Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-07-27Bitstream added on 2014-06-13T20:40:48Z : No. of bitstreams: 1 eller_l_dr_sjrp.pdf: 2336778 bytes, checksum: 3bd1f6ada9b4d5653ca2d251cd1ae685 (MD5) / Neste trabalho geramos configurações de proteínas desnaturadas utilizando o modelo de crescimento de cadeia nascente numa rede tetraédrica (ou de diamante) infinita e verificamos a influência das restrições estéricas (interação de esfera rígida) e das armadilhas topológicas no processo de crescimento e determinação estrutural ou conformacional das cadeias geradas. Os procedimentos, resultados, discussões e conclusões do atual estudo são expostos em três capítulos um tanto autosuficientes e descritos sucintamente abaixo. Uma análise comparativa entre SAWm1 e SAWm2 inicialmente pelas armadilhas topológicas através de três dentre quatro grandezas diferentes, mostram que SAWm1 é mais eficiente do que SAWm2, pois enquanto no primeiro a variação destas grandezas em função do número de resíduos tem ajustes logarítmicos, lineares e polinomiais quadráticos, no segundo são tipo log normal, polinomiais quadráticos e exponenciais, respectivamente. Por outro lado, quanto a compactação, não é possível identificar diferenças significativas nas conformações geradas pelos dois métodos. Pelo tempo de simulação, representado pelo tempo de CPU, em função do comprimento N das cadeias nascentes, novamente SAWm1 parece mais vantajoso sobre SAWm2, pois são ajustados por um polinômio de segunda ordem e crescimento exponencial, respectivamente. Portanto pelo menos para cadeias longas (N > 1000 resíduos) e pelas grandezas ~utilizadas, parece razoável propormos que o método de retificar armadilhas topológicas de SAWm1 possa substituir SAWm2, além disso agora conhecemos alguns comportamentos e limites dos dois métodos o que facilita implementações adicionais futuras em ambos. No primeiro capítulo estabelecemos as bases do atual trabalho, que é baseado em gerar conformações de proteínas desnaturadas por um algoritmo de crescimento de cadeia em rede... / In this work we generate configurations of denatured proteins using the growth model of nascent chain on the infinite tetrahedral (or diamond) lattice and ascertain the influence of the elf-sufficient and shortly described below. In the third chapter the full steric constrains (lr) are employed in association with two strategic approachs to analyze the implications of forbidden configurations, or topologic traps, in the chain compactness and simulation time. By , n the other hand SAWm2 method once encountered a topologic trap, in the residue n (with other four residues), a new chain is begun from the outset (of the forth residue). A comparative analysis between the SAWm2 initially by topologic traps through 3 out 4 different variables show that is more efficient than SAWm2, because while in the first the change of these variable on the chain length have logarithmic, linear and polynomial fit, in the second are log normal, polynomial and exponential ones, respectively. Though, as regards compactness is not possible to >~ steric constrains (hard-core interaction) and the topologic traps in the growth process and structural or conformational determination of the generated chains. The procedures, results, discussions and conclusions of the present study are displayed in three chapter rather s In the first chapter we establish the bases of the current work, that is focused on generate denatured proteins conformations by a diamond lattice chain growth algorithm with the residues linked by covalent bonds and interplaying only by steric constraints. For this aim we take up from global to specific features. To contextualize the chain growth model we begin from relation between DNA and RNA to the growth and protein synthesis; for diamond (or tetrahedral) lattice we start from crystalline structures and Bravais lattices to cubic ones; for the formation and interaction of the polymer... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Banca: Alexandre Suman de Araujo / Banca: Pedro Geraldo Pascutti / Banca: Antonio Caliri / Banca: Luis Gustavo Dias / Resumo: Entender a contribuição das interações eletrostáticas no processo de enovelamento e na estabilidade do estado nativo de proteínas é de grande relevância em biofísica molecular. Este trabalho possui duas frentes de estudos. Na primeira etapa é apresentado o estudo das interações eletrostáticas no processo de enovelamento utilizando modelos baseados em estruturas com cargas em dinâmica molecular com pH constante. O estudo foi realizado na parte N-terminal da proteína ribossomal L9 (NTL9), uma proteína com o mecanismo de enovelamento de 2 estados, reversível e realizado desde pH 1.0 até 12.0. Foi possível comparar os resultados das simulações com os resultados experimentais presentes na literatura e os dados obtidos indicam que o modelo proposto é capaz de capturar informações fundamentais sobre o processo de enovelamento referentes à estabilidade e dependência com pH. Na segunda etapa é apresentado o estudo sobre as interações eletrostáticas na estabilidade de enzimas com interesse na produção de bioetanol de segunda geração. O objetivo final deste trabalho é adequar as enzimas às condições do reator para a produção de bioetanol. Neste trabalho foi utilizada uma metodologia capaz de indicar possíveis mutações, pela otimização da interação carga-carga na superfície da proteína, que levam ao aumento de termostabilidade. Este trabalho conta com a colaboração do grupo experimental do Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) que realizam os testes experimentais e as validações das mutações propostas / Abstract: The understanding of electrostatic interactions in protein folding process and in native state stability is important to molecular biophysics area. This work has two areas of interest. At first step it is presented the study about electrostatic interactions in the protein folding process using structure-based models in a constant pH molecular dynamics. It was used the N-terminal domain of ribosomal protein L9 (NTL9), which folding mechanism is a two-state pathway, fully reversible and foldable in a pH range from 1.0 to 12.0. The simulation results were compared with experimental results from literature and the obtained data indicates that the proposed model is capable of capturing essential features of folding mechanism about stability and pH dependence. At second step, it is presented the study about electrostatic interactions in stability of enzymes related with second generation bioethanol production. The final goal of this work is to adjust the enzymes to reactor conditions of bioethanol production. It was employed a method that can suggest rational mutation, based on optimization of charge-charge interactions, that leads to thermostability increase. This work can count on the collaboration of an experimental group of Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE) that performs the wet lab tests and validates the suggested mutations / Doutor

Este estudo tem como finalidade principal a análise termodinâmica e estatística de proteínas através de modelos mínimos. Uma proteína é um polímero de aminoácidos, cuja função está essencialmente relacionada às conformações espaciais que ela adota em solução aquosa. Na forma funcional (dita nativa), essas conformações flutuam levemente em torno de um mínimo de energia-livre. O processo pelo qual uma cadeia protéica transita de estados não-nativos para a estrutura nativa é chamado de enovelamento, ou dobramento. Uma questão em aberto no campo de estudo de proteínas consiste justamente em entender a fundo o processo de enovelamento, cujo avanço tem um vasto potencial de aplicação, desde a predição de estruturas a partir de sequências de aminoácidos até o planejamento de fármacos e moléculas bioativas. Nossa investigação teórica procura abordar aspectos do enovelamento expressos através de grandezas termodinâmicas (energia média, calor específico, número de ligações de hidrogênio, entre outras) derivadas de modelos estatísticos na rede. Assim, num primeiro momento, analisamos o chamado modelo HP, ora por meio de enumeração exata, para cadeias curtas, ora por simulações de Monte Carlo, para cadeias maiores. No primeiro caso, propusemos a existência de uma relação entre a ocorrência de um segundo pico no calor específico associado na literatura à transição de congelamento com uma drástica redução no número de configurações entre os primeiros estados excitados e aqueles de menor energia. Observamos, também, que esse pico pode aparecer tanto para homopolímeros quanto para heteropolímeros, em ambas as redes quadrada e triangular. Num segundo momento, nosso enfoque se voltou para