O Mal de Alzheimer é o maior causador de demência em idosos: acomete 10% da população mundial com idade em torno dos 65 anos e atinge cerca de 50% dos indivíduos com mais de 85 anos. A progressão dos sintomas da doença está associada a modificações estruturais nas sinapses colinérgicas em determinadas regiões cerebrais. A maior característica fisiopatológica do AD é a deposição de placas neuríticas extracelulares em áreas cerebrais relacionadas à memória, placas constituídas pelo peptídeo ?-amiloide 40/42, que é formado pela clivagem da Proteína Precursora Amiloide, durante seu metabolismo pela via amiloidogênica, que começa com a enzima ?-secretase. O objetivo do trabalho foi o planejamento e avaliação de novos inibidores de ?-secretase. Para isso, foram utilizadas diferentes técnicas de modelagem molecular e planejamento de moléculas, tendo como base os inibidores da ?-secretase descritos na literatura cujas estruturas estão depositadas no PDB. Posteriormente, foi realizada a avaliação in vitro da atividade inibitória de algumas destas moléculas, onde observou-se que três são capazes de satisfatoriamente inibir a atividade da ?-secretase na concentração de 1 µM. / The Alzheimer\'s disease is the major cause of elderly dementia: it affects 10% of global population with 65 years old and about 50% of individuals with 85 years old or more. The evolution of the disease symptoms is associated with structural changes in cholinergic synapses at certain brain regions. The major pathophysiological feature of AD is the deposition of extracellular neuritic plaques in areas of the brain related to memory. The ?-amyloid peptide 40/42 constitutes the plaques. It\'s formed by cleavage of the amyloid precursor protein during its metabolism by the amyloidogenic pathway, which starts with the ?-secretase enzyme. The goal of this project was the planning and evaluation of new ?-secretase inhibitors activity. For this, we used different molecular modeling and drug design techniques, based on the ?-secretase inhibitors described in the literature, whose structures are deposited in the PDB, with subsequent in vitro evaluation of this molecules activity. The in vitro assays showed three molecules able to inhibit ?-secretase at 1 µM.

O Mal de Alzheimer (MA) foi caracterizado pela primeira vez em 1907 pelo neuropatologista alemão Alois Alzheimer, tendo como sintomas clínicos disfunções cognitivas, fisiológicas, comportamentais, perda de memória, e eventualmente incontinência, demência, acamação e morte. É uma doença neurodegenerativa do sistema nervoso central que costuma afetar, principalmente, indivíduos em faixa etária mais avançada. Este mal é caracterizado microscopicamente pela presença de placas amilóides, que são acúmulos da proteína betaamilóide inter-neurônios, e emaranhados neurofibrilares, formados predominantemente por formas altamente fosforiladas de uma proteína associada aos microtúbulos, Tau, as quais formam massas emaranhadas que consomem o corpo celular neuronal, possivelmente levando à disfunção neuronal e finalmente à morte. MAPK p38? tem sido implicada em dois eventos associados ao MA, fosforilação da Tau e inflamação. MAPK p38? é ativada por uma via de fosforilação dupla em Thr180 e Tyr182. O planejamento de fármacos inibidores de p38? é principalmente focado em pequenas moléculas que competem pelo sítio catalítico do ATP. Aqui, nós utilizamos diferentes técnicas de modelagem molecular e planejamento racional baseado em estrutura e ligantes, tendo como base os inibidores da MAPK p38? descritos na literatura, além das estruturas depositadas no PDB. Como resultado das diferentes abordagens de triagens virtuais utilizadas neste trabalho, tais como \"docking\", farmacóforo, dinâmica molecular, campos de interação molecular, predição de atividade e toxicidade, cálculo de propriedades farmacocinéticas e físico-químicas, foi selecionado um total de 14 compostos que atendem aos critérios adotados de baixa ou nenhuma toxicidade potencial, bom perfil farmacoterapêutico predito, atividades calculadas em valores comparáveis aos obtidos para os compostos de referência, além da manutenção das principais interações observadas para os inibidores mais potentes. Estes compostos podem ser adquiridos para estudos de inibição in vitro frente à enzima MAPK p38?, contribuindo assim na busca de um potencial candidato à fármaco no tratamento do Mal de Alzheimer. / Alzheimer\'s disease (AD) was first characterized in 1907 by the German neuropathologist Alois Alzheimer, whose clinical symptoms