Métodos computacionais são usados para gerar estruturas de complexo proteína-ligante e estimar suas afinidades. Esse trabalho investigou como as diferentes representações da flexibilidade proteica afetam as poses obtidas por ancoragem molecular e as afinidades atribuídas a essas poses. Os mutantes L99A e L99A/M102Q da lisozima T4 foram escolhidos como sistemas modelo. Um descritor para predição de afinidades baseado na aproximação de energia de interação linear (LIE) foi parametrizado especificamente para ligantes da lisozima e foi usado para estimar as afinidades. A proteína foi representada como um grupo de estruturas cristalográficas ou de estruturas de trajetória de dinâmica molecular. O campo de força OPLS-AA para modelar a proteína e os ligantes e a aproximação de Born generalizada para modelar o solvente foram empregados. O descritor de afinidades parametrizado resultou em desvios médios entre afinidades experimentais e calculadas de 1,8 kcal/mol para um conjunto de testes. O descritor teve desempenho satisfatório na separação entre poses cristalográficas e poses falso-positivo e na identificação de poses falso-positivo. Experimentos de agrupamento de complexos realizados com o objetivo de reduzir o custo computacional para estimar afinidades apresentaram resultados insatisfatórios. As melhores aproximações da teoria do ligante implícito propostas aqui para estimar afinidades consideram conjuntos de estruturas de receptor com o mesmo peso. Configurações de ligante também apresentam o mesmo peso ou são dominadas por uma única configuração. A representação da flexibilidade requer um tratamento estatístico adequado para estimativa de afinidades. Aqui, a associação entre LIE e a teoria do ligante implícito mostrou-se frutífera. / Computational methods are used to generate protein-ligand complex structures and estimate their binding affinities. This work investigated how different representations of protein flexibility affect poses obtained by molecular docking and the affinities attributed to these poses. T4 lysozyme mutants L99A and L99A/M102Q were chosen as model systems. A descriptor for prediction of affinities based on linear interaction energy (LIE) approximation was parametrized specifically to lysozyme ligands and was used to estimate affinities. The protein was represented as a group of crystal structures or as structures from a molecular dynamics trajectory. OPLS-AA force field was used to model protein and ligands and the Generalized Born approximation was used to model solvent. The parametrized affinity descriptor resulted in average deviations between experimental and calculated affinities of 1.8 kcal/mol for a test set. Descriptor performance was satisfactory in the separation between crystal poses and false-positive ones and in the identification of false-positive poses. Clustering of complexes was tried out to reduce computational cost to estimate affinities, but results were poor. The best approximations to the implicit ligand theory proposed here in order to estimate affinities consider groups of receptor structures with the same weight. Ligand configurations also have the same weight or are dominated by only one configuration. The representation of protein flexibility requires an adequate statistical treatment when used to estimate affinities. Here, the linking between LIE and the implicit ligand theory proved itself useful.

O trabalho ora apresentado foi concebido como tendo dois objetivos. O primeiro, mais geral, foi implementar uma nova metodologia para o estudo de mudanças conformacionais em proteínas, ou seja, de sua dinâmica estrutural. A técnica de marcação de spin sítio dirigida aliada à ressonância paramagnética eletrônica (SDSL-RPE) são os pilares desse novo método que faz, agora, parte do conjunto de técnicas disponíveis no Grupo de Biofísica Molecular Sérgio Mascarenhas do Instituto de Física de São Carlos (USP). O segundo objetivo, mais específico, representou o caminho efetivamente tomado para que se alcançasse o objetivo geral. Para isso, foi proposto o estudo da correlação estrutura e função de dois sistemas biológicos muito interessantes. O primeiro deles envolveu o estudo do movimento das hélices que compõem a estrutura da proteína ligante de cálcio S100A12 humana (HS100A12) induzido pelos íons cálcio e zinco. Sabendo que a proteína S100A12 humana além de ligar íons Ca+2, apresenta afinidade por outros metais divalentes, como os íons Zn+2 e Cu+2, e que a formação de diferentes oligômeros da proteína é governada pela concentração dos íons Ca+2 e Zn+2, realizamos estudos espectroscópicos utilizando a técnica de dicroísmo circular a fim de investigarmos a estabilidade térmica da proteína HS100A12 na presença e ausência dos íons cálcio e zinco. Mudanças conformacionais na estrutura da HS100A12 foram monitoradas através da construção de uma série de mutantes (simples e duplos) em que resíduos nas hélices B, C e D foram trocados por cisteínas, subsequentemente marcadas com