Dissertationen zum Thema „Simulaciones de dinámica molecular“

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención en Ciencia de los Materiales
Los vidrios metálicos son aleaciones con una estructura atómica desordenada que han atraído interés durante las últimas décadas debido a sus propiedades mecánicas particulares como un alto módulo y límite elástico. Sin embargo, éstos se presentan como materiales frágiles a temperatura ambiente debido a su tendencia a la localización de la deformación mediante la formación de bandas de corte. La explotación de las propiedades de los vidrios metálicos requiere el desarrollo de estrategias efectivas para controlar la localización de la deformación y poder prevenir la fractura frágil. Este objetivo puede ser alcanzado si los mecanismos que gobiernan la plasticidad en los vidrios metálicos a escala atómica son bien conocidos. En particular, cuando tratamos con nano-estructuras, aparecen efectos superficiales debido a la mayor proporción de átomos que corresponden a la superficie con respecto a los que se encuentran en el volumen. Con el ánimo de proporcionar mayor entendimiento de estos efectos y de como ellos influyen sobre las propiedades mecánicas de nano-estructuras de vidrio metálico, se estudió su comportamiento mécanico usando simulaciones de dinámica molecular. Se eligió la aleación Zr-Cu-Al por ser uno de los pocos sistemas ternarios con un potencial interatómico bien definido que puede ser implementado en los programas computacionales utilizados en el modelamiento de materiales. El estudio fue enfocado en el modelamiento de dos casos de deformación. El primer caso lo constituye un ensayo de compresión sobre nano-columnas en el cual se estudió la relación entre el módulo elástico y límite elástico con el largo y diámetro de las nano-columnas. El segundo estudio trató sobre la deformación que sufren una nanopartícula y un substrato, ambos de vidrio metálico basados en cobre y zirconio, en un impacto a velocidades sub y supersónicas. En ambos casos resultó muy importante el papel que juega la relación superficie-volumen en la deformación. En el modelamiento de la compresión se encontró que los nano-alambres son capaces de deformarse plásticamente gracias a la disminución de la energía elástica almacenada por la muestra cuando disminuye el volumen. En el caso del impacto de nano-partículas de vidrio metálico se muestra que a esta escala la deformación es un fenómeno global que funde toda la partícula y debido a la mayor proporción de área con respecto al volumen, esta se enfría rápidamente, lo que conserva la estructura atómica amorfa de la muestra.

Mediante el hamiltoniano SSH (Su-Schrieffer-Heeger) para la molécula de poliacetileno, se estudia el comportamiento de excitaciones topológicas no lineales de tipo solitón y polarón al aplicarse distintos perfiles de campo eléctrico. Se encuentra que la estabilidad de dichas excitaciones depende de la intensidad de campo eléctrico y del tiempo de exposición al mismo. Así mismo se encuentra la estabilidad para un solitón en un campo eléctrico sinusoidal lo que suscita la esperanza de crear dispositivos opto-electrónicos orgánicos que conduzcan corriente alterna, un fenómeno poco estudiado en el campo.
Fil: Arancibia, Leandro Manuel. Universidad Nacional de Cuyo. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.

Los aneurismas son una enfermedad de los vasos sanguíneos, que consiste en, una dilatación anormal y localizada producto de un debilitamiento en la pared de la arteria. El rompimiento de aneurismas cerebrales puede provocar severos daños irreversibles en el paciente e incluso la muerte, de aquí la importancia de desarrollar avances en la medicina preventiva de esta enfermedad, la cual se puede establecer bajo investigaciones de simulaciones numéricas que describan el comportamiento fluidodinámico de la sangre y mecánico de las arterias. El trabajo de título realizado se enmarca dentro de la investigación desarrollada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile en el estudio de aneurismas cerebrales, investigación que es parte de un proyecto FONDECYT "Dinámica del Flujo y la Interacción con la Pared Arterial en Modelos Reales de Aneurismas Cerebrales". Investigación que ha desarrollado una metodología de reconstrucción de casos de aneurismas cerebrales reales a archivos de formato CAD desde exámenes médicos de angiografía rotacional 3D, los cuales fueron proporcionados por el Instituto de Neurocirugía ASENJO, como también la metodología de modelación del problema. Se simularon 10 casos reales de aneurismas cerebrales terminales en el software de elemento finito ADINA 8.5, bajo los supuestos de paredes rígidas, condición de Womersley para flujo pulsante, fluido no-newtoniano e incompresible. Se estudiaron modificaciones al modelo considerando fluido newtoniano, presiones distintas en las salidas y se integró temporalmente usando una aproximación de segundo orden. Estos resultados fueron comparados con los entregados por el modelo usado en trabajos anteriores. También se modificó gráficamente un caso terminal eliminando el aneurisma, y se estudiaron las diferencias que se producen al formarse la malformación en la arteria. Con las simulaciones de los 10 casos, se estudió estadísticamente los resultados, encontrando relaciones estadísticas lineales para la presión y esfuerzo de corte de la pared en el aneurisma y el tiempo de residencia dentro de él.

In our pursuit of ever smaller transistors, with greater computational throughput, many questions arise about how material properties change with size, and how these properties may be modelled more accurately. Metallic nanocontacts, especially those for which magnetic properties are important, are of great interest due to their potential spintronic applications. Yet, serious challenges remain from the standpoint of theoretical and computational modelling, particularly with respect to the coupling of the spin and lattice degrees of freedom in ferromagnetic nanocontacts in emerging spintronic technologies. In this thesis, an extended method is developed, and applied for the first time, to model the interplay between magnetism and atomic structure in transition metal nanocontacts. The dynamic evolution of the model contacts emulates the experimental approaches used in scanning tunnelling microscopy and mechanically controllable break junctions, and is realised in this work by classical molecular dynamics and, for the first time, spin-lattice dynamics. The electronic structure of the model contacts is calculated via plane-wave and local-atomic orbital density functional theory, at the scalar- and vector-relativistic level of sophistication. The effects of scalar-relativistic and/or spin-orbit coupling on a number of emergent properties exhibited by transition metal nanocontacts, in experimental measurements of conductance, are elucidated by non-equilibrium Green’s Function quantum transport calculations. The impact of relativistic effects during contact formation in non-magnetic gold is quantified, and it is found that scalar-relativistic effects enhance the force of attraction between gold atoms much more than between between atoms which do not have significant relativistic effects, such as silver atoms. The role of non-collinear magnetism in the electronic transport of iron and nickel nanocontacts is clarified, and it is found that the most-likely conductance values reported for these metals, at first- and lastcontact, are determined by geometrical factors, such as the degree of covalent bonding in iron, and the preference of a certain crystallographic orientation in nickel.
Physics
Ph. D. (Physics)