includes cognitive, physiological and behavioral dysfunctions, memory loss, eventually incontinence, dementia, and death. It is a neurodegenerative disease of the central nervous system that usually affects individuals group in older age. This is characterized microscopically by the presence of amyloid plaques, which are accumulations of beta-amyloid protein inter-neurons, and neurofibrillary tangles formed predominantly by highly phosphorylated forms of the microtubule-associated protein, tau, which form tangled masses that consume neuronal cell body, possibly leading to neuronal dysfunction and ultimately death. p38? MAPK has been implicated in both events associated with AD, tau phosphorylation and inflammation. p38? MAPK pathway is activated by a dual phosphorylation at Thr180 and Tyr182 residues. The drug design of p38? MAPK inhibitors is mainly focused on small molecules that compete for ATP in the catalytic site. Here, we used different techniques of molecular modeling based on p38? MAPK structure deposited in the PDB and its inhibitors described in the literature. As a result of different virtual screening approaches used in this work, such as \"docking\", pharmacophore, molecular dynamics, molecular interaction fields, activity and toxicity predictions assays, pharmacokinetic properties and physicochemical, was selected a total of 14 compounds that meet these criteria of low or no toxicity potential, good pharmacotherapeutic profile, predicted activities calculated values comparable to those obtained for the reference compounds, while maintaining the main interactions observed for the most potent inhibitors. These compounds should be acquired for in vitro inhibition studies against the enzyme p38? MAPK, thereby helping in the search of a potential drug candidate for the treatment of Alzheimer\'s disease.

O atual crescimento do número de estruturas tridimensionais de proteínas está produzindo um banco de dados de estruturas que é muito útil como ponto de partida para o desenvolvimento de novas moléculas relevantes do ponto de vista médico tais como drogas e vacinas. Neste trabalho, parte do projeto de desenvolvimento de novas drogas contra a doença do sono foi feita baseada nos estudos cristalográficos de ligação de compostos e de modelagem molecular de duas enzimas glicolíticas presentes no glicossomo de T. brucei. Como o alvo para novas drogas e o ciclo de glicólise, o qual também é presente nos seres humanos, o novo ligante deve ser seletivo. Frutose-1,6-bisfosfato aldolase (ALDO) é uma das proteínas alvo para o desenho racional de drogas. A análise estrutural e estudos cristalográficos da ALDO de T. brucei foram feitos, através do uso de proteína produzida em grandes quantidades por via recombinante. Vários possíveis sítios de seletividade foram encontrados em ALDO de T. brucei quando comparada as três seqüências das isoenzimas humana, tendo como base a estrutura tridimensional da isoenzima ALDO A. O braço flexível da região C-terminal é um forte alvo para compostos seletivos devido a não-conservação das seqüências. Cristais foram crescidos e padrões de difração de raios-X foram obtidos até 3.0&#197, mas ainda os cristais são pequenos e mostram-se sensíveis a radiação. Triosefosato isomerase (TIM) é outra ptoteína alvo analisada neste trabalho. A estrutura da TIM de T. brucei é conhecida a alta resolução. Cristais de proteína expressa em bactérias foram obtidos após extensivos experimentos. Foi identificado que usar proteína recentemente preparada é essencial para obter cristais que apresentem boa qualidade de difração. Depois de obtidos cristais de proteína expressa em grades quantidades, foram feitos experimentos de difusão de novos inibidores, coleta de dados de difração e análises das estruturas dos possíveis complexos. A conhecida estrutura em volta flexível da TIM fecha quando se liga o substrato ou um inibidor análogo ao substrato no sítio ativo. Desenho racional de drogas tem sido seguido usando como padrão a conformação fechada da estrutura em volta. No entanto, com a obtenção de um novo complexo, no qual a estrutura em volta adota a conformação aberta foi feita uma busca de novos compostos em bancos de dados, que não fossem derivados de fosfatos e fosfoantos, através do programa DOCK. Com este procedimento são propostos novos compostos guia os quais serão utilizados no ciclo do desenho racional de drogas. A estrutura da triosefosfato isomerase de Bacillus stearothermophilus que apresenta estabilidade térmica em complexo com o inibidor competitivo 2PG