a sonda magnética MTSSL e submetidas às análises de SDSL-RPE. Estas consistiram na medida do espectro de RPE dos vários mutantes em temperatura ambiente para estudarmos os efeitos da presença dos íons sobre a dinâmica experimentada pela sonda nas diversas posições. Além disso, efetuamos medidas de distância entre duas sondas seletivamente inseridas na estrutura protéica, procurando assim complementar o entendimento acerca do efeito da presença dos íons sobre a proteína. Por fim, devido ao fato da proteína HS100A12 estar envolvida em alguns eventos de sinalização celular e interação com o receptor para produtos de glicosilação (RAGE), decidimos também, estudar a interação da proteína com modelos de biomembranas, utilizando monocamadas de Langmuir. O outro problema de interesse utilizou a lizosima do fago T4, uma proteína padrão, da qual uma variedade de mutantes é produzida rotineiramente a fim de obtermos mais detalhes a respeito da sua correlação estrutura e função e tornar mais sólido o entendimento da técnica SDSL. Inicialmente, realizamos um estudo com a suposta criação de uma cavidade no \"core\" hidrofóbico da porção C-terminal da enzima, quando mutamos a Leu 133 por Ala e/ou Gly, ou seja, quando trocamos um resíduo grande por um de menor volume, pois se acredita que a proteína sofra um reajuste estrutural com o intuito de preencher o espaço vazio criado por essa substituição. Para isso, propusemos estudar por SDSL o movimento da α-hélice H inserindo o marcador de spin na posição vizinha ao resíduo mutado. Adicionalmente, realizamos um experimento de \"transmutação\" com a enzima T4L, a fim de investigar a natureza das contribuições para os diferentes modos dinâmicos experimentados pelo marcador de spin quando introduzido em sítios topologicamente semelhantes. / The work presented here was conceived with two main objectives. The first one, more general, involved the implementation of a new methodology for the study of conformational changes in proteins, i.e., its structural dynamics. The technique of Site-directed Spin Labeling combined with Electronic Paramagnetic Resonance (SDSL-EPR) are the pillars of this new method, which is now part of the set of techniques available at the Grupo de Biofísica Molecular Sérgio Mascarenhas, Instituto de Física de São Carlos (USP). The second objective, more specific, represented the path actually taken to achieve the overall goal. Therefore, it was proposed to study the structure-function correlation in two interesting biological systems. The first involved the study of the movement of the helices that form the structure of the human calcium binding protein S100A12 (HS100A12) induced by calcium and zinc ions. Knowing that, besides Ca+2, human S100A12 has also affinity for other divalent metals, such as Zn+2 and Cu+2 ions, and that the formation of different protein oligomers is governed by the concentration of Ca+2 and Zn+2, we performed spectroscopic studies using circular dichroism (CD) to investigate the thermal stability of protein HS100A12 in the presence and absence of calcium and zinc. Conformational changes in the structure of HS100A12 were monitored by producing a series of mutants (singles and doubles) in which residues in helices B, C and D were replaced by cysteine and subsequently labeled with a magnetic probe MTSSL and then analyzed via SDSL-EPR. The latter consisted of the EPR spectra measurement of many mutants at room temperature to study the effects of the presence of ions on the dynamics experienced by the probe in different positions. In addition, we performed measurements of the distance between two probes inserted in the protein structure, thereby, seeking to improve the understanding of the effect of the ions presence on the protein. Finally, due to the fact that HS100A12 is involved in some events of cell signaling and interaction with the Receptor for Advanced Glycation End Products (RAGE), we also decided to study the interaction of protein with models of biomembranes using Langmuir monolayers. In the other problem of interest, we used a variety of mutants of the enzyme T4 lysozyme, a protein standard, in order to obtain more details about its structure-function correlation and make more solid the understanding of SDSL technique. Initially, we conducted a study about the alleged creation of a cavity in the hydrophobic C-terminal portion of the enzyme, when we replaced the Leu 133 by Ala and/or Gly, or when we changed a large residue for a smaller one, because it is believed that the protein undergoes a structural adjustment in order to fill the gap created by this substitution. For this, we studied by SDSL the α-helix H motion, inserting the spin label in a neighbor position of the mutated residue. Additionally, we performed an experiment of \"transmutation\" with the enzyme T4L in order to investigate the nature of contributions for different dynamic modes experienced by the spin label when it is introduced in topologically similar sites.

