34 p. / Inclui proposições / Submitted by PADILHA MARIANA (marivp_vieira@hotmail.com) on 2013-08-07T13:54:07Z No. of bitstreams: 1 Francisco Rodrigues da Silva (1856).pdf: 6464399 bytes, checksum: e4d1843fb3c47d9abcb5444a47cc8d86 (MD5) / Approved for entry into archive by Ribeiro Graça (graca.mr@hotmail.com) on 2013-08-09T17:30:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Francisco Rodrigues da Silva (1856).pdf: 6464399 bytes, checksum: e4d1843fb3c47d9abcb5444a47cc8d86 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-08-09T17:30:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Francisco Rodrigues da Silva (1856).pdf: 6464399 bytes, checksum: e4d1843fb3c47d9abcb5444a47cc8d86 (MD5) / Tese de concurso apresentada a Faculdade de Medicina da Bahia. No universo físico a existência da meteria revela o movimento dos corpos , logo a matéria é inerte, as forças vem tentado explicar a modificação da matéria. A física geral é a mais legitima representante dos conhecimentos da antiguidade da historia natural.

Entre les molècules de l'espai, l’H2 és una de les més rellevants de l'univers. És la més abundant en el medi interestel·lar i és un intermedi clau per a la formació de molècules més grans. La seva formació és complexa, però a causa de la seva inherent rellevància, la comprensió de la seva interacció i la seva formació pot ser considerat com un paradigma del procés astrofísic. La present tesi s'estructura en quatre capítols. El capítol 1 presenta el marc astroquímic en què es troba la tesi, mostrant la presència d'hidrogen interestel·lar en el medi interestel·lar i on es porta a terme, en els grans de pols interestel·lar circumdants. Després de presentar els objectius d'aquesta tesi, el capítol 2 repassa els aspectes teòrics generals que hi ha darrere, com per exemple l'estructura electrònica, els mètodes del funcional de la densitat, el modelització de sòlids i l’efecte túnel, proporcionant finalment els detalls computacionals implicats. El capítol 3 correspon als resultats obtinguts i a la seva discussió i es divideix en diferents seccions. La secció 3.1 presenta algunes de les propietats fisicoquímiques de l'estructura cristal·lina i les corresponents superfícies de Mg2SiO4 forsterita, així com dels sistemes que contenen ferro com la olivina Mg1.5Fe0.5SiO4. La secció 3.2 reporta l'adsorció d'hidrogen atòmic i la seva recombinació per formar una molècula de H2 sobre la superfície cristal·lina (010) de Mg2SiO4 forsterita i la secció 3.3 analitza la rellevància de la morfologia superficial considerant la formació de H2 sobre les superfícies cristal·lines (001) i (110) de Mg2SiO4 forsterita. Finalment, la secció 3.4 investiga la influència dels àtoms de Fe2+ tot modelant la fisisorció i quimisorció d’hidrogen atòmic sobre la superfície cristal·lina (010) de forsterita amb contingut de ferro, tenint lloc posteriorment la formació de H2. El capítol 4 aborda les conclusions generals de la present tesi i les possibles perspectives futures, mentre que el capítol 5 inclou les referències citades. Per últim, l'apèndix A i B aporta informació suplementària reportada en el capítol 3. / Among the molecules in space, H2 is one of the most relevant of the universe. It is the most abundant one in the interstellar medium and is a key intermediate for the formation of bigger molecules. Its formation is complex, but due to its inherent relevance understanding its interaction and its formation can be considered as a paradigm of the astrophysical process. The present thesis introduces in Chapter 1 the astrochemical framework in which the thesis is located, pointing out the presence of interstellar hydrogen in the interstellar medium and where it takes place, in the interstellar dust grains around. After presenting the goals this thesis aims, Chapter 2 overviews the general theoretical aspects behind it, such as electronic structure, density functional methods, solids modelling and tunnelling effects, providing finally the computational details entailed. Chapter 3 corresponds to results and discussion and is divided into different sections. Section 3.1 presents some physicochemical properties of the crystalline bulk structure and the corresponding surfaces of Mg2SiO4 forsterite and of the Fe-containing Mg1.5Fe0.5SiO4 olivine systems. Section 3.2 reports the adsorption of H atoms and their recombination to form a H2 molecule on the crystalline Mg2SiO4 forsterite (010) surface and Section 3.3 analyses the relevance of surface morphology by considering the H2 formation on the crystalline Mg2SiO4 forsterite (001) and (110) surfaces. Finally, Section 3.4 investigates the influence of Fe2+ atoms by modelling the physisorption/chemisorption of H atom on the Fe-containing (010) surface, subsequently taking place the formation of H2. Chapter 4 addresses the general conclusions of the present thesis and possible future perspectives, Chapter 5 includes the references cited and Appendix A and B supports the information given in Chapter 3.