foi determinada por cristalografia de raios-X à resolução de 2.8&#197. A estrutura foi resolvida por substituição molecular usando o programa XPLOR. Promediação da densidade eletrônica de ordem dois e nivelamento do solvente foram aplicados para melhorar a qualidade do mapa. Ambos os sítios ativos estavam ocupados pelo inibidor e a estrutura emvolta flexível adota a conformação fechada em ambas as subunidades. O fator cristalográfico R é de 17,6% com boa geometria. Bacillus stearothermophillus é considerado um organismo de estabilidade térmica moderada. Encontram-se disponíveis cinco estruturas de triosefosfato isomerase de organismos mesofílicos. A estrutura obtida neste trabalho é a primeira TIM reportada que apresenta estabilidade térmica. Vários artigos têm listados fatores de estabilidade térmica, os quais foram analisados em todas as estruturas de TIM disponíveis. Neste trabalho foi conduzida uma comparação entre a estrutura termofílica e as mesofílicas disponíveis, da qual se concluiu que a interação hidrofóbica na formação do dímero, e o alto número de prolinas são os mais importantes fatores que contribuem para a estabilidade térmica da TIM de B.stearothermophilus. Também concluiu-se que a razão Arg/(arg+Lys) é elevada em TIM de B. stearothermophilus mais devido ao baixo número de lisinas do que a um alto número de argininas. Analisou-se as argininas na TIM de B. stearothermophilus como também as interações das argininas e lisinas em todas as outras estruturas de TIM e não foi possível relacionar o valor aumentado da razão Arg/(arg+Lys) com a estabilidade térmica, fator este indicado anteriormente como importante para a estabilidade térmica / The current growth in the number of known 3-dimensional proteins structures is producing a database of structures that is very useful as starting point for the development of new medically relevant molecules such as drugs and vaccines. In this work part of the project of developing new drugs against the sleeping sickness has been done based on crystallographic, ligand-binding and molecular modeling studies of two glycolytic glycosomal enzymes from T. brucei. As the target for new drugs is the glycolysis pathway, which is present also in the human being, the new ligand must be selective. Fructose-1,6-bisphosphate aldolase (ALDO) is one of the target protein for the rational drug design. The structural analysis and crystallographic studies of ALDO from T. brucei have been done, from overexpressed protein. Several possible sites for selective inhibitor were found in T. brucei ALDO when compared with the three human isoenzyme sequences, based on the human ALDO A structure. The flexible C-terminal arm is a promising target for selective compounds, due to the non-conserved sequence. Crystals were grown, and X-ray diffraction was obtained up to 3.0&#197, but still the crystals are small and show radiation damage. Triosephosphate isomerase (TIM) is the other target protein analyzed in this work. The structure of TIM from T. brucei is already known at high resolution. Crystals from overexpressed protein were obtained after extensive experiments. It was identified that the use of fresh protein is essential to grow good diffracting crystals. After obtaining crystals from overexpressed protein, it has been done soaking of new inhibitors, diffraction data collection and analysis of the structures of the possible complexes. The well known flexible loop in TIM closes upon the binding of either the substrate or an inhibitor analogue to the substrate in the active site. Rational drug design has been followed based on the \"closed\" conformation of the flexible loop. Nevertheless, with a new complex structure, in which the flexible loop adopts the \"open\" conformation, it has been done a search for new compounds in the database, non-derived from phosphate and phosphonate, through the program DOCK. Based on this procedure it was proposed new lead compounds which will be used on the rational drug design cycle. The structure of the thermostable triosephosphate isomerase from Bacillus stearothermophilus in complex with the competitive inhibitor 2PG was determined by X-ray crystallography to a resolution of 2.8&#197. The structure was solved by molecular replacement using XPLOR. Two fold averaging and solvent flattening were applied to improve the quality of the map. Both of the active sites were occupied by the inhibitor and the flexible loop adopts the \"close\" conformation in both subunits. The crystallographic R-factor is 17.6% with good