Tesis (DCI)--FCEFN-UNC, 2013
Desarrolla de un modelo computacional completo para estudiar el vuelo de insectos y aves pequeñas. Este modelo fue construido acoplando: un modelo cinemático, uno aerodinámico no estacionario, un modelo dinámico no lineal, y una técnica para combinar dichos modelos

Trabajo Final (IA)--FCEFN-UNC, 2014
Desarrolla las ecuaciones de movimiento y una herramienta de simulación (simulaciones numéricas) de alta fidelidad que permita investigar el comportamiento dinámico (sin considerar la aerodinámica) de un modelo simplificado de un concepto de aeronave X-Hale-UAV

La biofísica computacional se ha convertido en unas de las ramas más dinámicas de la biología contemporánea, ocupándose principalmente del estudio de los procesos celulares a nivel molecular, siendo su unidad fundamental de investigación las macromoléculas. Sin embargo, el estudio del movimiento y comportamiento estructural de una macromolécula muestra una notable dificultad. Una de las alternativas más prometedoras para el estudio de sistemas biológicos es sin duda la simulación molecular, tal como Dinámica Molecular (DM). La DM se ha convertido en una de las herramientas numéricas más poderosas para estudiar propiedades termodinámicas de macromoléculas como son las proteínas, polisacáridos y otras biomoléculas. Este trabajo está enfocado en simular quitosano, biopolímero encontrado principalmente en el exoesqueleto de crustáceos e insectos. El quitosano es utilizado principalmente en el campo médico, alimenticio y cosmético gracias a propiedades como biocompatibilidad, antifúngico, no toxico, entre otras. En este trabajo, se estudió el quitosano en un ambiente salino mediante simulaciones moleculares para conocer la interacción del quitosano con distintas concentraciones de sal (NaCl), enfocándonos en el cambio estructural que sufre la cadena polimérica al variar el grado de protonación y concentración salina. Se analizaron los diferentes comportamientos que éstas presentan y como dichos comportamientos pueden afectar el autoensamblaje molecular, una de las propiedades utilizadas más importantes del quitosano.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería - Mención Química
Ingeniero Civil con Mención en Biotecnología
La industria biotecnológica precisa del uso de enzimas optimizadas, en particular, de termoestabiliad elevada ya que procesos industriales como la elaboración de biocombustibles de segunda generación requieren temperaturas de operación por sobre las temperaturas óptimas para la mayoría de las enzimas. El diseño de nuevas enzimas modificando enzimas ya existentes puede ser un proceso extensivo en términos experimentales y analíticos y no asegura necesariamente un grado determinado de mejora. En el presente trabajo se desarrolló una nueva herramienta para el mejoramiento de la termoestabilidad de enzimas con énfasis en dinámica molecular. Se diseñó un procedimiento para simular el comportamiento de la estructura de la proteína estudiada a tres diferentes temperaturas, 300, 350 y 400K. Se elaboró un nuevo índice de flexibilidad usando análisis de componentes principales, el valor if, que a partir de la simulación, permite determinar las regiones más flexibles y candidatas a ser rigidizadas para mejorar la termoestabilidad. Las estructuras de las variantes diseñadas a partir de lo anterior se simularon para evaluar su grado de mejora en términos de la flexibilidad y compactación. El procedimiento se validó mediante su aplicación a las estructuras de las enzimas Cel7A de Talaromyces emersonii y Cel7B de Melanocarpus albomyces. Se recuperaron regiones identificadas en otro estudio como flexibles y se encontraron nuevas regiones para ser rigidizadas. De la aplicación del procedimiento a la enzima Cel72 se obtuvieron 3 nuevas enzimas de las cuales dos mostraron reducir la compactación respecto de la nativa y una mostró reducir la flexibilidad de la estructura. Se diseñó una estrategia para mejorar la termoestabiliad de enzimas, fue posible identificar regiones flexibles y se vieron cambios en la flexibilidad y compactación de variantes respecto de sus enzimas nativas. El procedimiento aquí descrito tiene el potencial de ser una herramienta rápida y de bajo costo, sin embargo, se requerirá de ensayos de termoestabilidad de las enzimas aquí propuestas para validar experimentalmente el procedimiento.

