O uso desenfreado dos recursos naturais durante as últimas décadas têm impactado drasticamente o meio ambiente, direcionando a humanidade a investir no desenvolvimento de tecnologias para produção sustentável e ecológica de novas fontes de energia renovável e de produtos verdes. Nesse âmbito, o uso de resíduos derivados da biomassa vegetal tem sido apresentado como uma promissora alternativa à substituição de combustíveis, componentes químicos e polímeros de origem fóssil. Esse material é barato, abundante e não compete direta ou indiretamente com a segurança alimentar. Hoje, mais de 200 compostos químicos e biopolímeros de valor agregado podem ser obtidos a partir do processamento de material lignocelulósico. Todavia, essa tecnologia ainda não é plenamente desenvolvida, afetando sua competitividade econômica, sendo que o maior custo atribui-se à despolimerização enzimática dos polissacarídeos que formam a parede celular vegetal (PCV). Essa etapa requer preparados enzimáticos compostos por diversas enzimas, que agem sinergicamente sobre a complexa estrutura da PCV. Dentre essas enzimas, as pectinases e xilanases desempenham um importante papel na desconstrução dos polímeros pécticos e da hemicelulose. O presente trabalho objetivou o estudo funcional e estrutural de diferentes classes de pectinases e xilanases com potencial biotecnológico, no intuito de contribuir para o desenvolvimento pleno da despolimerização enzimática da PCV. Dentro dessa perspectiva, foram estudadas: uma pectina metilesterase (Sl-PME) e uma endo-poligalacturonase (Sl-EndoPG) do inseto Sphenophorus levis; uma exo-poligalacturonase (Bl-ExoPG) de Bacillus licheniformis; uma xilanase GH10 (MT-Xyn10) e duas GH11 (MT-Xyn11a e MT-Xyn11b) identificadas no metatranscriptoma de um consórcio microbiótico derivado de compostagem de bagaço de cana-de-açúcar. A estrutura cristalográfica da Sl-PME evidenciou alta semelhança com outra PME de inseto. Também foi concluído que as PMEs de inseto são mais similares às bacterianas, quando comparadas às fúngicas e vegetais, principalmente em relação ao sulco catalítico. Além disso, PMEs de inseto, exclusivamente, apresentam uma permutação circular, possívelmente realcionada a um evento de transferência horizontal. A Bl-ExoPG apresentou-se monomérica em solução, com atividade ótima em pH neutro a 60°C, sendo estável em uma ampla faixa de pH (5-10) e com considerável termoestabilidade em elevadas temperaturas. Essa enzima, também, apresentou especificidade por pectina não-metilada, liberando unicamente monômeros de ácido galacturônico. As três xilanases estudadas apresentaram-se monoméricas em solução, com maior atividade entre 30 e 45°C e pHs de 6 a 9, retendo atividade acima de 50% nos pHs 5 e 10. Além disso, todas elas apresentam especificidade por xilano, sendo que a MT-Xyn10 apresentou, também, alta atividade sobre arabinoxilano. A MT-Xyn10 apresentou um conjunto de propriedades enzimáticas bastante atrativas às aplicações industriais, uma vez que é altamente estável em uma ampla faixa de pH (4-10), termoestável em temperaturas de até 50°C e sua ação catalítica produz diversos xilo-oligossacarídeos de alto valor agregado. A análise da estrutura cristalográfica da MT-Xyn11a revela três particularidades estruturais, compartilhadas com a MT-Xyn11b, mas não descritas para outras GH11. Dentre essas particularidades, um loop parece limitar o acesso do substrato ao sítio catalítico, contribuindo diretamente para a baixa afinidade ao substrato apresentada por essas duas enzimas. / Decades of unbridled use of natural resources have drastically affected the global environment, driving humanity to invest in the development of novel technologies for production of sustainable and ecofriendly renewable energy sources and green products. In this context, plant biomass residues have been presented as a promising alternative to fuels, chemicals and polymers derived from fossil reserves. This feedstock is abundant, cheap and does not compete directly or indirectly with food security. Today, more than 200 value-added chemicals and biopolymers can be generated by processing lignocellulosic material. However, this technology is not fully developed yet; its major costs stem from the enzymatic depolymerization of the polysaccharides that constitute the plant cell wall (PCW). This step requires enzymatic cocktails composed of several enzymes that synergistically deconstruct the complex PCW. Among these enzymes, pectinases and xylanases play an important role in the depolymerization of pectic polymers and hemicellulose. The present work is a functional and structural study of different classes of pectinase and xylanases with biotechnological potential. It intends to contribute to the full development of PCW enzymatic depolymerization. With this perspective, we studied a pectin methylesterase (Sl-PME) and an endo-polygalacturonase (Sl-EndoPG) from the insect Sphenophorus levis; an exo-polygalacturonase (Bl-ExoPG) from Bacillus licheniformis; a GH10 xylanase (MT-Xyn10); and two GH11 xylanases (MT-Xyn11a and MT-Xyn11b) from the metatranscriptome of sugarcane bagasse compost-derived microbial consortia. The Sl-PME crystallographic structure showed high similarity with other insect PME. It was also concluded that insect PMEs are more similar to bacterial PMEs than fungi or plant PMEs, especially in relation to the catalytic groove. Moreover, insect PMEs exclusively presented a circular permutation that is possibly related to an event of horizontal gene transfer. Bl-ExoPG is monomeric in solution, with optimal activity on neutral pH and 60°C, being stable in a wide pH range (5-10) and with considerable thermostability at high temperatures. This enzyme, also presented specificity for non-methylated pectin substrates, releasing only monomers of galacturonic acid as catalytic product. All three xylanases studied here are monomeric in solution, with optimal activity between 30°C and 45°C and between pHs 6 and 9, retaining more than 50% of original activity in the pHs 5 and 10. Besides, they all showed specificity for xylan, and MT-Xyn10 also showed high activity on arabinoxylan. MT-Xyn10 revealed a set of enzymatic properties attractive for industrial applications, such as high stability in a wide pH range (4-10), thermostability up to 50°C and released products that are high value-added xilo-oligosaccharides. The MT-Xyn11a crystallographic structure revealed three structural particularities shared with MT-Xyn11b, but not previously described in other GH11. Among these particularities, a loop seems to limit the substrate access to the catalytic site, contributing to the low enzyme affinity presented by both MT-Xyn11a and MT-Xyn11b.

