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Tesis > TEMA

Química [ 574 tesis ]

Química Computacional [ 13 tesis ]

Rodriguez, Javier. "Transiciones en nanoagregados acuosos: isomerización y cambios de fase" (2002) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Este trabajo consiste en la realización de experiencias de simulación computacional destinadas a analizar aspectos microscópicos relacionados con la estructura, respuesta de polarización y transiciones de fase sólido-líquido en nanoagregados acuosos pequeños: 6,8 y 9. Como primer paso de nuestro estudio, hemos analizado diversas estructuras correspondientes a mínimos locales empleando para ello metodos ab — initio y campos de fuerza medios. Nuestra aproximación al estudio cuántico se basó en la Teoría de los Funcionales de la Densidad, al nivel GGA. Para el caso particular del 6, fueron escogidos cinco confórmeros de energía similar, con diferente estructura y momento dipolar. Dentro de este grupo, sólo el confórmero cíclico resulta no polar. Para 8, las estructuras más estables correpondien a las formas cúbicas, no polares, D2d y S4. La polarizabilidad estática muestró ser proporcional al tamaño de los agrega(los, presentando una débil dependencia con el número de uniones hidrógeno. Con el objeto de examinar la influencia de las fluctuaciones térmicas en los agregados, fueron realizados una serie de experimentos dc dinámica molecular clásica, partiendo de bajas temperaturas hasta alcanzar la transición de fusión; empleando para ello dos pseudopotenciales distintos: TIP4P y MCY. Los procesos de isomerizacion en las cercanías de las transiciones de fase fueron caracterizados mediante el seguimiento del cambio en el momento dipolar, el número de uniones hidrógeno y el parámetro de Lindemann. Utilizando técnicas basadas en la técnica de Muestreo de Trayectorias Reactivas (MTR) hemos analizado la dinámica de la isomerización a bajas energias entre las estructuras cúbicas estables D2d y S4 del 8. El mecanismo de reacción involucra el pasaje sobre estados de transición caracterizados por la distorsión de una cara del cubo original debido a la presencia de un enlace de hidrógeno diagonal. El análisis dinámico de un conjunto de trayectorias muestra que la isomerizacion requiere de la rotación concertada de moléculas dobles donoras de protones y el intercambio entre los hidrogenos libres y enlazados, en moleculas donores simples de protones. A una energía total de E = —60.5 kcal/mol, el tiempo característico para la interconversión es del orden de los milisegundos. Hemos investigado también caminos reactivos para la transición de fusión, a temperaturas T ≈ 200 K en donde la barrera de energía libre entre interconversiones sólido-líquido no supera 2 kbT. Nuestro resultados predicen que las transiciones líquido-sólido no involucran el pasaje a través de barreras energéticas sino que la estabilización de la fase liquida es el resultado de cancelaciones entre las contribuciones energéticas y entrópicas. Por último, analizamos los canales reactivos que conducen la interconversión a bajas energías, entre dos estructuras estables de 9 derivadas de la estructura D2d antes mencionada. El análisis de modos normales instantáneos revela que el canal reactivo de la interconversión requiere de la la traslación concertada de tres moléculas. A una energia total de E: -76 kcal/mol, el tiempo característico para la interconversión, calculada a partir del MTR, es del orden de los 0.5 milisegundos. Esta estimación concuerda satisfactoriamente con predicciones obtenidas a partir de la teoría clásica microcanónica del estado de transición.

Abstract:
In this work, we have performed computer simulation experiments to unveil microscopic details related to the structural arrangement, polarization response and solid-liquid phase transitions in small aqueous nanoclusters :6,8 y 9. As first instance of our work, we analyzed different local minimum structures employing ab —initio methods and mean field force fields. Our approach to the quantum problem was based on Density Functional Theory, at the Generalized Gradient Approximation level. For the specific case of 6, we chose five conformers of similar energy differing in structure and dipolar moment. For this group, only the cyclic hexamer structure turned out to be non-polar. For 8, the most stable structures corresponded to the cubic D2d and S4, non polar conformers. The static polarizability was found to be proportional to the size of the aggregates and weakly dependent on the number of hydrogen bonds. In order to asses the effect of thermal fluctuations, we performed a series of classical Molecular Dynamics from low temperatures up to near the solid-liquid transitions, employing two well tested pseudopotentials: TIP4P and MCY. Isomerization processes in the vicinity of the liquid-solid phase transitions were followed by monitoring changes in the dipolar structure, number of hydrogen bonds and the Lindemann parameter. Using Transition Path Sampling (TPS) methods we also investigated dynamical aspects of the low energy isomerization between the D2d and S4 stable structures of 8. The reaction mechanism involved the passage over an ensemble of transition states characterized by distorted structures, in which an original face of the cube exhibits a diagonal hydrogen bond. The dynamical analysis of a set of reactive paths showed that the isomerization requires concerted flips of double proton donor molecules and the interchange between dangling and bonding hydrogens, in simple proton donor molecules. At a total energy of E = —60.5 kcal/mol, we calculated that the characteristic time for the interconversion is of the order of milliseconds. We have also investigated pathways for the melting transition at temperatures T≈200 K. We find that the barrier for solid-liquid interconversions never exceeds ZKbT. Such interconversions between liquid and solid do no involve the passage over an energetic barrier; instead, the stabilization of the liquid phase is the result of a concallation between energetic and entropic contributions. We finally analyzed dynamical pathways for the low energy interconversions between two stable 9 derived from the D2d octamer. Instantaneous normal mode analysis reveals that the dynamics over the ensemble of transition states is characterized by the concerted translation of three molecules. At a total energy E = —76 kcal/mol, the characteristic time for the interconversion, obtained from TPS tecnique, is of the order of 0.5 ns. This estimate compares well with predictions from classical microcanonical transition state theory.