La presente tesis es un estudio mediante simulaciones de dinámica molecular de los efectos de la polarización inducida en las propiedades de las sales fundidas, en concreto de los haluros de plata. Estas sales se caracterizan por exhibir en estado sólido conductividades iónicas excepcionalmente altas, comparables a las de los haluros alcalinos en fase líquida, lo que se conoce como comportamiento superiónico. Las aplicaciones tecnológicas de las sales superiónicas abarcan ámbitos diversos, como las baterías recargables de litio ligeras, las pilas de combustible o los sensores de gas. Los modelos utilizados para reproducir el comportamiento de las sales fundidas pueden clasificarse en dos categorías, modelos de ión polarizable (PIM) o de ión rígido (RIM), según si incluyen o no los momentos dipolares inducidos en los iones. Si en los PIM se asume que los momentos dipolares son debidos únicamente al campo eléctrico creado por los demás iones, en determinadas circunstancias puede producirse la polarización catastrófica, que consiste en un crecimiento incontrolado de los momentos dipolares iónicos. Las causas de esta anomalía y las circunstancias en que tiene lugar han sido analizadas teóricamente, y para evitarla se ha propuesto un nuevo tipo de PIM en los que a la polarización inducida por el campo eléctrico se añade la debida a la deformación de las capas electrónicas de los iones como consecuencia de su solapamiento con las de los vecinos más próximos. La influencia de la polarización en la estructura y el transporte iónico de AgBr y AgI fundidos se ha valorado comparando los resultados obtenidos con RIM y diversos PIM. Las propiedades simuladas con PIM en los que se tiene en cuenta la polarizabilidad de los aniones muestran un mejor acuerdo con los resultados experimentales, lo que permite concluir que la polarización juega un papel importante en estas sales. En particular, se consiguen reproducir los rasgos más característicos de los factores de estructura coherente estáticos obtenidos mediante la difracción de neutrones, como el triple rizado del pico principal de AgBr o el prepico de AgI. Las simulaciones permiten demostrar además que dicho prepico señala la existencia de una ordenación de medio alcance propiciada por la creación de zonas de baja densidad de cationes (o voids) como consecuencia de la inducción de polarización. Se ha deducido el teorema de fluctuación-disipación para la función de respuesta dieléctrica en PIM, que revela que la respuesta de una sal a un campo eléctrico externo débil depende de las correlaciones en el equilibrio entre momentos dipolares. El comportamiento de las propiedades dieléctricas de AgI y NaI fundidos muestra diferencias importantes en función de si se incluyen o no los efectos de la polarización. Además se han llevado a cabo simulaciones de AgI en estado sólido, que permiten reproducir el comportamiento superiónico de la fase -AgI, y se ha comenzado a estudiar de forma preliminar la estructura de CuI fundido, obteniendo de nuevo una mejora sustancial al tener en cuenta la polarización inducida en los iones de iodo.
The present PhD Thesis is a molecular dynamics (MD) study of the effects of induced polarization on the properties of molten salts, in particular silver halides. These salts are notable for exhibiting exceptionally high values of ionic conductivity in solid phase, comparable to those of molten alkali halides. Such a behaviour is known as superionic. The technological applications of superionic salts are widespread, ranging from lightweight high-power-density lithium-ion batteries to fuel cells or gas sensors. The models used to reproduce the molten salts behaviour can be classified into two categories: polarizable ion models (PIM) or rigid ion models (RIM), depending on whether they include or not the dipole moments induced on the ions. The PIM in which it is assumed that dipole moments are only caused by the electric field created by other ions can yield, in certain situations, to an unphysical growth of ionic dipoles, known as polarization catastrophe. The causes of this anomaly, and the circumstances in which it takes place, have been studied analytically, and a new type of PIM has been suggested to solve it. In these new models, a contribution to the polarization is added to that induced by the electric field, due to the deformation of the electronic shells of the ions as a consequence of their overlap with nearest-neighbour shells. The influence of polarization on the structure and ionic transport of molten silver bromide (AgBr) and iodide (AgI) has been assessed by comparing the results obtained with RIM and several different PIM. The properties simulated with PIM in which anion polarizability is allowed for show an improved agreement with experimental results. This fact allows us to conclude that polarization plays a major role in these salts. In particular it is possible to reproduce the main features of the coherent static structure factors obtained experimentally by neutron diffraction, like the three-peak feature characteristic of AgBr or the prepeak in AgI. Furthermore, MD simulations are useful to suggest that this prepeak signals the existence of a medium-range order in the salt structure, related to the opening of low-density cationic regions (or voids) as a result of induced polarization. The fluctuation-dissipation theorem for the dielectric response function in PIM has been theoretically derived. It proves that the molten salt response to the application of a weak external electric field depends on the equilibrium correlations of charge- and dipole moment-density. Molten AgI and NaI dielectric properties show important differences if polarization effects are included or not in the model. Simulations of silver iodide in solid state have been also performed, that succeed in reproducing the superionic behaviour of -AgI phase. In addition, a preliminary study of the structure of molten CuI has been made that concludes that substantial improvement is obtained provided that polarization induced on iodide ions is considered in the description.

Durante el ictus, los niveles elevados de glutamato extracelular, el principal neurotransmisor excitador en el sistema nervioso central, aumentan y se unen al receptor de NMDA promoviendo la excitotoxicidad. Esta situación genera que un flujo excesivo de Ca2+ pase a través del receptor de NMDA aumentando sus concentraciones intracelulares activando toda una serie de cascadas de señalización que pueden actuar directamente sobre las mitocondrias, promoviendo varios programas de muerte celular. Las mitocondrias son orgánulos muy dinámicos que constantemente se fusionan y dividen, cambiando de forma y localización. El equilibrio entre la fisión y la fusión es importante para la función mitocondrial y es un regulador clave de la progresión de la muerte celular. Las proteínas que conforman el proceso de fusión mitocondrial y de fisión están formadas por un grupo de GTPasas. La fusión de la membrana mitocondrial interna está mediada por OPA1. Dos mitofusinas (Mfn1 y 2) median la fusión de la membrana externa mitocondrial. Por otro lado, la fisión mitocondrial está mediada por Drp1, una proteína citoplasmática que es reclutada a la superficie mitocondrial después de ser modificada a nivel post-traduccional. Los problemas relacionados con la dinámica mitocondrial se han descrito en múltiples enfermedades neurodegenrativas así como también en cáncer y sida. En esta Tesis hemos demostrado que Mfn2 juega un papel muy importante en el mantenimiento de la funcionalidad mitocondrial y la supervivencia neuronal. En excitotoxicidad es la única proteína de la maquinaria de fusión/fisión que disminuye su expresión en dos modelos in vitro distintos y también en un modelo in vivo. Hemos identificado dos fases de fragmentación mitocondrial en excitotoxicidad. La primera y que cursa en poco tiempo depende de la activación y reclutamiento de Drp1 mientras que la fase tardana que se inicia 4 horas después del insulto, parece depender de la reducción de los niveles proteicos de Mfn2. Esta fase tardía es irreversible y parece condenar a la neurona. La disminución de Mfn2 genera alteraciones en la homeóstasis del Ca2+, disminuye el potencial de membrana mitocondrial, empeora la comunicación entre las mitocondrias y el retículo endoplasmático, aumenta la traslocación de Bax a las mitocondrias y favorece la liberación del citocromo c. Hemos encontrado que la reducción en la expresión de Mfn2 durante la excitotoxicidad se da a nivel transcripcional y depende del factor de transcripción MEF2 que regula a Mfn2 a nivel basal en neuronas. En excitotoxicidad, MEF2 es degradado y causa la disminución de Mfn2. Este contexto hace pensar que Mfn2 podría ser una diana a tener en cuenta para futuros desarrollos de drogas y poder, de este modo, incrementar la pequeña ventana terapéutica que existe actualmente para el ictus.
Mitochondrial fusion and fission is a dynamic process critical for the maintenance of mitochondrial function and cell viability. During excitotoxicity neuronal mitochondria are fragmented, but the mechanism underlying this process is poorly understood. Here, we show that Mfn2 is the only member of the mitochondrial fusion/fission machinery whose expression is reduced in in vitro and in vivo models of excitotoxicity. Whereas in cortical primary cultures, Drp1 recruitment to mitochondria plays a primordial role in mitochondrial fragmentation in an early phase that can be reversed once the insult has ceased, Mfn2 downregulation intervenes in a delayed mitochondrial fragmentation phase that progresses even when the insult has ceased. Downregulation of Mfn2 causes mitochondrial dysfunction, altered calcium homeo- stasis, and enhanced Bax translocation to mitochondria, resulting in delayed neuronal death. We found that transcription factor MEF2 regulates basal Mfn2 expression in neurons and that excitotoxicity- dependent degradation of MEF2 causes Mfn2 downregulation. Thus, Mfn2 reduction is a late event in excitotoxicity and its targeting may help to reduce excitotoxic damage and increase the currently short therapeutic window in stroke.

