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Neste trabalho, simulações de dinâmica molecular foram realizadas com as proteínas mutantes L81N, I88N, L81NI88N e L50S, a fim de entender o efeito dessas mutações na estrutura e estabilidade dessas proteínas. Os dímeros formados por proteínas contendo mutações simples (L50S e I88N) apresentaram menor estabilidade quando comparados aos formados pela proteína C selvagem, sugerindo um papel importante desses resíduos hidrofóbicos para a estabilidade do dímero. Os resultados também mostraram que as mutações permitem a entrada de água no ambiente. estabilidade das proteínas. Os dímeros formados por proteínas contendo mutações simples (L50S e I88N) apresentaram menor estabilidade quando comparados aos formados pela proteína C selvagem, sugerindo um papel importante desses resíduos hidrofóbicos para a estabilidade do dímero. Os resultados também mostraram que as mutações permitem que a água entre no dímero hidrofóbico, mas sem alterar significativamente a estrutura secundária e terciária dos monômeros.

Staphylococcal exfoliative toxins (ETs) are glutamyl endopeptidases that specifically cleave the Glu381-Gly382 bond in the ectodomains of desmoglein 1 (Dsg1) via complex action mechanisms. To date, four ETs have been identified in different Staphylococcus aureus strains and ETE is the most recently characterized. The unusual properties of ETs have been attributed to a unique structural feature, i.e., the 180° flip of the carbonyl oxygen (O) of the nonconserved residue 192/186 (ETA/ETE numbering), not conducive to the oxyanion hole formation. We report the crystal structure of ETE determined at 1.61 Å resolution, in which P186(O) adopts two conformations displaying a 180° rotation. This finding, together with free energy calculations, supports the existence of a dynamic transition between the conformations under the tested conditions. Moreover, enzymatic assays showed no significant differences in the esterolytic efficiency of ETE and ETE/P186G, a mutant predicted to possess a functional oxyanion hole, thus downplaying the influence of the flip on the activity. Finally, we observed the formation of ETE homodimers in solution and the predicted homodimeric structure revealed the participation of a characteristic nonconserved loop in the interface and the partial occlusion of the protein active site, suggesting that monomerization is required for enzymatic activity.

Falcipain-2 (FP-2) is a Plasmodium falciparum cysteine protease that has been extensively targeted to identify novel antimalarials. Remarkably, previous reports have shown that FP-2 can be allosterically modulated and, for a particular noncompetitive chalcone inhibitor, the existing lines of experimental evidence can guide the prediction of its unknown binding mode to the enzyme in a reliable fashion. In this work, we propose a structure of FP-2 in complex with the aforementioned compound that fulfills all of the experimental data, by employing a combination of molecular modeling tools, such as pocket volume measurements, docking, molecular dynamics (MD) simulations, and free energy calculations. Our results show that the studied inhibitor binds a transient pocket occluded in all of the available FP-2 crystal structures and lying in a region previously characterized as a potential allosteric site in related cysteine proteases. In addition, we detected in silico the occurrence of significant community reorganization in FP-2, increased signal transmission between the allosteric pocket and the active site, and change in loop motions and residue pKa values upon the compound binding, thus providing insight into the uncharacterized allosteric mechanism. Overall, this study yields valuable predictions for the design of novel allosteric inhibitors against FP-2 and other cysteine proteases.

Falcipain-2 (FP-2) is a Plasmodium falciparum hemoglobinase widely targeted in the search for antimalarials. FP-2 can be allosterically modulated by various noncompetitive inhibitors that have been serendipitously identified. Moreover, the crystal structures of two inhibitors bound to an allosteric site, termed site 6, of the homolog enzyme human cathepsin K (hCatK) suggest that the equivalent region in FP-2 might play a similar role. Here, we conduct the rational identification of FP-2 inhibitors through virtual screenings (VS) of compounds into several pocket-like conformations of site 6, sampled during molecular dynamics (MD) simulations of the free enzyme. Two noncompetitive inhibitors, ZINC03225317 and ZINC72290660, were confirmed using in vitro enzymatic assays and their poses into site 6 led to calculated binding free energies matching the experimental ones. Our results provide strong evidence about the allosteric inhibition of FP-2 through binding of small molecules to site 6, thus opening the way toward the discovery of new inhibitors against this enzyme.

Made available in DSpace on 2021-06-25T12:27:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2020-11-23 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Falcipain-2 (FP-2) is hemoglobinase considered an attractive drug target of Plasmodium falciparum. Recently, it has been shown that peptidomimetic nitriles containing a 3-pyridyl (3Pyr) moiety at P2 display high affinity and selectivity for FP-2 with respect to human cysteine cathepsins (hCats), outperforming other P2 Pyr isomers and analogs. Further characterization demonstrated that certain P3 variants of these compounds possess micromolar inhibition of parasite growth in vitro and no cytotoxicity against human cell lines. However, the structural determinants underlying the selectivity of the 3Pyr-containing nitriles for FP-2 remain unknown. In this work, we conduct a thorough computational study combining MD simulations and free energy calculations to decipher the bases of the selectivity of the aforementioned nitriles. Our results reveal that water bridges involving the nitrogen and one carboxyl oxygen of I85 and D234 of FP-2, respectively, and the nitrogen of the neutral 3Pyr moiety, which are either less prevalent or nonexistent in the other complexes, explain the experimental activity profiles. The presence of crystallographic waters close to the bridging water positions in the studied proteases strongly supports the occurrence of such interactions. Overall, our findings suggest that selective FP-2 inhibitors can be designed by promoting water bridge formation at the bottom of the S2 subsite and/or by introducing complementary groups that displace the bridging water. Univ Estadual Paulista, Inst Biociencias Letras & Ciencias Exatas, Dept Fis, BR-15054000 Sao Jose Do Rio Preto, SP, Brazil Univ Calif San Diego, Skaggs Sch Pharm & Pharmaceut Sci, Ctr Discovery & Innovat Parasit Dis, La Jolla, CA 92093 USA Univ Fed Rio de Janeiro, Inst Biofis Carlos Chagas Filho, Lab Modelagem & Dinam Mol, Ave Carlos Chagas Filho 373,CCS Bloco D Sala 30, BR-21941902 Rio De Janeiro, Brazil Univ Estadual Paulista, Inst Biociencias Letras & Ciencias Exatas, Dept Fis, BR-15054000 Sao Jose Do Rio Preto, SP, Brazil FAPESP: 2016/24587-9 FAPESP: 2018/03911-8 FAPESP: 2018/25311-2 CAPES: 001

Falcipain-2 (FP-2) is a major hemoglobinase of Plasmodium falciparum, considered an important drug target for the development of antimalarials. A previous study reported a novel series of twenty reversible peptide-based inhibitors of FP-2. However, the lack of tridimensional structures of the complexes hinders further optimization strategies to enhance the inhibitory activity of the compounds. Here we report the prediction of the binding modes of the aforementioned inhibitors to FP-2. A computational approach combining previous knowledge on the determinants of binding to the enzyme, docking and post-docking refinement steps, is employed. The latter steps comprise molecular dynamics simulations and free energy calculations. Remarkably, this approach leads to the identification of near-native ligand conformations when applied to a validation set of protein-ligand structures. Overall, we proposed substrate-like binding modes of the studied compounds fulfilling the structural requirements for FP-2 binding and yielding free energy values that correlated well with the experimental data. This article is protected by copyright. All rights reserved.

