Submitted by Sandra Pereira (srpereira@ufrrj.br) on 2017-01-12T11:50:46Z No. of bitstreams: 1 2016 - Otavio Augusto Chaves.pdf: 6300833 bytes, checksum: 156947ce06fa4e3b0674f5eaeaa4ef06 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-12T11:50:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016 - Otavio Augusto Chaves.pdf: 6300833 bytes, checksum: 156947ce06fa4e3b0674f5eaeaa4ef06 (MD5) Previous issue date: 2016-07-19 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico - CNPq / The interactions between human serum albumin (HSA) with 18-PF, BZL, MTZ and MZ and between bovine serum albumin (BSA) with t-DCTN, PF, LF-B, PIA and ?-lap were studied by spectroscopic techniques (molecular absorption in the UV-Vis region, circular dichroism, emission fluorescence in the steady state and temporal resolution) under physiological conditions. Theoretical calculations by molecular docking were performed to complement the experimental data and thus offer accurate to the results. The results obtained for the fluorescence quenching rate constant (kq) is greater than the diffusion rate constant in water (kdiff ? 5,00x109 L/mol), indicating that there is formation of complex between albumin and biologically active molecules in the ground state (for the sample PIA we confirmed this data with time resolved fluorescence experiments). For t-DCTN and LF-B beyond the static mechanism it was observed the presence of dynamic fluorescence quenching mechanism. Finally, for PF and PIA F?rster theory shows that the energy transfer between the fluorophore and the quenchers can occurs with high probability. The thermodynamic values for Gibbs? free energy are in accordance with the spontaneity of the association, for all the samples. Thermodynamic parameters ?H? and ?S? provided evidence of the main intermolecular interactions in the association. The samples 18-FP, t-DCTN, LF-B, PIA, ?-lap, BZL and MTZ interact with albumin by hydrogen bonding and hydrophobic interactions. On the other hand, PF and MZ interact by hydrogen bonding and electrostatic forces. The number of binding sites shows that there is only one main cavity of the protein to the interaction. For 18-PF, PF and LF-B the binding is weak, for t-DCTN the binding is moderate and for PIA, ?-lap, BZL, MTZ and MZ the binding is strong. Circular dichroism results show that upon binding of samples with the albumin there are no significant perturbations on the secondary structure of the protein. Theoretical calculations by molecular docking are in full agreement with the spectroscopic results / As intera??es entre albumina s?rica humana (ASH) com 18-FP, BZL, MTZ e MZ e entre albumina s?rica bovina (ASB) com t-DCTN, PF, LF-B, PIA e ?-lap foram estudadas por t?cnicas espectrosc?picas (absor??o molecular no UV-Vis, dicro?smo circular, emiss?o de fluoresc?ncia no estado estacion?rio e com resolu??o temporal) sobre condi??es fisiol?gicas. C?lculos te?ricos por ancoramento molecular (do ingl?s molecular docking) foram executados para complementa??o dos dados experimentais e dessa forma obter resultados mais precisos. Os resultados obtidos para as constantes de velocidade de supress?o de fluoresc?ncia das albuminas (kq) s?o maiores do que a velocidade de difus?o em ?gua (kdiff ? 5,00x109 L/mols), indicando que h? forma??o de um complexo no estado fundamental entre as albuminas com as mol?culas biologicamente ativas (para amostra PIA tal dado foi confirmado com a fluoresc?ncia resolvida no tempo). Para as amostras t-DCTN e LF-B al?m do mecanismo est?tico foi observado ? presen?a do mecanismo din?mico e j? para as amostras PF e PIA o c?lculo de F?rster mostra alta probabilidade de ocorr?ncia de transfer?ncia de energia entre o fluor?foro e os supressores. Os valores termodin?micos de energia livre de Gibbs, calculados para todas as amostras est?o de acordo com a espontaneidade da associa??o. Par?metros termodin?micos de ?H? e ?S? forneceram ind?cios das principais intera??es intermoleculares na associa??o. As amostras 18-FP, t-DCTN, LF-B, PIA, ?-lap, BZL e MTZ associam com a albumina via liga??o de hidrog?nio e intera??es hidrof?bicas e j? PF e MZ por liga??o de hidrog?nio e intera??es eletrost?ticas. O n?mero de s?tios de liga??o para todas as amostras indicam que h? apenas uma principal cavidade da prote?na para a associa??o das mol?culas estudadas, sendo que essa associa??o ? moderada para 18-FP, PF e LF-B, fraca para t-DCTN e forte para PIA, ?-lap, BZL, MTZ e MZ. Estudos de dicro?smo circular demonstram que n?o h? perturba??es significativas na estrutura secund?ria da albumina com a associa??o. C?lculos te?ricos via ancoramento molecular est?o em total acordo com os resultados espectrosc?picos

This study aimed to calculate physicochemical descriptors for a class of 22 naphtoimidazolic derived compounds that possess microbicidal, bactericidal, fungicidal, trypanocidal activity and so on. The descriptors were also calculated for benznidazole, a drug used in the treatment of Chagas disease and the ravuconazole, which shows itself effective in all strains of the parasite. After calculation of the descriptors found at which of these would be responsible for the separation of compounds into active and inactive. To do so, the structures were pre-optimized through chemical calculations of molecular mechanics and optimized by semi empirical calculations, based on Austin Model 1. After the molecular optimization, multivariate chemometric calculations to make the separation of active and inactive compounds were performed and verify which of descriptors were calculated for separating the relevant class of compounds. Were made 4 chemometric analysis of principal component analysis and hierarchical cluster analysis, where information was available and the similarities of groups formed for the compounds and the descriptors. In the last chemometric analysis it was found that the most active compounds were FSE-1, FSE-2, FSE-13 and FSE-14 and the descriptor responsible for the observed activity would be ELUMO while that would be responsible for the inactivity was AE. Through calculations of the LUMO frontier orbitals, we found that the benzene ring and the imidazole ring are regions in structures that favor the formation of molecular interaction. For benzene of naphthalene, it was observed that the para and ortho positions are also regions of probable formation of molecular interaction. The electrostatic potential maps calculated showed that clusters with concentration of negative charges do not encourage biological activity of naphttimidazolic derivatives. To calculate the molecular anchoring it was used the cruzain enzyme from T. cruzi due its importance in all stages of the parasite life cycle. Realized molecular anchoring it was found that the most relevant interactions are stacking interactions and interactions with the imidazole ring in the ortho and para positions of the naphthalene ring of FSE derivatives. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho teve por objetivo calcular descritores físico-químicos para uma classe de 22 compostos de derivados naftoimidazólicos que possuem atividade microbicida, bactericida, fungicida, tripanocida dentre outras. Os descritores também foram calculados para o benzonidazol, fármaco usado no tratamento da doença de Chagas e para o ravuconazol, fármaco que se mostra efetivo em todas as cepas do parasito. Após o cálculo dos descritores verificou-se quais destes seriam responsáveis pela separação destes compostos em ativos e inativos. Para tanto, as estruturas foram pré-otimizadas através de cálculos químicos da mecânica molecular e otimizadas em cálculos semi-empíricos, na base Austin Model 1. Após a otimização molecular, foram realizados cálculos quimiométricos multivariados para fazer a separação dos compostos em ativos e inativos e, verificar quais dos descritores calculados foram relevantes para a separação da classe de compostos. Foram efetuadas 4 análises quimiométricas de análise de componentes principais e análise hierárquica de agrupamentos, onde foi possível obter informações dos grupamentos e das similaridades formadas para os compostos e para os descritores. Na última análise quimiométrica foi verificado que os compostos mais ativos foram FSE-1, FSE-2, FSE-13 e FSE-14 e que o descritor responsável pela atividade observada seria o ELUMO enquanto que aquele responsável pela inatividade seria o AE. Através dos cálculos dos orbitais de fronteira LUMO, foi possível verificar que o anel benzênico e o anel imidazol são regiões nas estruturas que favorecem a formação de interação molecular. Para o benzeno do naftaleno, observou-se que as posições para e orto, também são regiões de provável formação de interação molecular. Os mapas de potencial eletrostático calculados mostraram que grupamentos com concentração de cargas negativas, não favorecem a atividade biológica dos derivados naftoimidazólicos. Para o cálculo do ancoramento molecular foi utilizada a enzima cruzaína de T. cruzi, devido sua importância em todos os estágios do ciclo de vida do parasito. Realizado o ancoramento molecular verificou-se que as interações mais relevantes são as de empilhamento, as interações com anel imidazol e interações nas posições orto e para do anel naftaleno para os derivados FSE.

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

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