Con las nuevas tecnologías en fisión y fusión nuclear, aparecen requerimientos crecientes de nuevos materiales que soporten las condiciones extremas de temperatura y radiación en reactores de última generación. Estudios recientes muestran que algunos materiales nanoestructurados presentan un comportamiento de ``auto-sanación'' en donde el daño producido por la radiación es parcialmente eliminado, en comparación al material masivo. A escala microscópica el daño radiativo puede verse como el advenimiento de partículas (neutrones) sobre el material, induciendo la creación de defectos en la red cristalina, que con el paso del tiempo, permiten el desarrollo de daño macroscópico en el material, reduciendo su vida útil. El proceso de daño radiativo comienza a escala microscópica con el choque de un neutrón con un átomo de la red, al cual le confiere parte de su energía, iniciando una cascada de desplazamientos en que átomos son sacados, mediante choques, de sus posiciones de equilibrio, generando sucesivas oleadas de defectos puntuales o pares de Frenkel, que luego se recombinan para dar lugar a una cantidad de defectos que permanecen en el material. Este estudio pretende caracterizar el daño radiativo a escala microscópica para niobio nanoestructurado, para complementarse luego por estudios a escalas mayores como parte de una investigación multiescala. Es de gran interés, por otro lado, comprender cómo influye el borde de grano en la recombinación de defectos y caracterizar este nuevo material respecto de su respuesta al daño por radiación. El estudio consiste por tanto, en la simulación numérica mediante el método de la dinámica molecular clásica, que simula mediante dinámica clásica la evolución a nivel atómico de la red policristalina de granos en nanoscópicos (cristal nanoestructurado). Para simular el impacto de un neutrón se otorga una energía de 10 keV a un átomo central en una celda cúbica de niobio nanoestructurado de alrededor de 24 nm de lado. Se caracteriza entonces la producción de defectos y se presta especial énfasis en comprender la dinámica del borde de grano, cuyo aporte al proceso de reducción de daño ha sido poco estudiado. El material estudiado presenta una evolución característica, ya observada para el daño radiativo en estudios previos para otros materiales, con fases claras de generación y recombinación de defectos para finalizar con un remanente de cerca de 491 defectos. Asimismo, se caracteriza la dinámica del borde de grano, que se mantiene dinámico potenciando la recombinación, mediante mecanismos de absorción de defectos y emisión de átomos, notando que se absorben átomos de energía alta y se emiten átomos con energías menores. Además se observa que el borde de grano finalmente pierde átomos, manifestando un deterioro del borde de grano mismo en el proceso. Finalmente se observa que el borde de grano intenta contener el daño de la radiación.

El cultivo protegido bajo invernadero tiene altos costes energéticos derivados de la ventilación forzada. En cambio, la ventilación natural puede ser una solución barata que reduzca el consumo energético. No obstante, un diseño que permita la ventilación natural del invernadero supone un reto debido a la complejidad del fenómeno físico. Frente a otros métodos de diseño, como los métodos experimentales o analíticos, en los últimos tiempos la dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés) se ha convertido en la herramienta más utilizada para estudiar este tipo de fenómenos, gracias a su relativo bajo coste y a la rapidez en la obtención de resultados. No obstante, los modelos CFD deben refrendarse mediante validaciones realizadas a través de datos experimentales. Un análisis bibliográfico detallado del uso de la CFD aplicada a invernaderos muestra, en general, que los trabajos carecen de suficientes datos experimentales, seguramente debido al alto coste de los sensores para adquirirlos y la dificultad que conlleva el trabajo en condiciones de campo. Además, se observa que las simulaciones CFD en invernaderos no se realizan con un procedimiento sistematizado. Por ello, la presente tesis, por un lado describe un dispositivo y unos métodos sencillos y baratos para obtener datos atmosféricos, y por otro, propone una visión crítica sobre la investigación realizada hasta el momento, con el fin de sistematizar la manera de generar modelos CFD aplicados a la ventilación natural de invernaderos. Finalmente, la tesis se complementa con un ejemplo sobre un caso práctico. Para ello, en primer lugar, se realizó una revisión bibliográfica de las diferentes guías de buenas prácticas en diferentes campos de la tecnología principalmente en edificación, para sistematizar y adaptar las recomendaciones para generar modelos CFD en invernaderos. En segundo lugar, se desarrolló un sistema de adquisición de datos sencillo, consistente en una red de sensores, que permite medir simultáneamente la velocidad y dirección de viento en 20 puntos. Este sistema de sensores fue calibrado y probado en campo satisfactoriamente obteniendo una precisión similar a los anemómetros comerciales con un precio 30 veces superior. En tercer lugar, se generaron 24 modelos del flujo de aire alrededor del invernadero, resultantes de la combinación de cuatro modelos de turbulencia (k- ¿; RNG k-¿; k-¿ y RSM); dos esquemas de discretización (primer orden y segundo orden) y tres velocidades de viento exterior (3; 3,5 y 4 m/s) con el fin de analizar sus diferencias y demostrar sus ventajas e inconvenientes. Por este motivo, en cuarto lugar, se comprobó su capacidad de ajustarse a los datos de campo, validando los modelos con un análisis de regresión lineal sobre los datos experimentales. Con este estudió se reveló que los modelos SST k-¿ y el RSM (segundo orden) son los que mejor representan el flujo de ventilación y se demostró que el modelo k-¿ estándar (primer orden), el más utilizado en la bibliografía, no sólo ofrece resultados diferentes al resto de modelos, sino que su rendimiento es pobre para predecir el flujo de ventilación.
Granell Ruiz, R. (2014). Análisis del flujo ambiental y propuesta metodológica para simulaciones CFD aplicadas a la ventilación natural de invernaderos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37194
TESIS