Scherlis Perel, Damián Ariel. "Simulación de reactividad química en hemoproteínas" (2002) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El trabajo de tesis puede subdividirse en dos incisos generales: el desarrollo de técnicas de simulación computacional orientadas al tratamiento de los efectos del entorno en sistemas moleculares de gran tamaño, y la aplicación de estas y otras metodologías de cálculo a diversos problemas atenientes a la reactividad de las hemoproteínas. En relación con el primer ítem, se halla la implementación de un método híbrido que combina el cálculo de estructura electrónica con un campo de fuerzas clásico, introduciendo de manera autoconsistente en el hamiltoniano mecanocuántico el potencial electrostático proveniente de una distribución de cargas parciales. Esta clase de técnicas, denotada habitualmente con las siglas QM-MM (Quantum Mechanics-Molecular Mechanics), resulta útil para el estudio de los efectos del entorno, por ejemplo un solvente o una proteína. La implementación del método híbrido fue realizada sobre el programa SIESTA, un algoritmo de cómputo basado en la teoría de los funcionales de la densidad (DFT) que utiliza funciones de base numéricas y pseudopotenciales. En lo que respecta al segundo inciso, se realiza en primer término un estudio metodológico tendiente a evaluar la aptitud de los diferentes tratamientos mecanocuánticos para describir la configuración electrónica de las metaloporfirinas. Seguidamente la investigación se focaliza sobre tres problemas específicos: (i) inhibición del citocromo P450 por el óxido nítrico; (ii) relación entre la afinidad por el oxígeno molecular y las uniones hidrógeno en la cavidad distal de la hemoglobina; (iii) modulación del efecto trans negativo del NO en el sitio activo de diferentes hemoenzimas, y sus implicancias en la activación de la guanilato ciclasa. A través de estos ejemplos se realiza una lectura microscópica de la actividad de las hemoproteínas, de sus propiedades reactivas, y de la modulación que sobre el sitio activo ejerce el entorno. Se estudian los efectos de los residuos proximales y distales, y se caracterizan distintos aspectos energéticos, estructurales y electrónicos que contribuyen a la interpretación de observaciones experimentales.

Abstract:
This thesis has two main goals: the development of computer simulation schemes to model environment effects in large systems and the application of these techniques to the investigation of chemical reactivity in heme proteins. Regarding the first goal, we have implemented a hybrid methodology combining an electronic structure calculation with a classical force field, including the electrostatic effects of the classical subsystem self-consistently in the Hamiltonian of the quantum subsystem. This kind of techniques, known usually as QM-MM (Quantum Mechanics- Molecular Mechanics), are specially useful to model environment effects in solution and in proteins. We have employed the SIESTA pseudopotential numerical basis set implementation of density functional theory (DFT) to describe the quantum subsystem, due to its computational performance. The implemented computational schemes have been used to investigate the following problems: (i) inhibition of cytochrome P450 by nitric oxide; (ii) role of hydrogen bonding in oxygen affinity of hemoglobins; (iii) modulation of nitric oxide negative trans effect in the active site in different heme proteins and its connection with the activation of guanylate cyclase. Through these examples, we have tried to provide a microscopic insight of the role of the environment on the chemical reactivity of heme proteins. We have investigated the effects of the distal and proximal residues, characterizing structural and energetical parameters which contribute to the interpretation of experimental results.

Turjanski, Adrián G.. "Interacción de la melatonina con radicales libres" (2003) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El objetivo de este trabajo de tesis fue el estudio a nivel molecular de la interacción de la melatonina (N-acetil-S-metoxitriptamina) con dos radicales libres de relevancia biológica, el radical oxhidrilo (OH·) y el óxido nítrico (NO). Para el desarrollo del presente trabajo se analizaron estas interacciones químicas desde un enfoque teórico, mediante técnicas de simulación computacional, desde un enfoque experimental, a través del estudio de las mismas en condiciones aisladas y controladas, y a través de la evaluación de los alcances fisiológicos de las reacciones propuestas. Para evaluar las interacciones con los diferentes blancos se analizó, en primer término, la superficie de energía potencial de la melatonina mediante técnicas de dinámica molécular basadas en campos de fuerzas clásicos y métodos semiempíricos. Se prestó especial atención a los aspectos relacionados con su libertad conformacional en vacío y en solución acuosa. Asimismo, se analizó la dependencia de las propiedades moleculares con la conformación. La reacción con el radical oxhidrilo se estudió mediante técnicas de estructura electrónica, evaluando los posibles mecanismos de reacción y realizando una exhaustiva caracterización de los intermediarios. El estudio de la interacción con NO se puede dividir en dos partes: i) la identificación y caracterización de los productos de reacción y la elucidación de los mecanismos operantes en diversos medios; y ii) el estudio del efecto de la melatonina sobre la biosíntesis de NO en la retina de hámster. Finalmente, mediante el uso de técnicas de resonancia magnética nuclear y de dinámica molecular, se realizó un estudio detallado de la interacción entre la melatonina y la calmodulina, una proteína con probado efecto estimulatorio en la biosíntesis del NO.

Abstract:
The goal of this thesis was the study at a molecular level of the interactions of melatonin (N-Acetyl-5-metoxytriptamine) with two free radicals of biological relevance, hydroxyl (OH·) radical and nitric oxide (NO). The evaluation of the different interactions has been performed by a theoretical approach using molecular modeling tools; through the study of these reactions in isolated and controlled conditions, and finally by the evaluation of their physiological relevance. In order to evaluate the interactions with these different targets, the potential energy surface of melatonin has been analyzed by classical molecular dynamics and semiempirical electronic structure methodologies. Special attention has been paid to the conformational behavior in vacuum and aqueous solution. Moreover, the influence of conformation on several properties has been studied. The reaction with OH· has been analyzed with electronic structure methods. Feasible reaction mechanisms have been evaluated along with a thorough characterization of the intermediates. The research on the interaction with NO consisted of: i) the identification and characterization of the products, and the elucidation of the mechanisms operative in different environments ii) by the analysis of the effect of melatonin on NO biosynthesis in the hamster retina. Finally, by means of nuclear magnetic resonance and molecular dynamics techniques, a detailed study of the interaction of melatonin with calmodulin, a stimulatory protein of NO biosynthesis has been carried out.

Capece, Luciana. "Determinantes estructurales de la coordinación y activación de O2 en hemoproteínas" (2010) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las hemoproteínas conforman un ubicuo grupo de proteínas que presenta una gran diversidad funcional. Las mismas comparten como grupo prostético el grupo hemo, el cual contiene un átomo de hierro al cual se coordinan los ligandos. La gran mayoría de sus funciones involucran la unión de ligandos pequeños, en particular el dioxígeno. Este ligando, luego de ser unido al hemo, puede ser almacenado, transportado, o puede estar involucrado en la realización de reacciones químicas dentro de las proteínas. En este trabajo se utilizan una gran variedad de técnicas de simulación computacional para estudiar los mecanismos de regulación de la unión de oxígeno y su posterior activación en hemoproteínas. Las metodologías empleadas consistieron desde simulaciones de dinámica molecular clásica, estudios de reactividad en sistemas modelo basados en mecánica cuántica, hasta metodologías híbridas cuántico‐clásicas que permiten el estudio de fenómenos reactivos dentro de la estructura proteica. Nos hemos concentrado en particular, en primer lugar, en los mecanismos regulatorios de la afinidad por oxígeno, determinados por las características y el entorno del sitio activo. En segundo lugar, hemos estudiado el mecanismo de coordinación endógena, en el cual el sitio de coordinación de oxígeno está ocupado por un residuo proteico. Por último, se estudió la activación de oxígeno, la unión de sustrato y el mecanismo de reacción de dos dioxigenasas hémicas. Para este último caso se realizaron estudios experimentales que complementaron las simulaciones realizadas.

