O reconhecimento e interação intermoleculares são cruciais na patogênese de doenças desmielinizantes autoimunes, como a esclerose múltipla (EM). A EM é uma doença que acomete o sistema nervoso central (SNC) e leva à desmielinização e axonopatia. Os alvos da resposta não são claros, mas proteínas da mielina, como a glicoproteína oligodendrocítica da mielina (MOG) e a proteína básica da mielina (MBP), são potenciais candidatas ao reconhecimento por células e autoanticorpos durante o processo autoimune. Assim, métodos de modelagem e simulações de dinâmica molecular (MD) e steered molecular dynamics (SMD) foram empregados para detalhar o reconhecimento e ligação do domínio externo da MOG e do peptídeo imunogênico MBP85-99 por anticorpos específicos. Para a obtenção das estruturas 3D dos anticorpos, particularmente do anti-MBP, um protocolo computacional envolvendo mutações sequenciais da região determinante de complementaridade (CDR) de estruturas-molde foi proposto. Dados obtidos evidenciaram grande contribuição das ligações de hidrogênio na manutenção dos complexos antígeno-anticorpo. Treze resíduos da MOG foram identificados como âncoras da ligação com o anti-MOG, os quais se relacionaram a peptídeos importantes descritos na literatura, principalmente o MOG92-106. No caso da MBP, os resíduos do MBP85-99 com maior interação com o anti-MBP envolveram a Arginina 99, Lisina 93, Asparagina 94 e Histidina 90, corroborando achados na literatura acerca da resposta celular e análises do anti-MBP em casos postmortem. Dados de SMD envolvendo os sistemas moleculares foram confirmados por dados de microscópio de força atômica, sugerindo grande participação do peptídeo MOG92-106 na manutenção da ligação com o anti-MOG. Com relação à MBP, os estudos computacionais indicaram que o ponto de interação da região da Arginina 99 é muito importante para a ligação com o anti-MBP. A consonância entre dados computacionais e dados experimentais resultantes de décadas de pesquisas da MOG e a MBP, bem como com dos experimentos de AFM, ficou evidente. Desta forma, as aproximações teórico-experimentais aplicadas neste trabalho para a caracterização de moléculas ainda não estudadas é uma via em potencial para otimização de passos iniciais e pré-clínicos de investigações de doenças autoimunes, guiando experimentos, reduzindos custos e o uso de modelos animais. / Intermolecular recognition and interaction are crucial in autoimmune demyelinating diseases pathogenesis as multiple sclerosis (MS). MS causes demyelination and axonopathy in the central nervous system (CNS). The targets of immune cells and autoantibodies are not clear, but myelin proteins, such as myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) and myelin basic protein (MBP), are potential candidates. Thus, methods of molecular modeling, molecular dynamics (MD), and steered molecular dynamics (SMD) simulation were applied to detail the recognition and binding of MOG external domain and the immunogenic MBP85-99 peptide by specific antibodies. A computational protocol based on mutations of complement determinant regions (CDR) in template structures was proposed to obtain antibodies 3D structures, especially the anti-MBP. The obtained data evidenced a significant contribution of hydrogen bonds in the maintenance of antigen-antibody complexes. Thirteen anchor residues were found in the MOG structure. These residues were related to three well-known epitopes recognized by immunologic components, mainly MOG92-106. In the case of MBP, the most interactive residues of the MBP85-99 with the anti-MBP were Arginine 99, Lysine 93, Asparagine 94, and Histidine 90. These data complied with several studies concern cellular recognition of MBP and postmortem cases involving anti-MBP. SMD information of both molecular systems was confirmed by atomic force microscopy and suggested the MOG92-106 acting as an anchor for the complex with the anti-MOG. Regarding MBP, the computational force study evidenced the importance of Arginine 99 interaction region for the antigen-antibody binding. The agreement between the obtained computational data and experimental information resulted of decades of MOG and MBP research was evident. In this context, theoretical and experimental approaches application as described here for characterizing novel molecules in autoimmune disease is a potential pathway to optimize early-stage and pre-clinical steps of investigations, guiding experiments, reducing costs, and animal model usage.

