Orientador: Maurice de Koning / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-27T17:09:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leite_RodolfoPaula_M.pdf: 4064445 bytes, checksum: 15e944e3607ec0d3b8cb66d00b6ea4f3 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho, apresentamos um estudo a respeito do modelo de Uhlenbeck-Ford como um sistema de referencia para calculos de energia livre de sistemas na fase fluida, utilizando metodos de simulacao molecular. Este sistema artificial, que e caracterizado por um potencial puramente repulsivo e que diverge rapidamente, foi originalmente proposto como um modelo para o estudo teorico de gases imperfeitos. Este modelo foi motivado pelo fato de que todas as integrais de muitos corpos, envolvidas no calculo dos coeficientes viriais, podem ser facilmente calculadas analiticamente. Entretanto apenas oito coeficientes eram conhecidos. Dois novos coeficientes (..10 e ..11) foram determinados para o modelo neste trabalho, alem de uma expressao essencialmente exata para a equacao de estado e energia livre de Helmholtz em funcao de um parametro adimensional. Este nos permitira reunir todas as informacoes a respeito da energia livre do sistema em uma unica expressao, independentemente da escolha de parametros do potencial. Por fim, exploraremos a aplicabilidade deste modelo como um sistema de referencia para calculos de energia livre de sistemas na fase fluida, usando tecnicas de simulacao molecular a partir de processos fora de equilibrio. Nossos resultados para o fluido de Lennard-Jones e para o silicio liquido, descrito pelo potencial de Stillinger-Weber, demonstraram que o modelo de Uhlenbeck-Ford servira como um sistema de referencia para o calculo de energia livre de sistemas na fase fluida / Abstract: In this work, we present a study of the Uhlenbeck-Ford model as a reference system for freeenergy calculations of fluid-phase systems by molecular simulation methods. This artificial system, which is characterized by a rapidly-decaying purely repulsive potential, was originally proposed as a model for the theoretical study of imperfect gases, enabled by the fact that all the many-center integrals involved in the virial coefficients can be easily computed analytically. Although only eight coefficients were known. Two new coefficients (..10 e ..11) were determined for the model in this work, in addition to an essentially accurate expression to the equation of state and Helmholtz free-energy as a function of a dimensionless parameter. This will allow us to gather all information regarding the system of free-energy in a single expression, regardless of the choice of potential parameters. In the end, we explore the applicability of this model as a reference system for free-energy calculations of fluid-phase systems, using non equilibrium process with molecular simulation techniques. Our results for thevLennard-Jones fluid and liquid silicon, described by Stillinger-Weber potential, demonstrate that the Uhlenbeck-Ford model can be used as a reference system for free-energy calculations of fluid-phase systems / Mestrado / Física / Mestre em Física

The interaction between two proteins into salt aqueous solutions is investigated throughout this thesis. Experiments, modeling and molecular simulations were carried out to get a better understanding of the phenomenon. Bovine serum albumin was used as a model protein. An analytical expression for the structure factor for globular proteins in aqueous solution is presented in this work. This expression was obtained considering an intermolecular potential given by the sum of a hard core, a van der Waals attractive and a screened Coulomb contribution. Experimental data of Small Angle X-Ray Scattering for bovine serum albumin in aqueous solutions containing sodium salts at different protein concentrations and pH values are also presented. The expression developed for the structure factor describes accurately these experimental data provided a dependence of the attractive parameter on protein concentration is established. An expression for the osmotic pressure was derived from the structure factor. With attractive parameters adjusted from X-ray scattering data, the osmotic pressure of bovine serum albumin aqueous solutions could be predicted with very good agreement with experimental data. A derivation of the thermodynamic potentials, such as the chemical potential, using the new osmotic equation of state is presented. Applying the phase equilibrium criterion, the fluid-fluid phase equilibrium for bovine serum albumin in salt aqueous solution was calculated. Although such separation was not experimentally observed at the isoelectric point, it was indeed experimentally observed for a pH value below the isoelectric point. The predictions seem to be valuable to discuss how ion specificity affects the phase diagram of proteins. To apply molecular dynamic techniques to simulate how proteins interact to each other in salt aqueous solutions, two new coarse-grained force fields are proposed. The first