Abstract:
eme proteins, the group of proteins that share the heme as its prosthetic group, consist in a ubiquitous group of proteins which displays a wide functional diversity. Most of their functions involve binding of small ligands, in particular, molecular oxygen. The heme group contains an iron atom, which is responsible of the coordination of this ligand. Depending on each protein’s function, after binding to the heme, oxygen can be stored or transported, or it can be activated to be involved in chemical reactions inside the protein matrix. In this work we use a wide variety of computational tools to study the mechanism of oxygen binding regulation and activation in heme proteins. The employed methodologies consist from classical molecular dynamics, quantum mechanics calculations on model systems, to hybrid quantum mechanics‐ molecular mechanics (QM‐MM) simulations that allow the analysis of reactive processes inside the protein matrix. In particular, we have focused in the following areas: Firstly, we have studied the regulatory mechanisms of oxygen affinity, determined by the properties and environment of the active site. Secondly, we have analyzed the endogenous coordination mechanism, by which the oxygen binding site is occupied with a protein residue. Finally, we have studied oxygen activation, substrate binding and the reaction mechanism of two heme‐dioxygenases. For this last case, experimental data were collected in order to complete the analysis performed with the simulations.

Boechi, Leonardo. "Estudio computacional de la relación estructura-función en globinas" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las globinas son una familia de proteínas solubles, que poseen un grupo hemo unido generalmente de manera no covalente a la proteína. Sus representante má famosos son la hemoglobina y la mioglobina, responsables del transporte y almacenamiento de oxígeno en mamíferos Las globinas se clasifican en varias subfamilias, una de ellas se denominan hemoglobinas truncadas (trHb) y se las ha encontrado en plantas, hongos y bacterias. En muchos casos pertenecen a microorganismos patógenos para el hombre como M. tuberculosis, M. leprae, y C jejuni entre otros. Las globinas poseen la capacidad de reaccionar frente a ligandos diatómicos (O 2, NO, etc) que les permite actuar como reservorios de dichos ligandos, transporte o detección de los mismos o realizando reacciones de óxido reducción en procesos fundamentales para la supervivencia de los microorganismos patógenos en los organismos donde se alojan. Por esta razón, en la presente tesis se estudiaron los determinantes moleculares que regulan la reactividad de las globinas (fundamentalmente trHbs) frente a ligandos diatómicos, utilizando métodos de simulación computacional. Por un lado se realizaron estudios de los diferentes mecanismos mediante los cuales se regula la migración de los ligandos hacia el sitio activo. Y por el otro, los mecanismos de estabilización de los ligandos cuando se encuentran coordinados al grupo hemo, dentro de la proteína. El estudio de ambos procesos mencionados, resulta fundamental para comprender la función que estas proteínas desempeña en los organismos a los cuales pertenecen. Con el objeto de alcanzar una visión global de los fenómenos estudiados, se investigaron diferentes miembros de la misma sub familia, emparentados evolutivamente entre si. De esta forma se logró una comprensión más amplia de cada uno de los fenómenos. Las herramientas computacionales utilizadas están basadas principalmente en dos metodologías: aquellas basadas en la mecánica clásica para analizar procesos dinámicos de los sistemas, combinado con un novedoso esquema (teorema de Jarzynski) que permite obtener perfiles de energía libre de los procesos; y esquemas híbridos clásico/cuánticos (QM/MM) que permiten simular reactividad química en sistemas grandes como son las hemoproteínas. Dado que las simulaciones computacionales son herramientas muy poderosas cuando se las encuentran combinadas con resultados experimentales, se ha trabajado en colaboración con grupos experimentales para potenciar los alcances de las simulaciones, y a su vez validar los modelos utilizados. Los resultados de la presente tesis, permitieron comprender la estructura de canales internos que poseen las globinas; así como también, la dinámica del sitio activo que regula la afinidad y la reactividad en las mismas. En particular, se reconciliaron resultados aparentemente contradictorios, respecto de la relación entre la estructura de canales internos y las constantes cinéticas de asociación; se identificaron residuos críticos altamente conservados en esta familia, que resultan fundamentales para los procesos de migración de ligandos; se encontraron y caracterizaron fenómenos de hexacoordinación interna dual en una trHb de una bacteria antártica; se caracterizó la estabilización de diferentes ligandos (CO, O2 SH, F) en estas proteínas; y finalmente se encontró una relación muy importante entre la protonación de un residuo de histidina y la migración de O2 en la mioglobina.

Abstract:
Globins are soluble proteins that have a heme prosthetic group non covalently bound to the protein matrix. The most important members are hemoglobin and myoglobin, which are responsible for the oxygen transport and storage in mammals. The globin family is classified in different sub families: one of them is called truncated hemoglobin (trHb) and its members are widely distributed in plants, fungi and bacteria kingdoms. In many cases, these proteins belong to pathogen microorganism like M. tuberculosis, M. leprae, y C jejuni among others. These proteins are able to react with diatomic ligands like O2 and NO. This confers upon them the ability to act as storage, transporters or ligand detectors. In many cases they are also involved in redox processes which are critical for the survival of the microorganism in the host organism. In the present Thesis we studied the molecular basis of globins reactivity (mainly trHbs) with diatomic ligands. Specifically, we studied both the different mechanisms used by these proteins to control ligand migration to the active site, and the stabilization of the coordinated ligand once the ligand is inside. These processes are crucial to understand the role of these proteins in the organisms to which they belong. In order to reach a global vision of the processes, we studied different members of the same family, which are evolutively related. The computational tools used in the present Thesis are mainly based on two approaches. Those based on classical mechanics, to study processes associated with the dynamics of the system, combined with “State of the Art” techniques (Jarzynski's equation) that provide us with the free energy profile of the process desired. We also used a novel quantum/classical approach (QM/MM) reactive processes in large systems. Since computer simulations are very powerful tools combined with experimental results, different collaborations were made with experimental groups to reach a better understanding of the processes, and even as an important way to validate our models. The overall results provide new insight into the structure of internal tunnels for ligand migration, as well as the active site dynamics. In particular, we conciliated controversial results about the relationship of the structure of internal tunnels and the association kinetic constants; we identified critical residues highly conserved in this family involved in the ligand migration process; we found internal hexacoordination phenomena in an antarctic bacteria trHb; we also characterized the stabilization of different ligands such as CO, O2 SH, F coordinated to the heme group; and finally we found an important relationship between the protonation of a particular histidine and the O2 uptake in myoglobin