O trabalho ora apresentado foi concebido como tendo dois objetivos. O primeiro, mais geral, foi implementar uma nova metodologia para o estudo de mudanças conformacionais em proteínas, ou seja, de sua dinâmica estrutural. A técnica de marcação de spin sítio dirigida aliada à ressonância paramagnética eletrônica (SDSL-RPE) são os pilares desse novo método que faz, agora, parte do conjunto de técnicas disponíveis no Grupo de Biofísica Molecular Sérgio Mascarenhas do Instituto de Física de São Carlos (USP). O segundo objetivo, mais específico, representou o caminho efetivamente tomado para que se alcançasse o objetivo geral. Para isso, foi proposto o estudo da correlação estrutura e função de dois sistemas biológicos muito interessantes. O primeiro deles envolveu o estudo do movimento das hélices que compõem a estrutura da proteína ligante de cálcio S100A12 humana (HS100A12) induzido pelos íons cálcio e zinco. Sabendo que a proteína S100A12 humana além de ligar íons Ca+2, apresenta afinidade por outros metais divalentes, como os íons Zn+2 e Cu+2, e que a formação de diferentes oligômeros da proteína é governada pela concentração dos íons Ca+2 e Zn+2, realizamos estudos espectroscópicos utilizando a técnica de dicroísmo circular a fim de investigarmos a estabilidade térmica da proteína HS100A12 na presença e ausência dos íons cálcio e zinco. Mudanças conformacionais na estrutura da HS100A12 foram monitoradas através da construção de uma série de mutantes (simples e duplos) em que resíduos nas hélices B, C e D foram trocados por cisteínas, subsequentemente marcadas com a sonda magnética MTSSL e submetidas às análises de SDSL-RPE. Estas consistiram na medida do espectro de RPE dos vários mutantes em temperatura ambiente para estudarmos os efeitos da presença dos íons sobre a dinâmica experimentada pela sonda nas diversas posições. Além disso, efetuamos medidas de distância entre duas sondas seletivamente inseridas na estrutura protéica, procurando assim complementar o entendimento acerca do efeito da presença dos íons sobre a proteína. Por fim, devido ao fato da proteína HS100A12 estar envolvida em alguns eventos de sinalização celular e interação com o receptor para produtos de glicosilação (RAGE), decidimos também, estudar a interação da proteína com modelos de biomembranas, utilizando monocamadas de Langmuir. O outro problema de interesse utilizou a lizosima do fago T4, uma proteína padrão, da qual uma variedade de mutantes é produzida rotineiramente a fim de obtermos mais detalhes a respeito da sua correlação estrutura e função e tornar mais sólido o entendimento da técnica SDSL. Inicialmente, realizamos um estudo com a suposta criação de uma cavidade no \"core\" hidrofóbico da porção C-terminal da enzima, quando mutamos a Leu 133 por Ala e/ou Gly, ou seja, quando trocamos um resíduo grande por um de menor volume, pois se acredita que a proteína sofra um reajuste estrutural com o intuito de preencher o espaço vazio criado por essa substituição. Para isso, propusemos estudar por SDSL o movimento da α-hélice H inserindo o marcador de spin na posição vizinha ao resíduo mutado. Adicionalmente, realizamos um experimento de \"transmutação\" com a enzima T4L, a fim de investigar a natureza das contribuições para os diferentes modos dinâmicos experimentados pelo marcador de spin quando introduzido em sítios topologicamente semelhantes. / The work presented here was conceived with two main objectives. The first one, more general, involved the implementation of a new methodology for the study of conformational changes in proteins, i.e., its structural dynamics. The technique of Site-directed Spin Labeling combined with Electronic Paramagnetic Resonance (SDSL-EPR) are the pillars of this new method, which is now part of the set of techniques available at the Grupo de Biofísica Molecular Sérgio Mascarenhas, Instituto de Física de São Carlos (USP). The second objective, more specific, represented the path actually taken to achieve the overall goal. Therefore, it was proposed to study the structure-function correlation in two interesting biological systems. The first involved the study of the movement of the helices that form the structure of the human calcium binding protein S100A12 (HS100A12) induced by calcium and zinc ions. Knowing that, besides Ca+2, human S100A12 has also affinity for other divalent metals, such as Zn+2 and Cu+2 ions, and that the formation of different protein oligomers is governed by the concentration of Ca+2 and Zn+2, we performed spectroscopic studies using circular dichroism (CD) to investigate the thermal stability of protein HS100A12 in the presence and absence of calcium and zinc. Conformational changes in the structure of HS100A12 were monitored by producing a series of mutants (singles and doubles) in which residues in helices B, C and D were replaced by cysteine and subsequently labeled with a magnetic probe MTSSL and then analyzed via SDSL-EPR. The latter consisted of the EPR spectra measurement of many mutants at room temperature to study the effects of the presence of ions on the dynamics experienced by the probe in different positions. In addition, we performed measurements of the distance between two probes inserted in the protein structure, thereby, seeking to improve the understanding of the effect of the ions presence on the protein. Finally, due to the fact that HS100A12 is involved in some events of cell signaling and interaction with the Receptor for Advanced Glycation End Products (RAGE), we also decided to study the interaction of protein with models of biomembranes using Langmuir monolayers. In the other problem of interest, we used a variety of mutants of the enzyme T4 lysozyme, a protein standard, in order to obtain more details about its structure-function correlation and make more solid the understanding of SDSL technique. Initially, we conducted a study about the alleged creation of a cavity in the hydrophobic C-terminal portion of the enzyme, when we replaced the Leu 133 by Ala and/or Gly, or when we changed a large residue for a smaller one, because it is believed that the protein undergoes a structural adjustment in order to fill the gap created by this substitution. For this, we studied by SDSL the α-helix H motion, inserting the spin label in a neighbor position of the mutated residue. Additionally, we performed an experiment of \"transmutation\" with the enzyme T4L in order to investigate the nature of contributions for different dynamic modes experienced by the spin label when it is introduced in topologically similar sites.

Métodos computacionais são usados para gerar estruturas de complexo proteína-ligante e estimar suas afinidades. Esse trabalho investigou como as diferentes representações da flexibilidade proteica afetam as poses obtidas por ancoragem molecular e as afinidades atribuídas a essas poses. Os mutantes L99A e L99A/M102Q da lisozima T4 foram escolhidos como sistemas modelo. Um descritor para predição de afinidades baseado na aproximação de energia de interação linear (LIE) foi parametrizado especificamente para ligantes da lisozima e foi usado para estimar as afinidades. A proteína foi representada como um grupo de estruturas cristalográficas ou de estruturas de trajetória de dinâmica molecular. O campo de força OPLS-AA para modelar a proteína e os ligantes e a aproximação de Born generalizada para modelar o solvente foram empregados. O descritor de afinidades parametrizado resultou em desvios médios entre afinidades experimentais e calculadas de 1,8 kcal/mol para um conjunto de testes. O descritor teve desempenho satisfatório na separação entre poses cristalográficas e poses falso-positivo e na identificação de poses falso-positivo. Experimentos de agrupamento de complexos realizados com o objetivo de reduzir o custo computacional para estimar afinidades apresentaram resultados insatisfatórios. As melhores aproximações da teoria do ligante implícito propostas aqui para estimar afinidades consideram conjuntos de estruturas de receptor com o mesmo peso. Configurações de ligante também apresentam o mesmo peso ou são dominadas por uma única configuração. A representação da flexibilidade requer um tratamento estatístico adequado para estimativa de afinidades. Aqui, a associação entre LIE e a teoria do ligante implícito mostrou-se frutífera. / Computational methods are used to generate protein-ligand complex structures and estimate their binding affinities. This work investigated how different representations of protein flexibility affect poses obtained by molecular docking and the affinities attributed to these poses. T4 lysozyme mutants L99A and L99A/M102Q were chosen as model systems. A descriptor for prediction of affinities based on linear interaction energy (LIE) approximation was parametrized specifically to lysozyme ligands and was used to estimate affinities. The protein was represented as a group of crystal structures or as structures from a molecular dynamics trajectory. OPLS-AA force field was used to model protein and ligands and the Generalized Born approximation was used to model solvent. The parametrized affinity descriptor resulted in average deviations between experimental and calculated affinities of 1.8 kcal/mol for a test set. Descriptor performance was satisfactory in the separation between crystal poses and false-positive ones and in the identification of false-positive poses. Clustering of complexes was tried out to reduce computational cost to estimate affinities, but results were poor. The best approximations to the implicit ligand theory proposed here in order to estimate affinities consider groups of receptor structures with the same weight. Ligand configurations also have the same weight or are dominated by only one configuration. The representation of protein flexibility requires an adequate statistical treatment when used to estimate affinities. Here, the linking between LIE and the implicit ligand theory proved itself useful.