geometry. Bacillus stearothermophilus is considered a moderate thermophile organism. There are already five triosephosphate isomerase structures available from mesophilic organisms. The structure reported here is the first thermostable TIM reported. It has been conducted in this work a comparison between the thermophilic and the mesophilic protein structures available. Several reports had listed thermostable factors, which have been analyzed in all TIM structures available, from which it has been concluded that the hydrophobic interaction upon the dimmer formation and the higher number of proline residues are the most important factors that contribute to the thermostability of B. stearothermophilus TIM. Also it has been concluded that the ratio Arg/(Arg+Lys) is increased in B. stearothermophilus TIM more due to lower number of lysine instead of a higher number of arginine residues. Arginines have been analyze in B. s,tearothermophillis TIM as well as the interactions of arginines and lysines in all other TIM structures and it has not been possible to relate the increased ratio Arg/(Arg+Lys) with thermo stability, which was previously reported as important in thermostability

Os estrógenos exercem importantes efeitos fisiológicos através dos dois subtipos dos receptores de estrógeno humanos (hERs), alfa (hER?) e beta (hER?). Enquanto hER? é um importante alvo macromolecular no desenvolvimento de fármacos para o tratamento do câncer de mama, hER? é um alvo promissor no desenvolvimento de agentes terapêuticos para a terapia de reposição hormonal. O progresso no planejamento de moduladores apresentando maior potência, afinidade e seletividade, entretanto, requer a otimização múltipla de interações intermoleculares fármaco-receptor. A Química Medicinal moderna, de forte caráter multidisciplinar, fornece um arsenal de alternativas e estratégias úteis no processo de planejamento de novos fármacos. As ferramentas de modelagem molecular e de estudos das relações quantitativas entre a estrutura e atividade (QSAR) estão integradas a esse processo, sendo de extremo valor na busca por moléculas bioativas com propriedades múltiplas otimizadas. Para a realização deste trabalho, conjuntos padrões de dados foram organizados para diferentes classes químicas de potentes moduladores dos ERs. Esses conjuntos padronizados para os subtipos do hER, contendo a informação qualificada sobre a estrutura química dos ligantes associada a medida da propriedade farmacológica correspondente, estabeleceram as bases para o desenvolvimento de modelos empregando os métodos holograma QSAR, CoMFA e GRID/PCA. Os modelos finais de HQSAR e CoMFA possuem elevada consistência interna e externa, apresentando bom poder de correlação e predição das propriedades alvo. Juntamente com as informações obtidas pelos mapas de contribuição 2D e de contorno 3D, os modelos de QSAR e GRID/PCA construídos são guias químico-medicinais úteis no planejamento de novos moduladores seletivos do ER possuindo maior afinidade e potência. / Estrogens exert important physiological effects through two human estrogen receptor subtypes (hERs), alpha (hER?) and beta (hER?). While hER? is a macromolecular target of great importance for breast cancer therapy, hER? is an attractive drug target for the development of novel therapeutic agents for hormone replacement therapy. Progress towards the design of modulators having improved potency, affinity and selectivity requires the optimization of multiple ligand-receptor interactions. The strong multidisciplinary character of modern Medicinal Chemistry supplies a rich arsenal of useful rational strategies for the design of new drug candidates. Molecular modeling tools and quantitative structure-activity relationships (QSAR) are integrated into the drug design process in the search of bioactive molecules having optimized properties. In this study, standard data sets were organized for different chemical classes of ER modulators, integrating the qualified information about chemical structure associated to the corresponding pharmacological property. The data sets established the scientific basis for the development of models employing the hologram QSAR, CoMFA and GRID/PCA methods. The final HQSAR and CoMFA models possess high internal and external consistency, with good correlative and predictive power. The generated QSAR and GRID/PCA models as well as the information gathered from the 3D contour maps provide useful guidelines for the design of new selective ER modulators having improved affinity and potency.