Butler, Matías. "Desarrollo de metodologías para la diferenciación de compuestos aromáticos isómeros por espectrometría de masa empleando técnicas de ionización a presión atmosférica" (2013-08-09) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Se realizaron estudios para diferenciar isómeros de posición en compuestos aromáticos, empleando un espectrómetro de masa híbrido cuadrupolo/tiempo de vuelo acoplado con distintas fuentes de ionización a presión atmosférica, en modo positivo. Se utilizaron inicialmente dos N-óxidos isómeros de hidroxipiridina comerciales, que sirvieron luego como sistema modelo para el análisis de una serie de 1- y 4- N-óxidos de pirazinas monosustituídas sintetizados. Se investigaron dos metodologías para la diferenciación. La primera metodología consideró el comportamiento disociativo, comparando la relación de intensidades entre los iones observados en los espectros de iones producto de cada isómero a diferentes energías de colisión. En la otra metodología, la formación de iones aducto a partir del empleo de soluciones de cationes metálicos por electrospray, permitió identificar especies características en los espectros de masa obtenidos para cada N-óxido isómero. Los alcances de esta metodología fueron evaluados con isómeros de dihidroxiarenos comerciales, siendo aplicable como método de detección postcolumna para una mezcla de los mismos separada por cromatografía líquida. La complementación con cálculos computacionales permitió interpretar y analizar las diferencias observadas en los espectros de masa, en términos energéticos y estructurales de los iones. Además, se pudo confirmar la correcta asignación de las estructuras calculadas para los iones aducto de uno de los compuestos estudiados por medio de espectroscopía de disociación multifotónica infrarroja. Se desarrolló una metodología alternativa para determinar la posición del grupo N-óxido en pirazinas sustituídas, empleando espectroscopía de resonancia magnética nuclear de carbono-13, a través del cálculo de un índice derivado del análisis quimiométrico de los datos.

Abstract:
Differentiation studies among positional isomers in aromatic compounds were carried out with a hybrid quadrupole/time-of-flight mass spectrometer coupled with different atmospheric pressure ionization sources in positive ion mode. Firstly, two commercial isomeric hydroxypyridine N-oxides were used, which were useful later as a model system for the analysis of a set of monosubstituted pyrazine 1- and 4- N-oxides synthesized. Two methodologies for the differentiation were investigated. The first methodology considered the dissociative behavior, by comparing the ratio of intensities between the ions observed in the product ion spectra of each isomer at different collision energies. In the other methodology, upon adduct ions formation from metallic cations solutions by electrospray, the identification of characteristic species in the mass spectra obtained for each isomeric N-oxide was possible. The scope of this methodology was assessed using commercial isomers of dihydroxyarenes, being applicable as a postcolumn detection method to a mixture of them separated by liquid chromatography. Complementary computational calculations made possible the interpretation and analysis of the differences observed in the mass spectra in terms of the energetics and structures of ions. In addition, the correct assignment of the calculated structures of the ion adducts of one of the studied compounds could be confirmed by means of infrared multiphoton dissociation spectroscopy. An alternative methodology was developed to determine the position of the N-oxide moiety in substituted pyrazines, employing carbon-13 nuclear magnetic resonance spectroscopy, through the computation of an index derived from the chemometric analysis of the data.

González Solveyra, Estefanía. "Efectos de nanoconfinamiento de agua en óxidos mesoporosos: de la simulación molecular al diseño y la síntesis de materiales" (2014-04-16) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En este trabajo de tesis se emplearon herramientas de simulación molecular clásica junto con distintas estrategias de síntesis y caracterización para explorar la relación entre nanoconfinamiento y propiedades de agua en materiales mesoporosos. Los óxidos mesoporosos son materiales que presentan poros monodispersos (2-50 nm) altamente ordenados y de elevada área específica (100-1000 m2/g). La precisión con que pueden controlarse las dimensiones, la interconectividad y la morfología de los poros en la escala nanométrica, da lugar a propiedades sumamente particulares, de interés en multitud de aplicaciones tecnológicas: (foto)catálisis, sorción, sensores, biomateriales, involucrando casi todas ellas la inteacción con H2O. En base a ello, se decidió investigar los aspectos físico-químicos del agua confinada en estos entornos, haciendo foco en fenómenos de equilibrio de fase (equilibrio líquido-vapor y sólido-líquido), estructura y transporte. Además de la motiva- ción tecnológica, estos sistemas son de interés desde el punto de vista fundamental, pues ofrecen un modelo donde estudiar los efectos del confinamiento en la nanoescala. Se emplearon en primer lugar herramientas de simulación molecular de distinta escala (Dinámica Molecular atomística y coarse-grained), caracterizando el comportamiento de agua confinada en matrices porosas de 1-8 nm de diámetro. De esta manera, fue posible describir, desde una perspectiva molecular, la estructura y dinámica del agua, sus propiedades ópticas, así como los diferentes mecanismos de llenado de los nanoporos y los fenómenos de histéresis. También se logró una descripción microscópica del equilibrio sólido-líquido en estos entornos altamente confinados. Se estudió la incidencia del radio del poro, la filicidad y la rugosidad de las paredes sobre los fenómenos mencionados y en particular sobre las isotermas de sorción. Asimismo, se recurrió a un esquema experimental para complementar los resultados computacionales. Los óxidos mesoporosos se sintetizaron en forma de películas delgadas y xerogeles mediante estrategias de síntesis sol-gel y procesos de autoensamblado inducido por evaporación, que combinan la polimerización del óxido inorgánico junto con el autoensamblado de moléculas anfifílicas, que actúan como agentes moldeantes del arreglo poroso. Para la caracterización estructural de los sistemas sintetizados se utilizaron diver- sas técnicas: TEM, SEM, SAXS-2D, GISAXS, XRR, WAXRD. Las propiedades de sorción de agua en mesoporos fueron investigadas en películas delgadas obtenidas por spin y dip coating, mediante Porosimetría Elipsométrica Ambiental y XRR. El aporte original de esta tesis reside en la complementación de técnicas experimentales avanzadas con herramientas de simulación computacional para atender cuestiones de gran interés para la comunidad experimental pero de difícil elucidación dadas las limitaciones de resolución espacio-temporales de las técnicas actuales. Esta estrategia dual constituye una vía extremadamente poderosa para la descripción de fenómenos físicos y químicos en estos sistemas.