Malgrat el gran nombre d’estudis experimentals i computacionals sobre l’estructura i funció de les proteïnes quinases, els detalls exactes dels canvis estructurals i mecanístics dels passos individuals de la reacció catalítica de transferència del grup fosforil romanen incerts. En principi, els estudis computacionals poden subministrar informació minuciosa i una coneixença complementària al treball experimental, però aquest objectiu només es pot assolir si es fan servir els mètodes computacionals adequats i si el model teòric que s’utilitza representa correctament el sistema biològic. En aquesta Tesi, el mètode QM/MM a nivell DFT/MM s’ha utilitzat per a descriure els diferents mecanismes de reacció sobre la hipersuperfície d’energia potencial de la reacció global de transferència del grup fosforil catalitzada per la Proteïna Quinasa A (PKA). Cal destacar, que a més d’utilitzar models complets i solvatats del sistema biomolecular i nivells de teoria més alts que en treballs anteriors, s’han fet servir també diferents tècniques i algoritmes inclosos en el codi ChemShell, a fi de millorar els càlculs dels camins de reacció i les optimitzacions d’estats estacionaris. En particular, coordenades de reacció més flexibles i el mètode microiteratiu per a localitzar estructures d’estats de transició ens han permès aplicar una metodologia multiescala consistent i fiable per a analitzar minuciosament tant el mecanisme associatiu (que implica la transferència de fosforil simultàniament amb la protonació del grup fosfat transferit) com el dissociatiu (que implica dues etapes: la transferència de fosforil i la protonació del substrat fosforilat) de la reacció de transferència de fosforil catalitzada per la PKA. S’ha prestat especial atenció a les funcions específiques dels residus Asp166, Lys168 i Thr201, al Gly-rich loop, als ions metàl·lics, i a la conformació i l’estat de protonació al llarg de la reacció química de la cadena lateral del substrat i del fosfat que es transfereix. Els resultats d’aquesta Tesi han demostrat que la reacció catalitzada per la PKA no depèn del substrat i que el mecanisme dissociatiu és clarament favorable respecte el mecanisme associatiu. No obstant, els càlculs presentats també mostren que el mecanisme associatiu seria viable quan el dissociatiu està impedit, com amb el mutant D166A. Aquest punt reobre un debat sobre la viabilitat del mecanisme associatiu que semblava superat donat els darrers estudis teòrics. A més a més, els camins de reacció per a la retro-protonació del substrat fosforilat per part del residu Asp166 s’han localitzat, demostrant que Asp166 es comporta com un catalitzador àcid/base general al llarg del mecanisme dissociatiu. Per altra banda, els perfils d’energia potencial QM/MM calculats també demostren, per primera vegada, que la reacció catalítica de transferència de fosforil és viable amb ions metàl·lics alcalinoterris diferents del Mg2+, confirmant resultats experimentals recents que proposen el paper fisiològic del Ca2+ a l’activitat de les quinases. Tant pel mecanisme associatiu com pel dissociatiu, la localització precisa i l’orientació de la triada Asp166-Lys168-Thr201 i de la xarxa de ponts d’hidrogen que aquests residus estableixen al centre actiu, s’ha vist que són essencials per a la catàlisi i especialment per a l’estabilització de les estructures dels estats de transició involucrats. Finalment, els resultats d’aquesta Tesi han proveït amb una seqüència completa de l’evolució geomètrica de l’estructura del complex ternari al llarg de la reacció catalítica. Això permet una comparació acurada amb les estructures de raigs-X cristal·logràfiques que han estat proposades experimentalment com a imatges moleculars del procés catalític de fosforilació. En particular, el bon acord entre les estructures teòriques i els estudis experimentals validen la visió atòmica de la reacció presentada en aquesta Tesi, revelant canvis conformacionals, de coordinació i dels ponts d’hidrogen que tenen lloc durant la recció química i la seva relació amb la dinàmica de l’enzim. / Despite extensive experimental and computational studies about the structure and function of kinases, exact details regarding the complex structural changes and the mechanistic details of individual stages involved in the catalyzed phosphoryl-transfer reaction remain uncertain. In principle, computational studies can provide detailed information and insights to complement experimental studies, but this goal can only be attained when the appropriate computational approaches are employed and the theoretical model used is a good mimic of the biological system. In this Thesis, the QM/MM approach at the DFT/MM level of theory was used to describe the different reaction mechanisms on the potential energy hypersurface of the global phosphoryl-transfer reaction catalyzed by the Protein Kinase A (PKA). Remarkably, besides making use of more complete solvated models of the biomolecular system and higher levels of theory than the ones employed in previous works, several techniques and algorithms within the computational chemistry suite ChemShell were used to improve the accuracy of the reaction path