used to monitor polymer-vesicle interaction. Experiments showed that the polymer interacts electrostatically with the DODAB bilayer, causing precipitation and or aggregation. The polymer, initially on a confonnation with many hipercoiled hydrophobic regions, opens as interacts with DODAB vesicles. The interaction of alkaline phosphatase (Fal) with vesicles of DODAM and colina-methacrylate dicetylphosphate (DCM) was studied, as a preliminary step for a micro-reactor construction. Precipitation was observed in presence of DODAM, but not in presence of DCM. This may be explained by the strong interaction between the surface of dioctadecyldimethy lammonium vesicles (positive charged bylayer) with Fal (negative charge). This precipitation was not observed with DCM vesicles (negative charged bilayer). Monolayer experiments confirm these results. Experiments showed that DCM and DODAM form stabled mixed monolayers. Suggesting that mixed vesicles could be tried to overcome strong electrostatic interactions between surfactants and enzyme.