a inclusão de um solvente aquoso (dado pelo modelo de Bell-Lavis) ao sistema inicial. Isso nos possibilitou verificar, usando exclusivamente simulações de Monte Carlo e o algoritmo de Metropolis, o comportamento e a competição das ligações de hidrogênio água-água, água-proteína, proteína-proteína e na primeira camada de solvatação. O modelo acoplado exibiu algumas características do enovelamento, como o colapso hidrofóbico e a separação de monômeros (apolares no núcleo e polares na superfície), embora não capture a desnaturação fria. No apêndice, adicionamos algumas propostas para realização do cálculo numérico da pressão no ensemble canônico, desenvolvidas em paralelo ao projeto principal desta dissertação, mas que, numa primeira análise, verificamos serem consistentes e passíveis de futuros desdobramentos. / The finality of this study is to analyse proteins thermodynamics and statistics through minimal models. A protein is a polymer of amino acids, whose spatial conformations in aqueous solution determine its function. In the functional form (said native), those conformations fluctuates slightly around a free-energy minimum. The process by which a protein chain passes from non-native states to a stable native structure is called protein folding. An open question in the field of protein studies is to understand more deeply the folding process, whose advance can find a wide range of potential applications, since ab initio structure prediction from the amino acids sequence to biomolecules design. The theoretical approaches used here focus on aspects of protein folding given by some thermodynamic quantities (as mean energy, specific heat, number of hydrogen bonds and so on) obtained from statistical lattice models. Initially, we analyse the so-called HP model, at first using exact enumeration for short chains, then by Monte Carlo simulations for longer chains. In the first case, we propose a correlation between the occurrence of a second peak in the specific heat associated in the literature with a freezing transition and a sharp reduction on the number of configurations from the first excited states to the lowest energy states. In addition, we observe that this peak may appear to both homopolymers and heteropolymers on square and triangular lattices. At a second moment, our focus turned to the introduction of a water-like solvent (Bell-Lavis model) to the initial system. This allowed us to verify, exclusively by means of Monte Carlo simulations with Metropolis algorithm, the behavior and competition of hydrogen bonds between water-water molecules, water-protein, and protein-protein monomers and at the first hydration layer. The combined model showed some classical folding properties, as hydrophobic collapse and monomers segregation (apolar residues at the core and polar residues at the surface), although it did not capture cold denaturation. We have included in the appendix some proposals to perform numerical calculations of the canonical pressure, which were developed alongside the main subject of this thesis and a first analysis has proved to be consistent and susceptible to further developments.

Orientador: Vitor Barbanti Pereira Leite / Banca: Antonio Francisco Pereira de Araujo / Banca: Leandro Cristanti de Oliveira / Resumo: O objetivo deste trabalho foi caracterizar o atrito interno que são evidenciados nos domínios R15, R16 e R17 da chicken brain α-Espectrina. A Espectrina é uma proteína que faz parte do citoesqueleto e foi descoberta primeiramente em eritrócitos, sendo importante para manter a estabilidade, estrutura e forma da membrana celular. Esta proteína é composta de duas subunidades, α e β, sendo que cada um dos domínios presentes nestas subunidades apresentam 106 amino ́acidos. Além disso, estes domínios apresentam alta similaridade estrutural (RMSD < 1 A) e os resultados experimentais indicam que o domínio R15 apresenta um tempo de enovelamento que é três ordens de grandeza menor que seus homólogos (R16 e R17), esta observação foi atribuída aos efeitos do atrito interno na taxa de enovelamento. Portanto, neste trabalho foi estudado o enovelamento do R15, R16 e R17 utilizando o modelo baseado em estrutura Cα . Em nossas simulações, além das interações homogêneas para os contatos nativos (conhecido como modelo vanilla), foi adicionado um potencial atrativo para as interações não nativas