Las interacciones por puente de hidrógeno resultan cruciales en la definición de numerosos procesos de relevancia biológica. Su reconocida importancia como elementos moduladores de la estructura de macromoléculas, su papel en el reconocimiento molecular de especies químicas (iones, fármacos,.), o su actuación en los mecanismos catalíticos de enzimas, resultan ejemplos evidentes de ello.

Numerosas metodologías experimentales aportan descripciones muy valiosas del comportamiento de los sistemas modulados por puente de hidrógeno. Junto a ellas, los métodos teóricos constituyen un complemento necesario de cara a obtener una descripción detallada de los aspectos estructurales, energéticos y dinámicos de estos sistemas, así como para simular condiciones de entorno y situaciones químicas concretas que no resultan de fácil acceso a la metodología experimental.

La presente tesis se ha centrado en la descripción desde una perspectiva teórica de una serie de sistemas de interés biológico cuyas propiedades vienen determinadas en alto grado por la presencia de puentes de hidrógeno. Los estudios realizados pueden estructurarse en tres bloques temáticos.

En un primer bloque, se analiza el papel que desempeña la interacción por puente de hidrógeno como elemento clave en la modulación del reconocimiento selectivo de especies aniónicas por receptores orgánicos. En este punto, nuestro interés está orientado esencialmente a determinar por un lado la estructura del complejo de interacción entre el receptor y el anión, así como la estabilidad relativa de dicha interacción frente a diversos aniones. Por otra parte, un objetivo complementario consiste en detrminar la flexibilidad intrínseca del receptor orgánico, con el fin de determinar el posible coste conformacional asociado a la reorganización de su estructura como paso previo al reconocimiento del anión.

En un segundo bloque, se estudia el comportamiento dinámico de los ácidos nucleicos, cuya estructura, estabilidad y flexibilidad viene determinado en parte por la presencia de interacciones de puente de hidrógeno. A su vez, dichas interacciones son claves en el mantenimiento del código genético, así como en la posibilidad de poder reconocer la secuencia de bases a lo largo de los surcos del DNA, lo cual subyace en el reconocimiento selectivo frente a pequeños ligandos o proteínas. En particular, nuestro interés se orienta al estudio de la flexibilidad conformacional del dúplex de DNA mediante una serie de herramientas teóricas que permitan extraer información directa acerca de su naturaleza dinámica.

Finalmente, en un tercer bloque se examina el efecto que tiene el mantenimiento de las pautas de puente de hidrógeno en la conservación del código genético y en el funcionamiento de aplicaciones biotecnológicas basadas en ácidos nucleicos sintéticos. Así, nuestro objetivo se orienta en eset caso hacia la comprensión de las propiedades mutagénicas de la isoguanina, que está estrechamente relacionadas con su enorme versatilidad tautomérica, que le permite definir distintos patrones de interacción basada en puentes de hidrógeno. Asimismo, también ha sido nuestro objetivo examinar las características químicas de nucleobases expandidas, basadas en la modificación de las bases naturales mediante inserción o adición de un anillo de benzeno, como paso previo al estudio de su posible utilización como elementos estructurales en el diseño de dúplexes modificados de potencial valor biotecnológico.
Hydrogen bond interactions are crucial elements in the definition of many processes of biological relevance. Their recognized importance as modulators of macromolecular structure, their role in molecular recognition between chemical species (ions, drugs,.), or their action in catalytic enzymatic mechanisms, are clear examples of this.

Numerous experimental methodologies bring valuable descriptions of hydrogen bond modulated systems. Furthermore, theoretical models act as a necessary complement in order to obtain more accurate explanations of structural, energetic and dynamic aspects of these systems, as well as to simulate environmental conditions and chemical situations which are not easily accessible to experimental approaches.

Present dissertation has focused on the description, from a theoretical point of view, of a series of systems of biological interest which properties are to a high extent determined by the presence of hydrogen bond interactions. Studies performed can be exposed in three thematic blocks.

In a first section, the role played by hydrogen bond interactions in modulating the selective recognition of anions by organic receptors is analyzed. In this point, our interest by one hand is essentially driven to determine the structure of the interaction complex between receptor and anion, as well as the relative stability of this interaction towards several anions. In the other hand, a complementary objective is to determine the intrinsic flexibility of the organic receptor, so as to evaluate the possible conformational cost associated to its structural reorganization previous to anion recognition.

In a second part, we study the dynamic behavior of nucleic acids, the structure, stability and flexibility of which are somehow modulated by the presence of hydrogen bond interactions. Besides, these interactions are crucial for the maintenance of genetic code, and for the ability of recognizing base sequence along DNA grooves, which underlies in the selective recognition of this biomolecule by small ligands or proteins. In particular, our interest is oriented towards the study of conformational flexibility of DNA duplexes by using a wide set of theoretical tools which allow to extract direct information about its dynamic nature.