calculations and stationary points optimizations. In particular, more flexible reaction coordinates, the location of the stationary points with the hybrid delocalized internal coordinates, and the microiterative method to locate transition structures allowed us to apply a consistent and reliable multiscale methodology to examine minutely both the associative (involving a concomitant phosphoryl-transfer and protonation of transferred phosphate) and dissociative (involving two steps: phosphoryl-transfer and back protonation of the phosphorylated substrate) mechanisms of the phosphoryl-transfer reaction catalyzed by PKA. Special attention was paid in the specific roles of the invariant residues Asp166, Lys168, and Thr201, the conserved Gly-rich loop, the metal ions, and the conformation and protonation state of the substrate residue side chain and transferred phosphate along the chemical reaction. The results in this Thesis demonstrate that the catalytic reaction catalyzed by PKA is not substrate-dependent and that the dissociative mechanism is clearly more favorable than the associative one. Nevertheless, the presented calculations also show the plausibility of the associative reaction pathway when the dissociative counterpart is impeded as it is in the D166A mutant. This reopens the debate about the plausibility of the associative reaction pathway that in view of the last theoretical works in the field seemed to be overcame. Moreover, the reaction paths for the back protonation of the phosphorylated substrate by Asp166 have been located, so demonstrating that Asp166 behaves as a general acid/base catalyst along the dissociative mechanism. In addition, QM/MM potential energy profiles determined in this Thesis also demonstrate, for the first time, that the catalyzed phosphoryl-transfer is plausible with alkali earth metal ions other than Mg2+ ions, what confirms recent experimental results where the physiological role of Ca2+ in kinase activity has been proposed. For both the associative and the dissociative mechanisms, the precise location and orientation of the triad Asp166-Lys168-Thr201 and the hydrogen bond network these residues establish within the active site are shown to be essential for catalysis, particularly in the stabilization of the transition state structures involved. Lastly, the results in this Thesis provide a complete sequence of the geometrical evolution of the structure of the ternary complex along the catalytic reaction. This permits an accurate comparison with new X-ray crystallographic structures that have been suggested as experimental snapshots of the catalyzed-phosphorylation process In particular, the good agreement between the theoretically determined structures and the crystallographic studies validate the atomic view of the reaction presented in this Thesis, thus revealing conformational, coordination, and hydrogen bond changes that occur during the chemical step and its relation with the enzyme dynamics.

Uno de los principales retos de la ingeniería de nanomotores, además de las dificultades para fabricar objetos nanométricos complejos, es cómo proveerles de energía para que funcionen. La aplicación de campos externos es una forma común y fácil de impulsar motores relativamente grandes. Sin embargo, cuando el tamaño de los motores se hace más pequeño, la transferencia de energia desde la escala macroscópica a la nanoescala se vuelve más problemática. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas a nivel de la nanoescala totalmente autónomos que puedan generar su propia energía para poder autopropulsarse es muy deseable. Los sistemas biológicos ofrecen numerosos ejemplos de micro/nano motores autónomos. El punto clave detrás de la eficiente maquinaria biológica es la conversión de energía química en movimiento direccional. Por lo tanto existe un alto interés en crear nuevos motores artificiales que puedan auto-impulsarse y realizar actividades autónomas de forma similar a la impresionante maquinaria molecular de los organismos vivos. Recientemente se ha comenzado una intensa actividad científica en el desarrollo de motores y sistemas de bombeo propulsados químicamente en base a la auto-generación local de gradientes. El presente trabajo de investigación trata sobre el concepto de microsistemas de bombeo catalítico que fue reportado por primera vez en 2005. Un microsistema de bombeo catalítico es un sistema activo que tiene la capacidad de inducir fenómenos electrohidrodinámicos a partir de una reacción (electro)química sobre una micro/nano estructura bimetálica. Aunque los dispositivos catalíticos han sido objeto de investigaciones anteriores en el que sus aplicaciones nanotecnológicas han comenzado a demostrarse, el mecanismo de actuación quimio-mecánica ha sido menos estudiado. Esto es en parte debido a la compleja interrelación que existe entre las reacciones catalíticas y los fenómenos electro-hidrodinámicos. Como consecuencia de ello todavía hay una serie de preguntas sin resolver que requieren mayor investigación para establecer el rol desempeñado por los diferentes procesos y lograr una mejor comprensión del mecanismo detrás de ellos. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se ha realizado una caracterización exhaustiva de la actuación quimio-mecánica para entender los principales factores fisicoquímicos que regulan el mecanismo de funcionamiento de microbombas bimetálicas de Au- Pt en presencia de peróxido de hidrógeno como combustible. Las investigaciones han sido solventadas no sólo con resultados experimentales sino también con simulaciones numéricas. Estos estudios fundamentales son relevantes no sólo para estos sistemas de bombeos catalíticos, sino también para micro/nanomotores o nanorobots suspendidos en fluidos o coloides activos autopropulsados. Los estudios se han extendido también a otras estructuras bimetálicas ( Au- Ag , Au- Ru , Au -Rh , Cu - Ag , Cu - Ni, Ni- Ru y Ni- Ag) y a dispositivos semiconductores/metálicos ( Si dopado p / Pt , Si dopado n / Pt) con la idea de evaluar sus potencialidades como sistemas de bombeo catalítico en presencia del mismo combustible químico. En el caso de los sistemas metal/semiconductor su funcionamiento se basa en la fotoactivación de reacciones catalíticas, lo que proporciona un valor añadido a estas bombas y permite el desarrollo de nuevos interruptores foto-electrohidrodinámicos. Estos logros pueden abrir nuevas y prometedoras líneas de investigación en el campo de los actuadores y nanomotores catalíticos. El trabajo de tesis describe también una de las posibles aplicaciones de estos dispositivos activos que está relacionada con el transporte y depósito de materia en lugares específicos de un sustrato guiado por los fenómenos electrohidrodinámicos locales. Eso permite fabricar superficies nanoestructuradas de forma autónoma con un gran impacto nanotecnológico en una amplia gama de campos. / One of the main challenges in the engineering of nanomachines, besides the difficulties to fabricate complex nanometric objects, is how to power them. The application of external fields is a common and easy way to actuate relatively large machines. However, when the size of the machines becomes smaller, the transfer of power from the macroscopic scale to the nanoscale becomes problematic. Therefore, the development of fully autonomous nanoscale systems which can self-generate their required power is very desirable. Biological systems are the source of numerous examples of natural micro/nanoscale autonomous motors. The conversion of chemical energy into directional motion is the key point behind the high efficient nanofactory of biomolecular machines. Therefore there is a high interest to create novel artificial machines which can self-propel and perform autonomous activities in a similar way the impressive molecular machinery does in living organisms. Many research activities have recently focused on chemically powered motors and micropumps based on the local self-generation of gradients. The present research work deals with the catalytic micropump concept which was reported for the first time in 2005. A catalytic micropump is an active system which has the capability of triggering electrohydrodynamic phenomena due to an (electro)chemical reaction taken place on a micro/nano bimetallic structure. Although catalytic devices have been the subject of previous reports in which their nanotechnological applications have started to be demonstrated, the mechanism of the chemo-mechanical actuation has been less studied. That is in part due to the complex interrelation between the catalytic reactions and the electro-hydrodynamic phenomena. As a consequence there is still a number of intriguing questions that require further investigation for establishing the role played by the different processes and for achieving a better understanding of the mechanism behind them. Therefore, the research was focused on the full characterization of the chemomechanical actuation and the understanding of the main physicochemical factors governing the operating mechanism of Au-Pt bimetallic micropumps in presence of hydrogen peroxide fuel. The investigations were supported not only by experimental findings but also by numerical simulations. These fundamental studies are of high importance not only for catalytic micropumps but also for other autonomous micro/nano swimmers or active self-propelled colloids. The studies were also extended to other bimetallic structures (Au-Ag, Au-Ru, Au-Rh, Cu-Ag, Cu-Ni, Ni-Ru and Ni-Ag) and to semiconductor/metallic structures (p-doped Si/Pt, n-doped Si/Pt) to evaluate their potentialities as catalytic micropumps in presence of the same chemical fuel. In the last case photoactivation of the catalytic reactions can be accomplished which provides an added value to these pumps as novel photochemical-electrohydrodynamic switches. These achievements can open new and promising research activities in the field of catalytic actuators and nanomotors. The thesis work also describes one of the potential applications of these active devices which is related to the autonomous material guiding and self-assembly on particular locations of a sample. That allows fabricating nanostructured surfaces in an autonomous way with potential nanotechnological impact in a wide range of fields.