Abstract:
In this thesis, classical molecular dynamics along with several synthesis and characterization techniques were employed to explore the relation between nanoconfinement and properties of water in mesoporous materials. Mesoporous oxides present highly ordered monodisperse pores (2-50 nm) and high surface area (100-1000 m2/g). The precision achieved in controlling pore dimensions, interconnectivity, and morphology in the nanometer range gives rise to unique properties with several technological applications, such as (photo) catalysis, sorption, sensors, biomaterials, all of which involve water interactions. Based on this fact, we decided to investigate the physical-chemical aspects of water confined in such environments, focusing on phase transitions phenomena (solid-liquid and liquid-vapor equilibria), structure and transport. Besides the technological motivations, these systems are also very interesting from a fundamental point of view, given that they offer a model in which to study confinement effects in the nanoscale. Firstly we employed molecular simulation techniques at different scales (atomistic and coarse-grained Molecular Dynamics) to characterize the behavior of water confined in porous matrices of 1-8 nm diameter. In his way, we were able to describe from a molecular perspective, water structure and dynamics, its optical properties as well as different filling mechanisms and hysteresis in the nanopores. We also achieved a microscopic description of the liquid-solid equilibrium in these highly confining environments. We study the effect of pore radius, hydrophilicity/hydrophobicity, and surface roughness on the mentioned phenomena, particularly on the sorption isotherms. We also resorted to an experimental scheme to encompass our computational findings. Mesoporous oxides were synthesized as thin films and xerogels by sol-gel reactions and evaporation-induced self-assembly processes, which combine inorganic oxide polymerization with the self-assembly of amphiphilic molecules that act as a template of the porous arrange. Structural characterization of the synthesized materials involved several techniques: TEM, SEM, SAXS-2D, GISAXS, XRR, WAXRD. Water sorption properties in thin films obtained by spin and dip-coating were investigated by Environmental Ellipsometric Porosimetry and XRR. The original contribution of this thesis lies in the complementation of state of the art experimental techniques with computational simulation tools to address issues of great deal of interest for the experimental community but difficult to elucidate given the temporal and spatial limitations of existing techniques. This dual strategy represents a very powerful scheme for the description of physical-chemical phenomena in these systems.

Semino, Rocío. "Solvatación de protones en soluciones y agregados mesoscópicos agua-acetona" (2014-05-16) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El fenómeno de transferencia protónica es ubicuo y de fundamental importancia en la química de soluciones. En medio acuoso, la dinámica del protón está controlada por el mecanismo de Grotthuss, que considera a la carga en exceso como un "defecto" en la red de puentes hidrógeno del agua. El protón se transfiere entre moléculas vecinas a través de rupturas y formaciones de uniones hidrógeno, en tiempos del orden del picosegundo. En este trabajo analizamos las características de la solvatación y dinámica de protones en exceso en dos sistemas que involucran mezclas agua-acetona: por un lado, soluciones macroscópicas homogéneas; por otro, agregados de dimensiones nanométricas. Para ello, hemos realizado simulaciones de dinámica molecular, utilizando un Hamiltoniano de multiestados de enlaces de valencia, que incluye la posibilidad de translocación de protón. Para el análisis de las mezclas macroscópicas, también hemos realizado mediciones directas de conductividad eléctrica. Nuestros experimentos directos muestran que la incorporación de acetona provoca una paulatina disminución de la brecha que separa las conductividades molares a dilución infinita de HCl y LiCl, hasta igualarse para xw ~ 0,25. Esto sugiere que la contribución del mecanismo de Grotthuss a la movilidad protónica se vuelve cada vez menos significativa al aumentar el contenido de acetona. Asimismo, observamos un cambio cualitativo en la tendencia de la conductividad de HCl con la composición, alrededor de Xw ~ 0,8. Por otra parte, nuestras simulaciones muestran tendencias similares a las de los resultados experimentales. En todas las mezclas estudiadas, la estructura más estable para el protón es la de un complejo Eigen, +, que incluye tres moléculas de agua aceptoras de puente hidrógeno, y ausencia de conectividad de tipo HOH ... +. Las modificaciones en el entorno del protón tienen lugar en la segunda capa de solvatación del "hidronio", que comienza a incorporar solvente aprótico en mezclas con Xw ≤ 0,8. El incremento en el contenido de acetona se traduce en velocidades de transferencia y difusión menores. El mecanismo de transferencia protónica en soluciones de composiciones intermedias, 0,25 ≤ Xw ≤ 0,8, parece estar controlado por intercambios agua - acetona en la segunda capa de solvatación del "hidronio". Este proceso daría lugar a la formación de un complejo activado con estructura Zundel, +, completamente hidratado. La probabilidad de que se forme el complejo activado comienza a ser apreciable para Xw ~ 0,25, lo que coincide con el comienzo de aportes significativos de mecanismos de tipo Grotthuss a la difusión del protón. Por último, analizamos agregados mesoscópicos mixtos de tipo + con m = 50 y n = 6, 25 y 100. Encontramos que los agregados en los que predomina el agua exhiben un núcleo acuoso parcialmente recubierto por una capa de acetona. En este caso, el protón forma un complejo Eigen que se encuentra predominantemente en la superficie del núcleo acuoso, con 3-4 moléculas de acetona en su segunda capa de solvatación. Esto lleva a que la dinámica de translocación del protón se vuelva mucho más lenta respecto de la observada para las mezclas macroscópicas de igual composición, llegando a la escala del nanosegundo. El mecanismo de transferencia parece ser similar al propuesto para mezclas macroscópicas, con un ingrediente adicional: una "inmersión" preliminar de la carga en el núcleo acuoso. Por último, para n = 100, observamos incipiente miscibilidad. En este caso, el protón se ubica en dominios acuosos de forma irregular, de manera tal que su segunda capa de solvatación se encuentra completamente saturada de acetona. No hemos observado transferencias para este agregado en trayectorias de ~ 30 ns de duración.

Abstract:
Proton transfer is an ubiquitous phenomenon and it is of paramount relevance in solution chemistry. In aqueous media, proton transfer episodes take place in the picosecond timescale, and are controlled by the well-known Grotthuss mechanism. The transferences involve translocations of the average position of the excess charge, which require successive spatial rearrangements along chains of hydrogen bonds. In this work, we analyze structural and dynamical characteristics of the proton solvation in two different systems involving water-acetone mixtures: on the one hand, bulk mixtures; on the other hand, mesoscopic nanoclusters. We used molecular dynamics simulation techniques and, in the bulk study, we complemented our simulation results with direct electrical conductivity measurements. The theoretical approach was based on a multistate empirical valence bond Hamiltonian model that incorporates a proton translocation mechanism. Our direct experiments show that the ratio between HCl and LiCl conductivities at infinite dilution is practically unity for acetone-rich solutions, up to Xw ~ 0,25. At this composition, the acid conductivity exceeds the corresponding one for the salt, and the Grotthuss mechanism gradually activates, as the water content is increased. Moreover, we observed a qualitative change in HCl conductivity around Xw ~ 0,8. Furthermore, our simulations are in excellent agreement with the experimental results. For all mixtures studied, we have verified that the structure of the first solvation shell of the hydronium moiety is composed of three water molecules acting as hydrogen bond acceptors, +, with no evidence of HOH ... + connectivity. At Xw ~ 0,8, the concentration dependences of rates of proton transfer and diffusivity, change at a qualitative level. The origins of this transition can be traced back to modifications operated in the nearby, second solvation shell of the excess charge which, in acetone rich solutions, normally includes at least one acetone molecule. Our results suggest that one possible mechanism controlling the proton transfer in 0,25 < Xw < 0,8 solutions, is the exchange of one of these tagged acetone molecules by nearby water ones. This exchange would give rise to a Zundel-like activated complex, +, exhibiting a symmetric, first solvation shell composed exclusively of water molecules. The probability of finding such a structure becomes physically meaningful at Xw ~ 0,25, a composition that coincides with the onset of significant contributions from Grotthuss-like mechanisms to the proton diffusion. Finally, we present results for binary mesoscopic aggregates of the type +, with m = 50 and n = 6, 25 and 100. We found that, at low acetone contents, the clusters consist of a water core partially coated by acetone. The proton lies at the surface of the water core, with at least three acetone molecules in its second solvation shell. The transfer dynamics appears to be much slower than in bulk mixtures of equal composition, reaching the nanosecond timescale. In these clusters, the proton transfer mechanism seems to be controlled not only by water-acetone exchanges at the second solvation shell of the hydronium, as it was in bulk mixtures, but also by a preliminary proton "immersion" in the underlying water core. For n = 100, we found evidence of incipient water-acetone miscibility. At this composition, the proton resides in aqueous domains of irregular shape, fully embedded within the acetone phase, with its closest solvation shell comprising three water molecules, followed by a second one fully composed of acetone. In the latter case, we did not detect proton transfer events along ~ 30 ns trajectories.