Made available in DSpace on 2019-10-04T12:34:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2019-01-25 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Trypanosoma cruzi is the causative agent of Chagas disease, a neglected infection affecting millions of people in tropical regions. There are several chemotherapeutic agents for the treatment of this disease, but most of them are highly toxic and generate resistance. Currently, the development of allosteric inhibitors constitutes a promising research field, since it can improve the accessibility to more selective and less toxic medicines. To date, the allosteric drugs prediction is a state-of-the-art topic in rational structure-based computational design. In this work, a simulation strategy was developed for computational discovery of allosteric inhibitors, and it was applied to cruzain, a promising target and the major cysteine protease of T. cruzi. Molecular dynamics simulations, binding free energy calculations and network-based modelling of residue interactions were combined to characterize and compare molecular distinctive features of the apo form and the cruzain-allosteric inhibitor complexes. By using geometry-based criteria on trajectory snapshots, we predicted two main allosteric sites suitable for drug targeting. The results suggest dissimilar mechanisms exerted by the same allosteric site when binding different potential allosteric inhibitors. Finally, we identified the residues involved in suboptimal paths linking the identified site and the orthosteric site. The present study constitutes the first approximation to the design of cruzain allosteric inhibitors and may serve for future pharmacological intervention. Here, no major effects on active site structure were observed due to compound binding (modification of distance and angles between catalytic residues), which indicates that allosteric regulation in cruzain might be mediated via alterations of its dynamical properties similarly to allosteric inhibition of human cathepsin K (HCatK). The current findings are particularly relevant for the design of allosteric modulators of papain-like cysteine proteases. Univ Estadual Paulista, Dept Fis, Inst Biociencias Letras & Ciencias Exatas, Sao Jose Do Rio Preto, SP, Brazil Inst Nacl Metrol Qual & Tecnol INMETRO, Diretoria Metrol Aplicada Ciencias Vida DIMAV, Rio De Janeiro, Brazil Univ Strasbourg, Inst Chim, Strasbourg, France Univ Fed Rio De Janeiro UFRJ, Inst Biofis Carlos Chagas Filho, Rio De Janeiro, Brazil Univ Estadual Paulista, Dept Fis, Inst Biociencias Letras & Ciencias Exatas, Sao Jose Do Rio Preto, SP, Brazil FAPESP: 2018/03911-8 FAPESP: 2016/24587-9 CAPES: 031/2013 PRO-DEFESA 3 CAPES: 613

Background: Falcipain 2 (FP-2) is the hemoglobin-degrading cysteine protease of Plasmodium falciparum most extensively targeted to develop novel antimalarials. However, no commercial antimalarial drugs based on FP-2 inhibition are available yet due to the low selectivity of most FP-2 inhibitors against the human cysteine proteases. Methods: A structure-based virtual screening (SVBS) using Maybridge HitFinder™ compound database was conducted to identify potential FP-2 inhibitors. In vitro enzymatic and cell-growth inhibition assays were performed for the top-scoring compounds. Docking, molecular dynamics (MD) simulations and free energy calculations were employed to study the interaction of the best hits with FP-2 and other related enzymes. Results and conclusions: Two hits based on 4-(9H-fluoren-9-yl) piperazin-1-yl) methanone scaffold, HTS07940 and HTS08262, were identified as inhibitors of FP-2 (half-maximal inhibitory concentration (IC50) = 64 μM and 14.7 μM, respectively) without a detectable inhibition against the human off-target cathepsin K (hCatK). HTS07940 and HTS08262 inhibited the growth of the multidrug-resistant P. falciparum strain FCR3 in culture (half-maximal inhibitory concentrations (IC50) = 2.91 μM and 34 μM, respectively) and exhibited only moderate cytotoxicity against HeLa cells (Half-maximal cytotoxic concentration (CC50) = 133 μM and 350 μM, respectively). Free energy calculations reproduced the experimental affinities of the hits for FP-2 and explained the selectivity with respect to hCatK. General significance: To the best of our knowledge, HTS07940 stands among the most selective FP-2 inhibitors identified by SBVS reported so far, displaying moderate antiplasmodial activity and low cytotoxicity against human cells. Hence, this compound constitutes a promising lead for the design of more potent and selective FP-2 inhibitors. Fil: Hernández González, Jorge E.. Universidad de La Habana; Cuba. Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho; Brasil Fil: Salas Sarduy, Emir. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas; Argentina Fil: Hernández Ramírez, Luisa F.. Universidad de Antioquia; Colombia Fil: Pascual, María José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas; Argentina Fil: Alvarez, Diego Ezequiel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas; Argentina Fil: Pabón, Adriana. Universidad de Antioquia; Colombia Fil: Leite, Vitor B.P.. Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho; Brasil Fil: Pascutti, Pedro G.. Universidade Federal do Rio de Janeiro; Brasil Fil: Valiente, Pedro A.. Universidad de La Habana; Cuba

Falcipain-2 (FP-2) is a major hemoglobinase of Plasmodium falciparum, considered an important drug target for the development of antimalarials. A previous study reported a novel series of 20 reversible peptide-based inhibitors of FP-2. However, the lack of tridimensional structures of the complexes hinders further optimization strategies to enhance the inhibitory activity of the compounds. Here we report the prediction of the binding modes of the aforementioned inhibitors to FP-2. A computational approach combining previous knowledge on the determinants of binding to the enzyme, docking, and postdocking refinement steps, is employed. The latter steps comprise molecular dynamics simulations and free energy calculations. Remarkably, this approach leads to the identification of near-native ligand conformations when applied to a validation set of protein-ligand structures. Overall, we proposed substrate-like binding modes of the studied compounds fulfilling the structural requirements for FP-2 binding and yielding free energy values that correlated well with the experimental data. Proteins 2017; 85:1666-1683. © 2017 Wiley Periodicals, Inc.

Foi realizado um estudo por espectroscopia de ressonancia paramagnetica eletronica de solucoes de complexos formados por melanina sintetica, obtida por auto-oxidacao de l-dopa (dihidroxi-l-fenilalanina), e albumina de soro bovino (bsa). Investigaram-se os efeitos devidos a alteracoes de ph, de concentracao e conformacao da bsa, e presenca de O IND.2, tomando como base as variacoes das formas e intensidades das linhas espectrais dos radicais livres intrinsecos da melanina e dos induzidos por radiacao visivel-uv. Verificou-se uma dependencia da intensidade do sinal com o estado de protonacao do pigmento. Na presenca da albumina a inducao de radicais livres por luz foi maior, o que nao observou-se quando esta foi denaturada. A inducao e decaimento dos radicais fotoinduzidos foi monitorada por espectro de varredura temporal, observando-se uma cinetica que envolveu processos mais lentos com o aumento da concentracao da proteina. A partir de medidas de saturacao progressiva, verificou-se um comportamento de saturacao homogeneo para a melanina pura e nao homogeneo quando bsa e O IND.2 estavam presentes, acompanhados de variacoes nos tempos de relaxacao. Os resultados foram interpretados com base em um modelo que supoe a existencia de processos de transferencia de eletrons da melanina excitada para o O IND.2 e transferencia de carga entre o pigmento e a proteína. Synthetic melanin (obtained by L-DOPA auto-oxidation) and melanin-bovine serum albumin complexes were studied by electron paramagnetic resonance spectroscopy (EPR). The melanin intrinsic and Iight-induced free radicals by visible-UV were studied. The dependence of the EPR line shapes on the pH value, albumin conformation and concentration, and O² presence was analyzed. It was found that the EPR signal intensity depended on the pigment protonation state. The light free radical induction in the melanin-albumin solutions was higher than in pure melanin solution. This effect was only observed when the protein was in its natural form. The induction and decay of the light-induced radicals were monitored by time-resolved experiments. A slower kinetic was observed with increasing of the albumin concentration. Progressive saturation measurements showed a homogeneous saturation behavior for pure melanin and inhomogeneous in the protein or O² presence, showing also changes in time relaxations. The results were interpreted assuming the existence of electron transfer processes from excited melanin to O² and charge exchange between the pigment and the protein.

The drugs against tropical neglected diseases, especially Chagas' Disease, were launched more than 30 years ago, and the development of resistance requires the discovery of new and more effective chemotherapeutic agents. Trypanosoma cruzi has a redox enzyme called trypanothione reductase which was successfully inhibited for peptide derivatives (McKie et al., Amino Acids, 2001, 20: 145). This work aims at studying the mechanism of inhibition of this enzyme through molecular dynamics simulations and evaluating the behavior of some derivatives when inhibiting this protein. We should affirm that any particular molecular dynamics analysis tools (Hbond pattern, 3-D root-mean-square deviation, solvent accessible surface area, etc.) cannot be used apart from the others to justify completely these peptides inhibitory patterns. Based on our results, we reproduced the experimental data and, moreover, we discriminated against a new site in enzyme aperture, which can assist the development of powerful inhibitors against trypanothione reductase enzyme.

Endostatin is a potent antiangiogenic protein derived from the noncollagenous domain 1 (NC1) of collagen XVIII. The mechanism by which endostatin exerts its antiangiogenic effect is still incompletely understood. It has been shown that the 27 amino acid N-terminal fragment of murine endostatin has antitumor, antimigration, and antipermeability activities comparable to the full soluble protein. To understand how this peptide can exert such elaborate function, we performed structural analysis using molecular dynamics to evaluate the behavior of this fragment in aqueous environment. Here, we show that the N-terminal peptide of murine endostatin is able to assume a well-defined structure, folding into a zinc-dependent β-hairpin conformation. Analyzing the folding mechanism, we were able to understand why the N-terminal peptide of human endostatin with the same length failed to acquire a stable conformation. Conversely, we were able to predict the successful folding of the R4Q mutant and of a shorter form of the human peptide with 25 residues. Finally, we show that the β-hairpin conformation assumed by the zinc-bound peptide of murine endostatin has a high structural similarity with fragments of another family of angiogenesis inhibitors: the integrin-binding portion of the NC1 domain of collagen IV. Indeed, our docking simulations show that arresten, canstatin, and the endostatin peptide bind to the same spot of αVβ3 integrin, suggesting similar interactions via a common binding site on this receptor.