Finally, in a third section, we study the effect of maintaining hydrogen bond patterns in the conservation of the genetic code and in the performance of biotechnological applications based on synthetic nucleic acids. In this way, our objective is oriented towards the understanding of mutagenic properties of isoguanine, which are closely related to its enormous tautomeric versatility, which allows it to define alternative interaction patterns based on hydrogen bond. Moreover, it has also been our objective to examine the chemical features of expanded nucleobases, consisting in the modification of natural bases by the addition or insertion of a benzene ring, as a previous step to study its possible use as structural elements in the design of modified duplexes of biotechnological interest.

Doctor en Química
El trabajo a continuación explora el proceso de asociación de moléculas anfifílicas no iónicas en solventes apolares y el efecto ligante del agua en este proceso de asociación. En específico, se han estudiado tres moléculas anfifílicas en distintos sistemas: el primero de ellos está compuesto por n-hexanol en ciclohexano, el segundo se compone del surfactante Triton X-100 (TX-100) en ciclohexano / hexanol y finalmente el tercer sistema está compuesto por el copolímero dibloque de poli(óxido de etileno)43-b-poli(ε-caprolactona)14 (PEO43-b-PCL14) en ciclohexanona. Tanto TX-100 como PEO43-b-PCL14 presentan en común la unidad hidrofílica, poli(óxido de etileno). Estos dos sistemas se han estudiado en presencia de cantidades variables de agua. El ensamble del primer sistema se ha estudiado, además, en función de la concentración de n-hexanol. Los estudios de agregación se han hecho empleando resonancia magnética nuclear de protones (1 H-RMN). Se ha observado una fuerte dependencia en la concentración de agua para provocar la agregación de los anfifilos estudiados. Se han estudiado los desplazamientos químicos, constantes de difusión y tiempos de relajación de los componentes presentes en las soluciones señaladas. El uso de las sondas ácido 1anilinonaftaleno-8 sulfónico (ANS) y azul de metileno (MB) ha permitido contrastar los resultados obtenidos mediante 1 H-RMN, junto con caracterizar la polaridad del entorno en el cual se encuentra disuelta la sonda. Además, se ha estudiado el proceso de agregación de estos anfifilos en presencia de Ca+2, debido a que este catión forma complejos con poli(óxido de etileno). Se ha observado que el agua, presente en forma de traza en las soluciones de anfifilo en solvente apolar, actúa como un agente cohesivo que ayuda a la agregación de las moléculas mediante la formación de redes de puentes de hidrógeno, en la que el agua se encuentra en un estado altamente estructurado. La estructuración de las moléculas de agua se ve afectada por la presencia de nuevas especies como iones y polielectrólitos. La estructuración del agua en un medio apolar puede dar lugar a ensamblajes moleculares entre moléculas e iones hidrofílicos con nanoestructura definida, proyectables en un abanico de aplicaciones.

La idea principal de esta tesis es describir en forma compacta los principios físicos involucrados en el cálculo de propiedades termodinámicas, por ejemplo la energía libre, en sistemas cuánticos a través del formalismo de las integrales de camino de Feynman aplicado a la Dinámica Molecular Ab Initio. Un método ampliamente usado en el estudio de propiedades electrónicas de sistemas condensados. Para este fin esta tesis consiste de cuatro capítulos: El primero trata los fundamentos de la dinámica molecular ab initio. La cual yace sobre la aproximación adiabática de Born-Oppenheimer. Se presenta la Teoría del Funcional de la Densidad como uno de los métodos optimizados para el cálculo de las fuerzas (de carácter electrónico) sobre los núcleos atómicos en el estado fundamental (T = 0). El segundo discute el formalismo de integrales de camino de Feynman. El cual abre la posibilidad de incluir efectos cuánticos a temperatura finita (T > 0). Se describe el isomorfismo clásico de la función de partición cuántica a través de las integrales de camino. Por último, discutimos la implementacion numérica de este formalismo y sus limitaciones. El tercero trata una de las limitaciones de la dinámica molecular ab initio: los llamados eventos raros. Se muestra como un tratamiento clásico del problema con ayuda de las integrales de camino consigue mejorar el muestreo de eventos y asi facilita el cálculo de la energía libre entre estados (meta)estables. En el cuarto se aplica el formalismo descrito en el capítulo anterior para la reconstrucción cuántica de la energía libre en el caso de la tranferencia de un protón en una molécula de malonaldehido. Por último, presentamos las conclusiones de esta tesis.
Tesis

En esta tesis estudiamos los cambios que produce la variación de la temperatura en una de las proteínas que revolucionó el estudio biológico y científico “la proteína verde fluorescente o GFP (por sus siglas en inglés)”, realizando un estudio teórico experimental y computacional para caracterizar dinámica y estructuralmente a la proteína; adjuntamente con una técnica experimental se obtuvo la GFP siguiendo un protocolo de especificaciones estandarizadas. El trabajo se complementó realizando un estudio de espectrometría de emisión que nos permitió ver el efecto sobre la intensidad de fluorescencia que ocurre en el interior de la proteína verde fluorescente al variar el rango de temperatura, obteniendo un patrón de la intensidad de fluorescencia en función de la temperatura. Se reconoce clásicamente que a mayor temperatura se adquiere una mayor vibración de los átomos de esta manera las vibraciones del cromóforo en el centro de la proteína aumentarán. Dado que dicho cromóforo es el responsable de la intensidad de fluorescencia, se propuso como hipótesis: “A mayor temperatura mayor intensidad de fluorescencia”. Se realizó un estudio de las vibraciones aleatorias del cromóforo de la proteína GFP en medio líquido a distintas temperaturas, utilizando dinámica molecular clásica. Termodinámicamente hablando se sabe que a mayor energía cinética mayor es la vibración de los átomos, esto afectará directamente al cromóforo por lo que se percibe en el espectro. Para el seguimiento de estos cambios se integró un set experimental que simultáneamente fuese sensible a inducir cambios de temperatura modulables y detectar con una interfaz la espectrometría de emisión de alta resolución. Obteniendo así los principios de un termómetro biológico intracelular.