Guardia, Carlos M.A.. "Del átomo a la célula: determinantes moleculares que definen la función de galectinas humanas" (2014-05-30) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las galectinas constituyen una familia de proteínas altamente conservadas a través de la evolución con capacidad de unir carbohidratos presentes en diferentes glicoproteínas de la membrana plasmática y la matriz extracelular. Estas proteínas reconocen en forma específica unidades repetidas de N-acetil lactosamina presentes en N- y O-glicanos. El énfasis del trabajo se centró en determinar los detalles estructurales que diferencian a cada una de estas proteínas, buscando correlaciones entre la dinámica molecular, la estabilidad y la selectividad de unión a glicanos para desencadenar la función celular para la que han sido evolutivamente selecccionadas. A través de una aproximación multidisciplinaria, se empleó una variedad de técnicas de simulación computacional y diversas estrategias experimentales para estudiar los mecanismos y determinantes moleculares de regulación de la unión a glicanos en galectinas y posterior activación de su función en diversos cultivos celulares. Las metodologías empleadas consistieron desde simulaciones de dinámica molecular clásica hasta la expresión y purificación de proteínas recombinantes y ensayos de unión al ligando, cinéticas de oxidación y apoptosis in vitro mediantes citometría de flujo y diversas técnicas de microscopía óptica y electrónica. En primer lugar, este estudio se ha centrado en la caracterización y comparacion estructural y dinámica de cada galectina y su especificidad por diversos glicanos fisiológicamente relevantes. En segundo lugar, se ha estudiado el mecanismo de oxidación y función de enlaces disulfuro en galectina-1, proponiendo la existencia de un interruptor molecular presente sólo en este miembro de la familia. El mismo explicaría el cambio de función al cambiar de estado redox. Por último, se estudió el impacto de la estructura cuaternaria en la unión a glicanos específicos en glicoproteínas y la formación de redes supramoleculares de glicanos en la superficie de la célula.

Abstract:
Galectins are members of a family of highly conserved proteins characterized by the ability to bind saccharide motifs in various cell glycoproteins and the extracellular matrix. These proteins specifically recognize repeating units of N-acetyl lactosamine present in N- and O-glycans. The aim of this work was to define the details and structural motifs that distinguish each individual member of the galectin family, seeking for correlations between the molecular dynamics, stability and selectivity for glycans displayed by these lectins and their proposed functional activity. Using a multidisciplinary approach, in the present study we used a wide variety of computational simulation tools and different experimental approaches to explore the mechanisms and molecular determinants that regulate glycan binding of galectins in cell cultures. The employed methodologies ranged from classical molecular dynamics simulations to the expression and purification of recombinant proteins and ligand-binding assays, oxidation kinetics and apoptosis assays using flow cytometry and various optical and electronic microscopy techniques. First, we have focused on the structural characterization and comparison of molecular dynamics of each galectin in the vicinity of their ligand binding site and mechanism of oxidation and disulfide bond formation in galectin-1 protein, seggesting the presence of a molecular switch that explains the function change during redox state turnover. Finally, we studied the impact of the quaternary structure in the binding properties of galectins to specific glycans and analyzed the ability of galectin-1 to form supramolecular membrane structures called lattices when they interact with specific glycans on the surface of target cells.

Bustamante, Juan Pablo. "Estudio fisicoquímico y bioinformático de la familia de hemoglobinas truncadas" (2015-11-13) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las hemoproteínas son proteínas que poseen un grupo hemo unido generalmente de forma covalente. Participan en transporte de gases, en reacciones de transferencia de electrones y catálisis de reacciones redox. Un grupo muy particular dentro de estas proteínas son las hemoglobinas truncadas (trHbs), que constituyen una familia interesante de referencia para estudios de estructura y función de proteínas, debido a su plegado conservado y pequeño tamaño. Las trHbs están presentes en los tres super reinos de la vida, bacteria, arquea y varios organismos eucariotas. Han sido clasificadas en tres grupos, conocidos como N, O y P. Si bien la mayoría de trHbs no poseen una función asignada, se conoce que ésta generalmente depende de su afinidad por ligandos pequeños, es decir, de la relación entre la velocidad a la cual captan y liberan ligandos, caracterizadas por constantes de velocidad kon y koff, respectivamente. De allí la relevancia de abocarse al estudio de los determinantes moleculares de tal afinidad. Los procesos de captación y liberación de ligandos han sido extensamente estudiados durante los últimos años por diferentes grupos de investigación, incluido el grupo donde se desarrolló la presente tesis, utilizando enfoques teóricos y experimentales. Sin embargo, solo se estudiaron algunos de los procesos involucrados, tales como el rol de túneles e interacciones de puentes de hidrógeno, encontrándose únicamente tendencias cualitativas respecto a constantes kon y koff. En la presente tesis, a través de la aplicación de diversas técnicas computacionales, se profundizó en la descripción anterior mediante la inclusión de dos determinantes moleculares cruciales en el proceso de captación de ligandos: las cavidades internas de las proteínas y el rol de las moléculas de agua presentes en el sitio activo. Adicionalmente, se construyó un modelo matemático, validado a través de un riguroso análisis estadístico, que permite predecir de manera cuantitativa las constantes kon y koff de O2. Dado que la mayoría de trHbs no poseen una función asignada, se extendió el alcance del modelo propuesto a toda la familia de trHbs, prediciendo valores para una gran cantidad de trHbs (sobre un total de ~1100 secuencias proteicas). Se asignaron posibles funciones moleculares y se analizó a esta familia de proteínas en un contexto evolutivo-funcional, caracterizando a cada grupo filogenético. De manera adicional, el estudio evolutivo reveló que hay un grupo de trHbs que comparte características comunes que lo diferencian significativamente del resto de los grupos conocidos (N, O y P), por lo que se lo clasificó como un cuarto grupo, denominado Q. Finalmente, puesto que una de las proteínas más estudiadas durante el desarrollo de la presente tesis (la trHb O de Thermobifida fusca, Tf-trHbO) es una proteína termoestable perteneciente a una actinobacteria termófila, se estudiaron las bases moleculares de su termoestabilidad comparándola con una trHb mesoestable: la trHb O de Mycobacterium tuberculosis. Se encontró que la alta estabilidad térmica de la Tf-trHbO se explica, en gran parte, por el cambio de un único aminoácido que altera la estructura de un loop, haciéndolo más flexible y promoviendo la formación de puentes salinos. En su conjunto, esta tesis presenta una profunda caracterización de dos factores cruciales en el proceso de captación de ligandos en hemoglobinas truncadas, que, incluidos en un modelo matemático junto a una descripción del proceso de liberación de ligandos como ha sido previamente descripta, permiten explicar valores experimentales de kon y koff de O2 con una precisión muy alta. La extensión del modelo a toda la familia de trHbs ha permitido asignar posibles funciones moleculares a una gran cantidad de miembros de estas globinas. Complementado con un análisis evolutivo y bioinformático, se ha logrado además obtener una detallada caracterización de cada grupo de trHbs, descubriendo incluso un grupo nuevo. Por último, el estudio teórico sobre la termoestabilidad de la Tf-trHbO abre las puertas a posteriores estudios que analicen las bases moleculares de la adaptación a condiciones extremas. Palabras clave: hemoglobinas truncadas, cavidades internas, sitios de hidratación, dinámica molecular, QM/MM, predicción de constantes cinéticas, predicción secuencia-estructura-función, filogenia, evolución molecular, bioinformática, termoestabilidad.