A enzima diidroorotato desidrogenase (DHODH) catalisa a conversão de diidroorotato em orotato, a quarta e única reação redox da via metabólica da síntese de novo de nucleotídeos de pirimidina. DHODH tem sido explorada como alvo validado para terapias contra doenças proliferativas e parasitárias e, em particular, tem sido considerada um alvo atraente para o planejamento de fármacos com ação contra tripanossomatídeos, como parasitos dos gêneros Trypanosoma e Leishmania, que conjuntamente são responsáveis por doenças e mortes que acometem milhões de pessoas em todo o mundo. Neste trabalho, através da combinação de técnicas de DNA recombinante, termofluor, cristalografia de raios-X e ensaios de inibição in vitro e in silico, foi possível identificar sítios alvos na estrutura da DHODH para o desenvolvimento de ligantes, identificar inibidores potentes e seletivos contra as DHODHs de Leishmania major e Trypanosoma cruzi e, caracterizar seus mecanismos de inibição. Finalmente, o efeito leishmanicida observado em nossos ensaios anti-promastigota e os baixos níveis de citotoxicidade observados em células de mamíferos sugerem que alguns dos compostos identificados durante o desenvolvimento deste projeto como potentes inibidores da enzima DHODH poderão ser utilizados como protótipos para o desenvolvimento de fármacos com ação leishmanicida e tripanocida. Combinados, nossos resultados forneceram uma nova e importante contribuição para a compreensão do mecanismo de ação das enzimas DHODH da classe 1A e para o desenho de fármacos baseado nas estruturas das enzimas diidroorotato desidrogenase de Leishmania major e Trypanosoma cruzi. Além disso, a alta identidade sequencial e estrutural observada entre as enzimas de tripanossomatídeos sugerem que uma única estratégia para o desenho de inibidores baseado em estrutura poderá ser usada para explorar a enzima DHODH como alvo terapêutico para várias doenças negligenciadas tropicais como Leishmaniose, Doença do sono e Doença de Chagas / Dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) catalyses the conversion of dihydroorote to orotate, the fourth step and only redox reaction in the de novo pyrimidine biosynthetic pathway. DHODH has been exploited as a validated target for therapy against proliferative and parasitic diseases, and in particular, has been considered to be an attractive target for drug development against trypanosomatids, such as parasites from the genera Leishmania and Trypanosoma that collectively cause disease and death in millions of humans. In this work, by combining recombinant DNA technology, thermofluor, X-ray crystallography and in vitro and in silico inhibition assays, we have been able to identify target sites for ligand design, identify potent and selective inhibitors against trypanosomatid DHODHs and fully characterize their mechanism of inibition. Finally, the anti-leishmanial effect observed in our anti-promastigote assays and the low citotoxicity levels observed against mammaliam cells strongly suggest that some of the compounds identified during the development of this project as potent DHODH inhibitors can be used as prototytes for the development of anti-leishmania and anti-trypanosoma drugs. Altogether, our findings provide a new and important contribution to the understanding of the mechanism of action of class 1A DHODHs and for the structure-assisted design of inhibitors against trypanosomatid DHODHs. Furthermore, the high sequence and structural similarity observed among trypanosomatid DHODH suggest that a single strategy of structure-based inhibitor design can be used to exploit DHODH as a druggable target against multiple neglected tropical diseases such as Leishmaniasis, Sleeping Sickness and Chagas\' Disease.

A Análise de Acoplamentos Estatísticos é uma técnica computacional capaz de identificar resíduos importantes para a estrutura e função de proteínas em uma família por meio da quantificação de conservação posicional, correlação entre posições e identificação de grupos de resíduos correlacionados entre si. Neste trabalho, a análise de acoplamentos estatísticos foi implementada e aplicada ao estudo das proteínas tirosina fosfatases. Em conjunto com as proteínas tirosina quinases (PTKs), que adicionam um grupo fosforil a um resíduo de tirosina em uma proteína, as proteínas tirosina fosfatases (PTPs), que o removem, são responsáveis por diversos processos de sinalização celular. Elas são um caso de evolução convergente, onde um subgrupo (as proteínas tirosina fosfatases de baixo peso molecular) não apresenta homologia às chamadas PTPs \"clássicas\", capazes de defosforilar apenas resíduos de tirosina, e às fosfatases de especifidicade dupla, capazes de defosforilar também resíduos de serina e treonina, além de substratos não-protéicos. Em comum, as três subfamílias apresentam apenas o motivo CX5R, característico para todas as PTPs. Através do estudo das três subfamílias utilizando a análise de acoplamentos estatísticos, foi possível obter uma descrição detalhada de suas características conservadas e correlacionadas, relacionando-as ao conhecimento acumulado sobre proteínas tirosina fosfatases e a questões em aberto como a regulação por dimerização, a especificidade e mutações relacionadas a patologias. Foi possível também apresentar um método capaz de distinguir proteínas tirosina fosfatases de baixo peso molecular das arsenato redutases, derivadas das primeiras por evolução divergente. Adicionalmente, a técnica foi aplicada ao estudo das hexoquinases, às superóxido dismutases e às peroxidases. A tese descreve também estudos desenvolvidos pelo autor na área de cristalografia de proteínas a determinação das estruturas da Transtirretina humana em complexo com genisteína, da holo-Hexoquinase PI de S. cerevisae, do complexo IL-22/IL-22R1 e da Laminarinase de R. marinus. / The statistical coupling analysis is a computational technique which can identify important residues for the structure and function of proteins in a family by quantifying positional conservation, correlation between positions and identifying groups of self-correlating residues. Its implementation in this research group was applied to the study of the protein tyrosine phosphatases. Together with the protein tyrosine kinases (PTKs), which add a phosphoryl group to a tyrosine residue in proteins, the protein tyrosine phosphatases (PTPs), which remove it, are responsible for a variety of cell signaling processes. They are a case of convergent evolution, since one subgroup (the low molecular weight protein tyrosine phosphatases) are not homologous to the classical phosphatases, which can only dephosphorilate tyrosine residues, and the dual-specificity phosphatases, which can also dephosphorilate serine and threonine residues, and also non-proteinaceous substrates. All three sub-families have, in common, the CX5R motif, a characteristic of all PTPs. By applying the statistical coupling analysis to the study of the three sub-families, it was possible to obtain a detailed depiction of their conserved and correlated characteristics, relating them to the accumulated knowledge on protein tyrosine phosphatases and open questions such as protein regulation by dimerization, specificity and disease-related mutations. It was also possible to present a method to distinguish between low molecular weight phosphatases and arsenate reductases, which are derived by the former by divergent evolution. In addition, the technique was applied to the study of hexokinases, superoxide dismutases and peroxidases. The thesis also describe studies developed by the author in the field of protein crystallography the structure determination of human transthyretin in complex with genistein, holo-hexokinase PI from S. cerevisae, the IL-22/IL-22R1 complex and the laminarinase from R. marinus.