En la industria petroquímica, olefinas como el etileno y propileno son materias primas muy importantes en la producción de polímeros tales como polietileno, polipropileno, estireno, etil benceno, dicloruro de etileno e isopropanol. La obtención de dichas olefinas se lleva a cabo por procesos de destilación que consumen enormes cantidades de energía, así como el diseño y utilización de equipos muy costosos. Una situación similar se da en procesos de rectificación y secado de gas natural, donde la separación de especies como CO2 y H20 consume una gran cantidad de recursos energéticos. Alternativas a los métodos de separación convencionales involucran el uso de tamices moleculares, membranas porosas o la utilización de líquidos iónicos para extracción reactiva. La tecnología posiblemente más prometedora envuelve el uso de tamices moleculares, debido al alto grado de desarrollo en las técnicas de síntesis, especialmente en el campo de las zeolitas, que han permitido una ingeniería cada vez mas detallada de materiales con carácterísticas químicas y topológicas bien definidas. El punto central del presente trabajo involucra la utilización de técnicas computacionales, especialmente en técnicas basadas en campos de fuerza, para lograr un entendimiento mas profundo de los fenómenos de transferencia de masa y energía que se dan en sistemas de tipo adsorbente-adsorbato. Zeolitas con poros conectados por ventanas compuestas de 8 unidades tetraédricas de SiO4, han sido reconocidas por su potencial para llevara cabo procesos de separación cinética de manera eficiente. Un parámetro muy importante que refleja el nivel de influencia del confinamiento ejercido por el material nanoporoso en la dinámica de especies adsorbidas es la "difusividad". La difusividad de las especies adsorbidas puede ser utilizada como parámetro de referencia para llevar a cabo la selección de materiales con potencial para llevar a cabo separaciones cinéticas. Este tipo de separaciones está
Combariza Montañez, AF. (2011). Difusión Selectiva de Hidrocarburos en Zeolitas de Poro Pequeño a Partir de Técnicas de Simulación Molecular [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14012
Palancia

This thesis is devoted to the theoretical and computational study at atomistic and molecular scales of the properties of novel organic nanoparticles called “Quatsomes” (vesicles made by mixing CTAB cationic surfactant and cholesterol) as well as the interactions of Quatsomes with different types of fluorescent molecules. The methodology employed is computational molecular modelling. It includes modelling of the interactions between molecules at different scales and resolutions (DFT electronic structure calculations, atomistic molecular mechanics force fields and coarse-grain molecular mechanics force fields) and molecular dynamics simulations at atomistic and coarse-grain molecular resolutions. Most of the results have observable consequences that have been confirmed experimentally. The thesis is divided into an Introduction to the topic (with a brief explanation of the main experimental results and the main theoretical concepts), a chapter describing in detail the methods to be employed in the thesis, four chapters containing new results and a chapter with conclusions and perspectives. The results of the thesis are presented in two parts. The first part (Chapters 3 and 4) contains the results concerning the simulations and calculations of structure and properties of the Quatsome vesicle from atomistic and coarse-grain molecular simulations. The second part (Chapters 5 and 6) contains the simulation study of the interaction of Quatsome vesicles with different types of dyes. The atomistic simulation results presented in Chapter 3 provide a detailed characterization of the properties of the Quatsome bilayer. The molecular organization of the components across the bilayer (positioning, orientation and diffusion of the component molecules) was studied as well as mechanical properties such as bending modulus and area expansion modulus. The effect of temperature and added salt was also analyzed. Remarkably, it was found that the orientation of the molecules has a spontaneous symmetry breaking between the two leaflets of the bilayer and states with different orientations coexist, a theoretical prediction that has been tested experimentally. In Chapter 4 two coarse-grain Martini-type parametrizations of a force field for CTAB surfactant (one for explicit solvent and one for implicit solvent simulations) was developed and successfully tested against atomistic simulations. The model was further employed to perform simulations of full Quatsome vesicles. These simulations revealed that the Quatsome vesicle is made of planar faces linked by curved defects, a kind of vesicle organization never found before. These predictions were confirmed by experimental Cryo-TEM images. Chapters 5 and 6 start by developing (from DFT) CHARMM compatible atomistic force fields for simulation of different dyes (fluorescein in Chapter 4 and DiD and DiI in Chapter 5). These force fields were employed in molecular dynamics simulations of the interactions of these dyes with Quatsomes. The results demonstrate that despite the hydrophilic fluorescein dye interacts strongly with Quatsome (via electrostatic interactions), the adsorption of the dye competes with the more favorable formation of soluble molecular clusters. Hence, a more suitable approach is to employ hydrophobic dyes such as DiI and DiD. The simulations reported in the thesis show that these dyes are integrated in the bilayer without deforming or altering the Quatsome and without aggregating inside the Quatsome bilayer, thus providing suitable alternatives for developing fluorescent vesicles. The conclusions and perspectives section shows that the thesis not only present many new results but also has many possible future perspectives in different directions: vesicles with resonant energy transfer, conceptual aspects regarding the spontaneous self-assembly of vesicles, possibility of replacing the components by other different bilayer components. All these options have been initially explored and all of them are very promising.