Abstract:
Hemeproteins are proteins that possess a heme group generally covalently bound. They participate in gas transport, electron transfer reactions and catalysis of redox reactions. A particular group within these proteins is the truncated hemoglobins (trHbs), which constitute an interesting benchmark group for structure-to-function studies, due to its conserved fold and small size. The trHbs are present in all three superkingdoms of life, bacteria, archeas and several eukaryotes. They have been classified into three groups, labeled as N, O and P. While most trHbs do not have an assigned function, it is well known that generally their function depends on their affinity for small ligands, i.e. the balance between capture and release ligand rates, characterized by the kon and koff rate constants, respectively. Hence, the importance of focusing on the study of the molecular determinants of this affinity. The ligand capture and release processes have been extensively studied throughout in the last several years, by different research groups, including the group in which this thesis has been developed, with theoretical and experimental approaches. However only some involved processes, such as the role of tunnels and hydrogen bond interactions, were studied finding merely qualitative trends in kon y koff rate constants. In the present thesis, through the application of a variety of computational techniques, we incorporated to the previous description two key determinant factors of the ligand capture process: protein internal cavities and the role of water molecules in the active site. Additionally, validated through a rigorous statistical analysis, a mathematical model for the quantitative prediction of O2 kon y koff rate constants was built. Due to the fact that most trHbs do not have an assigned function, we extended our proposed model to the whole family, predicting values for a large amount of trHbs (over ~1100 protein sequences). In this context, possible molecular functions were assigned, as well as a protein family analysis in an evolutionary-functional scenario, characterizing each phylogenetic group. Furthermore, the evolutionary study revealed a novel trHb group that shares common features that differentiate it from the rest known groups (N, O and P), so it was classified in a fourth group, labeled as Q. Finally, given that one of the most studied proteins along this thesis (the trHb O from Thermobifida fusca, Tf-trHbO) is a thermostable protein from a thermophilic actinobacteria, the molecular basis of its thermostability was studied, comparing it with a mesostable trHb: the trHb O from Mycobacterium tuberculosis. It has been found that the high thermal stability of TftrHbO, is mainly explained by a single amino acid change that alters a loop structure making it more flexible, which also promotes the formation of salt bridges. Overall, in this thesis we present for the truncated hemoglobin family a deep characterization of two key determinant factors of the ligand capture process that, included in a mathematical model together with a description of the ligand release process that has been previously made, allows us to explain experimental O2 kon y koff values with high precision. The extension of the model to the whole trHb family enabled putative molecular function assignments. Complemented by an evolutionary and bioinformatics analysis, a detailed characterization of each trHb group was also achieved, describing a novel group. Last but not least, the theoretical study of the Tf-trHbO thermostability is a first step towards further indepth studies of the molecular basis of adaptation to extreme conditions. Keywords: truncated hemoglobins, internal cavities, hydration sites, molecular dynamics, QM/MM, kinetic constants prediction, sequence-structure-function prediction, phylogeny, molecular evolution, bioinformatics, thermostability.

Zeida Camacho, Ari F.. "Estructura y mecanismo de acción de peroxirredoxinas: estudio teórico y experimental" (2015-12-11) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las peroxirredoxinas (Prxs) constituyen una familia de proteínas encargadas de catalizar la reducción de peróxidos, con función antioxidante y de señalización redox, entre otras. Estas enzimas se encuentran ampliamente distribuidas entre los organismos procariotas y eucariotas, y están usualmente presentes en altas concentraciones. Todas ellas comparten el mismo primer paso en su mecanismo catalítico básico, en el cual la cisteína del sitio activo se oxida a ácido sulfénico por sustratos peróxidos tales como peróxido de hidrógeno (H2O2), peroxinitrito, y una gran variedad de hidroperóxidos orgánicos, lo que ocurre con constantes de velocidad varios órdenes de magnitud mayores que para cisteína libre. Particularmente, la alquil hidroperóxido reductasa E (AhpE) de Mycobacterium tuberculosis es una Prx que reacciona más rápido con peroxinitrito que con H2O2 y que presenta una reactividad particularmente alta frente a hidroperóxidos derivados de ácidos grasos. El presente trabajo de tesis aporta información microscópica acerca de los mecanismos de reducción de peróxidos mediada por tioles, tanto en solución acuosa como en el contexto de la reacción catalizada por Prxs. Para tal fin se emplearon una combinación de técnicas de simulaciones computacionales clásicas, cuánticas e híbridas cuántico-clásicas, en combinación con estudios experimentales de cinética rápida de flujo detenido y de equilibrio. En primer lugar se estudiaron las reacciones de oxidación de tioles de bajo peso molecular por H2O2 y peroxinitrito en solución acuosa, determinando los parámetros termodinámicos de activación y describiendo a nivel molecular el proceso reactivo. Posteriormente se investigaron los determinantes moleculares de la capacidad catalítica de Prxs, utilizando como modelo de trabajo la MtAhpE. En último lugar se analizó la especificidad por el sustrato oxidante para el caso particular de la MtAhpE, comparando la interacción y reactividad con H2O2 y diferentes hidroperóxidos orgánicos.