Un primer paso para conocer la entrada del virus de la hepatitis G en la célula es conocer dónde se encuentra el péptido de fusión. Por esta razón, éste fue el principal objetivo de la presente tesis. Dentro de la familia "Flaviviridae", los péptidos de fusióndescritos hasta el momento, se encuentran en la zona interna de la proteína estructural.El virus de la hepatitis G se asemeja estructuralmente al virus de la hepatitis C, por ello,la búsqueda del péptido de fusión se centró en la proteína estructural E2 también presente en el virus de la hepatitis C. Las regiones escogidas dentro de la proteína estructural pertenecen a la región amino terminal, E2(7-26), y la zona interna (E2(279-298).Estas secuencias fueron sintetizadas mediante metodología en fase sólida y se estudió lainteracción entre los péptidos y modelos de membrana de distinta complejidad (monocapas lipídicas, bicapas lipídicas). Las técnicas utilizadas para conocer la interacción entre ambos fueron las isotermas de Langmuir, la calorimetría diferencial de barrido, la espectroscopia de fluorescencia, la espectroscopia de UV y la microscopía.Además se estudió la conformación adoptada por los péptidos por las técnicas de dicroísmo circular y espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier. De todos los resultados obtenidos el péptido que interaccionó en mayor medida con los modelos de membrana, además de desestabilizar y producir fusión fue E2(279-298). Este péptido producía un cambio en su conformación al interaccionar con membranas fosfolipídicas(sobre todo en presencia de cargas negativas) hacia una estructura de tipo alfa-hélice. Este cambio hacia una estructura más ordenada podría proporcionar la conformación activa del péptido responsable de la desestabilización de las membranas. / The hepatitis G virus (GBV-C/HGV) is a enveloped RNA virus belonging to the "Flaviviridae" family. The natural history of the GBV-C/HGV infection is at present not fully understood and its potential to cause hepatitis in humans is questionable.Elucidation of the mechanism of the fusion of enveloped viruses to target membranes has attracted considerable attention because of its relative simplicity and potential clinical importance. Apart from the functions of viral binding to target membranes and the activation of viral fusion proteins, usually only one viral protein is responsible for the membrane fusion step. However, the nature of the interaction of viral fusion proteins with membranes and the mechanism by which these proteins accelerate the formation of membrane fusion intermediates are poorly understood. In this sense, specializedhydrophobic conserved domains ("fusion peptides") have been postulated to be absolutely required for the fusogenic activity.The main objective of the present work was the knowlegment of the fusion peptide of the hepatitis G virus. For this purpose we have performed studies with different synthetic peptides belonging the envelope protein E2 of hepatitis G virus. The selected peptides were from the amino terminal part of the protein (E2(7-26)) and from the internal part (E2(279-298)). We have analysed lipid-peptide interactions depending on the degree of complexity of model membranes: monolayer studies (surface activity,insertion of peptides into monolayers) and liposomes studies (differential scanningcalorimetry, fluorescence measurements). The peptides were compared for their abilityto interact and perturb membranes. In addition, they were also tested for their ability toinduce both leakage of vesicular contents and vesicle fusion as well as to lyse erythrocytes. Furthermore, we have studied the conformational behaviour of the peptides in water and in different membrane environments by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and circular dichroism (CD). The results obtained showed that the E2(279-298) sequence was able to interact, penetrate and permeabilize vesiclesbilayers in a higher extent than E2(7-26) sequence. Furthermore, the interaction withmembranes induced a change in the internal peptide to an alpha-helical conformation whilethe amino terminal sequence did not. This indicate that this internal segment peptidecould be involved in the fusion of hepatitis G virus into cell membrane.

En aquesta tesi s'ha dissenyat i aplicat diferents eines teòriques i computacionals per a l'estudi de la reactivitat de l'enzim Mandelat Racemasa.L'enzim Mandelat Racemasa catalitza la interconversió dels dos enantiòmers (S) i (R) de l'àcid mandèlic a una velocitat semblant. El mecanisme de reacció que es postula experimentalment passa per l'abstracció d'un protó molt poc àcid. Aquesta reacció molt poc favorable en medi aquós l'enzim la catalitza a una velocitat sorprenentment alta.Fent un estudi Mecànica Quàntica / Mecànica Molecular (QM/MM) de la reactivitat de l'enzim s'han trobat els intermedis i les barreres de reacció que permeten deduir tres mecanismes a través dels quals el substracte natural mandelat i altres dos substractes anàlegs poden racemitzar. Expliquem de quina manera l'enzim pot fer la catàlisi tant efectiva i equivalent per als dos enantiòmers.Partint de la necessitat de millorar l'estudi QM/MM anterior, sobretot pel què fa a l'acurada localització dels estats de transició (barreres reacció), s'ha dissenyat un mètode d'optimització d'estructures per ser aplicat a sistemes de milers d'àtoms com ho és el nostre enzim. El mètode anomenat micro-iteratiu es basa en una cerca segons les equacions Rational Function Optimization (RFO) en una zona reduida mentre es minimitza l'entorn amb un mètode computacionalment barat com el LBFGS. Aquest mètode micro-iteratiu ha estat formulat, implementat i testejat en sistemes moleculars grans i petits. Se n'ha estudiat les diferents opcions donant una recepta pràctica per al seu ús en altres