Um programa computacional foi desenvolvido para otimização de geometria e simulação de dinâmica molecular baseado em um campo de forças clássicas parametrizado. O solvente foi considerado como um contínuo eletrostático e a interface entre o meio aquoso e o interior de uma membrana biológica como uma superfície de descontinuidade dielétrica, tratada pelo \"método das imagens eletrostáticas\". Nesse método, o campo de polarização produzido na superfície de descontinuidade por uma carga pontual é representado por uma carga fictícia, colocada na fase oposta, cuja distância e sinal é definida pelas condições de contorno na superfície. Diversos sistemas foram estudados, tanto em solventes contínuos como na presença de superfícies de descontinuidade: a) Foram estudadas as distribuições populacionais dos rotâmeros do triptofano na forma zwitteriônica e no peptídeo Ala-Trp- Ala, em solvente polar e apolar. Foi demonstrado que a dinâmica do triptofano e as populações de rotâmeros são compatíveis com as observações experimentais de fluorescência resolvida no tempo e NMR; b) Em um estudo das conformações em polialanina, verificou-se que a estabilidade da estrutura secundária hélice- é um efeito cooperativo entre pontes de hidrogênio em solvente de baixa constante dielétrica. Na presença da interface água-membrana, a hélice- anfifílica de um modelo para a -endorfina estabiliza-se sobre a interface. Um comportamento anfifílico foi também observado na seqüência sinal para o receptor- da e. coli, a qual estabilizou-se perpendicularmente à interface, na conformação parcial hélice- proposta na literatura; c) Em um estudo sobre o hormônio -MSH observou-se que, em solvente polar, de uma conformação helicoidal ele passa para uma conformação estendida. Porém, ao atravessar para o interior hidrofóbico de uma membrana, o peptídeo estabiliza-se em dobra-. Observou-se ainda que a estabilidade dessa conformação no interior da membrana é reforçada por pontes salinas entre os resíduos carregados do peptídeo, os quais formam um \"caroço\" hidrofílico circundado por resíduos hidrofóbicos. Esse arranjo estrutural está em concordância com o proposto para a conformação biologicamente ativa. De um modo geral, o modelo para biomembrana proposto no presente trabalho reproduziu o comportamento hidrofóbico, hidrofílico ou anfifílico dos peptídeos estudados. A software was developed for optimisation of geometry and molecular dynamics simulation, based on a parameterized classical force field. Solvent was assumed as an electrostatic continuum. The interface between the aqueous medium and the hydrophobic core of biological membranes was described by a surface of dielectric discontinuity, treated by the \"method of images\". In this method, the polarization field produced at the surface of discontinuity by a point charge was represented by a fictitious charge, placed in the opposite phase. The position and signal of this charge-image were defined by boundary conditions at the surface. Several systems were studied, either in continuous solvent, as in the presence of discontinuity surfaces: a) the population distribution of tryptophan rotamers was studied in the zwytterion and in the peptide Ala-Trp-Ala, in polar and apolar solvents; the results for the tryptophan dynamics and the rotamers populations agree with experimental observations using time resolved fluorescence and NMR spectroscopies. b) analysis of polyalanin conformations showed that the stabililty of the -helix is a cooperative effect between hydrogen bonds in low dielectric constant solvent; in the presence of the water-membrane interface, the amphyphilic -helix of a -endorphin model stabilizes on the interface; a similar behavior was observed in the signal sequence for the E. Coli -receptor, that stabilized perpendicular to the interface in a partial -helix conformation, as proposed in the literature. c) calculations on melanotropic hormone a.-MSH showed that in polar solvent it goes from helycoidal conformation to an extended one; in the presence of the interface water-membrane, the peptide goes into the interior of the membrane and stabilizes in a -turn; the stability ofthis conformation was reinforced by salt bridges between charged residues, forming a hydrophilic core surrounded by hydrophobic residues; this structural arrangement agrees with the one proposed for the biologically active conformation of the hormone. In general terms, the model proposed here for the biomembrane was able to mimic the hydrophobic, hydrophihlic or amphyphilic behavior of the peptides studied.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Cálculos de Perturbações de Energia Livre (Free Energy Perturbation, FEP) são, na atualidade, rotineiramente aplicados na descoberta de fármacos para estimar a energia de Gibbs relativa de ligação de pequenas moléculas a alvos biomoleculares de interesse. A aplicação de técnicas de amostragem estendida pode melhorar a correlação entre predições e dados experimentais, especialmente em sistemas com mudanças conformacionais. Devido ao grande número de perturbações necessárias em uma campanha de descoberta de fármacos, a preparação manual de cálculos de FEP não é viável. Neste trabalho, apresentamos o PyAutoFEP, uma ferramenta flexível e de código aberto para automatizar a preparação de cálculos de FEP para energia de Gibbs relativa de ligação. PyAutoFEP foi escrito em Python3 e automatiza a geração de mapas de perturbação, topologias duplas, construção de sistemas para simulações de Dinâmica molecular e análise. O PyAutoFEP suporta diversos campos de força, incorpora diferentes versões de métodos de amostragem REST2 e esquemas flexíveis de janelas de λ para representar a perturbação. Para validar a ferramenta PyAutoFEP, esta foi aplicada para uma série de 14 ligantes do receptor Farnesóide X. Este sistema fez parte do desafio para a comunidade Grand Challenge 2, organizado pelo grupo Drug Design Data Resources. Uma média de 88% de sinais corretos das predições foi observado e 75% das predições alcançaram erros menores do que 1,5 kcal/mol. Resultados utilizando os campos de força Amber03/GAFF, CHARMM36m/CGenFF e OLSA-AA/M/LigParGen obtiveram r de Pearson de 0,71 ± 0,13, 0,30 ± 0,27 e 0,66 ± 0,20, respectivamente. Os resultados utilizando o Amber03/GAFF e OPSA-AA/M/LigParGen foram comparáveis às melhores submissões originais ao Grand Challenge 2. A aplicação da REST2 melhorou os resultados utilizando o CHARMM36m/CGenFF (r de Pearson = 0,43 ± 0,21), porém pouco impacto foi observado para os outros campos de força. Finalmente, utilizando um modelo estatístico, foi estimada a probabilidade de descoberta de moléculas com potência ao menos uma unidade de 1 pKi melhor do que um protótipo hipotético, quando uma ferramenta como o PyAutoFEP é aplicada para triar 10 ou 100 análogos. As probabilidades são até 7 vezes maiores se comparadas àquela obtida usando seleção aleatória, quando 100 moléculas são triadas, indicando que o PyAutoFEP pode ser útil em problemas de otimização de protótipos. O PyAutoFEP está disponível no repositório do grupo, https://github.com/lmmpf/PyAutoFEP. Free Energy Perturbation (FEP) calculations are now routinely used in drug discovery to estimate the relative free energy of binding (RFEB) of small molecules to a biomolecular target of interest. Using enhanced sampling can improve the correlation between predictions and experimental data, especially in systems with conformational changes. Due to the large number of perturbations required in drug discovery campaigns, manual setup of FEP calculations is no longer viable. Here, we introduce PyAutoFEP, a flexible and open-source tool to aid the setup of RFEB FEP. PyAutoFEP is written in Python3, and automates the generation of perturbation maps, dual-topologies, system building and molecular dynamics (MD), and analysis. PyAutoFEP supports multiple force fields, incorporates two flavors of REST2 enhanced sampling method, and allows flexible λ values along perturbation windows. To validate PyAutoFEP, it was applied to a set of 14 Farnesoid X receptor ligands, a system included in the Drug Design Data Resource Grand Challenge 2. A mean 88% correct sign prediction was achieved, and 75% of the predictions had an error below 1.5 kcal/mol. Results using Amber03/GAFF, CHARMM36m/CGenFF, and OLSA-AA/M/LigParGen had Pearson’s r values of 0.71 ± 0.13, 0.30 ± 0.27 and 0.66 ± 0.20, respectively. The Amber03/GAFF and OLSA-AA/M/LigParGen results were on par with the top Grand Challenge 2 submissions. Applying REST2 improved the results using CHARMM36m/CGenFF (Pearson’s r = 0.43 ± 0.21), but had little impact on the other force fields. Finally, we estimated the probability of finding a molecule 1 pKi better than a lead when using PyAutoFEP to screen 10 or 100 analogs. The probabilities, when comparing to random sampling, increased up 7-fold when 100 molecules were to be screened, suggesting that PyAutoFEP would likely be useful for lead optimization. PyAutoFEP is available on GitHub at https://github.com/lmmpf/PyAutoFEP.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Voltage-gated sodium channels (VGSD) são proteínas responsáveis pela propagação da informação entre neurônios, fibras musculares esqueléticas, fibras musculares cardíacas e outros tipos de células excitáveis. Eles são rapidamente ativados quando a membrana celular é despolarizada, seguido de inativação, o que leva a um influxo de sódio transiente. Até recentemente não existia um modelo estrutural completo do canal de sódio humano. Neste trabalho, realizamos a modelagem comparativa do canal hNav1.4, usando como template o canal de cálcio de coelho (Cav1.1), canal de sódio de barata (NavPaS) e o canal de sódio de enguia elétrica (EeNav1.4), com os programas Rosetta e SWISS-MODEL. Os modelos gerados foram designados hNav1.4/Cav, hNav1.4/PaS e hNav1.4/Ee, conforme o templete usado. Estes modelos foram analisados de duas formas: na fidelidade do seu enovelamento em relação ao seu template, usando a ferramenta TM-Align; e pelos ângulos das ligações peptídicas entre os resíduos, utilizando o gráfico de Ramachandran. Todos os modelos foram considerados bem sucedidos pelos gráficos de Ramachandran e pelo TM-Align. Uma análise mais apurada das estruturas mostrou algumas incongruências no modelo hNav1.4/Cav ao compararmos com o funcionamento dos canais de sódio, tornando o modelo inadequado. O poro do canal se mostra fechado e seus domínios sensíveis a voltagem (VSD) se encontram ativados, o que torna este modelo falho em relação às propriedades funcionais do canal. Os modelos hNav1.4/PaS e hNav1.4/Ee, por outro lado, representam estados conformacionais fechado e aberto, respectivamente, e se mostraram consistentes com os dados biofísicos e farmacológicos conhecidos. Como critério para identificar em qual estado conformacional os canais se encontram, foi realizada a análise dos segmentos S4, e sua posição em relação à constrição hidrofóbica, bem como a verificação das interações dos resíduos carregados com resíduos de aminoácidos dos segmentos S1, S2 e S3. Considerando este critério, foi possível a contagem das cargas elementares necessárias para ativar o canal hNav1.4, chegando-se a um valor aproximado de 6,5. Completando a análise das características dos canais, foi realizado o docking de alfae beta-toxinas de escorpião no canal. A beta-toxina Ts1, se ligou ao sítio 4 do canal hNav1.4/PaS, mostrando alta afinidade com energia livre de ligação (ΔG) de -9.4 kcal/mol, confirmando que o segmento S4 do domínio DII se encontra na posição ativada, embora o canal esteja fechado, conforme análise feita pelo programa MOLEonline. A alfa-toxina AaHII se ligou ao sítio 3 do modelo hNav1.4/PaS e teve sua energia livre de ligação em -10.7 kcal/mol. Um novo docking foi testado com o modelo estado aberto, hNav1.4/Ee, e não obteve sucesso. Este resultado confirma resultados experimentais que comprovam a incapacidade da toxina de se ligar ao canal quando o VSDIV está ativado. Uma análise mais profunda mostrou que o resíduo D1435 do canal, tido como de grande importância para a interação toxina-canal, se encontra em uma posição não favorável para ligação da toxina. Esta mudança é causada pelo movimento do segmento S4 que, ao se mover em direção ao meio externo durante sua ativação, provoca no segmento S3 um movimento para dentro seguido por um giro, colocando o resíduo D1435 na posição desfavorável para a ligação da toxina. Essa observação permite esclarecer uma característica das alfa-toxinas, que é o seu deslocamento do canal quando pulsos altamente despolarizantes são aplicados à membrana. Os resultados apresentados pelo docking das toxinas são compatíveis com os resultados obtidos experimentalmente. Nossos resultados mostram que estes modelos teóricos são capazes de fornecer as bases estruturais para aspectos fisiológicos e farmacológicos desses canais, possibilitando assim uma nova gama de pesquisas teóricas envolvendo o canal hNav1.4 em diferentes estados conformacionais. Voltage-gated sodium channels (VGSD) are proteins responsible for the propagation of information between neurons, skeletal muscle fibers, cardiac muscle fibers and other types of excitable cells. They are rapidly activated when the cell membrane is depolarized, followed by inactivation, which leads to a transient sodium influx. Until recently there was no complete structural model of the human sodium channel. In this work, we performed the comparative modeling of the hNav1.4 channel, using as template the rabbit calcium channel (Cav1.1), cockroach sodium channel (NavPaS) and the electric eel sodium channel (EeNav1.4), with the Rosetta and SWISS-MODEL programs. These models were analyzed in two ways: the fidelity of their folding in relation to their templates using the TM-Align tool, and by angles of the peptide bonds between the amino acid residues, using the Ramachandran plot. All models were considered successful based on these criteria. More accurate analysis of the structures showed that the hNav1.4/Cav model has inconsistencies when compared to the functioning of a sodium channel, making the model inappropriate. The pore of the channel is closed and its voltage sensitive domains (VSD) are activated, which makes this model faulty in relation to the functional properties of the channel. On the other hand, the hNav1.4/PaS and hNav1.4/Ee models were able to represent closed and open conformational states, respectively, and were consistent with known biophysical and pharmacological data. As a criterion to identify the conformational state the channels, the analysis of the segments S4 was performed checking its position in relation to the hydrophobic constriction and the interactions of the charged residues with segments S1, S2 and S3. Considering this criterion, it was possible to count the elementary charges necessary to activate the hNav1.4 channel, reaching an approximate value of 6.5. Completing the analysis of the channel characteristics, the docking of alpha- and beta-scorpion toxins to the canal was performed. Beta-toxin Ts1 bound to channel site 4 with high affinity and binding free energy (ΔG) of -9.4 kcal/mol, thus confirming that the segment S4 of the DII domain is in the activated position, although the pore of the channel is closed state (as shown by the analysis by the MOLEonline program). The alpha toxin AaHII bound to site 3 of the closed-state model hNav1.4/PaS with a free energy of binding of -10.7 kcal/mol. A new docking was tested with the open-state model, hNav1.4/Ee, without success. This result is in agreement with the toxin's ability to bind to the VSDIV of the channel, but not when it is activated. Further analysis showed that the D1435 residue of the channel, considered to be of great importance for the toxin-channel interaction, is at an unfavorable position for toxin binding. This change results from the outward movement of the S4 segment, which causes a rotation of S3, placing the D1435 in unfavorable position. This observation can account for one characteristic of the alpha-toxins, which is their displacement from the channel when strong depolarizing pulses are applied to the membrane. The results presented by the docking of the toxins can explain the results obtained experimentally. Our results show that these theoretical models may provide structural basis to understand the physiological and pharmacological characteristics of these channels, thus enabling a new range of theoretical researches involving the hNav1.4 channel at different conformational states.