one, meant for sodium sulfate aqueous solution, avoids the unphysical association observed for non-polarizable atomistic force fields; and allows the prediction of thermodynamic and dynamic properties. The second one, meant for bovine serum albumin in aqueous solution, is used as a new strategy to evaluate the scattering form factor of proteins as a low resolution technique for protein structure prediction. / Nesta tese apresenta-se uma investigação sobre a interação entre duas proteínas em soluções aquosas salinas. Experimentos, modelagem e simulações moleculares foram realizadas para conseguir um melhor entendimento do fenômeno. Albumina de soro bovina foi usada como proteína modelo. Uma expressão para o fator de estrutura de proteínas globulares em solução aquosa é apresentada neste trabalho. Esta expressão foi obtida considerando-se um potencial intermolecular dado pela soma de um núcleo duro, uma contribuição atrativa tipo vander Waals e uma contribuição de potencial coulômbico blindado. Dados experimentais de espalhamento de raios-X a baixos ângulos para a albumina de soro bovino em soluções aquosas contendo sais de sódio com diferentes concentrações de proteína e valores de pH também são apresentados. A expressão desenvolvida para o fator de estrutura descreve com precisão estes dados experimentais, desde que uma dependência entre o parâmetro atrativo com a concentração de proteína seja estabelecida. Uma expressão para a pressão osmótica foi derivada do fator de estrutura. Com parâmetros atrativos ajustados aos dados de espalhamento de raios-X, a pressão osmótica da albumina de soro bovino em solução aquosa pôde ser predita com grande correlação com os dados experimentais. Uma derivação dos potenciais termodinâmicos usando a nova equação osmótica de estado é apresentada. Aplicando o critério de equilíbrio de fases, foi possível calcular o equilíbrio fluido-fluido para a albumina de soro bovino em solução aquosa. Embora tal separação não tenha sido observada experimentalmente em um pH igual ao ponto isoelétrico, ela foi de fato observada experimentalmente para um valor de pH menor do que o ponto isoelétrico. As predições parecem ser valiosas para discutir como a especificidade iônica afeta o diagrama de fases de proteínas. De modo a avaliar como proteínas interagem umas com as outras usando técnicas de dinâmica molecular, dois novos campos de força coarse-grained são propostos. O primeiro, para o sulfato de sódio em solução aquosa, evita a associação não-física que é observada para campos de força atomísticos não-polarizáveis. Este modelo é capaz de prever propriedades dinâmicas e termodinâmicas. O segundo, para a albumina de soro bovino em solução aquosa, é usado como uma nova estratégia para avaliar o fator de forma de espalhamento de proteínas como uma ferramenta de baixa resolução na predição de estruturas proteicas.

The interaction between two proteins into salt aqueous solutions is investigated throughout this thesis. Experiments, modeling and molecular simulations were carried out to get a better understanding of the phenomenon. Bovine serum albumin was used as a model protein. An analytical expression for the structure factor for globular proteins in aqueous solution is presented in this work. This expression was obtained considering an intermolecular potential given by the sum of a hard core, a van der Waals attractive and a screened Coulomb contribution. Experimental data of Small Angle X-Ray Scattering for bovine serum albumin in aqueous solutions containing sodium salts at different protein concentrations and pH values are also presented. The expression developed for the structure factor describes accurately these experimental data provided a dependence of the attractive parameter on protein concentration is established. An expression for the osmotic pressure was derived from the structure factor. With attractive parameters adjusted from X-ray scattering data, the osmotic pressure of bovine serum albumin aqueous solutions could be predicted with very good agreement with experimental data. A derivation of the thermodynamic potentials, such as the chemical potential, using the new osmotic equation of state is presented. Applying the phase equilibrium criterion, the fluid-fluid phase equilibrium for bovine serum albumin in salt aqueous solution was calculated. Although such separation was not experimentally observed at the isoelectric point, it was indeed experimentally observed for a pH value below the isoelectric point. The predictions seem to be valuable to discuss how ion specificity affects the phase diagram of proteins. To apply molecular dynamic techniques to simulate how proteins interact to each other in salt aqueous solutions, two new coarse-grained force fields are proposed. The first one, meant for sodium sulfate aqueous solution, avoids the unphysical association observed for non-polarizable atomistic force fields; and allows the prediction of thermodynamic and dynamic properties. The second one, meant for bovine serum albumin in aqueous solution, is