reaccions. També se n'ha justificat el seu desenvolupament posant de relleu les millores obtingudes amb aquest nou mètode quan es comparen els nous resultats amb els obtinguts en l'estudi QM/MM inicial.Finalment, l'energia lliure de la reacció enzimàtica s'ha calculat amb tècniques de la dinàmica molecular i de l'Umbrella Sampling. Per aquest tipus de càlcul és imprescindible escollir a priori una coordenada de reacció que permeti anar de reactius a productes, en altres paraules, és necessari saber com té lloc la reacció. Gràcies a la prèvia localització d'estats de transició amb el mètode micro-iteratiu podem conèixer el mecanisme de reacció. I per tant podem emprar una coordenada de reacció adequada que ens permet calcular l'energia lliure de reacció de forma efectiva. / In this thesis several theoretical techniques to study the Mandelate Racemase enzyme reactivity are designed and used.The Mandelate Racemase enzyme catalyses the interconversion of both enantiomers (S) and (R) of mandelic acid at apparently the same rate. Experimental results suggest that the reaction mechanism takes place through the abstraction of a non-acid hydrogen. This reaction is very low in aqueous media but the enzyme catalyzes it at an extremely fast rate.We carry out a QM/MM study of the enzyme reativity. We have found the intermediate structures and the energy barriers corresponding to three proposed mechanisms that the natural substrate mandelate and two other substrate analogues may undergo. We are able to explain how the the efficient catalysis is performed for the two enantiomers.Due to the lack in the previous QM/MM study of an efficient method to locate transition state structures (energy barriers) we have designed an structure optimization method to be applied to systems constituted by thousands of atoms such as our enzyme.The so-called micro-iterative method consists in a search based on the Rational Function Optimization (RFO) equations applied in a core zone while the environment is minimized through a computationally affordable method such as LBFGS. The micro-iterative method has been formulated, implemented and tested for small and big molecular systems. We have studied several possible options giving as a result a practical guide for its usage in other reactions. Comparing the results coming from the initial QM/MM study with the ones found by this micro-iterative method we show an improvement that justifies the development.Finally, the free energy corresponding to the enzymatic reaction is calculated by means of Molecular Dynamics and Umbrella Sampling techniques. The free energy computation requires the a priori election of a reaction coordinate that allows the system to go from reactants to products. In other words, it is essential to know how the reaction takes place. Thanks to the accurate search of transition states performed previously by the micro-iterative we can find the reaction mechanism. In this sense we can use an adequate reaction coordinate that permits us an efficient calculation of the reaction free energy.

No description available.

Tesi realitzada a l'Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) / Multifunctional polymeric nanoparticles (NP) represent a promising alternative for the treatment of neurodegenerative diseases using the intravenous route (i.v.). In current treatments, the effects of the intravenously injected drugs are systemic, requiring high drug doses to achieve therapeutic effects, thus causing severe side effects. NP can act specifically in a tissue provided that they are properly designed. An interesting approach is the preparation of NPs by nano-emulsion templating. Nano-emulsions (NE) are fine emulsions, with droplet sizes typically between 20 – 200nm. They can be prepared by the phase inversion composition (PIC) method, a low-energy emulsification method appropriate for pharmaceutical applications, since it can be performed at mild process conditions. Nanoparticles are obtained from nano-emulsions by solvent evaporation. To target the central nervous system (CNS), a specific targeting moiety on the nanoparticle surface is required to cross the blood-brain barrier (BBB), which is a current key goal under intense investigations. The aim of this work was to obtain multifunctional polymeric NP as advanced delivery systems able to cross the BBB. O/W polymeric NE were prepared by the PIC method and polymeric NPs were obtained by solvent evaporation. Polymeric NP with appropriate sizes for the i.v. administration (<1milimicron) were obtained. With the aim to design imaging systems, a model fluorescent dye and magnetic nanoparticles were encapsulated in polymeric NPs. An analgesic and an antiapoptotic drugs were also encapsulated into PLGA NP for therapeutic purposes. High encapsulation efficiencies were found for all tested compounds, attributed to the method of nanoparticle preparation as well as to low solubility of the components in the aqueous dispersion media. In addition, a sustained and controlled release of fluorescent dyes / drugs was achieved. NP surface was functionalized using various elements. On the one hand, it was functionalized with a monoclonal antibody against the transferring receptor, overexpressed in the BBB, to achieve an active targeting to the BBB. On the other hand, NPs were functionalized with oligonucleotides, to be used as non-viral gene delivery systems. Firstly, carbosilane cationic dendrons were covalently attached to nanoparticle surface to achieve a cationic surface. In a further step, antisense oligonucleotides, siRNA and plasmids were electrostatically bound to cationized nanoparticles. In vitro tests showed that the formulated NP did produce neither cytoxicity nor hemolysis. In addition, they were weak activators of the immune system and produced only a slight