A síntese, aspectos estruturais, fotoquímica, fotofísica, atividade farmacológica e a fotoatividade citotóxica in vitro do complexo [Ru(NO)(ONO)pc] (pc = ftalocianina) são descritas neste trabalho. O efeito biológico do complexo de rutênio foi estudado na presença e ausência de irradiação luminosa na janela terapêutica (600 - 850 nm), sob linhagem de células B16F10. Comparativamente, a atividade citotóxica de [Ru(NO)(ONO)pc] foi muito maior que [Rupc], sob diferentes níveis de potência do laser, sugerindo a liberação de óxido nítrico pós-produção de oxigênio singlete, após irradiação luminosa, pode ser um importante mecanismo pelo qual o complexo nitrosilo de rutênio apresenta maior atividade biológica, na linhagem de célula estudada. Após a ativação por irradiação luminosa, o complexo [Ru(NO)(ONO)pc] apresentou diminuição da viabilidade celular na linhagem B16/F10, com eficácia dependente da potência do laser. O encapsulamento de [Ru(NO)(ONO)pc] em lipossoma aumentou em cerca de 25 % a atividade citotóxica do complexo nitrosilo, quando comparado com o mesmo, porém em solução de PBS. Esta eficácia foi diretamente proporcional à quantidade de rutênio no interior da célula, cuja concentração foi determinada por espectrometria de massa ICP-MS, evidenciando maior eficácia no mecanismo de transporte do complexo nitrosilo para o interior da célula. A atividade fotocitotóxica foi atribuída principalmente aos fenômenos de apoptose, cujo o mecanismo foi derivado da análise por citometria de fluxo. O mecanismo de liberação de NO dá-se por processo redutimétrico do complexo [Ru(NO)(ONO)pc], haja vista que a vasodilatação estudada é dependente do NO, liberado do complexo nitrosilo, e independente da irradiação luminosa. Aliás, concentração da ordem de 1,0 x 10-7 M do complexo de rutênio em PBS ocasionou 100 % de vasodilatação, cuja concentração é semelhante ao do nitroprussiato de sódio, medicamento utilizado em clínica médica com severas restrições. Em princípio, a liberação de óxido nítrico pós-produção de oxigênio singlete, oriundo da irradiação luminosa na janela terapêutica, do complexo nitrosilo de rutênio, pode constituir-se num poderoso mecanismo para aumentar a eficácia da terapia fotodinâmica, uma portentosa terapia clínica que encontra limitação dependente do tamanho da área cancerígena bem como da vascularização desta área. / The synthesis, structural aspects, photochemistry, photophysical, farmacological studies and in vitro photoinduced cytotoxic properties of [Ru(NO)(ONO)pc] (pc = phthalocyanine) are described in this work. Its biological effect was studied in the presence and absence of therapeutic window light irradiation (600 - 850 nm) in B16/F10 cell line by means nitric oxide and singlet oxygen production. At comparable light irradiation potency levels [Ru(NO)(ONO)pc] was more effective than [Rupc] suggesting nitric oxide release followed by singlet oxygen production upon light irradiation may be an important mechanism by which the nitrosyl ruthenium complex exhibits more biological activity in cells. Following visible light activation, the [Ru(NO)(ONO)pc] complex showed an increased potency with photoinduced dose modifications in the B16/F10 cells. The liposome containing [Ru(NO)(ONO)pc] complex was over 25 % more active than the corresponding ruthenium complex in PBS solution. It was directly proportional to the amount of ruthenium inside the cell obtained by ICP-mass spectrometry evidencing the cross membrane barrier providing phenomenal increase of [Ru(NO)(ONO)pc] complex concentration inside the cell. The photocytotoxic activity was mainly attributed to the apoptosis phenomena by flux cytometry analysis. The mechanism of NO release occurs by reductimetric process of [Ru(NO)(ONO)pc] complex, considering the vasodilation studies, which vasorelaxation showed dependence on NO concentration and independence on light irradiation. Moreover, concentration of 1.0 x 10-7 M of the ruthenium complex in PBS caused 100% vasodilation, which is similar to the concentration of sodium nitroprusside, a drug used in medical clinic with severe restrictions. Furthermore, the nitric oxide release followed by singlet oxygen production upon light irradiation of the nitrosyl ruthenium complex produced two radicals capable to improve photodynamic therapy, a clinical therapy which efficiency is actually limited by the cancer area and vascularization

A Doença de Chagas, causada pelo parasita Trypanosoma cruzi, atinge cerca de um quarto da população da América Latina. Os fármacos disponíveis para o tratamento desta doença são inapropriados, apresentam baixa eficácia e sérios efeitos colaterais que limitam o seu uso. Esse grave panorama torna urgente a descoberta de novos agentes quimioterápicos para o tratamento seguro e eficaz da doença. A via glicolítica é principal forma de obtenção de energia de tripanosomatídeos. Um alvo molecular atrativo desta via bioquímica que desempenha papel essencial no controle do fluxo glicolítico do Trypanosoma cruzi, a enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH), foi selecionada neste trabalho de Tese para estudos em biologia estrutural e química medicinal visando à identificação e planejamento de novos inibidores enzimáticos. Neste contexto, triagens biológicas resultaram na identificação de compostos de origem natural e sintética com atividade inibitória in vitro frente à GAPDH de T. cruzi, ampliando a diversidade química de moduladores seletivos deste alvo. Estudos cinéticos e estruturais demonstraram o comportamento não cooperativo entre os sítios ativos da enzima GAPDH de T. cruzi em relação à interação com o cofator NAD+, fornecendo importantes evidências mecanísticas e estruturais para uma melhor compreensão das bases moleculares envolvidas no processo de reconhecimento molecular. Os estudos das relações