hidrofóbicas (conhecido como modelo flavored ) utilizando a tabela do potencial de interação Miyazawa-Jernigan, bem como simulações com carga fixa e a pH constante, onde foram analisadas as interações eletrostáticas no processo de enovelamento. Por fim, realizaram-se simulações com o acoplamento para melhor descrever o sistema estudado / Abstract: The main aim of this work is characterized the internal friction evident in the three chicken brain α - spectrin domains, known as R15, R16, and R17. Spectrin is a cytoskeletal protein that was first discovered in erythrocytes and it is important for maintaining the stability, structure, and shape of the cell membrane. The protein is composed of a modular structure of α and β subunits, which typically contain 106 residues amino acid sequence motifs called "spectrin repeats". They are very similar in terms of structure and stability (RMSD < 1 ˚A). However, experimental results indicate that R15 folds and unfolds 3 orders of magnitude faster than its homologs. Such baf- fling observation is usually attributed to the influence of "internal friction"on protein folding kinetics. However, this effect cannot be satisfactorily corroborated by computer simulation. In the present work, the folding of these three domains is addressed using Cα structure-based models. We carried out simulations using homogeneous interactions on native contacts (known as a vanilla model) and has been added an attractive potential in the non-native hydrophobic interactions with Miyazawa-Jernigan potential (known as flavored model), as well as simulations with fixed charge and at constant pH, where the electrostatic interactions were analyzed in the folding. Finally, simulations were performed with the coupling of the potential (flavored and fixed load) to better describe the system / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-08-03Bitstream added on 2014-06-13T18:40:21Z : No. of bitstreams: 1 silva_pm_me_bauru.pdf: 730929 bytes, checksum: 5e701d75d10b9d8e43b1b946295d7e3f (MD5) / Compreender como a sequencia de aminoácidos de uma proteína determina a sua funcionalidade biológica é de grande importância conceitual e prática como, por exemplo, no projeto de novas drogas. As proteínas consistem em polipeptídios composta por 20 L- aminoácidos diferentes, (formados pelos átomos de hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio) ligados por ligações peptídicas. O que torna as proteínas diferentes não é o número de aminoácidos, mas a sequencia deles na cadeia polipeptídica. No presente trabalho, apresentamos uma simulação computacional, com modelo simples, para a enumeração exata de todas as conformações possíveis em uma rede de todas as conformações possíveis em uma rede quadrada para n = 1 a 17 monômeros. Resultados mostram que 2.155.667 conformações diferentes são possíveis. Neste trabalho, confirmamos estes resultados e atribuímos aos sítios da rede quadrada os monômetros no modelo que foram usados para computar o número de contatos entre os monômeros, distribuição da energia configuracional, distância em relação a frequencia relativa de todas as conformações, contato topológico de longo alcance, aplicamos e comparamos os resultados das simulações do modelo com sequencia de Epitopos. / The understanding of how the amino acids sequence determine the protein biological funtionality is one of the most practical and conceptual challenge as, for example, in the development of new drugs. The protein molecule consist of a long chain of polupeptides composed of 20 different amino acids (essentially formed by carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen atoms) linked together by peptide chemical bonds. What makes proteins different is not the number of amino acids in the chain but the amino acid sequence along the chain. In the present a computer simulation of a simple protein model, using the techinique of exact enumeration over all the possible conformations in the square lallice to a sequence of n = 1 to 17 monomers. The results indicate that we can found 2.155.1667 different possible conformations. We present the results for the Cartesian coordinates of all the monomers along the chain and computed the monomer-monomer contacts, the configurational energy, the long-range topological contact and a possible application of the HP model for a variety of epitopes sequences.