Introdução: A partir da descoberta da reação de Biginelli, diidropirimidinonas/tionas funcionalizadas têm se destacado como protótipos no desenvolvimento de fármacos, considerando diferentes alvos. O primeiro representante deste grupo de moléculas, com ação inibitória sobre a divisão celular, foi o monastrol, o qual é caracterizado como um inibidor alostérico da cinesina mitótica 5 (Eg5). Este mecanismo de ação representa um alvo promissor para a terapia antineoplásica, considerando que a Eg5 é uma proteína motora envolvida no movimento dos microtúbulos durante a divisão celular. Recentes investigações mostraram que a inserção de um anel aromático no N-1 do núcleo diidrotiopirimidínico seria capaz de otimizar a interação do ligante com a Eg5. Objetivos: Nesse sentido, a presente pesquisa teve por objetivo obter diidropirimidin-2-tionas N-1 aril substituídas, e avaliar seu potencial antiproliferativo em células de glioma. Métodos: Foi sintetizada uma quimioteca de 26 diidropirimidin-2-tionas N-aril substituídas, através da reação de Biginelli promovida por cloreto de trimetilsilano, utilizando uma série de ariltioureias previamente obtidas. A partir da análise do docking destes compostos com a Eg5, foram selecionados 4 deles para avaliação da atividade citotóxica em linhagem celular de glioma, utilizando o ensaio MTS. Resultados: Os derivados do monastrol substituídos em N-1 com 4NO2-Ar (LaSOM 301) e 4OMe-Ar (LaSOM 309) foram mais ativos que o monastrol na linhagem celular investigada. Enquanto o monastrol apresentou valor de IC50 superior à 100 μM, os compostos LaSOM 301 e LaSOM 309 apresentaram valores de IC50 de respectivamente 54,69 ± 4,92 μM e 57,74 ± 2,78 μM. Adicionalmente, o composto LaSOM 308, embora isento da hidroxila em meta, presente no monastrol, e N-1 substituído com 4OMe-Ar apresentou valor de IC50 inferior ao monastrol (78,26 ± 4,18 μM). Conclusões: As condições reacionais utilizadas, permitiram a funcionalização do N-1 de diidropirimidin- 2-tionas com diferentes substituintes. A inserção de um anel aromático substituído no N-1, do núcleo diidrotiopirimidínico consistiu em uma modificação estrutural capaz de gerar compostos com atividade antineoplásica, superior ao monastrol. / Introduction: Since the Biginelli reaction discovery, functionalized dihydropyrimidinones/ thiones have been emerged as prototypes for drug design in different targets. Monastrol was the first representative molecule of this group with inhibitory effect on cell division, which produces kinesin-5 (Eg5) inhibition. This action of mechanism is a promising target for anticancer therapy, whereas the motor protein Eg5 is involved in microtubule movement during the cell division. Recent results showed that the aromatic ring at N-1 position of dihydrothiopyrimidinic core would be able to optimize the interaction of the ligand with the Eg5. Objectives: In this context, this study aimed to obtain dihydropyrimidin-2-thiones N-1 aryl substituted, and to evaluate their antiproliferative activity on glioma cells. Methods: A chemical library of 26 dihydropyrimidin-2-thiones N-1 aryl substituted were synthetized employing the Biginelli reaction promoted by trimethylchlorosilane. Considering the results of docking analysis of these compounds with Eg5, four of them were selected for cytotoxic activity assessment on glioma cells, employing MTS assay. Results: The monastrol derivatives N-1 substituted with 4NO2-Ph (LaSOM 301) and 4OMe-Ph (LaSOM 309) showed higher activity than monastrol, in cell line studied. While monastrol showed IC50 value higher than 100 μM, LaSOM 301 and LaSOM 309 compounds showed IC50 values of 54.69 ± 4.92 μM and 57.74 ± 2.78 μM, respectively. Nevertheless, the LaSOM 309 compound, without hydroxyl group present in monastrol, and with N-1 4OMe-Ph substituted also showed IC50 value lower than monastrol (78.26 ± 4.18 μM). Conclusions: Reactional conditions employed in these research, allowed the N-1 functionalization of dihydropyrimidin-2-thiones, with several substituents. The insertion of a substituted aromatic ring at N-1 position, of dihydrothiopyrimidinic core, was a structural change able to generate compounds with antineoplasic activity, higher than monastrol.