used as a new strategy to evaluate the scattering form factor of proteins as a low resolution technique for protein structure prediction. / Nesta tese apresenta-se uma investigação sobre a interação entre duas proteínas em soluções aquosas salinas. Experimentos, modelagem e simulações moleculares foram realizadas para conseguir um melhor entendimento do fenômeno. Albumina de soro bovina foi usada como proteína modelo. Uma expressão para o fator de estrutura de proteínas globulares em solução aquosa é apresentada neste trabalho. Esta expressão foi obtida considerando-se um potencial intermolecular dado pela soma de um núcleo duro, uma contribuição atrativa tipo vander Waals e uma contribuição de potencial coulômbico blindado. Dados experimentais de espalhamento de raios-X a baixos ângulos para a albumina de soro bovino em soluções aquosas contendo sais de sódio com diferentes concentrações de proteína e valores de pH também são apresentados. A expressão desenvolvida para o fator de estrutura descreve com precisão estes dados experimentais, desde que uma dependência entre o parâmetro atrativo com a concentração de proteína seja estabelecida. Uma expressão para a pressão osmótica foi derivada do fator de estrutura. Com parâmetros atrativos ajustados aos dados de espalhamento de raios-X, a pressão osmótica da albumina de soro bovino em solução aquosa pôde ser predita com grande correlação com os dados experimentais. Uma derivação dos potenciais termodinâmicos usando a nova equação osmótica de estado é apresentada. Aplicando o critério de equilíbrio de fases, foi possível calcular o equilíbrio fluido-fluido para a albumina de soro bovino em solução aquosa. Embora tal separação não tenha sido observada experimentalmente em um pH igual ao ponto isoelétrico, ela foi de fato observada experimentalmente para um valor de pH menor do que o ponto isoelétrico. As predições parecem ser valiosas para discutir como a especificidade iônica afeta o diagrama de fases de proteínas. De modo a avaliar como proteínas interagem umas com as outras usando técnicas de dinâmica molecular, dois novos campos de força coarse-grained são propostos. O primeiro, para o sulfato de sódio em solução aquosa, evita a associação não-física que é observada para campos de força atomísticos não-polarizáveis. Este modelo é capaz de prever propriedades dinâmicas e termodinâmicas. O segundo, para a albumina de soro bovino em solução aquosa, é usado como uma nova estratégia para avaliar o fator de forma de espalhamento de proteínas como uma ferramenta de baixa resolução na predição de estruturas proteicas.

Submitted by ALEXANDRE BORGES null (alex.brgs@hotmail.com) on 2016-06-28T19:11:21Z No. of bitstreams: 1 ESTUDOS DE MODELAGEM MOLECULAR DE LIGNANAS EM COMPLEXOS COM CICLOOXIGENASES-1 E 2.pdf: 4325586 bytes, checksum: 2f6ab56677aea7746bd28dad4b24ea23 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-29T17:41:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 borges_a_dr_ilha.pdf: 4325586 bytes, checksum: 2f6ab56677aea7746bd28dad4b24ea23 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-29T17:41:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 borges_a_dr_ilha.pdf: 4325586 bytes, checksum: 2f6ab56677aea7746bd28dad4b24ea23 (MD5) Previous issue date: 2016-05-11 / Os inibidores seletivos da ciclooxigenase-2 (COX-2), como o rofecoxibe (2) e o celecoxibe (1), formam uma importante classe de medicamentos anti-inflamatórios desenvolvidos a partir da descoberta das duas isoformas das ciclooxigenases (COX-1 e COX-2) na década de 1979. A isoforma 1 esta relacionada com a citoproteção gástrica, agregação plaquetária e função renal e a isoforma 2 relacionada a processos inflamatórios. Estes inibidores seletivos apesar de não apresentarem os efeitos colaterais (ulceras e gastrites) dos anti-inflamatórios não esteroidais (AINEs) clássicos por inibirem apenas a COX-2, apresentam grave risco cardiovascular, o que motivou à retirada do rofecoxibe do mercado. Porém, por ser um eficiente inibidor seletivo da COX-2 a estrutura do rofecoxibe tornou-se referência no estudo de novas substâncias capazes de inibir seletivamente a COX-2. Dentre as ferramentas utilizadas na busca destas novas estruturas está a modelagem molecular através de programas como o GOLD 5.1, que foi utilizado neste trabalho. O uso do GOLD 5.1 possibilitou o estudo do comportamento das estruturas avaliadas em ligação com as ciclooxigenases. O objetivo foi obtenção de estruturas com comportamento semelhante ao rofecoxibe (em relação às COXs) como potenciais candidatos ao desenvolvimento de novos inibidores seletivos para a COX-2. O estudo foi realizado com 480 estruturas modeladas a partir de lignanas naturais como a hinoquinina, cubebina, deoxipodofilotoxina e podofilotoxina, que apresentam atividade anti-inflamatória in vivo ou in vitro, além de semelhanças estruturais com o rofecoxibe. A deoxipodofilotoxina por apresentar seletividade para a COX-2 em ensaio in vitro também foi utilizada como estrutura de referência além do rofecoxibe. Os resultados observados