Abstract:
Peroxiredoxins (Prxs) constitute a protein family that catalyzes the reduction of peroxides, with antioxidant and redox signaling functions, among others. These enzymes are ubiquitous and widely distributed in prokaryote and eukaryote organisms, and are usually found at high concentrations. They all share the same first step of their basic catalytic mechanism; the cysteine residue in the active-site gets oxidized by peroxides such as hydrogen peroxide (H2O2), peroxynitrite and a variety of organic hydroperoxides, which occurs several orders of magnitude faster than in the case of free cysteine. In particular, alkyl hydroperoxide reductase (AhpE) from Mycobacterium tuberculosis is a Prx that reacts faster with peroxynitrite than with H2O2 and shows a particularly high reactivity versus fatty acid derived hydroperoxides. The present thesis work is focused in providing molecular insights about peroxide reduction mechanisms by thiols, both in aqueous solution and in the context of the catalyzed reaction by Prxs. For this purpose, a combination of classical, quantum and hybrid quantum-classical simulations, together with fast stopped-flow kinetics and equilibrium experiments was performed. First, we studied the reactions of low molecular weight thiols with H2O2 and peroxynitrite in aqueous solution, determining the thermodynamic activation parameters and describing the reactive process at the molecular level. Afterwards, we investigated the molecular basis of Prxs catalytic ability, using MtAhpE as a model. Finally, the substrate specificity of MtAhpE was analyzed via the comparison of the interaction and reactivity with H2O2 and different organic hydroperoxides.

Lanzarotti, Esteban. "Herramientas bioinformáticas para la predicción y análisis de estructuras de proteínas: de genomas a motivos estructurales" (2016-03-18) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Durante la última decada, varios estudios han mostrado que la anotación automática de genomas resuelve muy bien el problema de recuperar informaci ón a partir de una secuenciación. A su vez, esto favoreció el crecimiento desmedido en la cantidad de genomas depositados en bases de datos que poseen una anotación automática, para los cuales se volvería imposible realizar experimentos sobre cada uno de los genes presentes en éstos genomas de manera de mejorar el conocimiento disponible. Es por esto que, obtener una estructura molde para construir un modelo 3D de una determinada secuencia, es una herramienta poderosa para entender las funciones de las proteínas. Una vez modelada la estructura, las interacciones presentes en ella aportan información de la función proteica. En esta tesis desarrollamos un pipeline bioinformático que a partir de la secuencia de un genoma bacteriano puede identificar las regiones codificantes, anotar su función y computa diversas propiedades de las proteínas codificadas. En una segunda etapa desarrollamos un pipeline de predicción de estructura secundaria y terciaria de proteínas que se integró con el sistema anterior. Finalmente, mediante el desarrollo de una base de datos de interacciones de amino ácidos basada en el PDB, estudiamos en detalle las interacciones aromáticas. Los anillos aromáticos forman clusters de interacciones que tienen particularidades que difieren según hayan sido encontrados en el interior de las proteínas o regiones de interacción proteína-ligando o interfaces de interacción proteína-proteína.

Abstract:
During the last decade, numerous studies have shown that automatic genome anotation performs quiet well in solving the problem of information retrieval from sequenced genomes. Also, this has favored an excesive growth of deposited (automatically) anotated genomes, which is imposible to design experiments over each of these genes present in each genome in order to improve the available knowledge. For this reason, obtaining a template structure to build a 3D model for a fixed sequence, is a powerful tool to understand protein functions. Once obtained the structure, the interactions involved in it, bring information about protein function. In this thesis we developed a bioinformatic pipeline which from a genomic sequence, identifies coding regions, anotates their functions and computes diverse properties. In a second stage, we developed a pipeline for prediction of protein secondary and tertiary structure, which was integrated to the previous system. Finally, by developing a structural database of amino acid interactions based ob PDB, we studied in detail aromatic interactions. Aromatics clusters have features that difer according they have been found i) in the core of the protein, ii) in small ligand binding regions and, iii) protein-protein interaction interfaces.

Ramírez, Claudia Lilián. "Optimización en el cálculo de perfiles de energía libre. Desarrollo y aplicación a reacciones de interés biológico" (2016-12-16) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Uno de los objetivos principales de la química es comprender los principios que rigen las reacciones, tanto en términos de sus mecanismos como en la termodinámica que las gobierna. Utilizando dinámica molecular, en combinación con esquemas de muestreo sesgado, es posible simular y obtener perfiles de energía libre asociados a eventos que incluyen desde reacciones químicas en entornos complejos (en solución y/o enzimas) hasta movimientos conformacionales proteicos. Los primeros requieren un tratamiento cuántico, al menos del sitio activo, por lo que los métodos híbridos cuántico-clásicos son los escogidos. Mientras que para los segundos es posible emplear campos de fuerza clásicos, atomísticos o de grano grueso. Sin embargo, el costo computacional de la obtención de dichos perfiles es muy elevado para la gran mayoría de los sistemas biológicos, incluso imposibilitando en algunos casos su obtención. Siendo que en un perfil de energía libre se obtiene toda la termodinámica relevante para el sistema, y por ende todos los parámetros asociados de importancia, subsanar esta imposibilidad es de suma importancia. En esta tesis se realizaron desarrollos teóricos que permiten obtener perfiles de energía libre en menor tiempo computacional, para diversos niveles de teoría, permitiendo así el estudio termodinámico de procesos alostéricos y mecanismos de reacción de sistemas biológicos relevantes.

Abstract:
One of the main goals of chemistry is to understand the underlying principles of chemical reactions, in terms of both its reaction mechanism and the thermodynamics that govern it. Using hybrid Molecular Dynamics in combination with a biased sampling schemes, it is possible to simulate and obtain the Free Energy Profiles associated with biological events, ranging from chemical reactions occurring inside complex environments (enzyme or aqueous solution) to protein conformational movements. The first requiere a quantum treatment, at least for the active site, this is why Hybrid Quantum/Classical methods are choosen. While for the second, it is possible to only use classical force fields, either atomistic or coarse grain. However, the computational cost associated with the obtention of such Free Energy Profiles is enormous for most biological systems, making it even impracticable in some cases. Since the free energy profile offers all the relevant thermodynamics information for a system, and therefore all associated parameters of relevance, being able to obtain it, is of utmost importance. In this thesis we developed theoretical methodologies that allow to obtain Free Energy Profiles in less computational time, for different levels of theory, thus allowing the thermodynamic study of allosteric processes and reaction mechanisms of relevant biological systems.

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