quantitativas entre a estrutura e atividade (QSAR 2D e QSAR 3D) resultaram na geração de modelos com elevada consistência estatística interna e externa, além de alto poder preditivo da propriedade-alvo. Além disso, estudos de modelagem molecular e de QSAR 3D revelaram aspectos estruturais relevantes para o planejamento de inibidores seletivos da enzima GAPDH de tripanosomatídeos. Por fim, uma estratégia de triagem virtual baseado na estrutura do receptor foi empregada para a identificação de novos inibidores da GAPDH de T. cruzi, consistindo, entre outros, na aplicação de filtros hierárquicos sucessivos envolvendo restrições farmacofóricas e estudos de docagem molecular que resultaram na seleção de 35 candidatos a inibidores da enzima-alvo. Os trabalhos integrando estudos em química medicinal e biologia estrutural apresentados nessa Tese de Doutorado significam importantes contribuições no desenvolvimento de bases científicas sólidas para o planejamento de novos inibidores potentes e seletivos da enzima GAPDH de T. cruzi, um alvo molecular de alta prioridade em nosso grupo de pesquisa. / Parasitic diseases are the foremost threat to human health and welfare around the world. Chagas\' disease (also called American trypanosomiasis) is a tropical parasitic disease which occurs in Latin America, particularly in South America. The currently available drugs for this parasitic disease have severe limitations, including poor efficacy and high toxicity. The crucial dependence of trypanosomatids on glycolysis as a source of energy makes the glycolytic enzymes promising targets for drug design. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) from Trypanosoma cruzi, a key enzyme in the glycolytic cascade, has been selected as an attractive drug target in this PhD Thesis work for studies in structural biology and medicinal chemistry for the identification and design of new enzyme inhibitors. In this context, compounds from both natural and synthetic sources with in vitro inhibitory activity against T. cruzi GAPDH were identified by screening assays, improving the chemical diversity of selective modulators of the target. Kinetic and structural studies have demonstrated the non-cooperative behavior between the T. cruzi active sites in the interaction with the NAD+ cofactor, shedding some light on the mechanistic and structural determinants underlying the biochemical recognition phenomenon. Quantitative structure-activity relationships (2D QSAR 2D and 3D QSAR) were successfully created, resulting in statistically significant models with good predictive ability for untested compounds. In addition, molecular modeling and 3D QSAR studies highlighted important structural aspects to assist the design of novel trypanosomatid GAPDH inhibitors. Finally, a structure-based virtual screening approach was employed for the identification of novel inhibitors of T. cruzi GAPDH, consisting of several consecutive hierarchical, fast pharmacophore matching and molecular docking, which afforded 35 inhibitor candidates for the target enzyme. The integration of structural biology and medicinal chemistry studies presented in this PhD Thesis are important contributions in the development of strong scientific basis for the design of new selective and potent inhibitors of GAPDH from T. cruzi, a molecular target of highest priority in our research group.

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Os inibidores do receptor de angiotensina II do tipo 1 (AT1R), fármacos da classe das sartanas, são muito utilizados na terapêutica da insuficiência cardíaca. Apesar de serem eficientes por baixarem a pressão arterial, esses inibidores diminuem a contratilidade do músculo cardíaco, acentuando a patologia. Nesse sentido, os agonistas enviesados para β-arrestina do AT1R surgem como uma solução para esse problema. Estudos com o mais promissor peptídeo com ação agonista enviesada (TRV120027) mostram que ele é capaz de diminuir a pressão arterial sem causar o efeito inotrópico negativo no coração. Tendo em vista esse novo e promissor mecanismo de ação e a característica peptídica do novo agonista enviesado que restringe sua utilização, o presente trabalho visou à busca de ligantes não peptídicos com potencial ação enviesada. Foram realizados estudos de ancoramento seguidos de dinâmica molecular, no AT1R, de sete peptídeos agonistas e agonistas enviesados descritos na literatura, empregando-se os programas Surflex-Dock 2.0 e o GROMACS 4.5, além de análises de campos de interação molecular no programa GRID. Os dados das interações intermoleculares retirados da dinâmica e dos campos de interação guiaram a construção de um farmacóforo que foi utilizado posteriormente em uma busca virtual na base de dados ZINC, com o módulo UNITY 3D do pacote Sybyl-X Suite 2.0. Após ancoramento e análise visual das moléculas selecionadas na busca, foram identificadas 15 moléculas promissoras, sendo cinco delas consideradas de maior interesse. As moléculas selecionadas na busca poderão ser futuramente testadas quanto ao perfil de ação enviesada em receptores AT1R. Os resultados obtidos nesse estudo podem levar à descoberta de um novo protótipo mais eficiente e seguro para o tratamento de doenças cardiovasculares, como a insuficiência cardíaca. / Angiotensin II type 1 receptor (AT1R) inhibitors, the sartans, are widely used in the treatment of heart failure. Although they are effective for lowering blood pressure, these inhibitors decrease the contractility of the heart muscle, accentuating the pathology. Accordingly, β-arrestin biased agonists for AT1R emerge as a solution to this problem. Studies with the most promising biased agonist peptide (TRV120027) show that it is able to lower blood pressure without causing negative inotropic effect on the heart. Given this promising new mechanism of action and the peptide feature of the new agonist that restricts its use, this work aims the search for non-peptide ligands with a potential biased action. Docking studies, followed by molecular dynamics simultions, were performed for seven full and biased agonists in the AT1R, using the Surflex-Dock 2.0 and 4.5 GROMACS programs, besides molecular interaction fields analysis with GRID software. The data of intermolecular interactions from the molecular dynamic\'s analysis and the molecular interaction fields guided to the construction of a pharmacophore model which was subsequently used in a virtual screening from ZINC database, employing the 3D UNITY module from Sybyl-X Suite 2.0 package. After a docking study and visual analysis of the primary selected molecules, 15 promising molecules have been identified, five of them considered of most interest. The molecules selected in the search can be further tested for biased action on AT1R. The results of this study may lead to the discovery of a more efficient and secure lead for the treatment of cardiovascular diseases, such as heart failure.

A pós-genômica surgiu como um próspero campo para que as infinidades de seqüências provenientes dos projetos genoma tenham os seus significados biológicos elucidados. Um dos mecanismos descritos na literatura capaz de gerar surpreendente diversidade protéica é o splicing alternativo (AS). Próximo de 22% das proteínas com estruturas tridimensionais resolvidas por difração de raios-X ou ressonância magnética nuclear (RMN) são humanas e pouco se sabe dos efeitos de eventos de splicing alternativo em suas funções. Uma vez que estas estruturas tridimensionais (3D) protéicas humanas são de alguma forma redundantes, o conjunto de genes humanos únicos que as correspondem é muito reduzido, em torno de 1%. Hoje em dia ainda são escassos os exemplos de duas isoformas de splicing alternativo de um mesmo gene com estruturas tridimensionais experimentais disponíveis. A variedade de proteínas que este evento pode potencialmente produzir é demasiado grande para que projetos de genômica estrutural em andamento consigam determinar suas estruturas. Isto tem inviabilizado, ainda que temporariamente, estudos sobre implicações funcionais de splicing alternativo no proteoma quando se utilizando dados estruturais experimentais. Entretanto, a bioinformática possibilita estudos deste porte com base nos dados de mapeamento no genoma, tanto de transcritos como de proteínas com estrutura tridimensional (3D) determinada. Torna-se possível, então, a prospecção de genes com isoformas de AS com estruturas 3D contendo informação adicional quando comparada à isoforma de AS. Produzimos para tal finalidade uma nova metodologia para detecção de eventos de AS no transcriptoma humano utilizando matrizes binárias para cada transcrito e estrutura de proteína 3D. Selecionadas as isoformas protéicas putativas, foram construídas 73 estruturas 3D utilizando conceitos de modelagem molecular por homologia. Foram escolhidas aleatoriamente 21 isoformas de AS para simulações por dinâmicas moleculares (SDM), e que cerca de 80% destes modelos se apresentaram estruturalmente estáveis. A anotação biológica relativa a cada fragmento não inserido na seqüência da proteína devido à sua remoção no mRNA resultante do evento de AS foi obtida e mostrou que mais de 80% delas possuem algum tipo de relevância funcional para a proteína. Concluímos que, para o nosso conjunto de dados, os eventos de splicing alternativo produzem isoformas que podem atuar como dominantes negativas, antagonistas ou atenuadoras da sua atividade biológica. / The post-genomic era has emerged as one prosper field to deal with the huge amount of sequences produced by genome projects and increase the understanding of its biological meaning. One of the most surprising mechanisms capable to generate a lot of protein diversity is alternative splicing in immature mRNAs. No more than 22% of the known protein structures elucidated by X-ray diffraction or nuclear magnetic resonance (NMR) were made using human proteins and the knowledge about alternative splicing functional implications is weak. Since those human protein three-dimensional structures (3D) are redundant, the unique number of human genes represented by them is estimated around 1%. Nowadays there are only a few cases describing two isoforms that have their own protein 3D structures done experimentally. The variety that alternative splicing can produce is large enough to structural genome projects undergoing could determinate its structures, fact that have negating, at least for a while, large-scale studies about functional implications of alternative splicing using experimental data. However, bioinformatics turn possible this kind of projects using the mapping onto the genome of transcripts and the sequence of the known protein 3D structures. Using this approach we searched for alternative splicing isoforms which have at least one known protein structure with additional biological information when compared against the isoform. We have produced a new methodology for detecting alternative splicing in the human transcriptoma using binary matrices for each transcript and known 3D protein structure. After the selection of putative isoforms, there were constructed 73 3D protein using concepts of molecular modelling by homology. There were randomly selected 21 of them to the submitted to molecular dynamics simulations and 80% of them showed that they were structurally stable. The biological annotation of each non-inserted fragment due to alternative splicing shows that 80% of them have in some degree functional importance. Then, we conclude that, for our dataset, the alternative splicing events produce isoforms that can act as negative dominants, antagonists or even regulators of their biological activity.

Orientadora: Profa. Dra. Káthia Maria Honório / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia - Química, 2009 / O diabetes mellitus (DM) e a síndrome metabólica (SM) são doenças crônicas que proporcionam diminuição significativa na qualidade de vida de seus portadores. Ambas são caracterizadas como um distúrbio do metabolismo de determinados nutrientes, onde o DM altera a utilização de carboidratos devido à deficiência de secreção de insulina e a SM altera principalmente o metabolismo dos lipídeos. Diversas causas, consequências e sintomas destas doenças são comuns e, em determinados graus de gravidade, podem se manifestar associadas. Não existe cura para estas patologias e novos tratamentos vêm sendo pesquisados. Existe uma classe de receptores denominados receptores ativados por proliferadores de peroxissomas (PPAR) que, quando ativados no organismo humano, controlam as vias metabólicas dos carboidratos e lipídeos. Uma subclasse destes receptores, o subtipo PPARd, regula determinadas vias metabólicas de forma que substâncias que o ativem podem ser utilizadas como medicamentos para o DM e SM. Técnicas bastante utilizadas no desenvolvimento de novos ligantes bioativos, os métodos de QSAR, permitem que propriedades químicas de substâncias sejam quantitativamente correlacionadas por meio de um modelo matemático/estatístico. No presente estudo, diversos agonistas do receptor PPARd com atividade biológica medida experimentalmente foram selecionados para o estudo de QSAR. Para essas substâncias, foram calculadas propriedades eletrônicas, estereoquímicas, lipofílicas e descritores topológicos a partir de métodos teóricos, como o método da teoria do funcional da densidade (DFT). Inicialmente, foi realizada uma seleção de variáveis empregando os valores de peso de Fisher e análise de componentes principais (PCA). A seguir, as variáveis selecionadas foram utilizadas para a construção do modelo estatístico multivariado, empregando o método de regressão por mínimos quadrados parciais (PLS). O melhor modelo obtido possui 6 PCs, q2=0,81 e r2=0,90. Os resíduos de predição apresentados para os compostos-teste possuem valores menores que 0,64, os quais podem demonstrar a boa qualidade do modelo obtido. / Diabetes mellitus (DM) and metabolic syndrome (SM) are two chronic diseases that provide lower life¿s quality of patients. Both diseases are characterized as a disorder of the metabolism of certain nutrients. DM changes the use of carbohydrates due to the deficiency of insulin secretion, while SM mainly alters the lipid metabolism. These diseases have several causes, consequences and symptoms in common. Therefore, in patients with high gravity, they can be associated. There is no cure for theses diseases and new treatments have been researched. There is a class of biological receptors called peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which control the metabolism of carbohydrates and lipids. A subclass of these receptors, PPARd, regulates several metabolic processes and the substances that activate it can be used as a new drug candidate for the treatment of DM and SM. QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) is a technique widely used in drug design and it allows that chemical properties of bioactive substances and measurements of biological activity can be correlated and a statistics/mathematical model is generated. In this study, several PPARd agonists with experimental biological activity were selected for a QSAR study. Electronic, stereochemical, lipophilic properties and topological descriptors were calculated for the selected compounds using theoretical methods, such as the density functional theory (DFT). Fisher¿s weight and principal components analysis (PCA) methods were employed to select the most relevant variables for this study. Next, partial least squares (PLS) method was used to construct the multivariate statistic model, and the best model obtained had 6 PCs, q2=0.81 and r2=0.90. The prediction residues calculated for the compounds in the test-set had low values and this indicates both good internal and external consistency. Therefore, the model obtained in this study can be used to predict the biological activity of new compounds.

As propriedades físicas incomuns exibidas por fluidos confinados em meios porosos desempenham um papel importante em diversos processos químicos, geoquímicos e ambientais. Atualmente, muitos aspectos da estrutura e dinâmica dos fluidos espacialmente confinados ainda são pouco compreendidos. Nesse contexto, fenômenos interfaciais influenciam consideravelmente os processos que ocorrem em meios nanoporosos, podendo resultar em efeitos relevantes para o desenvolvimento dos dispositivos nanofluidicos. Esses sistemas multifásicos e com fenômenos multifísicos podem apresentar propriedades eletrônicos e dinâmicos envolvendo diferentes escalas de tamanho e tempo na interface sólido/fluido. Atualmente, uma única metodologia não é capaz de resolver toda a complexidade encontrada em tais sistemas pelo fato de cada qual estar restrita a uma escala ou demanda computacional específica. Além disso, as metodologias habitualmente aplicadas para investigar as fases bulk através da modelagem computacional, em geral, não são adequadas para acessar sistematicamente os efeitos de superfície que ocorrem na interface sólido/fluido. Os desafios impostos à modelagem molecular pelos sistemas nanofluídicos requerem iniciativas inovadoras (dentre as metodologias disponíveis) para acessar as propriedades de interface. Nessa tese, desenvolvemos e aplicamos novas abordagens computacionais em nível atômico a fim de modelar e caracterizar sistemas nanofluidicos. Nesse contexto, introduzimos um método multinível hierárquico top-down, que combina simulações de dinâmica molecular com cálculos ab initio de transporte eletrônico, para abordar fenômenos de multiescala. O potencial dessa implementação foi demonstrado em um estudo de caso envolvendo o fluxo de água e o transporte de íons através de um nanotubo de carbono tipo (6,6). Mostramos que o traço iônica pode representar uma mudança na condutância elétrica do nanocanal, e levar a uma medida indireta da corrente iônica. Também implementamos uma versão modificada da análise de rede de ligações de hidrogênio baseada em teoria de grafos, a fim de fazer o estudo das propriedades estruturais e dinâmicas em diferentes regiões do poro. Com essa abordagem, nós fomos capazes de explorar sistematicamente os efeitos de interface em fluidos espacialmente confinados. Combinando-se simulações de dinâmica molecular com a análise da rede de ligações de hidrogênio em camadas, nós pudemos avaliar a extensão dos efeitos de superfície nas propriedades dinâmicas e os detalhes da interface calcita/salmoura. Com a abordagem desenvolvida, conseguimos isolar os efeitos específicas dos íons da solução aquosa na rede de ligações de hidrogênio. Mostramos que a camada superficial exibe uma topologia de rede semelhante à observada em água pura, uma vez que a barreira eletrostática e física exibida por essa região, inibe a adsorção de íons na superfície da calcita. Fora dessa faixa, os íons influenciam consideravelmente a rede de ligações de hidrogênio: observamos a formação caminhos geodésicos mais extensos em relação àqueles observados em água pura. Esses ramos, que são formados por ligações de hidrogênio contíguas, podem conectar moléculas de baixa a alta dinâmica. Tal estrutura, pode explicar as propriedades mecânicas adesivas observadas em fluidos altamente confinados. Nossas principais contribuições decorrem na descrição da estrutura do solvente, dos íons da solução aquosa na interface calcita/fluido; e suas indicações físicas, e seu potencial significado nos processos de crescimento e dissolução de cristais. Nossas implementações fornecem contribuições interessantes para a compreensão atual dos processos que ocorrem em meios porosos. Especialmente, podendo contribuir para um desenvolvimento racional de novos dispositivos nanofluidicos. / The unusual physical properties exhibit by fluids within nanoscopic porous media play an important role in the plethora of chemical, geochemical and environmental processes. Currently, many aspects of the structure and dynamics of the spatially constrained fluids are still poorly understood. Additionally, the interfacial phenomena considerably influences the processes occurring in nanoporous media, which can have a major effect on nanofluidics devices. These multiphase systems and multi-physics phenomena occurs at solid/solution interfaces, with electronic and dynamic effects taking place across size and time scales. Currently, a single methodology is not capable to disentangle all the complexity find in such systems because it is restricted to a specific scale or computationally demand. In addition, the usual computational modeling methodologies applied to investigate bulk phases, they are, in general, not suitable to systematically access the surface effects occurring at solid/fluid interfaces. The challenges imposed by the nanofludics-based systems within the molecular modeling framework require innovative initiatives (among the available methodologies) to correctly access the interface properties. In this thesis, we develop and apply novel computational approaches to properly design and characterize nanofluidics-based systems at atomic level. In this context, we introduced an hierarchical top-down multilevel method by combining molecular dynamics simulations with first principles electronic transport calculations to address the multiscale phenomena problem. The potential of this implementation was demonstrated in a case study involving the water and ionic (Na, Li, and CL) flow through a (6,6) carbon nanotube. We showed that the ionic trace, observed on the electronic transmittance, it may handle an indirect measurement of the ionic current that is recorded as a sensing output. We implemented also a layered version of hydrogen bond network analysis based on graph theory. With this approach, we were able to properly explore interface effects arising on spatially confined fluids. By combining molecular dynamics simulations with the layered hydrogen bond network analysis, we evaluated the extension of surface effects on the fluids dynamics properties and the interaction details at calcite/brine interface. With the developed approach, we have been able to isolate the specific features of the aqueous solutions ions on the hydrogen bond network. We showed that the surface layer near the calcite/brine interface displays similar network topology as observed in pure water, since the electrostatic and physical barrier displayed by this layer inhibit the adsorption of ions on the calcite surface. Outside that region, these ions affect the hydrogen bond network. We observed a more extended geodesic paths with respect to that observed in pure water. Such hydrogen bond branches may connect low to high dynamics molecules across the pore and hence, it may explain the glue-like mechanical properties observed in confinement environment. Our main contributions in this work relies on describing the structure of solvent and electrolyte aqueous solution at calcite/fluid interface and their physical indications and potential significance on the crystal growth and dissolution processes. Our implementations provide interesting contributions to the current understanding of processes occurring in porous media. Specially, it may contribute on the rational design of novel nanofluidics devices.

Os processos farmacocinéticos de absorção, distribuição, metabolismo e excreção (ADME), têm sido identificados como as principais causas do insucesso de candidatos a fármacos em estágios avançados de desenvolvimento clínico. As metodologias modernas de modelagem in silico de propriedades farmacocinéticas estão integradas ao processo de planejamento de fármacos, sendo de extremo valor na identificação e seleção de novas entidades químicas candidatas a fármacos. Esta área emergente está atraindo grande atenção da indústria farmacêutica mundial, que tem integrado a otimização de múltiplas propriedades farmacodinâmicas e farmacocinéticas em todos os estágios de projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D). As propriedades farmacocinéticas podem ser estudadas através do uso de métodos in silico como o estudo das relações quantitativas entre a estrutura e atividade (QSAR), ou estrutura e propriedade (QSPR), entre outros. O trabalho desenvolvido nesta tese de doutorado teve como importante objetivo estudar as relações quantitativas entre a estrutura química e propriedades farmacocinéticas como absorção intestinal, metabolismo de primeira passagem mediado pelo CYP, permeabilidade da barreira hematoencefálica, bem como eventos de extremo interesse que as influenciem como a inibição da glicoproteína-P e solubilidade aquosa. Para a realização deste trabalho, conjuntos padrões de dados foram organizados para as propriedades farmacocinéticas contendo a informação qualificada sobre a estrutura química e a propriedade alvo correspondente. Os conjuntos de dados criados formaram as bases científicas para o desenvolvimento dos modelos preditivos empregando o método holograma QSAR (HQSAR). Os modelos finais de HQSAR gerados neste trabalho possuem elevada consistência interna e externa, apresentando bom poder de correlação e predição das propriedades alvo. Os modelos desenvolvidos, assim como os dados farmacocinéticos coletados, foram disponibilizados para acesso livre através da internet na base de dados PK/DB (www.pkdb.ifsc.usp.br). Devido à simplicidade, robustez e consistência, estes modelos são guias úteis em Química Medicinal nos estágios iniciais do processo de descoberta e desenvolvimento de fármacos. / The pharmacokinetic (PK) processes of absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME), have been identified as one of the major causes of new chemical entities (NCEs) failure in early clinical trials. In silico models are receiving increased attention in recent years from the pharmaceutical industry, which is integrating a paradigm of multiple pharmacodynamic and pharmacokinetic properties optimization for the development of NCEs. ADME properties can be studied by in silico methods, such as quantitative structure-activity relationships (QSAR) or structure-property (QSPR), among other methodologies. The main goal of this PhD thesis was to study the quantitative relationships between chemical structure and pharmacokinetic properties, such as intestinal absorption, CYP mediated first pass metabolism, blood brain barrier permeability, as well as other important events that have influence on these PK properties, such as P-glycoprotein inhibition and water solubility. In the present work, standard data sets were organized encompassing the structural information and corresponding pharmacokinetic data. The standard data sets established the scientific basis for the development of predictive models using the hologram QSAR (HQSAR) method. The final HQSAR models possess high internal and external consistency with good correlative and predictive power for endpoint PK properties. All in silico models generated and standard data sets are freely available on the internet through the Database for Pharmacokinetic Properties (PK/DB - www.pkdb.ifsc.usp.br). Due to the simplicity, robustness and effectiveness, these models are useful guides in Medicinal Chemistry in the early stages of the drug discovery and development process.

A doença de Chagas é uma infecção causada pelo protozoário intracelular Trypanosoma cruzi. Atualmente 7 a 8 milhões de pessoas encontram-se infectadas, e há 25 milhões de pessoas em áreas de risco de contaminação. A cada ano ocorrem 56.000 novos casos e, aproximadamente, 12.000 mortes por complicações oriundas da doença. É endêmica em 21 países da América do Sul, e pode ser encontrada, também, na América do Norte e Europa devido a processos migratórios. Somente dois fármacos estão disponíveis para o tratamento da doença de Chagas, o nifurtimox e o benznidazol, que são ativos somente na fase aguda e causam sérios efeitos adversos. Diante deste panorama, é eminente a necessidade de novos antichagásicos. A enzima cruzaína é a principal cisteíno-protease presente no T. cruzi, é importante para a sobrevivência, diferenciação e entrada do parasita no hospedeiro, se apresentando como um excelente alvo biológico na busca de novos quimioterápicos. Derivados de semicarbazona, tais como o nitrofural e o hidroximetilnitrofural demonstraram atividade inibitória da cruzaína, sendo considerados protótipos na busca de antichagásicos. Utilizando estratégias modernas de planejamento de fármacos por meio da integração entre técnicas computacionais, modelagem molecular e docking, e experimentais, síntese e ensaios biológicos, realizou-se neste trabalho o planejamento, síntese e avaliação biológica de bioisósteros do nitrofural como candidatos à antichagásicos. Aplicou-se estudos de modelagem molecular e docking para 10 compostos derivados de aminoguanidina, semi e tiossemicarbazona; observamos nesses estudos que os compostos contendo tiossemicarbazona apresentaram resultados mais favoráveis ao mecanismo de ação proposto, o qual sugere-se um ataque nucleofílico do resíduo de Cys25 presente no sítio catalítico da enzima cruzaína à tiocarbonila presente nesses compostos. Obtiveram-se através da síntese, 6 compostos caracterizados por RMN 1H e 13C. Tais compostos foram submetidos a ensaios de inibição da cruzaína, sendo que os derivados 6, 9 e 10, apresentaram um perfil de inibição favorável em dose de 100 µM, com valores entre 70 e 75% de inibição. Em ensaio de inibição de crescimento celular em formas epimastigotas do T. cruzi o composto 9 apresentou um IC50 de 19,8 µM, sendo o melhor protótipo para desenvolvimento de um novo agente antichagásico. De uma maneira geral os resultados obtidos nos ensaios biológicos corroboram com os dados apresentados na modelagem molecular, uma vez que os compostos contendo a cadeia lateral tiossemicarbazona mostraram melhores resultados em ambos os testes, demonstrando que a integração entre técnicas computacionais e experimentais se apresenta como uma excelente estratégia na busca de novos agentes antichagásicos. / Chagas disease is an infection caused by the intracellular protozoan Trypanosoma cruzi. Currently 7 million to 8 million people are infected, and there are 25 million people in areas at risk of contamination, with 56,000 new cases each year and roughly 12,000 deaths are related to Chagas complications. It is endemic in 21 countries in South America, and can also be found in North America and Europe due to migration processes. Only two drugs are available for treatment of Chagas disease, nifurtimox and benznidazole, which are active only in the acute phase and cause serious adverse effects. Against this background, it is imminent need for new antichagasic. The enzyme cruzain is the major cysteine protease present in the T. cruzi, is important for the survival, differentiation and entry of the parasite in the host, presenting itself as an excellent biological target in the search for new chemotherapeutic agents. Semicarbazone derivatives, such as nitrofurazone and hydroxymethylnitrofurazone showed inhibitory activity cruzain being considered prototypes in search antichagasic. Using modern drug design strategies through the integration of computational techniques, molecular modeling and docking, and experimental synthesis and biological assays. In this work were performed design, synthesis and biological evaluation of the bioisosters nitrofurazone as candidates for antichagasic. Were applied molecular modeling and docking studies for ten derivatives compounds of aminoguanidine, semi and thiosemicarbazone. In these studies thiosemicarbazone derivatives compounds showed more favorable for the mechanism of action proposed, that suggest a nucleophilic attack of the Cys25 residue present in the catalytic site of the enzyme cruzain in the thiocarbonyl group. Six compounds were synthesized and characterized by 1H and 13C NMR. These compounds were tested for inhibition of cruzain, and derivatives 6, 9 and 10 showed favorable enzyme inhibition at single dose of 100 µM, with values between 70 and 75%. In the inhibition assay of cell growth in epimastigotes forms of T. cruzi, the compound 9 showed an IC50 of 19.8 µM, the best prototype for the development of a new antichagasic agent. In general the results obtained by biological assay corroborate the data presented in molecular modeling, since compounds containing side chain thiosemicarbazone showed better results in both tests, showing that the integration of experimental and computational techniques is presented as a excellent strategy in the search for new agents antichagasic