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Métodos computacionais assumiram a partir de 1980, um papel de destaque no planejamento de novos fármacos, oferecendo abordagens racionais para reduzir o grau de incerteza na geração de novos compostos bioativos. Dentre estes métodos, destacam-se aqueles dependentes de campos de força, como o atracamento e a dinâmica molecular. Infelizmente, estes métodos exigem estratégias de parametrização capazes de lidar com a diversidade química associada ao planejamento de fármacos. Os esforços atuais neste sentido são focados em fase gasosa, como no caso do GAFF e MMFF94, Assim, o presente trabalho busca explorar a capacidade de um campo de força baseado em fase condensada, o GROMOS, na reprodução de propriedades fisico-químicas de anéis aromáticos comumente encontrados em fármacos. Assim, parâmetros ligados e de Lennard-Jones do GROMOS53a6 foram utilizados para a construção das topologias destas moléculas orgânicas, enquanto novos parâmetros coulômbicos e torsionais foram gerados. Em seguida, suas propriedades físico-químicas foram simuladas e comparadas aos respectivos valores experimentais, permitindo a determinação da qualidade de cada topologia. Até o momento, 41 moléculas foram parametrizadas com sucesso, levando a erros absolutos abaixo de 15% para densidade, entalpia de vaporização e capacidade térmica isobárica. A partir desta etapa de validação, os parâmetros obtidos foram aplicados no estudo de hexafirinas sintéticas em diferentes solventes e íons, acessando com sucesso a conformação e coordenação das moléculas envolvidas. Desta forma, os dados obtidos constituem-se em um benchmark para futuros estudos baseados no campo de força GROMOS, sugerindo seu potencial para estudos de moléculas orgânicas sintéticas em fase condensada. Abre-se, ainda, a perspectiva de emprego de técnicas de dinâmica molecular, com estes parâmetros, no estudo do perfil conformacional, dinâmica e flexibilidade de fármacos em solução. / Since 1980, computational methods took a major role in drug design, offering rational approaches to mitigate the uncertainty in the generation of new bioactive compounds. Among these methods, it is possible to highlight the force field dependents, like molecular docking and molecular dynamics. Unfortunately, these methods demand parametrization strategies capable to to deal with such chemical diversity associated with drug planning. The efforts currently available in this sense are focused on gas phase, like GAFF and MMF94, Therefore, the present work aims to explore the capacity of a force field based on condensed phase, GROMOS, on reproducing physical-chemical properties of aromatic rings commonly found on drugs. Thus, bonded and Lennard-Jones parameters of GROMOS53a6 was used to build topologies for these organic molecules, while new coulombic and torsional parameters were generated. Next, their physical-chemical properties were simulated and compared to respective experimental data, allowing a quality determination of each topology. So far, 41 molecules were successfully parameterized, leading to absolute errors below 15% for density, enthalpy of vaporization and isobaric heat capacity. From this validation step, the obtained parameters were applied on the synthetic hexaphyrin studies in different solvents and ions, successfully accessing the conformation and coordination of the participating molecules. Therefore, the obtained data constitute a benchmark for future studies based on GROMOS force field, suggesting its potential to carry out studies on synthetic organic molecules in condensed phase. Yet, it opens the perspective of applying molecular dynamics techniques with these parameters on the study of conformational profile, dynamics and flexibility of drugs in solution.