A capacidade de prever a estrutura nativa de uma proteína é um problema ainda sem solução. A predição da estrutura final ou nativa de uma proteína -, ou seja, partir da estrutura primária (sequência de aminoácidos linear) de um polipeptídeo tentar prever qual será a estrutura terciária (arranjo de hélices alfa, folhas beta e grampos) - tem sido um desafio para diversos pesquisadores desde o século passado. Atualmente existem diversos modelos que se propõem a executar essa tarefa, mas poucos que de fato partem de princípios físicos básicos para realizá-la. A grande maioria baseia-se em estruturas já conhecidas de proteínas com sequenciamento ou função similares para prever a estrutura terciária. Neste trabalho, no entanto, propõe-se o desenvolvimento de um campo de forças coarse-grained para aplicação em simulações de dinâmica molecular a fim de prever a estrutura de proteínas sem que seja necessária a comparação com estruturas já conhecidas. O fator de forma é um importante indicativo da estrutura de uma molécula em solução. Apesar de se tratar de uma grandeza que fornece informações de baixa resolução, ou seja, não fornece pormenores a respeito da posição dos átomos na estrutura da molécula, é uma estimativa inicial do espaço ocupado pela molécula e também da maneira com a qual ela interage com outras moléculas em solução. Isso é decorrente das operações matemáticas necessárias para que o fator de forma seja acessado a partir de dados de experimentos de espalhamento de raios X. Os resultados mostram que o método consegue prever uma estrutura condizente com os dados de espalhamento de raios X das estruturas cristalográficas e com os dados experimentais utilizados. / The prediction of the final structure of a protein (also called native structure) has been addressed by many research groups since the last century. This problem can be understood as how to predict the tertiary structure that a protein molecule assumes after the folding process from just the primary structure (the sequence of amino acids). Nowadays there are several models aiming at solving this problem, but very few of them are based on physical principles. Most of these models are template-based ones that search for similar amino acids sequences or analogous biological functions to predict the native structure. In the present work, however, we propose the development of a force field predict the form factor of proteins that does not entail the knowledge of any other model or template to do so. The form factor is an important aspect of the structure of a molecule in solution. Despite being a low-resolution method of analysis, in the sense that it does not provide details about the exact positions of the atoms inside the molecular structure (because of the mathematical operations needed to retrieve informations from the scattering data), it is an initial estimative of the volume occupied by this molecule and also a good initial path for uncovering how these molecules interact to each other in solution. The results show that the method presented here can predict a structure that agrees with the scattering data of the crystallographic structure and with available experimental data of x-ray scattering of proteins in solution.

A captação de maltose em bactérias é feita por um sistema transportador do tipo ABC composto por uma proteína ligadora de substrato (MalE), duas proteínas transmembrana e uma ATPase. No presente trabalho descrevemos a clonagem, expressão e análise bioquímica e estrutural da proteína MalE da bactéria fitopatogênica Xanthomonas axonopodis pv citri (Xac) O gene malE de Xac foi clonado em vetor de expressão pET28a, a proteína recombinante foi expressa em Escherichia coli e purificada por cromatografia de afinidade ao níquel. Amostras da proteína solúvel foram analisadas quanto à estrutura secundária, interação com possíveis ligantes, estabilidade frente a diferentes condições físico-químicas. Ensaios de cristalização possibilitaram a obtenção de cristais em diferentes condições, um deles apresentou grupo espacial P6122, mas não foi possível resolver a estrutura. Com base nas estruturas conhecidas de ortólogos de MalE, geramos um modelo estrutural para a proteína de Xac e foram feitas análises quanto à interação com trealose e maltose. Modelos estruturais dos componentes transmembrana (LacF e LacG) e ATPase (UgpC) do sistema transportador de maltose de Xac também foram gerados. Os resultados representam uma contribuição importante para o conhecimento sobre a fisiologia e sistemas de transporte de Xac. / Maltose uptake in bacteria is mediated by an ABC transporter comprising a substrate binding protein (MalE), two transmembrane proteins, and one ATPase. In the present study, we describe the cloning, expression and biochemical as well as structural analyses of the MalE protein of the phytopagen Xanthomonas axonopodis pv citri (Xac). The malE gene of Xac was cloned in the pET28a expression vector, the recombinant protein was expressed in Escherichia coli and, subsequently, purified by nickel affinity chromatography. Samples of soluble protein were analyzed regarding secondary structure, interaction with putative ligants and stability under different physico-chemical conditions. Crystallization trials were carried out under different conditions, one particular condition yielded crystal with a P6122space group, but the structure was not solved. Based on known ortholog structures, a structural model for Xac MalE was obtained allowing interaction with modeled threhalose and maltose. Structural models the transmembrane (LacF and LacG) and ATPase (UgpC) components were also obtained. The present results represent an important contribution to the knowledge of the physiology and transporter systems found in Xac.

A parede das plantas é formada por uma matriz composta principalmente por celulose, hemicelulose e lignina. Celulose é o principal polissacarídeo das paredes das plantas, apresentando alta cristalinidade e recalcitrância. Xiloglucano (XyG) é um polissacarídeo complexo envolvido no controle da expansão celular e na biossíntese de componentes da parede celular vegetal. Uma complexa rede entre XyG e celulose é mediada por ligações de hidrogênio. A eficiente hidrólise de XyG e celulose é uma estratégia promissora na desconstrução da biomassa lignocelulósica pela ação orquestrada de CAZymes. Aqui são descritas as caracterizações funcional e estrutural de três novas enzimas das hidrolase de glicosídeos das famílias 9 (BlCel9), 48 (BlCel48) e 74 (XcGH74). XcGH74 é uma xiloglucanase de Xanthomonas campestris altamente específica para XyG. Durante a hidrólise do XyG por XcGH74 XX e XG são os produtos finais. A estrutura cristalográfica dessa enzima foi resolvida e as razões moleculares para sua alta permissibilidade no reconhecimento de XyG analisadas. Os resultados sugerem que XcGH74 cliva XyG preferencialmente entre motivos X–X; no entanto, não hidrolisa entre os motivos L–L, onde uma substituição da cadeia lateral é um pré-requisito para o reconhecimento do substrato. BlCel9 e BlCel48 são celulases de Bacillus licheniformis. BlCel48 é cataliticamente estável em uma ampla gama de temperaturas e pHs exibindo atividade em celulose inchada com ácido fosfórico (PASC) e celulose bacteriana (BC). BlCel48 libera predominantemente celobiose, e também pequenas quantidades de celotriose, celotetraose como produtos do PASC e tem processividade aparente 4,6 vezes maior em BC do que em PASC. Análises de espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS) mostraram que essa enzima é globular e monomérica em solução. A estrutura cristalográfica de BlCel48 foi resolvida na presença de ligantes nas posições -5 a -2 e +1 a +2 no sítio catalítico. A especificidade no reconhecimento de celo-oligossacarídeo foi investigada por cromatografia de troca aniônica de alto desempenho (HPLC-PAD), cristalografia de proteínas e análise de acoplamento estatístico, mostrando que esta enzima possui endo iniciação durante a hidrólise de PASC. BlCel9 é uma endoglucanase que exibe eficiência catalítica máxima em pH 7,0 e 60 °C. Tem maior atividade em PASC, seguida por BC e, em menor grau, carboximetilcelulose (CMC). A análise por HPAEC-PAD dos produtos hidrolíticos demonstrou que o produto final da hidrólise é principalmente celobiose. Análises de dados cristalografia de raios X e SAXS mostraram que essa enzima é monomérica em solução, conforme estimado a partir dos dados do SAXS. Tem uma forma alongada composta por um módulo de ligação à carboidratos (CBM3c) N-terminal ligado ao domínio catalítico (GH9) C-terminal por um linker de 20 aminoácidos. Os domínios estão intimamente justapostos em uma conformação estendida e formam uma estrutura relativamente rígida em solução, indicando que as interações entre os domínios catalíticos e CBM3c desta enzima têm um papel cooperativo no reconhecimento da celulose. Juntos, esses resultados lançam alguma luz sobre a relação entre estrutura e função das hidrolases glicosídicas das famílias 9, 48 e 74. / Plant cell walls form a matrix composed mainly of cellulose, hemicellulose, and lignin. Cellulose is the main polysaccharide of the plant cell walls with high crystallinity and recalcitrance. Xyloglucan (XyG) is a complex polysaccharide involved in the control of cell expansion and biosynthesis of cell walls components. A complex crosslink between XyG and cellulose is mediated by H-bonds. An efficient hydrolysis of XyG and cellulose is a promising strategy to achieve an effective lignocellulosic biomass deconstruction by orchestrated action of CAZymes. Here are described the functional and structural characterization of three novel enzymes belonging to glycoside hydrolase families 9 (BlCel9), 48 (BlCel48) and 74 (XcGH74). XcGH74 is a highly specific xyloglucanase from Xanthomonas campestris . During the XyG hydrolysis, XX and XG are its end products. We also solved the structure of this enzyme and analyzed molecular reasons for its high permissibility in XyG recognition. These results suggest that the XcGH74 is able to cleave XyG preferentially between X-X motifs; however, it is unable to hydrolyze the polysaccharide between L-L motifs where a side-chain substitution is a prerequisite to improved substrate recognition. The BlCel9 and BlCel48 are cellulases from Bacillus licheniformis. BlCel48 is catalytically stable in a broad range of temperatures and pH conditions, exhibiting hydrolytic activity against phosphoric acid swollen cellulose (PASC) and bacterial cellulose (BC). BlCel48 releases predominantly cellobiose, and also small amounts of cellotriose and cello-tetraose as products from PASC with apparent processivity 4.6-times greater performance on BC than on PASC. Small-angle X-ray scattering (SAXS) data analysis revealed a globular molecular shape and monomeric state in solution. The crystal structure of BlCel48 was solved and used in presence of ligands spanning -5 to -2 and +1 to +2 subsites into the catalytic site. The specificity of the recognition of the cello-oligosaccharide was investigated by high-performance anion exchange chromatography (HPLC-PAD), protein crystallography, and statistical coupling analysis, which showed that this enzyme has an endo-like initiation on PASC. BlCel9 is a processive endoglucanase exhibiting maximum catalytic efficiency at pH 7.0 and 60 °C, exhibiting highest hydrolytic activity against PASC, followed by BC, and to a lesser extent carboxymethyl-cellulose (CMC). The HPAEC-PAD analysis of the hydrolytic products demonstrated that the end product of the enzymatic hydrolysis is primarily cellobiose. SAXS and X-ray crystallographic data analyses revealed that this enzyme adopts a monomeric state in solution, as estimated from SAXS data; has an elongated shape composed of an N-terminal family 3 carbohydrate-binding module (CBM3c) and a C-terminal GH9 catalytic domain joined together by 20 amino acid residue long linker peptides. The domains are closely juxtaposed in an extended conformation and form a relatively rigid structure in solution, indicating that the interactions between the CBM3c and GH9 catalytic domains might play a key role in cooperative cellulose recognition. Together, these results shed some light on the structure-function relationship of glycoside hydrolases from families 9, 48 and 74.

Esse trabalho teve como objetivo a determinação da estrutura tridimensional do inibidor de tripsina purificado de sementes de Enterolobium contortisiliquum (EcTI) e a modelagem molecular dos complexos EcTItripsina, EcTI-quimotripsina , EcTI-trombina, EcTI-fator Xa, e suas análises. O EcTI possui 19kDa de peso molecular inibe tripsina, quimotripsina, calicreína plasmática humana, plasmina humana e fator Xlla, mas não inibe fator Xa e ativador de plasminogênio. Monocristais apropriados à coleta de dados de difração de raios-X foram obtidos na condição 50 do fatorial da Hampton (PEG8000 - 0,5M, LiSO4 - 0,5M) através da técnica de acupuntura em gel à temperatura constante de 15&#176C após três semanas. O grupo espacial encontrado foi o P21 com uma molécula na unidade assimétrica. Os dados de difração foram coletados num detetor de placas de imagem MAR345 na linha de Cristalografia de Proteínas (PCr) no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) em Campinas até uma resolução de 1,96&#197, completeza de 87% e Rsym=10,3%. A estrutura foi resolvida por Substituição Molecular tendo-se como molde a estrutura do inibidor de tripsina proveniente de Erythrina caffra que apresenta 39% de identidade seqüencial com a seqüência primária do EcTI. Divergências entre a seqüência primária esperada e a observada no mapa de densidade eletrônica levaram à suposição da existência de isoformas para este inibidor. Acatando esta hipótese e supondo que a isoforma cristalizada era diferente da isoforma cuja seqüência foi publicada, mudanças na seqüência guiadas pelo mapa de densidades foram realizadas. Um total de 33 substituições e 1 inserção foram feitos. Diferentemente das tentativas de refinamento com a seqüência original, após as substituições o refinamento convergiu para valores aceitáveis de Rfactor=17% e Rfree=25%. A estrutura apresenta o enovelamento &#946-trefoil com uma pseudo simetria de ordem 3. Os grampos de cabelo presentes na estrutura são espiralados mas isto não é resultado de repetições sistemáticas nos ângulo &#934/&#936 como esperado. Baseado nesta estrutura cristalográfica, um modelo da seqüência original foi construído por modelagem por homologia. A avaliação do modelo em termos de estereoquímica e compatibilidade estrutura-seqüência mostra uma boa qualidade, mesmo existindo a formação de uma ponte salina enterrada no núcleo hidrofóbico da molécula. Estruturas cristalográficas de complexos entre tripsina, quimotripsina, fator Xa e trombina foram usados para gerar modelos de complexos entre as serinoproteases correspondentes e o EcTI. A falta de atividade de EcTI contra fator Xa e trombina pode ser atribuída à incompatibilidade química e estrutural na interface do complexo. / The principal objective of this work was the 3D structural determination of a Trypsin inhibitor from Enterolobium contortisiliquum (EcTI) seeds as well as the modeling of the complexes between EcTI and trypsin, chymotrypsin, thrombin and factor Xa and their subsequent analysis. The inhibitor has a molecular weight of 19.5 kDa and inhibits trypsin, chymotrypsin, human plasma kallikrein, human plasmin and factor Xlla but not factor Xa and tissue type plasminogen activator. A single crystal appropriate for X-ray data collection was grown using condition 50 of Hampton\'s Research fatorial (PEG8000 - 15%, LiSO4 - 0.5mM) by the gel acupuncture technique at 15&#176C. The crystal grew in three weeks in the space group P21 with one molecule in the assymetric unit. Crystallographic data were acquired using an image plate detector MAR345 on the Protein Crystallography beam line at the Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), Campinas, out to 1,96&#197 resolution, with a completeness of 87% and Rsym= 10.3%. The structure was solved by the Molecular Replacement method using the previous determined structure of the trypsin inhibitor from Erythrina caffra which presented 39% sequence identity to EcTI. Discrepancies in the primary structure, as observed in the electron density map led to the supposition of the existence of isoforms for this particular inhibitor. In total 33 substitutions and 1 insertion were made. In contrast with the attempts made with the original sequence, after the amino acids were substituted the refinement converged to acceptable values for Rfactor=17% and Rfree=25%. The 3D fold of EcTI is a &#946-trefoil as expected. The hairpins present in this fold are coiled coils, but not as a result of the systematic alternation of the &#934/&#936 angles as expected. Using the crystallographic structure as a template a homology model for the original sequence was built. The model evaluation in terms of stereochemistry and structure-sequence compatibility showed it to be of generally good quality, despite the presence of a salt bridge buried in the hydrophobic core. Docking experiments using crystallographic structures of trypsin, chymotripsin, factor Xa and thrombin complexed with their respective inhibitors were undertaken. The lack of EcTI activity against factor Xa and thrombin is predicted to be due to chemical and structural incompatibility at the complex interface.

<p align=\"justify\">A necessidade urgente de descoberta de terapias mais seguras e eficazes para o tratamento da doença de Chagas e leishmanioses tem motivado a pesquisa por novos inibidores das enzimas cruzaína e CPB, as principais cisteíno proteases do T. cruzie e Leishmania spp., respectivamente. Uma série de 52 compostos nitrílicos que atuam como inibidores covalente-reversíveis de cisteíno proteases foi sintetizada no grupo NEQUIMED/IQSC/USP e avaliada quanto a sua atividade inibitória contra as enzimas cruzaína, CPB de Leishmania mexicana e catepsina L de humanos. Utilizando planejamento molecular baseado em hipótese, mapeamos as relações estrutura-atividade (SARs) desses inibidores através de variações nas posições P1, P2, P3 e P1\' do esqueleto dipeptidil nitrílico. A substituição do grupo eletrofílico (warhead) aminonitrila em P1 pelo grupo azanitrila melhorou a afinidade em duas ordens de magnitude para todos os alvos avaliados. Um dos mais potentes inibidores, o análogo azanitrila Neq0690 mostrou uma cinética de ligação lenta com valores de pKi de 8,8, 9,3 e 9,7 para cruzaína, catepsina L e LmCPB, respectivamente. A substituição bioisostérica da ligação amida entre as posições P2-P3 pelo grupo trifluoroetilamina resultou na síntese do Neq0659, um potente inibidor com um perfil de ação seletivo para as proteases de parasitos. A substituição do grupo metileno em P1 pelo ciclopropano aumentou a afinidade para todas as enzimas. Contudo, uma inibição seletiva da cruzaína e LmCPB foi associada à presença do grupo (R)-benzila como substituinte da posição P1 dos derivados CF3 substituídos. Embora os compostos substituídos com leucina, tirosina, triptofano e 3-cloro fenilalanina como substituintes da posição P2 foram relativamente bem tolerados pela cruzaína e catepsina L, uma restrita especificidade foi verificada para LmCPB com pequenos ganhos de afinidade para os inibidores que possuíam os grupos leucina e metil benzoato como substituintes dessa posição. Com relação à posição P3, a inserção do grupo 3-terc-butilpirazol e 3-bromo piridina aumentou a afinidade para todos os alvos avaliados enquanto que um ganho seletivo para a LmCPB foi observado para os compostos que possuíam o grupo bifenila nessa posição. Além disso, duas novas estruturas cristalográficas da LmCPB complexada com o Neq0690 e metil metanotiossulfonato (MMTS) foram determinadas com resoluções de 1,3 Å e 1,5 Å, respectivamente. As estruturas dos co-complexos revelaram os modos de interação (MoB) desses ligantes, bem como as principais características do processo de reconhecimento bimolecular. Isso permitirá o uso de estratégias de planejamento baseado na estrutura do alvo com translação natural para a pesquisa por novos inibidores de cisteíno proteases, com amplo espectro de ação na quimioterapia de doenças a elas relacionadas. / <p align=\"justify\">The urgent need for the discovery of safer and more effective therapies for the treatment of Chagas disease and leishmaniasis has motivated the search for new inhibitors of the enzymes cruzain and CPB, the major T. cruzi and Leishmania spp. cysteine proteases, respectively. A series of 52 nitrile-containing compounds acting as covalent-reversible inhibitors of cysteine proteases was synthesized at the NEQUIMED/IQSC/USP Medicinal Chemistry Group and evaluated for their inhibitory activity against the enzymes cruzain, Leishmania mexicana CPB and cathepsin L from humans. Using hypothesis-driven molecular design, we mapped the structure-activity relationships (SARs) of these inhibitors through variations in the P1, P2, P3 and P1\' positions of the dipeptidyl nitrile scaffold. The substitution of the aminonitrile by the azanitrile group improved the affinity by two orders of magnitude for all the evaluated targets. One of the most potent inhibitors, the azanitrile analogue dubbed Neq0690 showed a slow-binding kinetics with pKi values of 8.8, 9.3 and 9.7 for cruzain, cathepsin L and LmCPB, respectively. Bioisosteric substitution of the amide moiety between the P2-P3 positions by the trifluoroethylamine group resulted in the synthesis of Neq0659, a potent inhibitor with a selective action profile for parasite proteases. Substitution of the methylene group at P1 by cyclopropane increased the affinity for all enzymes. However, selective inhibition of cruzain and LmCPB was associated with the presence of the (R)-benzyl group as substituent of the P1 position of the substituted CF3 derivatives. Although leucine, tyrosine, tryptophan and 3-chloro phenylalanine substituted compounds as substituents of the P2 position were relatively well tolerated by cruzain and cathepsin L, a restricted specificity was verified for LmCPB with small affinity gains for the inhibitors possessing the leucine and methyl benzoate as substituents of that position. Regarding the P3 position, the insertion of the 3-tert-butylpyrazole and 3-bromo pyridine groups increased the affinity for all evaluated targets whereas a selective gain for LmCPB was observed for the compounds having the biphenyl moiety at that position. In addition, it is noteworthy that two new crystallographic structures of LmCPB complexed with Neq0690 and methyl methanethiosulfonate (MMTS) were determined with resolutions of 1.3 Å and 1.5 Å, respectively. The structures of the co-complexes revealed the modes of binding (MoB) of these ligands, as well as the main characteristics of the bimolecular recognition process. This will allow the natural translational target structure strategies for the search for new inhibitors of cysteine proteases with broad spectrum of action in the chemotherapy of related diseases.

O objetivo do presente trabalho foi determinar as estruturas cristalinas e moleculares de cocristais de 2,4,6-trinitrofenol, ou ácido pícrico, com diversas bases orgânicas, bem como estudar as interações intermoleculares existentes nesses cocristais para tentar estabelecer um padrão de comportamento na formação de ligações de hidrogênio e de preferências estruturais, com a finalidade de contribuir para o entendimento do empacotamento cristalino. Foram sintetizados os seguintes compostos: 1:1 picrato/8-hidroxiquinolina, 1:1 picrato/isonicotinamida, 1:1 picrato/2-azaciclononanona, 1:2 picrato/2-azaciclotridecanona, 1:1 picrato/morfolina, 1:1 picrato/1,3 dimetiluréia, 1:1 picrato/4-metil-morfolina-N-óxido, 1:2 picrato/3-picolina-N-óxido, 1:2 picrato/glicina e 1:1 picrato/prolina. Esses compostos foram caracterizados por análise elementar CHN, para a confirmação da estequiometria, pelos pontos de fusão, e para o cocristal de picrato/prolina foram registrados espectros de emissão na região entre 430 e 650 nm e o espectro de excitação na região entre 360 e 500 nm, onde foi observado que o composto é transparente na região acima de 500 nm, sendo portanto favorável aos experimentos de duplicação de radiação laser Nd/YAG (&#955; = 1.064 nm), uma vez que não absorve na região da radiação duplicada (&#955; =532 nm). A coleta de dados, a obtenção das intensidades dos feixes difratados pelos monocristais, para a determinação das estruturas cristalinas foi realizada em um difratômetro Enraf-Nonius CAD4 Mach 3. As intensidades observadas medidas foram convertidas em fatores de estrutura observados através da correção pelos fatores de Lp e de absorção. As estruturas foram determinadas utilizando os chamados Métodos Diretos e refinadas por cálculos sucessivos de Fourier-Diferença e mínimos quadrados. Ao final da determinação das estruturas dos dez cocristais pôde-se analisar um total de 50 ligações de hidrogênio do tipo O-H...O, N-H...O e C-H...O. Essas ligações de hidrogênio foram analisadas geometricamente em relação às distâncias e ângulos de ligações, e também foram nomeadas e classificadas pelo método Graph-set. Através destas análises pode-se chegar a uma comparação entre as estruturas e a padrões comuns em relação às ligações intermoleculares existentes. Observa-se que as ligações de hidrogênio do tipo O-H...O mais fortes são aquelas formadas entre o grupo doador e os oxigênios fenólicos receptores do picrato. As distâncias d(H...O) das ligações de hidrogênio correspondentes a O-H...O (oxigênio fenólico) estão concentrados na região entre 1,51 e 1,82 &#197;, e os ângulos &#60;OHO concentram-se na região entre 161 e 171&#186;. As distâncias d(O...O) estão compreendidas entre 2,48 e 3,1 &#197;. Para as ligações O-H...O (oxigênio do grupo nitro) as distâncias d(H...O) estão entre 2,41 e 2,54 &#197; e ângulos &#60;OHO na região entre 100 e 121&#186;. Também é observado que as distâncias d(O...O) estão compreendidas entre 2,78 e 3,04 &#197;, mas predominantemente estão na faixa entre 2,4 e 2,55 &#197;. Para as interações do tipo N-H...O, observa-se que as distâncias d(H...O) estão em um intervalo entre 1,85 e 2,52 &#197;; e em relação aos ângulos &#60;NHO, estão distribuídos no intervalo entre 121 e 171&#186;. Um intervalo bastante largo é observado em relação as distâncias d(N...O), que estão compreendidas entre 2,6 e 3,2&#197;. Para as interações do tipo C-H...O, observa-se que as distâncias d(H...O) tem uma leve tendência crescente em função do aumento do ângulo &#60;CHO, e encontram-se no intervalo entre 2,96 e 3,61 &#197;. / The objective of the present work is to determine the crystalline and molecular structures of 2,4,6 trinitrophenol (picric acid ) cocrystals, with several organic bases, as well as to study the intermoleculares interactions existent in those cocristals in order to establish a pattern of behaviour in the formation of hydrogen bonds and structural preferences, with the purpose of contributing for the understanding of crystalline packing. Was synthesized the following compounds: 1:1 picrate/8-hidroxiquinoline, 1:1 picrate/isonicotinamide, 1:1 picrate/2-azacyclononanone, 1:1 picrate/morfoline, 1:1 picrate/1,3 dimethylurea, 1:1 picrate/ 4-methyl-morfoline-N-oxide, 1:2 picrate/3-picoline-N-oxide, 1:2 picrate/glycine, 1:1 picrate/proline. Those compositions were characterized by elemental analysis (CHN) for the stoichiometry confirmation, melting points and, for the picrate/proline cocrystal, the emission and excitation spectra were recorded. It was observed that this compound is transparent above 500 nm, being therefore suitable to experiments of Nd/YAG laser radiation duplication (&#955; = 1.064 nm), since it does not absorb at the wavelength of the duplicated radiation (&#955; = 532 nm). Data collection for crystalline structure determination\'s was accomplished in an Enraf-Nonius CAD4 Mach 3 diffractometer. The observed intensities were transformed into structure factors observed through Lp and absorption corrections. The structures were determined using the direct method and refined by successive Fourier-difference calculations and least-square analysis. At the end of this determination some hydrogen bonds, O-H ...O, N-H ...O and C-H ...O could be analyzed. Those hydrogen bonds were geometrically analysed with relation to bond distances and angle, and they were also nominated and classified by the Graph-set method. Through these analyses it was possible a comparison among the structures and to common patterns in relation to intermolecular bonds. It was observed that the stronger hydrogen bonds are those formed between the donor group and the phenolic picrate oxygen. The O-H ...O (phenolic oxygen) distances d(H ...O) are concentrated in range 1.51 and 1.82 &#197;, and angles &#60;OHO are concentrated between 161 and 171&#197;. The distances d(O...O) are between 2.48 and 3.1 &#197;. The distances of hydrogen bonds O-H ...O (nitro group oxygen), d(H ...0), are in the range 2.41 and 2.54 &#197; and angles &#60;OHO between 100 and 121&#186;. It is also observed that distances d(O ...O) lie between 2.78 and 3.04 &#197;. but predominantly they are in the interval between 2.4 and 2.55 &#197;. For interactions of the type N-H ...O. it is observed that distances d(H ...O) are between 1.85 and 2.52 &#197;, and angles &#60;NHO, are between 121 and 171&#186;. A quite wide area is observed with relation to the distance d(N ...O), that lie between 2.6 and 3.2 &#197;. For interactions of the type C-H ...O. it is observed that distances d(H ...O) increase in function of the angle &#60;CHO; they lie between 2.96 and 3.61 &#197;.

A enzima Glucosamina-6-fosfato desaminase (GlcN6P desaminase) é envolvida na conversão reversível da D-glucosamina-6-fosfato (GlcN6P) em Fru6P e amônia, como parte do caminho metabólico de aminoaçúcares como fonte de energia celular. A enzima hexamérica (peso mol. 178200) exibe uma cooperatividade homotrópica intensa em direção à GlcN6P a qual é modulada alostericamente pelo ativador N-acetil-D-glucosamina 6-fosfato (GlcNAc6P). A GlcN6P desaminase foi cristalizada no grupo espacial R32, com parâmetros de rede a = b = 125.9 &#197 e c = 223.2 &#197 e um conjunto de dados à 2.1 &#197 de resolução foi coletado usando radiação de luz síncrotron (Horjales et ai., 1992). A procura no banco de dados de seqüências OWL não mostrou homologia significante com qualquer outra família de proteína, desta maneira a determinação da estrutura foi feita pela técnica de substituição isomórfica múltipla (MIR) a partir de dois derivados, um composto de platina, o K2PtCl4 e um complexo de mercúrio, o ácido mersálico. O mapa MIR a 3 &#197 de resolução mostrou contornos claros e utilizando técnicas de nivelamento de solvente (solvent flattening) estendeu-se as fases até 2.5 &#197. A enzima cristaliza-se com dois monômeros na unidade assimétrica. A densidade eletrônica final foi interpretada com o auxílio do programa gráfico \'O\', sendo possível determinar sem ambigüidade 230 dos 266 resíduos de cada monômero; a partir daí foram usados subseqüentes mapas de Fourier diferença para a localização de todos os outros resíduos. O refinamento do modelo foi feito utilizando o programa X-PLOR (Brünger, 1993), usando a rotina simulated annealing, obtendo o fator R final de 17.4% com 348 moléculas de água e quatro íons inorgânicos de fosfato. O enovelamento do monômero tem uma estrutura do tipo &#945/&#946 com uma folha-&#946 pregueada paralela central com sete fitas com topologia 4x, 1x, 1x, -3x, -1x, -1x, envolvida por ambos os lados por oito hélices-&#945 e uma hélice 310 com duas voltas. A sexta fita da folha-&#946 central tem um prolongamento no C-terminal que faz parte de uma segunda folha-&#946 antiparalela de três fitas com topologia 2, -1. O hexâmero tem uma simetria local 32, com dois trímeros empacotados frente-a-frente com uma rotação relativa de 15&#176 em tomo do eixo de ordem 3 e ligados por pontes salinas e algumas interações hidrofóbicas em tomo do eixo não cristalográfico de ordem 2. As moléculas de cada trímero formam um contato não usual de três resíduos Cis 219 próximo ao eixo de ordem três. Os complexos com ativador alostérico (GlcNAc6P) e inibidor competitivo (2-desoxi 2-amino glucitol 6-fosfato) foram co-cristalizados isomorficamente com a estrutura nativa. Os mapas Fourier diferença mostram claramente densidades para os ligantes, definindo sem ambigüidade o sítio ativo e alostérico. O refinamento dos complexos produziu a mesma conformação da proteína nativa, na margem de erro experimental. Os sítios alostéricos (seis) estão localizados na interface adjacente dos monômeros de cada trímero e os sítios ativos (ou catalíticos) no lado externo de cada monômero, no C-terminal da folha-&#946 central. O monômero tem uma topologia com enovelamento similar a um domínio de ligação de NAD, excluindo os segmentos de aminoácidos 1-35, 145-188 e 243-266. As estruturas dos complexos e da nativa estão em um estado alostérico R em concordância com o modelo MWC para um sistema do tipo K (Monod et al, 1965). Um mecanismo alostérico similar ao da GlcN6P desaminase é encontrado na enzima fosfofrutoquinase (Evans, 1981). Um mecanismo catalítico é proposto para a reação de isomerisação-desaminação da enzima GlcN6P desaminase a partir do mecanismo geral para aldose-cetona isomerases. / The enzyme Glucosamine-6-phosphate deaminase (GlcN6P deaminase) is involved in the reversible conversion of D-glucosamine-6-phosphate (GlcN6P) into Fru6P and ammonia. The hexameric enzyme (mol.wt.=178200) exhibits an intense homotropic co-operativity towards GlcN6P which is allosterically modulated by the activator N-acetyl-D-glucosamine 6-phosphate (GlcNAc6P). The GlcN6P deaminase was crystallized in space group R32, with cell parameters a=b= 125.9 &#197 and c = 223.2 &#197 and a native dataset was collected to 2.1 &#197 resolution at a synchrotron source (Horjales et al, 1992). A search of the OWL sequences database has shown no significant homology with any other known protein family. Therefore, the structure determination will have to be achieved through the Multiple Isomorphous Replacement technique from two isomorphous derivatives, a platinum compound K2PtCl4 and a mercury complex, mersalyl acid. The MIR map at 3 &#197 resolution showed clear molecular boundaries and solvent flattening techniques (Wang, 1985) were used to extend the phase set to 2.5 &#197. The final electron density map was interpreted with the aid of the graphic program \'O\'. The enzyme crystallizes with a dimmer in the asymmetric unit and 230 out of the total 266 residues of each crystallographically independent monomer could be unambiguously identified in the map. The remaining residues were located after subsequent difference Fourier maps. The refinement was made with program X-PLOR (Brunger, 1993), using the simulated annealing routine, obtained R=17.4 % with 348 water molecules and four inorganic phosphate ions. The monomer fold shows an &#945/&#946 structure with a central 7-stranded &#946-sheet with topology 4x, 1x, 1x, -3x, -1x, -1x, surrounded on both sides by eight &#945-helices and 2-turn 310 -helix. The sixth strand of the central &#946-sheet is common to a second 3-stranded anti-parallel &#946-sheet with topology 2, -1. The hexamer has local 32 symmetry, with two trimmers packed in a face-to-face arrangement with a relative rotation of 15&#176 around the 3-fold axis, and linked together by salt-bridge and some hydrophobic contacts. The molecules of each trimmer have extensive contacts and show an unusual feature of the three Cys219 residues closely clustered around the 3-fold axis. The complexes with allosteric activator (GlcNAc6P) and inhibitor (2-deoxy-2-amino glucitol 6-phosphate) were co-crystallized isomorphously with the native structure. The difference Fourier maps shows clear density for the ligands, unambiguously defining the active and allosteric sites. The complexes refinement produced the same conformation of the native, within experimental error. The allosteric sites are located at the interfaces of adjacent monomers from each trimer and the active sites (or catalytic) lie at the external side of each monomer, at the C-terminal end of the central parallel &#946-sheet. The monomer has a similar folding topology as a typical NAD binding domain, excluding the segments of aminoacids 135, 145-188 and 243-266. The native and complexes structures are at the allosteric state R concerted with MWC model for a K-system (Monod et al, 1965). A similar allosteric mechanism is found in the enzyme phosphofructokinase (Evans, 1981). A catalytic mechanism is proposed for the isomerisation-deamination reaction of the enzyme from general mechanism for aldo-keto isomerases.