Este estudo tem como finalidade principal a análise termodinâmica e estatística de proteínas através de modelos mínimos. Uma proteína é um polímero de aminoácidos, cuja função está essencialmente relacionada às conformações espaciais que ela adota em solução aquosa. Na forma funcional (dita nativa), essas conformações flutuam levemente em torno de um mínimo de energia-livre. O processo pelo qual uma cadeia protéica transita de estados não-nativos para a estrutura nativa é chamado de enovelamento, ou dobramento. Uma questão em aberto no campo de estudo de proteínas consiste justamente em entender a fundo o processo de enovelamento, cujo avanço tem um vasto potencial de aplicação, desde a predição de estruturas a partir de sequências de aminoácidos até o planejamento de fármacos e moléculas bioativas. Nossa investigação teórica procura abordar aspectos do enovelamento expressos através de grandezas termodinâmicas (energia média, calor específico, número de ligações de hidrogênio, entre outras) derivadas de modelos estatísticos na rede. Assim, num primeiro momento, analisamos o chamado modelo HP, ora por meio de enumeração exata, para cadeias curtas, ora por simulações de Monte Carlo, para cadeias maiores. No primeiro caso, propusemos a existência de uma relação entre a ocorrência de um segundo pico no calor específico associado na literatura à transição de congelamento com uma drástica redução no número de configurações entre os primeiros estados excitados e aqueles de menor energia. Observamos, também, que esse pico pode aparecer tanto para homopolímeros quanto para heteropolímeros, em ambas as redes quadrada e triangular. Num segundo momento, nosso enfoque se voltou para a inclusão de um solvente aquoso (dado pelo modelo de Bell-Lavis) ao sistema inicial. Isso nos possibilitou verificar, usando exclusivamente simulações de Monte Carlo e o algoritmo de Metropolis, o comportamento e a competição das ligações de hidrogênio água-água, água-proteína, proteína-proteína e na primeira camada de solvatação. O modelo acoplado exibiu algumas características do enovelamento, como o colapso hidrofóbico e a separação de monômeros (apolares no núcleo e polares na superfície), embora não capture a desnaturação fria. No apêndice, adicionamos algumas propostas para realização do cálculo numérico da pressão no ensemble canônico, desenvolvidas em paralelo ao projeto principal desta dissertação, mas que, numa primeira análise, verificamos serem consistentes e passíveis de futuros desdobramentos. / The finality of this study is to analyse proteins thermodynamics and statistics through minimal models. A protein is a polymer of amino acids, whose spatial conformations in aqueous solution determine its function. In the functional form (said native), those conformations fluctuates slightly around a free-energy minimum. The process by which a protein chain passes from non-native states to a stable native structure is called protein folding. An open question in the field of protein studies is to understand more deeply the folding process, whose advance can find a wide range of potential applications, since ab initio structure prediction from the amino acids sequence to biomolecules design. The theoretical approaches used here focus on aspects of protein folding given by some thermodynamic quantities (as mean energy, specific heat, number of hydrogen bonds and so on) obtained from statistical lattice models. Initially, we analyse the so-called HP model, at first using exact enumeration for short chains, then by Monte Carlo simulations for longer chains. In the first case, we propose a correlation between the occurrence of a second peak in the specific heat associated in the literature with a freezing transition and a sharp reduction on the number of configurations from the first excited states to the lowest energy states. In addition, we observe that this peak may appear to both homopolymers and heteropolymers on square and triangular lattices. At a second moment, our focus turned to the introduction of a water-like solvent (Bell-Lavis model) to the initial system. This allowed us to verify, exclusively by means of Monte Carlo simulations with Metropolis algorithm, the behavior and competition of hydrogen bonds between water-water molecules, water-protein, and protein-protein monomers and at the first hydration layer. The combined model showed some classical folding properties, as hydrophobic collapse and monomers segregation (apolar residues at the core and polar residues at the surface), although it did not capture cold denaturation. We have included in the appendix some proposals to perform numerical calculations of the canonical pressure, which were developed alongside the main subject of this thesis and a first analysis has proved to be consistent and susceptible to further developments.