adsorption of blood proteins. Therefore, they are appropriate to be used by the i.v. route. NPs functionalized with oligonucleotides enhanced gene transfection in cell cultures, up to values comparable to those of commercial values (up to 90%). These NPs are advantageous in terms of toxicity issues over the commercial formulations. Therefore, they represent promising non-viral gene delivery systems. In vivo tests, which measured the central analgesia produced by an encapsulated drug into nanoparticles (loperamide) that is not able to cross the BBB, confirmed a central analgesic effect, reaching a potency of analgesia comparable to positive controls when nanoparticles were functionalized with the antibody. Therefore, the antibody functionalized nanoparticles efficiently crossed the BBB. In conclusion, the designed polymeric nanoparticles, functionalized with the antitransferrin receptor antibody, are able to cross the BBB with high efficiency. These nanoparticles represent promising nanosystems to deliver actives to the central nervous system. / Les nanopartícules polimèriques multifuncionals (NPs) representen una alternativa prometedora pel tractament de malalties neurodegeneratives, a través de l’administració intravenosa (i.v.), ja que els tractaments actuals provoquen molts efectes secundaris. Les NPs, en canvi, si estan correctament dissenyades, poden actuar específicament en el teixit diana. Ja que l’òrgan diana és el cervell, és necessari un element de vectorització per poder creuar la barrera hemato-encefàlica (BBB). En aquest context, l’objectiu de la present tesi és l’obtenció de NPs com a sistemes avançats d’alliberament de principis actius que travessin la BBB. Es van obtenir NPs a partir de nano-emulsions (NE) plantilla, emprant l’àcid poli-(làctic-co-glicòlic) com a polímer i el mètode d’inversió de fases a temperatura constant per emulsionar, seguit d’evaporació de solvent per obtenir NPs. Les NPs obtingudes tenen mides apropiades per l’administració i.v.. Es va aconseguir encapsular un fluorescent i NPs magnètiques dins les NPs polimèriques, per fer-les servir com a sistemes d’imatge. També es van encapsular fàrmacs per usar-les com a sistemes terapèutics. En tots els casos, es van aconseguir eficiències d’encapsulació molt elevades i un alliberament del fàrmac controlat i prolongat en el temps. A més, es va aconseguir funcionalitzar la superfície de les NPs amb diferents elements. Es van unir covalentment dendrons catiònics per posteriorment unir oligonucleòtids electrostàticament. També es va afegir una coberta exterior de polietilenglicol per protegir el material genètic. Per altra banda, es va funcionalitzar la superfície de les NPs amb un anticòs específic contra el receptor de la transferrina, sobreexpressat a la BBB. A continuació, es van fer assajos in vitro, que van posar de manifest que les NPs no són citotòxiques ni hemolítiques. També es va estudiar l’eficiència de transfecció cel•lular del material genètic, arribant a eficiències de transfecció equivalents a les dels vectors comercials. Assajos in vivo van permetre confirmar el pas a través de la BBB, sobretot de les NPs funcionalitzades amb l’anticòs. Els resultats obtinguts permeten concloure que s’ha aconseguit dissenyar noves NPs polimèriques a partir de NE, apropiades per l’administració i.v. i amb capacitat de travessar la BBB.

La Fotocatálisis Heterogénea con Dióxido de Titanio (TiO2) ha sido ampliamente estudiada en los últimos 30 años. Como resultado de este esfuerzo de investigación se han obtenido grandes avances en la comprensión de los fenómenos fundamentales involucrados en el proceso y se ha logrado la aplicación exitosa de varios dispositivos con tecnología fotocatalítica en áreas como la remediación medioambiental, la producción de energía renovable, y el diseño de materiales con propiedades de “autolimpieza”. Sin embargo, la comunidad científica en el campo de la fotocatálisis reconoce que existen diversas cuestiones de carácter fundamental sin resolver. En las décadas de los 80 y 90 diversos mecanismos de reacción y modelos cinéticos fueron propuestos para ser empleados en la interpretación del considerable conjunto de datos experimentales reportados acerca de reacciones de fotooxidación con TiO2. A pesar del gran avance en el conocimiento de aspectos fundamentales sobre algunas de estas cuestiones, varios supuestos, tomados como verdades por la comunidad científica, fueron puestos en duda debido a los descubrimientos realizados en la primera década de este siglo en el campo de los estudios de ciencia de superficies aplicados a cristales de TiO2. En particular, se demostró que el catalizador no puede considerarse sólo como partículas desprovistas de estructura en la superficie. Al contrario, la estructura química de la superficie del catalizador y su interacción con las moléculas presentes en el medio de reacción es un factor determinante para entender los eventos que se desencadenan debido a la excitación del catalizador (TiO2). La presente tesis doctoral se propone elucidar interpretaciones alternativas a la cinética y mecanismos de las reacciones de oxidación fotocatalítica tomando en cuenta los novedosos descubrimientos descritos anteriormente. Para desarrollar esta tarea se ha realizado un exhaustivo análisis de la literatura científica sobre la química de superficie del TiO2, y se desarrolló un estudio experimental sobre la interacción del TiO2 con diversas moléculas orgánicas, la relación de estas interacciones con la cinética de fotooxidación, y sobre algunos aspectos fundamentales del mecanismo de fotooxidación de diversos compuestos modelos. Estos temas se discuten en detalle en cuatro publicaciones y tres manuscritos que serán enviados a publicar en un futuro cercano. Los resultados aquí reportados confirman el rol crucial