a partir da simulação molecular permitiram concluir que embora tanto o rofecoxibe como a deoxipodofilotoxina (3) inibam seletivamente a COX-2 in vitro, o fazem de modo diferente. Em relação a COX-2 as duas estruturas ocupam a mesma região do sítio ativo, mas o rofecoxibe apresenta interações mais fortes com o bolso hidrofílico desta isoforma (condição necessária para a inibição seletiva para os coxibes). Já para a COX-1 enquanto o rofecoxibe ocupa a porção superior do canal hidrofóbico (sítio ativo) como os demais AINEs, a deoxipodofilotoxina ocupa uma região vizinha. Pelos resultados obtidos é possível sugerir que tanto a maior flexibilidade das estruturas como a presença do anel lactônico, são importantes para um comportamento análogo ao rofecoxibe ou à deoxipodofilotoxina. Com relação à interação com o bolso hidrofílico da COX-2, os resultados sugerem que a presença de grupos aceptores de prótons menos volumosos nas posições C3 e C4, C3’ e C4’ ou C4 levam a resultados melhores que grupos aceptores de maior volume. A presença de grupos doadores de prótons apesar de permitirem forte interação com o bolso hidrofílico da COX-2 leva a resultados globais insatisfatórios, pois formam interações fortes com o resíduo Arg120 do sítio ativo da COX-1, interação considerada importante para a inibição não seletiva. Resultado semelhante à deoxipodofilotoxina foi observado apenas para a estrutura 17. As estruturas 37, 188, 266, 267, 348 e a hinoquinina (4) apresentam resultados semelhantes ao rofecoxibe, para as duas isoformas. Deste modo permite-se sugerir a partir dos resultados obtidos neste estudo que a hinoquinina (4) e as estruturas 17, 37, 188, 266, 267 e 348 apresentam-se como possíveis protótipos de fármacos que atuem como inibidores seletivos para a COX-2. / The selective inhibitors of the cyclooxygenase-2 (COX-2) as rofecoxib (2) and celecoxib (1), form an important class of anti-inflammatory drugs developed from the discovery of two isoforms of cyclooxygenases (COX-1 and COX-2) in the late 1979. Isoform 1 is related to the gastric cytoprotection, platelet and renal function and isoform 2 related to inflammatory processes. These selective inhibitors although they did not side effects (ulcers and gastritis) of the classic NSAIDs to inhibit only COX-2, have severe cardiovascular risk, which led to the withdrawal of rofecoxib from the market. However, to be an effective selective COX-2 to rofecoxib structure has a reference in the study of new substances capable of selectively inhibiting COX-2. Among the tools used in the search of these new structures is by molecular modeling program such as GOLD 5.1, which was used in this work. Using GOLD 5.1 made it possible to study the behavior of structures evaluated in binding with the cyclooxygenases. With the objective of obtaining structures with similar behavior to rofecoxib (regarding behavior with COX) as potential candidates for the development of new selective inhibitors for COX-2. The study was conducted with 480 structures modeled from natural lignans as hinokinin, cubebin, deoxypodophyllotoxin and podophyllotoxin, which have anti-inflammatory activity in vivo or in vitro as well as structural similarities with rofecoxib. The deoxypodophyllotoxin for presenting selectivity for COX-2 in the in vitro assay was also used as a reference structure beyond rofecoxib. The results observed from the molecular simulation showed that although both rofecoxib (2) as deoxypodophyllotoxin (3) selectively inhibit COX-2 in vitro, they do differently. In relation to COX-2 the two structures occupy the same region of the active site, but rofecoxib has stronger interactions with the hydrophilic pocket of this isoform (a necessary condition for the selective inhibition for coxibs). As for the COX-1 while rofecoxib occupies the upper portion of the hydrophobic channel (active site) like other NSAIDs, the deoxypodophyllotoxin occupies a neighboring region. From the results it is possible to suggest that the greater flexibility of the structures such as the presence of the lactone ring, are important for a similar behavior to rofecoxib or deoxipodofilotoxina. With respect to the interaction with the hydrophilic pocket COX-2, the results suggest that the presence of acceptors groups less bulky protons in posítions C3 and C4, C3 ' and C4' and C4 lead to better results than acceptors groups of larger volume. The presence of proton donors groups despite allowing strong interaction with the hydrophilic pocket COX-2 lead to poor overall results, since they form strong interactions with Arg120 residue of COX-1 active site, considered important interaction for inhibiting non-selective. Results similar to deoxipodofilotoxina was only observed for structure 17. Structures 37, 188, 266, 267, 348 and hinokinin (4) show results similar to rofecoxib for the two isoforSA. Thus it allows suggest from the results obtained in this study hinokinin (4) and structures 17, 37, 188, 266, 267 and 348 are shown as possible prototype drugs that act as selective inhibitors for COX-2.