Os corantes ciânicos (CC) são compostos orgânicos que possuem uma estrutura facilmente variável, permitindo obter-se as características fotofísicas desejáveis. Devido a sua alta afinidade por estruturas biológicas, baixa citotoxicidade no escuro, alta solubilidade em meio aquoso e fotoatividade os CC são considerados compostos promissores para aplicações no tratamento do câncer por terapia fotodinâmica (TFD). CC possuem uma forte tendência de se agregar em meio aquoso, que modifica suas características fotofísicas, reduzindo os rendimentos quânticos de fluorescência e do estado tripleto, diminuindo assim sua eficiência em suas aplicações como sonda fluorescente e na TFD, todavia, a agregação aumenta a eficiência da conversão da sua energia de excitação em calor, que é importante para sua aplicação na terapia por hipertermia (HT). Sendo introduzido num organismo o CC se encontra no ambiente onde ele vai interagir com sais e estruturas nano-heterogêneas (membrana celular, ácidos nucléicos etc.), interações que podem influenciar na sua agregação. Nesse trabalho investigamos o fenômeno da agregação dos CC em suas interações com sistemas nano-heterogêneos naturais (DNA) e sintéticos (micelas) em função da sua própria estrutura, da estrutura destes sistemas e da composição da solução: as concentrações do corante e do sistema nano-heterogêneo e a força iônica. Entre os CC, escolhemos como modelos a Acridina Laranja (AL) e os corantes com dois cromóforos (BCD) que se diferem pelo ângulo formado entre seus cromóforos. Utilizamos técnicas espectroscópicas estacionárias e com resolução temporal de absorção óptica, fluorescência, espalhamento ressonante e dinâmico da luz e fotólise por pulso relâmpago. Descobrimos que em soluções aquosas homogêneas os sais induzem a agregação dos CC. No caso da AL, os sais suprimem sua fluorescência pelo aumento da agregação da AL e pela formação de um exciplexo entre a AL em seu estado excitado singleto e o ânion do sal. A interação dos CC com estruturas nano-organizadas é complexa. Observamos que na interação do CC com o DNA aparecem várias espécies em equilíbrio, tais como monômeros de CC livres e ligados ao DNA, agregados de CC ligados ao DNA e agregados de DNA ligados com os monômeros de CC. A ligação da AL ao DNA reduz a probabilidade do contato da AL com outras moléculas. Contudo, na presença do DNA os sais reduzem a agregação da AL devido à redução da constante de ligação da AL com o DNA. Na presença do dodecil sulfato de sódio (SDS), observamos que em baixas concentrações este estimula a agregação do CC. O aumento da concentração de SDS induz a desagregação do CC. Identificamos que os agregados dos CC com SDS apresentam uma dinâmica que pode perdurar por diversas horas. Durante esse período os agregados trocam suas formas H e J. Investigamos uma possível aplicação prática da agregação numa terapia de HT, identificando que a agregação protege o CC da fotodecomposição e aumenta a eficiência da geração de calor. Os resultados obtidos são importantes para avaliar o potencial de aplicação do CC como fotossensibilizadores em terapia fotodinâmica, fotohipertermia e sondas fluorescentes em diagnóstico por fluorescência. Cyanine dyes (CD) are organic compounds that have an easily variable structure, thus allowing obtain desirable photophysical characteristics. Due to their high affinity to biological structures, low cytotoxicity in the dark, high solubility in aqueous medium and photoactivity the CD are promising materials for application as photosensitizers in cancer treatment by photodynamic therapy (PDT) and as fluorescence probes in fluorescence diagnostics (FD). CD have a strong tendency to aggregate in aqueous media, which modify their photophysical characteristics, reducing its fluorescence and triplet state quantum yields, thus decreasing their efficiency in applications in PDT and FD. At the same time, aggregation increases the probability of excitation energy conversion into heat, which is important for application in hyperthermia (HT) therapy. Being introduced into organism, CD will interact with salts and nano-heterogeneous structures (cell membrane, nucleic acids etc.). These interactions can affect its aggregation. In this work we have investigated the CD aggregation phenomenon at its interactions with natural (DNA) and synthetic (micelles) nano-heterogeneous systems in function of their own structure, structure of the nano-heterogeneous system and the solution characteristics like dye and nano-heterogeneous system concentrations and ionic strength. Among CD, we have chosen as models Acridine Orange (AO) and cyanine dyes with two chromophores (BCD) that differ by the angle between chromophores. Stationary and time-resolved optical absorption, fluorescence, resonant and dynamic light scattering spectroscopies and flash photolysis were used. We have found that in homogeneous aqueous solutions salts induce the CD aggregation. In the case of AO, the salts quench the AO fluorescence by increasing its aggregation and by forming an exciplex between the AO molecule in its singlet excited state and the salt anion. Interaction of CD with nano-organized systems is complex. We observed that at CD interaction with DNA there appear several species in equilibrium, such as CD monomers free and bound to DNA, CD aggregates bound to DNA and DNA aggregates bound to CD monomers. The aggregation of DNA molecules around AO monomers reduces the probability for AO contact with other molecules. In the presence of DNA salts reduce AO aggregation due to reduction of the AO binding constant to DNA. Sodium dodecyl sulfate (SDS) in low concentrations induces CD aggregation, while higher SDS concentrations stimulate CD disaggregation. The process of CD aggregation in the presence of SDS can continue for several hours. During this period, the form of aggregates may modify from H to J or from J to H depending on the dye structure. The irradiation of dye solutions with visible light increases the solution temperature. Aggregation protected CD from photodecomposition and increased heat generation. The results obtained may help in evaluation the potential of CD as photosensitizers in photodynamic therapy, photohyperthermia and fluorescent probes in fluorescence diagnostics.

A dengue é uma doença viral infecciosa predominante de regiões tropicais e subtropicais que atinge cerca de 400 milhões de pessoas anualmente. Possui quatro sorotipos diferentes do vírus (DEN.I-IV), de modo que a reinfecção por um novo sorotipo pode causar um quadro mais grave da doença: a dengue hemorrágica e a síndrome do choque da dengue. Durante o processo de infecção o vírus passa por duas etapas importantes: a primeira é a entrada dentro da célula hospedeira; a segunda etapa, é a fusão da bicamada lipídica viral com a membrana do endossomo. Ambas as etapas são mediadas pela Glicoproteína E, e é nessa proteína que se encontra o peptídeo putativo de fusão. O peptídeo possui elevado grau de homologia entre todos os membros de Flaviviridae. Neste trabalho, avaliamos a interação entre o peptídeo de fusão da dengue II, modificado, e membranas modelo através da combinação de técnicas experimentais (Fluorescência, SAXS, DSC e Cryo-TEM) e simulações por Dinâmica Molecular. Avaliamos a capacidade do peptídeo DEN.II 88-123 em induzir a fusão de vesículas de DMPC, DMPC:DMPG (4:1), bem como de alterar as propriedades das bicamadas lipídicas. Buscamos ainda compreender como sua estrutura secundária é afetada pela interação com as bicamadas lipídicas e qual o posicionamento dele em relação à membrana. Conseguimos mostrar que o peptídeo é capaz de alterar a cooperatividade lipídica das membranas conforme a composição lipídica e isso pode ser relacionado a capacidade de induzir fusão entre vesículas. Entretanto, os resultados de dinâmica molecular revelaram que o peptídeo não foi capaz de induzir mudanças em parâmetros estruturais tais como: área por lipídio, espessura e parâmetro de ordem da bicamada. Durante a interação o peptídeo ficou preferencialmente na superfície da bicamada, com inserção do resíduo hidrofóbico triptofano entre as cadeias alifáticas. O peptídeo não apresentou uma conformação estrutural preferencial, embora tenha apresentado pequenas proporções de formação de folha- e -hélice. Em conjunto, esses resultados podem auxiliar na compreensão do modo de ação dos peptídeos de fusão. Dengue fever is viral infectious disease widespread in tropical and subtropical areas that infects nearly 400 million people annually. There are four different virus serotypes (DEN.I-IV) so that a reinfection by a different serotype may lead to a more severe case of the disease: dengue hemorrhagic fever and the dengue shock syndrome. During the infection cycle, the virus has two important steps: the first one is the entry in the host cell; the second one, is the fusion between the viral lipid bilayer and the endosomal membrane. Both steps are mediated by the E Glycoprotein, that is the host of the putative fusion peptide. The fusion peptide has a high degree of homology among the members of the Flaviviridae. In this work, we evaluated the interaction between modified dengue fusion peptide and model membranes through the combination of experiments (fluorescence, SAXS, DSC and Cryo-TEM), and Molecular Dynamics simulations. We evaluated the capacity of the DEN.II 88-123 peptide to promote fusion between vesicles composed by DMPC, DMPC:DMPG (4:1), as well as the ability to perturb the lipid bilayer properties. Moreover, we seek to understand how the secondary structure is affected by interaction with the model membranes and the peptide position in the membrane. We showed that the peptide is able to change the membrane lipid cooperativity depending on the lipid composition and it may be related to the capacity of fusion induction between vesicles. However, the results revealed that the peptide does not induce changes in the structural parameters such as area per lipid, thickness and bilayer order parameter. The peptide binds to the surface of the lipid bilayer with the insertion of the tryptophan residue into the region of aliphatic chains. The peptide did not have a preferential secondary structure, although it presented a low percentage of -sheet and -helice conformation. Together, these results may help to understand the mode of action of fusion peptides.

Nesta tese, apresentamos estudos experimentais e teóricos realizados com o Ácido orto-Aminobenzóico (o-Abz) e seus derivados 2-amino-benzamida (o-Abz-NH2), 2-amino-metil-benzamida (o-Abz-NH(CH3)) e 2-amino -dimetilbenzamida (o-Abz-N(CH3)2). Foram feitas medidas de absorção óptica, fluorescência estática e resolvida no tempo e anisotropia de fluorescência em solventes com diferentes graus de polaridade e diferentes capacidades de doar e aceitar prótons. Os resultados experimentais foram comparados aos resultados de simulações computacionais que simularam o sistema solventesoluto. Restrições impostas pelas limitações computacionais impedem cálculos totalmente quânticos via métodos ab-initio, porém uma metodologia que tem apresentado resultados satisfatórios é o método híbrido que envolve a mecânica quântica associada à mecânica molecular (QM/MM). No presente trabalho, foram combinados cálculos quânticos ab-initio e semi-empíricos na otimização de geometrias de moléculas isoladas e no cálculo de energias de transições respectivamente. Foram simulados os sistemas soluto+solvente via Método de Monte Carlo. Os espectros de absorção ótica obtidos via simulação demonstraram boa concordância com os resultados experimentais, identificando-se as bandas como oriundas das transições p-p*. Verificamos que a forma ácida aniônica do o-Abz é responsável pelo deslocamento para o azul, observado em solvente aquoso. A forma aniônica incrementa a eletronegatividade dos átomos de Oxigênio, aumentando a energia das ligações de hidrogênio. Essas ligações mais intensas estabilizam o estado excitado do o- Abz, e isso se reflete no deslocamento para azul. Da simulação, verificou-se também que na forma aniônica há uma inibição das ligações de hidrogênio do tipo doadoras por parte do grupo amina. Os derivados do o-Abz apresentam aumento na capacidade do grupo amina atuar como doador em ligações de hidrogênio e diminuição na soma de todas as ligações de hidrogênio entre soluto-solvente. Os derivados amida e monometilamida mantiveram elevado rendimento quântico e sensibilidade à polaridade ambiente. Por outro lado, o derivado o-Abz-N(CH3)2 mostra sensibilidade à presença de metilas que incrementam as vias de desexcitação não radiativa. In the present, we report experimental and theoretical studies on orthoaminobenzoic acid (o-Abz) and its derivatives 2 amino-benzamide (o-Abz-NH2), 2 amino-monomethyl-benzamide (o-Abz-NH(CH3)) and 2 amino-dimethyl-benzamide (o-Abz-N(CH3)2. We measured optical absorption, steady state and time-resolved fluorescence and fluorescence anisotropy of the compounds in solvents with different donor/acceptor character. The experimental results were compared with results of computational calculations which simulated solvent-solute systems. Due to the restrictions imposed by the computer limitations, it was not possible to do entire quantum calculations by ab-initio methods. We used then QM/MM methods, which involves quantum calculation with molecular mechanics simulations. In this work, ab-initio and semi-empiric quantum calculations were combined in the single molecule geometry optimization and energy transitions calculus, respectively. The solute-solvent system was simulated by Monte Carlo method. The optical absorption spectra obtained from simulations showed good agreement with experimental results, identifying the bands relative to p-p* transitions. It was observed that the anionic acid form of the o-Abz is responsible for the blue shift when it is in aqueous solution. Anionic form increases the electronegativity of Oxygen atoms, rising the energy of the hidrogen bonds. These strong bonds stabilize the fundamental state of o-Abz, resulting in a blue shift in absorption spetrum. From simulation, it was verified that in the anionic form of o-Abz there is also an inhibition of hidrogen bonds of the donor type by the amine group. Compared to o-Abz alone, the derivatives present an increase in the amine group capacity to act as a hidrogen bond donor. The o-Abz-NH2 and o-Abz- NH(CH3) derivatives preserved the high quantum yield and the sensitivity for the environment polarity, while in the dimethyl amide derivative, the presence of methyl groups increases the deexcitation by non-radiactive pathways.

A Infecção pelo dengue afeta todas as regiões tropicais e subtropicais do globo, registra aproximadamente 390 milhões de casos por ano, e se destaca como um problema emergente de proporções crescentes, especialmente no Brasil, que atualmente responde por 60% dos casos no continente americano. Assim, ações para criar, adaptar e atender as condições para promover avanços na compreensão do processo de infecção pelo vírus em nível molecular pode ser de grande valor, tanto para enfrentar os desafios impostos pela conjuntura atual do dengue, quanto pela possibilidade de ampliar o conhecimento de mecanismos moleculares para outros vírus relacionados. Aqui, focando na proteína E do envelope do vírus do dengue, abordamos o problema da infecção viral sob os aspectos estruturais da proteína do envelope (E) quando enfrenta as condições ambientais distintas ao longo do caminho desde o trato digestivo do vetor exotérmico até a maquinaria celular do hospedeiro homeotérmico. Para este efeito, empregamos simulações de Dinâmica Molecular, avaliando e quantificando os processos de rearranjo conformacional do o domínio III isolado da proteína E dos quatro sorotipos de dengue, os quais são induzidos por alterações nos parâmetros termodinâmicos intensivos (pH 3, 5 e 7, T = 298K e 310K). Além disso, a configuração quaternária pentarradial de cinco domínios III é estudada, correlacionando flexibilidades específicas das regiões de loops a ajuste induzido a eventuais ligantes. Nós também verificamos a estabilidade estrutural do complexo DIII com o fragmento da região ligante de antígeno de um anticorpo monoclonal (Fab 1A1D-2), bem como as forças de interação entre a interface de ligação, identificando resíduos-chave. Além disso, os eventos relacionados com a interação da proteína E (tanto na forma monomérica quanto na dimérica) com o envelope lipídico viral são minuciosamente estudados, abrindo o caminho para um possível estudo centrado na formação de trímeros da proteína E, levando à fusão de membranas e subsequente inoculação do RNA viral no citoplasma. Finalmente, alternativas são propostas para a compreensão do mecanismo de ação da fosfolipase do veneno de Crotalus durissus terrificus - a cascavel sul-americana, que tem se mostrado eficaz na inibição in vitro da infecção pelo vírus do dengue. Dengue infection burdens all tropical and subtropical regions of the globe, registers approximately 390 million cases annually, and stands out as an emerging problem of increasing proportions, especially in Brazil, which currently accounts for 60% of cases in the American continent. Thus, actions to create, adapt and meet conditions to promote advances in understanding the process of virus infection at the molecular level can be of great value both to meet the challenges posed by current conjuncture of dengue, and for the possibility to extend the knowledge of the molecular mechanisms to related viruses. Here, focusing on the E protein of the dengue virus envelope, we address the problem of viral infection under stereochemical aspects of the envelope (E) protein when it undergoes the distinct environmental conditions along the pathway from the exothermic vector\'s digestive tract to the homeothermic host\'s cell machinery. To this end, we employ molecular dynamics to assess and quantify the processes of conformational rearrangement of isolated domain III of the E protein of the four serotypes of dengue, as induced by changes on intensive thermodynamic parameters (pH 3, 5 and 7; T = 298K and 310K). Further, the 5-fold quaternary configuration of five domains III is studied, correlating specific loop regions flexibilities with induced fit with eventual ligands. We also check the structural stability and interaction forces between the interface of the complex DIII and the antigen binding fragment of a monoclonal antibody (Fab 1A1D-2), identifying key residues. Additionally events related to the interaction of the E protein (both as a monomer and as a dimer) with the viral membrane are thoroughly studied, paving the way for a possible study focused on the formation of trimers of E protein, leading to membrane fusion and subsequent inoculation of viral RNA in the cytoplasm. Finally, alternatives are proposed for understanding the mechanism of action of the phospholipase from the venom of Crotalus durissus terrificus - the South American rattlesnake, which has proven effective in vitro inhibition of Dengue virus infection.