que desempeña la superficie del TiO2 en los mecanismos y la cinética de transferencia de carga interfacial de las reacciones fotocatalíticas. Específicamente, se dilucidó el rol desempeñado por los oxígenos de la superficie de la red cristalina del TiO2 en el mecanismo de reacción. Además, se demostró que el mecanismo de trasferencia de carga interfacial depende fuertemente del grado de interacción electrónica entre la superficie del semiconductor y la molécula orgánica a fotooxidar. Los hallazgos arriba descritos aportan nuevas ideas al debate científico actual sobre aspectos fundamentales de la fotocatálisis con TiO2. De otra parte, los nuevos enfoques sobre la cinética y mecanismos de las reacciones fotocataliticas que se reportan en esta tesis puede proporcionar una base más racional para el diseño de catalizadores más eficientes que puedan ser empleados en aplicaciones prácticas. / TiO2 photocatalysis has been extensively studied over the last three decades. The output of this research effort is an increasing fundamental understanding of the phenomena involved in the process and the successful application of photocatalytic technological devices in different areas such as environmental purification, renewable energy production, and design of materials with “self cleaning” properties. However, the scientific community in the field of photocatalysis recognizes that several fundamentals issues still remain unclear. In the 80 and 90’s decades several reaction mechanisms and kinetic models were proposed for the interpretation of the large body of experimental data concerning TiO2-assisted photooxidation reactions. Despite the huge advance in the fundamental knowledge of these topics that was achieved, several assumptions taken as truths by the scientific community were challenged by the findings of surface science studies on TiO2 crystals reported in the first decade of this century. These findings brought new insights into the surface chemistry of TiO2. It was demonstrated that the TiO2 catalyst can not be considered just as particles devoid of surface structure. Conversely, the chemical structure of the catalyst surface and its interaction with molecules in the reaction media is a determinant factor to understand the events triggered by TiO2 excitation. This PhD thesis is aimed at elucidating some alternative interpretations of kinetics and mechanisms of photocatalytic oxidation reactions taking into account the aforementioned novel insights. This task has been addressed by a comprehensive analysis of the scientific literature on the topic of surface chemistry of TiO2 and by an experimental study comprising TiO2-surface/substrate interactions, their relationship with kinetics of photooxidation reactions, and mechanistic issues related to photocatalytic oxidation of several model compounds. The above issues are discussed in detail in four published articles and three manuscripts that will be submitted for publication in the near future. The results reported here confirm the crucial role of the TiO2 surface in the mechanisms and the kinetics of interfacial charge transfer in photocatalytic reactions. Specifically, the role of TiO2 surface lattice oxygens in the reaction mechanism was elucidated. Moreover, it was found that the mechanism of interfacial charge transfer strongly depends on the degree of electronic interaction between the semiconductor surface and the organic substrate to be photooxidized. The above findings provide new ideas to the current scientific debate around fundamental issues of TiO2 photocatalysis. On the other hand, the new insights into the kinetics and mechanisms of photocatalytic reactions reported here can provide more rational strategies for the development of more efficient photocatalysts for practical applications.

The world of Polyoxometalates (POMs) has extensively grown up since the last decade of the XXth century. Since that dates the number of articles related with these metal-oxides clusters have been increased. In this thesis based in the use of Computational Techniques, I have started studding the alkene epoxidation with hydrogen peroxide as oxidant catalysed by Titanium-substituted POMs using Density Functional Theory methods, and how the role of the protonation enhances the reactivity and the selectivity for the heterolytic mechanism. Second I have investigated the nature of the Zr-substituted POMs at different pH conditions and it has been related with the selected conditions for the self-assembly process. Therefore, the solution behaviour of these species have been analysed using Classical Molecular Dynamics simulations. Finally, a new and novel class of POMs have been analysed to support the experimental research of Polyoxopalladates metal-oxides with the analysis of the geometry and electronic structure of these species. / El món dels Polioxometal•lats(POMs) ha crescut molt des de l’última dècada del segle XX. Des d’aquestes dates, el número d’articles relacionat amb aquest òxids metàl•lics ha augment. En aquesta tesis, m’he basat en l’ús de tècniques computacionals per començar estudiant la epoxidació d’alquens amb aigua oxigenada catalitzada per POMs substituïts per Titani emprant mètodes de DensityFunctionalTheory i com la protonació millora la selectivitat i la reactivitat del mecanisme heterolític. Tot seguit s’ha estudiat la naturalesa dels POMs substituïts per Zirconi a diferents condicions de pH i s’ha relacionat amb el seu auto-assemblatge per la formació de dímers. S’han emprat mètodes Classical Molecular Dynamics per estudiar el comportament en solució d’aquestes espècies. Finalment, s’ha investigat una nova classe de POMs que conté metalls nobles en la seva estructura i s’ha analitzat la seva geometria i estructura electrònica per donar suport als resultats experimentals.