Tse, Ching Man. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2011. / Includes bibliographical references (p. 188-200). / Abstracts in English and Chinese. / Abstract --- p.i / Acknowledgement --- p.vi / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 1.1 --- Obtain information on drug targets --- p.3 / Chapter 1.2 --- Drug Design --- p.5 / Chapter 1.3 --- Interface for interaction --- p.9 / Chapter 1.4 --- Summary --- p.10 / Chapter 2 --- Background Study --- p.12 / Chapter 2.1 --- Protein Function Prediction --- p.16 / Chapter 2.2 --- Drug Design --- p.37 / Chapter 2.3 --- Visualisation and Interaction in Biomedic --- p.44 / Chapter 3 --- Overview --- p.48 / Chapter 3.1 --- Protein prediction using secondary structure analysis --- p.52 / Chapter 3.2 --- Knowledge-driven ligand design --- p.55 / Chapter 3.3 --- Interactive interface in virtual reality --- p.57 / Chapter 4 --- Protein Function Prediction --- p.60 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.61 / Chapter 4.1.1 --- Motivation --- p.61 / Chapter 4.1.2 --- Objective --- p.62 / Chapter 4.1.3 --- Overview --- p.63 / Chapter 4.2 --- Methods and Design --- p.66 / Chapter 4.2.1 --- Feature Cell --- p.68 / Chapter 4.2.2 --- Heterogeneous Vector --- p.71 / Chapter 4.2.3 --- Feature Cell Similarity --- p.75 / Chapter 4.2.4 --- Heterogeneous Vector Similarity --- p.79 / Chapter 4.3 --- Experiments --- p.85 / Chapter 4.3.1 --- Data Preparation --- p.85 / Chapter 4.3.2 --- Experimental Methods --- p.87 / Chapter 4.4 --- Results --- p.97 / Chapter 4.4.1 --- Scalability --- p.97 / Chapter 4.4.2 --- Cluster Quality --- p.99 / Chapter 4.4.3 --- Classification Quality --- p.102 / Chapter 4.5 --- Discussion --- p.103 / Chapter 4.6 --- Conclusion --- p.104 / Chapter 5 --- Drug Design --- p.106 / Chapter 5.1 --- Introduction --- p.107 / Chapter 5.1.1 --- Motivation --- p.107 / Chapter 5.1.2 --- Objective --- p.109 / Chapter 5.1.3 --- Overview --- p.109 / Chapter 5.2 --- Methods --- p.111 / Chapter 5.2.1 --- Fragment Joining --- p.115 / Chapter 5.2.2 --- Genetic Operators --- p.116 / Chapter 5.2.3 --- Post-Processing --- p.124 / Chapter 5.3 --- Experiments --- p.128 / Chapter 5.3.1 --- Data Preparation --- p.129 / Chapter 5.3.2 --- Experimental Methods --- p.132 / Chapter 5.4 --- Results --- p.134 / Chapter 5.4.1 --- Binding Pose --- p.134 / Chapter 5.4.2 --- Free Energy and Molecular Weight --- p.137 / Chapter 5.4.3 --- Execution Time --- p.138 / Chapter 5.4.4 --- Handling Phosphorus --- p.138 / Chapter 5.5 --- Discussions --- p.139 / Chapter 5.6 --- Conclusion --- p.140 / Chapter 6 --- Interface in Virtual Reality --- p.142 / Chapter 6.1 --- Introduction --- p.143 / Chapter 6.1.1 --- Motivation --- p.143 / Chapter 6.1.2 --- Objective --- p.145 / Chapter 6.1.3 --- Overview --- p.145 / Chapter 6.2 --- Methods and Design --- p.146 / Chapter 6.2.1 --- Hybrid Drug Synthesis --- p.147 / Chapter 6.2.2 --- Interactive Interface in Virtual Reality --- p.154 / Chapter 6.3 --- Experiments and Results --- p.171 / Chapter 6.3.1 --- Data Preparation --- p.171 / Chapter 6.3.2 --- Experimental Settings --- p.172 / Chapter 6.3.3 --- Results --- p.173 / Chapter 6.4 --- Discussions --- p.176 / Chapter 6.5 --- Conclusions --- p.179 / Chapter 7 --- Conclusion --- p.180 / A Glossary --- p.184 / Bibliography --- p.188

A proteína hnRNP K é conhecida por seu papel nos múltiplos processos que compõe a expressão gênica, incluindo funções nos estágios de splicing, transcrição e tradução, desempenhadas, principalmente, através da ligação de seus domínios KH a nucleotídeos. A ativação inadequada da hnRNP K tem relação direta com a gênese de alguns tipos de câncer, sobretudo de cabeça e pescoço, mama e colo-retal, evidenciando a mesma como um atrativo alvo molecular para o desenvolvimento de novos fármacos antineoplásicos. Com o auxílio de técnicas in silico, foram identificados dois compostos orgânicos, um derivado de benzimidazol e outro derivado de fenilbenzamida, capazes de impedir a ligação da proteína hnRNP K a oligonucleotídeos in vitro. Aliando as técnicas de docking, campos de interação e dinâmica molecular foi possível sugerir que tais compostos apresentam características estruturais que permitem a realização de interações na fenda de ligação do domínio KH3, principalmente com os resíduos R40 e R59, os quais são considerados chaves no reconhecimento molecular de nucleotídeos. Os derivados de benzimidazol e fenilbenzamida constituem novos compostos de partida na busca de novos antineoplásicos que tem