Orientador: Rosangela da Silva de Laurentiz / Resumo: Os inibidores seletivos da ciclooxigenase-2 (COX-2), como o rofecoxibe (2) e o celecoxibe (1), formam uma importante classe de medicamentos anti-inflamatórios desenvolvidos a partir da descoberta das duas isoformas das ciclooxigenases (COX-1 e COX-2) na década de 1979. A isoforma 1 esta relacionada com a citoproteção gástrica, agregação plaquetária e função renal e a isoforma 2 relacionada a processos inflamatórios. Estes inibidores seletivos apesar de não apresentarem os efeitos colaterais (ulceras e gastrites) dos anti-inflamatórios não esteroidais (AINEs) clássicos por inibirem apenas a COX-2, apresentam grave risco cardiovascular, o que motivou à retirada do rofecoxibe do mercado. Porém, por ser um eficiente inibidor seletivo da COX-2 a estrutura do rofecoxibe tornou-se referência no estudo de novas substâncias capazes de inibir seletivamente a COX-2. Dentre as ferramentas utilizadas na busca destas novas estruturas está a modelagem molecular através de programas como o GOLD 5.1, que foi utilizado neste trabalho. O uso do GOLD 5.1 possibilitou o estudo do comportamento das estruturas avaliadas em ligação com as ciclooxigenases. O objetivo foi obtenção de estruturas com comportamento semelhante ao rofecoxibe (em relação às COXs) como potenciais candidatos ao desenvolvimento de novos inibidores seletivos para a COX-2. O estudo foi realizado com 480 estruturas modeladas a partir de lignanas naturais como a hinoquinina, cubebina, deoxipodofilotoxina e podofilotoxina, que apre... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The selective inhibitors of the cyclooxygenase-2 (COX-2) as rofecoxib (2) and celecoxib (1), form an important class of anti-inflammatory drugs developed from the discovery of two isoforms of cyclooxygenases (COX-1 and COX-2) in the late 1979. Isoform 1 is related to the gastric cytoprotection, platelet and renal function and isoform 2 related to inflammatory processes. These selective inhibitors although they did not side effects (ulcers and gastritis) of the classic NSAIDs to inhibit only COX-2, have severe cardiovascular risk, which led to the withdrawal of rofecoxib from the market. However, to be an effective selective COX-2 to rofecoxib structure has a reference in the study of new substances capable of selectively inhibiting COX-2. Among the tools used in the search of these new structures is by molecular modeling program such as GOLD 5.1, which was used in this work. Using GOLD 5.1 made it possible to study the behavior of structures evaluated in binding with the cyclooxygenases. With the objective of obtaining structures with similar behavior to rofecoxib (regarding behavior with COX) as potential candidates for the development of new selective inhibitors for COX-2. The study was conducted with 480 structures modeled from natural lignans as hinokinin, cubebin, deoxypodophyllotoxin and podophyllotoxin, which have anti-inflammatory activity in vivo or in vitro as well as structural similarities with rofecoxib. The deoxypodophyllotoxin for presenting selectivity for COX... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor