O entendimento dos princípios básicos do enovelamento protéico pode conduzir a muitas aplicações importantes. Embora não se conheçam todos os aspectos significativos envolvidos neste problema, experimentos e aproximações teóricas têm produzido avanços relevantes na sua compreensão. Um fato experimental importante tem sido a descoberta de que o logaritmo da taxa de enovelamento log kf se correlaciona linearmente com parâmetros estruturais globais, como a ordem de contato relativa c. Com o propósito de contribuir para o entendimento do processo de enovelamento, o objetivo primordial deste trabalho consiste em explicar o porquê de certas proteínas não seguirem o comportamento linear entre log kf e c, verificado para outras proteínas da mesma classe (usualmente proteínas pequenas e com termodinâmica descrita pela aproximação de dois estados). Para isso foi necessário identificar os parâmetros topológicos da estrutura nativa que constituíssem importantes determinantes da cinética do enovelamento de proteínas globulares. Também se estudou como as especificidades estéricas dos aminoácidos afetam o processo do enovelamento de proteínas, assim como influenciam na correlação entre a ordem de contato relativo e a taxa de enovelamento. Empregou-se neste estudo um modelo simplificado em rede cúbica, que foi tratado por meio de simulações Monte Carlo. Um conjunto de 52 estruturas maximamente compactas, correspondendo a cadeias de tamanho L = 27 monômeros, foi usado para representar estados nativos; estas estruturas foram escolhidas de forma a representar uma variedade significativa de padrões estruturais, independentemente de c. Através de uma análise detalhada da influência de parâmetros topológicos das configurações nativas na cinética do enovelamento, conclui-se que a taxa de enovelamento é fortemente dependente daquilo que denominamos aqui como “conteúdo de estruturas tipo-secundárias" da estrutura nativa. Adicionalmente, observou-se que aquela (taxa), independentemente do valor da ordem de contato relativo, é fortemente influenciada pelos padrões confíguracionais e suas combinações presentes na nativa. Por meio dessa premissa, foi então possível explicar de forma consistente os casos que não obedecem a pretensa relação linear entre log kf e c, levando a concluir que o logaritmo da taxa de enovelamento e a ordem de contato relativo são linearmente dependentes somente para aquelas configurações em que há uma certa quantidade equilibrada (que depende de c) de padrões estruturais, mesclando contatos efetivos de curto alcance (alto conteúdo de estruturas tipo-secundárias), com outros de longo alcance (baixo conteúdo de estruturas tipo-secundárias). Estruturas nativas que quebram este equilíbrio têm sua cinética de enovelamento afetada com respeito à reta de regressão linear ajustada para o conjunto de todas as configurações consideradas. Dessa forma, verificou-se que o mecanismo físico básico que relaciona o conteúdo de estruturas tipo-secundárias e a taxa de enovelamento, envolve o conceito de cooperatividade: se a estrutura nativa é rica em combinações de padrões estruturais ricos em contatos efetivos de curto alcance, o processo de enovelamento é mais rápido porque contatos locais são naturalmente estimulados por flutuações térmicas. / The understanding of basic principles of the protein folding problem can lead to many important applications. Although not all the involved significant aspects of this problem are known, experiments and theoretical approaches have produced important advances in its understanding. An important experimental fact has been the discovery that the logarithm of the folding rate log kf correlates linearly with global structural parameters, like the relative contact order c. In order to contribute for the understanding of folding process, the primordial goal of this work consists in to explain why certain proteins do not follow the linear behavior between log kf and c, as verified to other proteins from the same class (usually small two states proteins). For this, it was necessary to identify those topological parameters of the native structure that are important to the folding kinetic of globular protein. It was also studied how steric specificities of the aminoacids affect the protein folding process, as well how they influence the correlation between the relative contact order and the folding rate. It was employed in this study a simplified cubic lattice model, treated by Monte Carlo simulation. A set of 52 maximum compact structures, corresponding to chains of size L = 27 monomers, was used to represent the native states; these structures were chosen in such a way to represent a significant diversity of structural patterns, independently of c. Through a detailed analysis of the influence of topological parameters of the native configurations on the folding kinetic, it was concluded that the folding rate is strongly dependent of what we call here as “content of type-secondary" of the native. Additionally, it was observed that log kf is, independently of c, strongly influenced by the configurational patterns and its combinations in the native. Through this premise it was possible to consistently explain the cases that do not obey the pretense linear relation between log kf and c, leading to conclude that the logarithm of the folding rate and the relative contact order are linearly related only for those configurations in that there is a certain balanced amount of structural patterns (which depend on c) mixing short-range effective contacts (high contents of secondary-type structures) and long-range contacts (low contents of secondary-type structures). Structures that break this balance have its folding kinetic affected with respect to the linear fitting adjusted for the set of all the considered configurations. Of this form, it was verified that basic physical mechanism that relates the content of type-secondary structures and the folding rate involves the cooperativety concept: if the native structure presents combinations of structural standards rich in effective contacts of short-range, the folding process is faster because local contacts are naturally stimulated by thermal fluctuations.

O entendimento dos princípios básicos do enovelamento protéico pode conduzir a muitas aplicações importantes. Embora não se conheçam todos os aspectos significativos envolvidos neste problema, experimentos e aproximações teóricas têm produzido avanços relevantes na sua compreensão. Um fato experimental importante tem sido a descoberta de que o logaritmo da taxa de enovelamento log kf se correlaciona linearmente com parâmetros estruturais globais, como a ordem de contato relativa c. Com o propósito de contribuir para o entendimento do processo de enovelamento, o objetivo primordial deste trabalho consiste em explicar o porquê de certas proteínas não seguirem o comportamento linear entre log kf e c, verificado para outras proteínas da mesma classe (usualmente proteínas pequenas e com termodinâmica descrita pela aproximação de dois estados). Para isso foi necessário identificar os parâmetros topológicos da estrutura nativa que constituíssem importantes determinantes da cinética do enovelamento de proteínas globulares. Também se estudou como as especificidades estéricas dos aminoácidos afetam o processo do enovelamento de proteínas, assim como influenciam na correlação entre a ordem de contato relativo e a taxa de enovelamento. Empregou-se neste estudo um modelo simplificado em rede cúbica, que foi tratado por meio de simulações Monte Carlo. Um conjunto de 52 estruturas maximamente compactas, correspondendo a cadeias de tamanho L = 27 monômeros, foi usado para representar estados nativos; estas estruturas foram escolhidas de forma a representar uma variedade significativa de padrões estruturais, independentemente de c. Através de uma análise detalhada da influência de parâmetros topológicos das configurações nativas na cinética do enovelamento, conclui-se que a taxa de enovelamento é fortemente dependente daquilo que denominamos aqui como “conteúdo de estruturas tipo-secundárias” da estrutura nativa. Adicionalmente, observou-se que aquela (taxa), independentemente do valor da ordem de contato relativo, é fortemente influenciada pelos padrões confíguracionais e suas combinações presentes na nativa. Por meio dessa premissa, foi então possível explicar de forma consistente os casos que não obedecem a pretensa relação linear entre log kf e c, levando a concluir que o logaritmo da taxa de enovelamento e a ordem de contato relativo são linearmente dependentes somente para aquelas configurações em que há uma certa quantidade equilibrada (que depende de c) de padrões estruturais, mesclando contatos efetivos de curto alcance (alto conteúdo de estruturas tipo-secundárias), com outros de longo alcance (baixo conteúdo de estruturas tipo-secundárias). Estruturas nativas que quebram este equilíbrio têm sua cinética de enovelamento afetada com respeito à reta de regressão linear ajustada para o conjunto de todas as configurações consideradas. Dessa forma, verificou-se que o mecanismo físico básico que relaciona o conteúdo de estruturas tipo-secundárias e a taxa de enovelamento, envolve o conceito de cooperatividade: se a estrutura nativa é rica em combinações de padrões estruturais ricos em contatos efetivos de curto alcance, o processo de enovelamento é mais rápido porque contatos locais são naturalmente estimulados por flutuações térmicas. / The understanding of basic principles of the protein folding problem can lead to many important applications. Although not all the involved significant aspects of this problem are known, experiments and theoretical approaches have produced important advances in its understanding. An important experimental fact has been the discovery that the logarithm of the folding rate log kf correlates linearly with global structural parameters, like the relative contact order c. In order to contribute for the understanding of folding process, the primordial goal of this work consists in to explain why certain proteins do not follow the linear behavior between log kf and c, as verified to other proteins from the same class (usually small two states proteins). For this, it was necessary to identify those topological parameters of the native structure that are important to the folding kinetic of globular protein. It was also studied how steric specificities of the aminoacids affect the protein folding process, as well how they influence the correlation between the relative contact order and the folding rate. It was employed in this study a simplified cubic lattice model, treated by Monte Carlo simulation. A set of 52 maximum compact structures, corresponding to chains of size L = 27 monomers, was used to represent the native states; these structures were chosen in such a way to represent a significant diversity of structural patterns, independently of c. Through a detailed analysis of the influence of topological parameters of the native configurations on the folding kinetic, it was concluded that the folding rate is strongly dependent of what we call here as “content of type-secondary” of the native. Additionally, it was observed that log kf is, independently of c, strongly influenced by the configurational patterns and its combinations in the native. Through this premise it was possible to consistently explain the cases that do not obey the pretense linear relation between log kf and c, leading to conclude that the logarithm of the folding rate and the relative contact order are linearly related only for those configurations in that there is a certain balanced amount of structural patterns (which depend on c) mixing short-range effective contacts (high contents of secondary-type structures) and long-range contacts (low contents of secondary-type structures). Structures that break this balance have its folding kinetic affected with respect to the linear fitting adjusted for the set of all the considered configurations. Of this form, it was verified that basic physical mechanism that relates the content of type-secondary structures and the folding rate involves the cooperativety concept: if the native structure presents combinations of structural standards rich in effective contacts of short-range, the folding process is faster because local contacts are naturally stimulated by thermal fluctuations.

O entendimento dos princípios básicos do enovelamento proteico pode conduzir a muitas aplicações importantes. Embora não se conheçam todos os aspectos significativos envolvidos neste problema, experimentos e aproximações teóricas têm produzido avanços relevantes na sua compreensão, como, por exemplo, o papel dominante das forças hidrofóbicas. Com o propósito de contribuir para a identificação de alguns parâmetros determinantes no processo de folding, o objetivo deste trabalho consiste em estudar o potencial estéreo-hidrofóbico (isto é, o potencial hidrofóbico e um conjunto de especificidades estéricas adequadas) relacionado ao processo de enovelamento de proteínas globulares, evidenciando o papel das restrições estéricas e as características topológicas do estado nativo. Para tanto, empregou-se um modelo simplificado em rede cúbica, estudando-se, através de simulações Monte Carlo, o comportamento de mais de 40 cadeias tipo-proteínas, que apresentam estados nativos caracterizados pelos seguintes parâmetros topológicos: ordem de contato, χ, ordem de longo alcance e número φ de estruturas tipo grande manivela. Claramente, os resultados das simulações para as cadeias com configurações nativas, caracterizadas por baixo valor de χ e elevado valor de φ, são bastante diferenciados daqueles obtidos para as cadeias que apresentam configurações nativas com χ elevado e φ pequeno, evidenciando que o potencial estéreo-hidrofóbico, adotado neste trabalho, permite relacionar os comportamentos termodinâmico e cinético da cadeia tipo-proteína com os atributos topológicos da configuração nativa correspondente. Adicionalmente, mostrou-se que as restrições estéricas consideradas introduzem fortes mudanças na atividade configuracional, aumentando a estabilidade do estado nativo, bem como alterando, drasticamente, a curva da capacidade térmica, em função da temperatura, em comparação com os resultados das simulações obtidos com o potencial hidrofóbico (sem restrições estéricas). / The understanding of the basic principles of the protein folding process may lead to very important applications. Although all significant aspects of this problem are not yet known, experimental and theoretical results have given important contribution on the subject, as, for instance, about the dominant role of the hydrophobic forces. In order to contribute to the identification of significant ingredients for the folding process, the main goal of this work consists in studying the stereo-hydrophobic potential (that is, the hydrophobic potential and a set of steric specificities) related to the folding process of globular proteins, revealing the importance of the steric constraints and the role of the native structure. A minimalist lattice model was employed for this purpose, and more than forty distinct protein-like chains were studied. These chains were designed based on native structures characterized by topological parameters as contact order, χ, long range order and number φ of crankshaft-like structures. The Monte Carlo simulation results show clearly that the folding process depends strongly on the topological attributes of the native structure: thermodynamical and kinetic behavior for chains designed from native structures, presenting smaller χ and higher φ, are very distinguishable from those with higher χ and lower φ. Additionally it was shown that the steric constraints significantly modify the configurational activity, increasing the general conditions for the globule stability, as well changing drastically the shape of the thermal capacity behavior, as a function of the temperature, in comparison with the corresponding results obtained using the hydrophobic potential only, i.e., without the steric specificities.

O entendimento dos princípios básicos do enovelamento proteico pode conduzir a muitas aplicações importantes. Embora não se conheçam todos os aspectos significativos envolvidos neste problema, experimentos e aproximações teóricas têm produzido avanços relevantes na sua compreensão, como, por exemplo, o papel dominante das forças hidrofóbicas. Com o propósito de contribuir para a identificação de alguns parâmetros determinantes no processo de folding, o objetivo deste trabalho consiste em estudar o potencial estéreo-hidrofóbico (isto é, o potencial hidrofóbico e um conjunto de especificidades estéricas adequadas) relacionado ao processo de enovelamento de proteínas globulares, evidenciando o papel das restrições estéricas e as características topológicas do estado nativo. Para tanto, empregou-se um modelo simplificado em rede cúbica, estudando-se, através de simulações Monte Carlo, o comportamento de mais de 40 cadeias tipo-proteínas, que apresentam estados nativos caracterizados pelos seguintes parâmetros topológicos: ordem de contato, χ, ordem de longo alcance e número φ de estruturas tipo grande manivela. Claramente, os resultados das simulações para as cadeias com configurações nativas, caracterizadas por baixo valor de χ e elevado valor de φ, são bastante diferenciados daqueles obtidos para as cadeias que apresentam configurações nativas com χ elevado e φ pequeno, evidenciando que o potencial estéreo-hidrofóbico, adotado neste trabalho, permite relacionar os comportamentos termodinâmico e cinético da cadeia tipo-proteína com os atributos topológicos da configuração nativa correspondente. Adicionalmente, mostrou-se que as restrições estéricas consideradas introduzem fortes mudanças na atividade configuracional, aumentando a estabilidade do estado nativo, bem como alterando, drasticamente, a curva da capacidade térmica, em função da temperatura, em comparação com os resultados das simulações obtidos com o potencial hidrofóbico (sem restrições estéricas). / The understanding of the basic principles of the protein folding process may lead to very important applications. Although all significant aspects of this problem are not yet known, experimental and theoretical results have given important contribution on the subject, as, for instance, about the dominant role of the hydrophobic forces. In order to contribute to the identification of significant ingredients for the folding process, the main goal of this work consists in studying the stereo-hydrophobic potential (that is, the hydrophobic potential and a set of steric specificities) related to the folding process of globular proteins, revealing the importance of the steric constraints and the role of the native structure. A minimalist lattice model was employed for this purpose, and more than forty distinct protein-like chains were studied. These chains were designed based on native structures characterized by topological parameters as contact order, χ, long range order and number φ of crankshaft-like structures. The Monte Carlo simulation results show clearly that the folding process depends strongly on the topological attributes of the native structure: thermodynamical and kinetic behavior for chains designed from native structures, presenting smaller χ and higher φ, are very distinguishable from those with higher χ and lower φ. Additionally it was shown that the steric constraints significantly modify the configurational activity, increasing the general conditions for the globule stability, as well changing drastically the shape of the thermal capacity behavior, as a function of the temperature, in comparison with the corresponding results obtained using the hydrophobic potential only, i.e., without the steric specificities.