como alvo a proteína hnRNP K. Do ponto de vista de metabolismo e toxicidade, o derivado de fenilbenzamida parece ser mais promissor quando se investiga uma molécula para aplicação terapêutica, uma vez que gerou poucos alertas críticos de toxicidade, ao contrario do derivado de benzimidazol, que apresenta maior potencial genotóxico. Apesar de se ligarem aos domínios KH da hnRNP K e impedir sua complexação a nucelotídeos, ensaios com culturas de células mostraram apenas tênue atividade antitumoral para tais compostos, com maior redução de viabilidade celular, ao redor de 18% a 8,4 M, exibida pelo derivado de fenilbenzamida. Seguindo o princípio do análogo ativo, simulações de triagem virtual na busca de análogos dos ligantes da hnRNP K revelaram 21 novos derivados de benzimidazol ou fenilbenzamida na base de dados EXPRESS-Pick, dos quais 5 foram testados in vitro com a proteína e 3 novos ligantes identificados. Com o intuito de otimizar tais derivados, foram sugeridos in silico substituintes (potenciais bioisósteros) para os anéis dioxopirrolidínicos dos ligantes já identificados, guiando, assim, a futura síntese de novas substâncias com potencial atividade antitumoral. Além disso, o trabalho foi complementado através da proposição de síntese de novos derivados benzoxazepínicos acoplados a purinas, os quais também tem aplicação como antineoplásicos, entretanto por mecanismos que não envolvem a hnRNP K. A grande limitação desses derivados é a presença de um grupo nitro aromático, o qual é reconhecido por sua toxicidade pronunciada. Com o intuito de otimizar tais derivados, foram sugeridos in silico potenciais bioisósteros capazes de substituir o grupo nitro e guiar a síntese e novos derivados com atividade antitumoral e toxicidade reduzida. / hnRNP K protein is known for its role in the multiple processes that compose gene expression, including functions during splicing, transcription and translation, developed, mainly, by the binding of nucleotides to KH domains. Inadequate activation of hnRNP K induces the development of some types of cancer, including head and neck, breast and colorectal. In this way, hnRNP K is an attractive molecular target for antineoplastic drug design. Using in silico strategies, we have identified two organic compounds, a benzimidazole and a phenylbenzamide derivatives, able to prevent the natural binding of nucleotides to hnRNP K in vitro. Applying docking, molecular interaction fields and molecular dynamics simulations it was possible to propose that such compounds present structural characteristics capable to support intermolecular interactions inside KH3 domain binding cleft, mainly with R40 and R59 residues, which are extremely important during molecular recognition of nucleotides by hnRNP K. The benzimidazole and phenylbenzamide derivatives identified are novel lead compounds that can guide the design of new antineoplastic drugs targeting hnRNP K. Considering metabolic and toxicity predictions, the phenylbenzamide seems to be more promising than the benzimidazole derivative as a drug, once the benzimidazole presents genotoxic potential. Although both derivatives prevent the binding of nucleotides to hnRNP K, biological assays with tongue cancer cell lines revealed only a mild antitumoral activity for such compounds. Higher level of cell viability reduction, 18% at 8.4 M, was observed for the phenylbenzamide derivative. Following the similarity principle, virtual screening simulations were made intending to find novel benzimidazole and phenylbenzamide derivatives inside EXPRESS-Pick database. The search revealed 21 compounds, 5 of which were tested in vitro with hnRNP K, where 3 of them were active. Intending to optimize benzimidazole and phenylbenzamide derivatives in order to design more potent chemical entities, we have suggested in silico substituents as potential bioisosteric groups of the dioxopyrrolidine rings of hnRNP K ligands, guiding the future synthesis of novel compounds with enhanced antitumoral activity. Moreover, complementary work proposition was performed through the synthesis of benzoxazepin-purines, which also present antitumoral activity but not through hnRNP K pathway. The major limitation of such derivatives is the presence of a nitro aromatic group, which can be very toxic. 20 potential bioisosteric groups were proposed as fragment candidates to replace the nitro one in order to design novel antitumoral derivatives with reduced toxic potential.

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