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-03-30Bitstream added on 2014-06-13T19:08:27Z : No. of bitstreams: 1 oliveira_rj_me_sjrp.pdf: 1282528 bytes, checksum: f1be25a39f095b823d25acad1b0e4ae8 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / O enovelamento de proteinas é um problema fundamental em Biofísica Molecular. O processo de enovelamento é, em geral, mapeado através de uma equação de difusão aplicada ao longo da coordenada de reação Q, a qual descreve o grau de similaridade de uma determinada configuração com o estado nativo da proteína. Os tempos de enovelamento podem ser calculados a partir dos potenciais efetivos e do coeficiente de difusão D. Na literatura, D é assumido constante. Usando modelos de rede, mostramos neste trabalho variações desse coeficiente de difusão em função de Q e calculamos os novos tempos de enovelamento. / The protein folding is a fundamental problem in Molecular Biophysics. The folding process is, in general, mapped in a diffusion equation through the reaction coordinate Q, that is the similarity degree of a state with the native state. The folding times can be calculated with effective potencials and the diffusion coef- ficient D. In the literature, D is assumed constant. Using lattice models, we show in this work its variations in function of Q and we calculate the new folding times.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-09-28Bitstream added on 2014-06-13T19:19:35Z : No. of bitstreams: 1 silva_rht_dr_sjrp.pdf: 929264 bytes, checksum: 5ac0a998512f2430142616c64c6de249 (MD5) / Efeito das mutações sobre a estabilidade das proteínas e uma questão crucial na evolução da proteína. Tais efeitos dependem fortemente do car ater hidrofóbico global da proteína. Em um trabalho recente (J. Chem. Phys.125,084904(2006), n os sugerimos dois cenários de enovelamento com consequências distintas ma evolução da proteína. O limite de baixa hidrofobicidade, corresponde ao regime em que ocorre concomitantemente o colapso e a formação da estrutura nativa. Sob estas condições as proteínas são pouco robustas a mutações, o que implica em uma alta homologia entre proteínas de diferentes espécies. O limite de alta hidrofobicidade, corresponde ao regime em que a proteína sofrem um colapso antes do enovelamento, e neste caso as proteínas são mais robustas a proteínas, sugerindo uma menor homologia entre proteínas de diferentes espécies. Neste trabalho, n os estudamos a homologia de quatro proteínas para 41 espécies diferentes, correlacionando as suas homologias com suas hidrofobicidades médias. As proteínas estudadas foram lisozima, citocromo-c, mioglobina e histona H3, utilizando seis escalas hidrofóbicas diferentes. Junto com o cálculo da homologia, foi realizada uma comparação da similaridade estrutural (rmsd). Os resultados con rmam a hipótese acima, indicando que proteínas, em condições de baixa hidrofobicidade, têm baixa variabilidade de sequências e conformações, para alta hidrofobicidade, as proteínas exibem variabilidade de sequências e conformações / Efect of mutations on stability of proteins is a crucial issue in protein evolution. Such e ects depend strongly on the overall hydrophobic protein character. In a recent work we suggested two scenarios for folding with distinct protein evolution consequences (J. Chem. Phys.125 084904,2006) Under low hydrophobic conditions proteins collapse concomitantly with the formation of their native state, and are less robust to mutations, which implies higher homology among proteins of di erent species. On the other limit, at high hydrophobicity proteins collapse before folding, and in this case they are more susceptible to mutations, suggesting lower homology among proteins of di erent species. In this work we investigate this conjecture studying the homology of four proteins for 41 di erent species, correlating it with their average hydrophobicity. The proteins studied were lysozyme, cytochrome-c, myoglobin and histone H3, using six di erent hydrophobic scales. Along with the homology calculation, a comparison of structural similarity (rmsd) was also carried out. The results con rm the above hypothesis, indicating that proteins at low hydrophobicity display low variations on sequences and conformations. On other hand, at high hydrophobicity, proteins exhibit high variability on sequences and conformations. Keywords: evolution, protein folding, scenarios of folding, projetabilidade, hydrophobicity, homology of proteins, mutations in proteins