Calgranulina C (S100A12) é membro da família das proteínas S100 \"EF-hands\" que complexam cálcio. A S100A12 humana é expressa predominantemente por granulócitos e é superexpressa em compartimentos inflamatórios. Níveis séricos elevados de S100A12 são encontrados em pacientes acometidos por distúrbios inflamatórios, neurodegenerativos, metabólicos e neoplasias. A S100A12 intracelular existe como um homodímero anti-paralelo. Cada monômero é composto por um \"EF-hand\" clássico, C-terminal (HI - LI - HII), e um \"EF-hand\" N-terminal, o pseudo \"EF-hand\" (HIII - LIII - HIV). Os \"motifs\" são conectados pela região do \"hinge\" (LII). A Calgranulina C também liga íons zinco e cobre em uma região formada pelas duas subunidades do dímero. Mudanças nas concentrações citosólicas de íons regulam uma grande variedade de processos celulares, e as proteínas que complexam íons são moléculas importantes na transdução do sinal, diferenciação e controle do ciclo celular. O mecanismo pelo qual a Calgranulina C modula o curso do processo inflamatório está relacionado à interação com o receptor para produtos finais de glicosilação (RAGE). Para obter detalhes sobre os mecanismos envolvidos nas etapas de sinalização celular das quais a S100A12 participa, nosso objetivo foi qualificar e quantificar a atividade conformacional dos domínios da S100A12 induzida por variações de parâmetros termodinâmicos intensivos, como mudanças nas concentrações de íons. Além disso, nós investigamos os detalhes da interação entre S100A12 e RAGE para elucidar a região do receptor com a qual a S100A12 interage e quais são os resíduos envolvidos nesta interação. Para os estudos da influência da presença de íons na dinâmica conformacional da S100A12, simulações de dinâmica molecular foram realizadas usando o pacote de simulação GROMACS com o campo de força OPLS-AA, no \"ensemble\" NVT. As estruturas iniciais usadas foram as estruturas cristalográficas da S100A12 (PDB ID: 2WCE e 1E8A). Estas foram submetidas a diferentes concentrações de cloreto de sódio, cálcio e zinco em sistemas separados e solvatados com o modelo de água \"SPC\". Nossos resultados sugerem que em baixas concentrações de Ca2+, o LI permanece ocupado pelo Na+. No período entre ondas de Ca2+, este íon tem acesso à proteína exclusivamente pelo LIII (no EF-2). A medida em que há presença de Zn2+, esse contribui para a saída do Na+ do LI, evento que envolve a participação do resíduo Asp25, permitindo que o LI se abra e descomplexe o Na+. Além disso, devido a alta deformabilidade estrutural, a HIII é muito influenciada pelos íons Na+ e Ca2+, sendo que em determinadas concentrações, ambos levam a perda parcial desta hélice e da HIIa (\"Hinge-Region\") e ao aumento da flexibilidade desta região, embora apenas o Ca2+ seja capaz de se complexar, via HIII, a região próxima ao LIII. Com relação aos estudos com o RAGE, foram realizados estudos de \"docking\" molecular e simulações de SMD (\"Steered Molecular Dynamic\"). A análise dos nossos resultados, sugere que a interação da S100A12 com o RAGE ocorre tanto no domínio V, quanto no domínio C1 do RAGE e depende da região de conexão entre estes domínios. Também, observamos que estados oligoméricos maiores, por exemplo, hexâmeros de S100A12 (PDB ID: 1GQM), têm possibilidades maiores de interação com RAGE e que nestes casos, as regiões relevante da interação envolvem, de acordo com nossos resultados, porções N e C-terminal da HI e C-terminal da HIV da S100A12. Calgranulin C (S100A12) is a member of the S100 family of EF-hand calcium-binding proteins. Human S100A12 is predominantly expressed by granulocytes and is markedly overexpressed in inflammatory compartments. Elevated serum levels of S100A12 are found in patients suffering from various inflammatory, neurodegenerative, metabolic, and neoplasic disorders. Intracellular S100A12 exists as an anti-parallel homodimer. Each monomer is composed of a C-terminal, classic EF-hand (HI - LI - HII), an N-terminal, pseudo EF-hand (HIII - LIII - HIV). The motifs are linked by the hinge-region. Calgranulin C also binds zinc and copper ions in a site formed by both subunits of dimer. Changes in cytosolic ions concentrations regulate a wide variety of cellular process, and ions-binding proteins are the key molecules in signal transduction, differentiation, and cell cycle control. The mechanism by which calgranulin C modulates the course of inflammatory process is related to its interaction with the receptor for advanced glycated products (RAGE). In order to obtain details about the mechanism involved in cell signaling steps in which S100A12 participates, our goal was to qualify and quantify the activity conformational of S100A12 domains, induced by variations of intensive thermodynamic parameters, as changes in the concentration of ions. Furthermore we investigated the details of the interaction between S100A12 and RAGE in order to elucidate the region of the receptor which interacts with S100A12 and what are the residues involved in this interaction. In order to access the influence of the presence of ions over the conformational dynamics of S100A12, molecular dynamics simulations were performed using the GROMACS suite with the OPLS-AA force field and NVT ensemble. The initial structures used were experimentally determined by X-ray crystallography (PDB ID: 2WCE and 1E8A). They were separately submitted to different concentrations of sodium, calcium and zinc chloride and solvated with the SPC water model. Our results suggest that at low concentrations of Ca²?, LI remains occupied by Na?. During calcium-waves, it can reach the protein exclusively through LIII (in EF-2). As the Zn²? concentration rises, it contributes to the Na? unbinding from LI, an event that involves the residue ASP-25, which allows LI to open and the Na? to unbind. Furthermore, because of its high structural deformability, HIII is strongly influenced by both Na? and Ca²? ions which, in certain concentrations, leads to partial loss of this helix and of HIIa (Hinge-Region) and increases in the flexibility of this region, although only Ca²? is able to bind, through HIII, to the region near LIII. Regarding the RAGE studies, molecular docking essays and SMD (Steered Molecular Dynamics) simulations were performed. Our data analysis suggests that the interaction between S100A12 and RAGE takes place through both V and C1 RAGE domains and depends upon the interdomain region. Additionally, we observed that higher oligomeric states, e.g. S100A12 hexamers (PDB ID: 1GQM), have more interaction possibilites with RAGE and that, according to our results, in this case the interacting region of S100A12 comprises the N- and C-terminal portions of HI and Cterminal of HIV.

Há grande diversidade de animais e plantas que produzem peptídeos em seu sistema imune inato. Essas moléculas são moduladoras dos sistemas nervoso, imune e circulatório de predadores, e são de grande interesse para a indústria farmacêutica, para descoberta de novas moléculas ativas. Com o avanço da resistência antimicrobiana a agentes antimicrobianos, fármacos tornam-se menos efetivos contra bactérias, fungos, protozoários e vírus, e novos compostos farmacêuticos são necessários para enfrentar esse fenômeno mundial. O objeto de estudo nesse trabalho é um peptídeo antimicrobiano com potencial atividade antibiótica e cujo mecanismo de ação ainda pouco elucidado, a Dermadistinctina K (DD K), encontrada na pele do anuro Phyllomedusa distincta, espécie da Mata Atlântica do Brasil. O presente estudo focou a interação do peptídeo DD K com membrana modelo de 1-palmitoil-2-oleoil-sn-glicero-3-fosfocolina (POPC) com o objetivo de obter informações in silico para contribuir em elucidar sua ação e dar suporte ao desenvolvimento de fármacos antimicrobianos. Essa tese foi dividida em três abordagens. Na primeira foi realizado um estudo de predição estrutural do peptídeo DD K em mistura trifluoretanol/água (TFE/água) (50%/50%, v/v), empregando Generalized Simulated Annealing (GSA) usando o programa Thor-GSA, desenvolvido em nosso grupo de pesquisa, e Dinâmica Molecular com o programa GROMACS 4.6. O GSA possibilitou encontrar uma estrutura pré-enovelada para o peptídeo, a qual foi usada como entrada para DM e enovelou-se rapidamente até a estrutura nativa, que é formada por uma hélice-anfifílica. Na segunda abordagem estabeleceu-se sistemas com 2, 3 e 4 peptídeos na presença de membrana modelo formada por 512 lipídeos de POPC, sendo observadas modificações na biomembrana e formação de agregados de peptídeos com perda parcial da estrutura nativa. Os monômeros de DD K formaram aglomerados juntando faces hidrofóbicas das estruturas em hélice- A face hidrofílica do peptídeo é formada principalmente por resíduos de lisina, que interagiram com as cabeças lipídicas da bicamada. No terceiro estudo foram utilizados poros pré-montados, com 6 peptídeos/468 lipídeos, 7 peptídeos/461 lipídeos e 8 peptídeos/454 lipídeos de POPC. Duas configurações de poros foram utilizadas: uma com os resíduos lisina voltados para o lado de fora do poro e outra com esses resíduos voltados para dentro, formando o lúmen do poro. Em ambos os modelos houve perturbação da bicamada, estabilização e passagem de água. Os poros com 6 e 7 peptídeos formaram estruturas estáveis, enquanto os resíduos de lisina provocaram o arraste das cabeças de fosfolipídeos para o interior da bicamada formando interstícios dando passagem a moléculas de água. O poro com 8 peptídeos mostrou conformação estável com os resíduos carregados voltados para o centro do poro, impedindo o colapso do poro por repulsão eletrostática, formando um lúmen por onde passaram moléculas de água. Concluiu-se que quando a concentração de peptídeo crítica para agregação é alcançada o extravasamento osmótico pode ocorrer por vários mecanismos ao mesmo tempo. Esses mecanismos incluiriam a perturbação da bicamada por agregados do peptídeo, a formação de feixes pelo DD K pela união das faces hidrofóbicas em grupos de até 7 peptídeos e poros semelhantes ao modelo barril pelo alinhamento ordenado formando o lúmen para conjuntos acima de 7 peptídeos. A vast diversity of plants and animals has peptides in their innate immune system. These molecules modulate the nervous, immune and circulatory system of predators, which are of great interest to the pharmaceutical industry concerning the discovery of new active biomolecules. The resistance to antimicrobial agentes becomes prevalent, drugs turn out be less effective against bacteria, fungi, protozoans and viruses, new pharmaceutical compounds are necessary to deal with this widespread phenomenon. The subject of study in this work is an antimicrobial peptide with potential antibiotic activity and whose action mechanism remains mostly unknown. This peptide, Dermadistinctin K (DD K) is found on the skin of the anuran Phyllomedusa distincta from the Brazilian Atlantic Forest. This study focused on the interaction of the peptide DD K with a membrane model of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocoline (POPC) with the aim to collect information in silico to elucidate its action and support the development of antimicrobial drugs. This thesis has in three parts. On part one; we conducted a study of structural prediction of the DD K peptide in trifuorethanol/water mixture (TFE/water) (50%/50%, v/v), employing Generalized Simulated Annealing (GSA) using Thor-GSA software, developed in our research group, and Molecular Dynamics (MD) simulation using GROMACS 4.6. The GSA has made possible to find a pre-folded structure for DD K, which in sequence was submitted to MD simulation and finished folded in the native structure, an amphipathic helix. On part two we determined systems with 2,3 and 4 peptides in bilayer with 512 molecules of POPC. Membrane model modifications were observed as also misfolded aggregates of DD K. DD K monomers aggregates by hydrophobic face of each helix of peptide. Hydrophilic face of DD K is formed mainly by lysine amino acid residues that interacted with headgroups of membrane. On the final part we used pre-mounted pores with 6 peptides/468 lipids, 7 peptides/ 461 lipids and 8 peptides/454 lipids of POPC bilayer. Two pore configurations were used: one with the lysine residues turned to outside of pore, and another with these residues turned inwards and making up the pore lumen. There were water passage, bilayer pertubation and pore stabilization in both models. The pores with 6 and 7 peptides formed stable but collapsed structures,while lysine residues dragged headgroup of phospholipids into the bilayer forming intertices giving passage of water molecules. Pores with 8 peptides stabilized with the charged positive residues into the center preveting the pore colapse by electrostatic repulsion and forming a lumen through which water molecules can pass. In conclusion, when the peptide critical concentration to aggregate is reached to osmotic leaking can occur through several mechanisms at once. These mechanism include the disturbance of the bilayer by aggregates of peptide, the formation of pores by fusion of hydrophobic phases, that could be happen on up to 7 peptides, and the formation of barrel pores could be suggested by the orderly aggregation of up 7 peptides forming a lumen.

ealizaram-se cálculos ab initio e semi-empíricos em 5-hidrotriptofano (5-OH-trp), 7-aza-triptofano (7-aza-trp) e triptofano (trp), determinando as superfícies de energia potencial (SEP) do estado fundamental (EF) e do primeiro estado excitado (1EE), em função dos ângulos X IND. 1 e X IND. 2, medidos nos diedros N-C IND.alfa-C IND.beta-C IND.gama e C IND.alfa-C IND.beta-C IND.gama- C IND.delta2, respectivamente. Esses compostos foram estudados nos estados de protonação zwitteriônico, neutro e aniônico. A SEP do EF na forma zwitteriônica fo obtida pelo método semi-empírico AM1 e utilizada como referência para os cálculos ab initio. Os cálculos de 1EE foram feitos utilizando o método de Interação de Configurações com excitações simples (ICS) e orbitais internos congelados. As energias de transição entre o EF e o 1EE após as otimizações foram obtidas pelo método semi-empírico INDO/S-CIS, permitindo a obtenção dos espectros teóricos de absorção ótica, pelas energias de transição das geometrias otimizadas no EF, e de fluorescência de estado estacionário, pelas energias de transição das geometrias otimizadas no 1EE. Medidas experimentais dos espectros de absorção ótica e de fluorescência de estado estacionário e resolvida no tempo foram realizadas com o 5-OH-trp e o 7-aza-trp em solução tampão fosfato, pH 7,4. Os decaimentos fluorescentes ajustados a mais de uma exponencial foram estudados em termos das populações relativas de Boltzmann nos EF e 1EE. As taxas do decaimento não-radiativo de transferência de elétrons no 1EE foram obtidas pela implementação computacional da Teoria de Marcus e do Método da Expansão de Perturbação Renormalizada (EPR). Além disso, otimizações de estruturas de estados de transição (ET) na SEP dos 1EE foram realizadas pelo Método Sunchronous Transiti-Guided Quasi-Newton e pelo algoritmo de Berny modificado. Para aproximar as condições experimentais, foram ) realizadas simulações por dinâmica molecular (DM) usando o método híbrido QM/MM no EF do 5-OH-trp na forma zwitteriônica, na presença do solvente aquoso representado explicitamente. Os resultados obtidos dos cálculos ab initio foram usados como referência para o início dessas simulações. As conformações visitadas no EF, os espectros teóricos de absorção ótica e as camadas de solvatação do solvente aquoso em torno do reagente são discutidas. Semi-empirical and ab-initio calculations were performed on 5-hydroxytryptophan (5-OH-trp), 7-aza-tryptophan (7-aza-trp) and tryptophan (trp). The potential energy surface (PES) of the ground state (GS) and the lowest exited state (1ES) was determined as a function X IND. 1 e X IND. 2 angles corresponding to the dihedrals N-C IND.alfa-C IND.beta-C IND.gama e C IND.alfa-C IND.beta-C IND.gama- C IND.delta2, respectively. The compounds were studied in the zwitterionic, neutral and anionic states. The PES of the GS was obtained using the AM1 semi-empirical method and was used as a reference for the ab-initio calculations. The configuration interaction method with single excitations (CIS) was used for the calculations of the 1ES with frozen internal orbitals. After geometry optimization of GS, the transition energies to 1ES were obtained by INDO/S-CIS, giving the theoretical optical absorption spectrum. Similarly, following the geometry optimization of 1ES, the transition energies to GS were determined, giving the fluorescence emission spectrum. Experimental results were obtained for optical absorption and fluorescence spectra of 5-OH-trp and 7-aza-trp in phosphate buffer solution, pH 7.4. The fluorescence decay of the compounds was also examined. Decay profiles fitted to multiexponential function were analyzed in terms of Boltzmann relative populations in the GS and 1ES. The non-radioactive electron transfer rates in the excited state were obtained by computational implementation of the Marcus Theory with renormalized perturbation expansion method (RPE). In this study, optimizations of the transition states in the PES of the ground and lower excited states were performed by the Synchronous Transit-Guided Quasi-Newton method and the Berny algorithm modified. For further comparison with experimental conditions, molecular dynamic simulations for the zwitterionic 5-OH-trp were performed using the hybrid QM/MM method with explicit representation of the aqueous solvent. To start the simulations the results from ab-initio calculations were used. The conformations for the GS, the theoretical absorption spectrum and the solvation layers were compared to the experimental results

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO A aparição do HIV na década de 80 e de outros vírus presentes no sangue dos doadores, assim como a expansão de doenças como a hepatite C, tem estimulado as pesquisas para desenvolver substitutos do sangue. Pesquisas recentes têm sido realizadas em derivados artificiais da albumina de soro humano (human serum albumin - HSA) associados com heme, representando uma linha promissora nesse sentido. No presente trabalho, fazemos um estudo computacional da ligação do heme e de seu precursor, a protoporfirina IX, com a HSA, com o objetivo de conhecer os aminoácidos que contribuem à estabilidade da ligação, a natureza do sítio de ligação, a formação de possíveis sítios secundários de ligação e a influência das porfirinas na estrutura global da proteína. Para conseguir este objetivo ut ilizamos técnicas de cálculo quântico usando a Teoria do Funcional de Densidade, Docking Molecular e Dinâmica Molecular. Finalmente fazemos um estudo da correlação existente entre as diferentes regiões da HSA e de como este padrão muda na presença das porfirinas. Para este propósito usamos os coeficientes de correlação generalizada baseados na formulação de Kraskov. Com base nestas informações, discutimos a contribuição que poderiam fornecer nossos cálculos para a reengenharia do HSA, no sentido de fornecer- lhe características de hemoproteínas. The uprising of HIV and other viruses in the beginning of the 80s, as well as the expansion of other diseases like hepatitis C has stimulated research in order to develop blood substitutes. Research based on modified Human Serum Albumin associated with heme has shown a promissory line in this direction. In the present work we make a computational study about the heme and its precursor, the Protoporphyrin IX complexed with HSA, in order to know the contribution of the main amino acids to the stability of the binding, the character of the binding site, secondary binding sites formation, and the influence of the porphyrins in the global protein structure. To find this objective we use quantum calculations based on Functional Density Theory, Molecular Docking and Molecular Dynamics. Finally, a correlation study between different regions of HSA and the pattern modifications caused by the porphyrins were performed, using the generalized correlation coefficients based on the Kraskov formulation. We also discuss the contribution that our calculations could give to the reengineering of HSA, to provide them with hemeprotein characteristics.