[EN] Cells respond to environmental stimuli by fine tuned regulation of gene expression. In this thesis we investigate the dose dependent modulation of the genetic response upon nutrient and stress signals in yeast. A destabilized version of firefly luciferase was used in living yeast cells as a real-time reporter for gene expression. This highly sensitive and non-invasive system can be simultaneously used upon many different experimental conditions in small culture aliquots. This allows the dose-response behaviour of gene expression driven by any yeast promoter to be reported and can be used to quantify important parameters, such as the threshold, sensitivity, response time, maximal activity and synthesis rate for a given stimulus. We applied the luciferase assay to the nutrient-regulated GAL1 promoter and the stress-responsive GRE2 promoter. We find that luciferase expression driven by the GAL1 promoter responds dynamically to growing galactose concentrations, with increasing synthesis rates determined by the light increment in the initial linear phase of activation. The GAL1 gene is activated with continuously increasing synthesis rates in a well defined range of galactose concentrations, correlating with a dynamic increase of histone remodeling and subsequent association of the RNAPII complex. Dose dependent chromatin remodeling appears to be the basis for the dynamic GAL1 expression since mutants with impaired histone dynamics show severely truncated dose response profiles. In the case of the GRE2 promoter, we demonstrate that the very short-lived version of luciferase used here is an excellent tool to quantitatively describe transient transcriptional activation. The luciferase expression controlled by the GRE2 promoter responds dynamically to a gradual increase of osmotic or oxidative stress stimuli, which is mainly based on the progressive increase of the time the promoter remains active. In contrast, the GRE2 promoter operates like an off/on switch in response to increasing osmotic stress with almost constant synthesis rates and exclusively temporal regulation of histone remodeling and RNAPII occupancy. The Gal3 inducer and the Hog1 MAP kinase seem to determine the different dose response strategies at the two promoters. Our analysis reveals important differences in the way dynamic signals create dose sensitive gene expression outputs. Taken together, the luciferase assay described here is an attractive tool to rapidly and precisely determine and compare kinetic parameters of gene expression. Additionally, the function of the specific transcriptor factor Smp1 involved in the yeast osmostress response was investigated. Location analyses upon osmotic stress reveal that Smp1 associates preferentially with the whole transcribed regions (ORFs) upon stress as opposed to other transcriptional activators involved in the osmostress response. However, Smp1 seems to be important for stress-activated gene expression only in the presence of the natural induced gene and not of artificial promoter fusions. This highlights the possible role of Smp1 in regulating gene expression from ORF sequences rather than promoter regions.
[ES] Las células responden a los estímulos ambientales a través de una regulación precisa de la expresión génica. En este trabajo se investigó la modulación dosis dependiente de la expresión de genes activados en respuesta a estrés y por nutrientes. Se utilizó una versión desestabilizada de luciferasa de luciérnaga en células vivas de levadura como reportero para la detección de la expresión génica en tiempo real. Este sistema altamente sensible y no invasivo puede ser utilizado simultáneamente en diferentes condiciones experimentales a través de pequeñas alícuotas de cultivo. Esto permite la caracterización dosis-respuesta de la regulación de los promotores de levadura y puede ser utilizado para cuantificar parámetros importantes como el umbral, la sensibilidad, el tiempo de respuesta, la actividad máxima y el ratio de síntesis provocado por un determinado estímulo. Se aplicó el ensayo luciferasa al promotor GAL1 regulado por nutrientes y al promotor GRE2 activado en respuesta a estrés. Se observó que la expresión de la luciferasa activada por el promotor GAL1 responde de forma dinámica a las crecientes concentraciones de galactosa, con un incremento del ratio de síntesis determinado por el aumento de luz en la fase lineal inicial de la activación, en función de una gama de concentraciones de galactosa bien definidas. Este mecanismo de regulación depende de un aumento en la remodelación de las histonas y la consecuente asociación del complejo ARN pol II. La remodelación de la cromatina dosis dependiente parece ser la base de la expresión dinámica de GAL1, pues los mutantes relacionados con la dinámica de las histonas muestran perfiles dosis respuesta severamente afectados. En el caso del promotor GRE2, se demostró que una versión de una luciferasa desestabilizada es una herramienta excelente para describir de forma cuantitativa la activación transcipcional transitoria. La expresión de la luciferasa controlada por el promotor GRE2 responde de forma dinámica al aumento gradual de estímulo de estrés osmótico u oxidativo. La activación se observa principalmente en el incremento progresivo del tiempo en que el promotor permanece activo. Diferentemente de GAL1, el promotor GRE2 opera a través de un cambio apagado/encendido en respuesta a un aumento de estrés osmótico a través de ratios de síntesis prácticamente constantes y cuya regulación solamente depende de la remodelación de la cromatina y de la permanencia de la ARN pol II. Finalmente, se puede especular que el inductor Gal3 y la MAPK Hog1 son las moléculas determinantes para las diferentes estrategias de respuesta dinámica para los dos promotores. En este trabajo se identifican importantes diferencias en la señalización dinámica determinada por la dosis de estímulo en la expresión génica. En conjunto, el ensayo de luciferasa presentado en este trabajo puede ser una herramienta interesante para determinar y comparar de forma rápida y precisa los parámetros de la expresión génica. Adicionalmente se investigó la función del factor de transcripción Smp1 involucrado en la respuesta a osmoestrés en levadura. Un análisis de la asociación a la cromatina in vivo bajo estrés osmótico demostró que Smp1 se une preferentemente a regiones transcritas (ORFs) lo que refleja un comportamiento diferente comparando con otros activadores transcripcionales de la respuesta a estrés osmótico. Sin embargo, Smp1 parece ser importante para la expresión génica activada por estrés osmótico sólo en la presencia del gen natural inducido y no de fusiones artificiales del promotor. Esto evidencia el posible papel de Smp1 en la regulación de la expresión génica desde secuencias ORF y no en las regiones promotoras.
[CA] Les cèl·lules responen als estímuls ambientals a través d'una regulació precisa de l'expressió gènica. A aquest treball es va investigar la modulació dosi dependent de l'expressió de gens activats en resposta a estrès i per nutrients. Es va utilitzar una versió desestabilitzada de luciferasa de cuca de llum en cèl·lules vives de llevat com a reporter per a la detecció de l'expressió gènica a temps real. Aquest sistema altament sensible i no invasiu pot ser utilitzat simultàniament en diferents condicions experimentals a través de xicotetes alíquotes de cultiu. Això permet la caracterització dosi-resposta de la regulació dels promotors de llevat i pot ser utilitzat per a quantificar paràmetres importants com el llindar, la sensibilitat, el temps de resposta, l'activitat màxima i el rati de síntesi provocat per un determinat estímul. L'assaig luciferasa es va aplicar al promotor GAL1 regulat per nutrients i al promotor GRE2 activat en resposta a estrès. Es va observar que l'expressió de la luciferasa activada pel promotor GAL1 respon de forma dinàmica a les creixents concentracions de galactosa, amb un increment del rati de síntesi determinat per l'augment de llum en la fase lineal inicial de l'activació, en funció d'una gama de concentracions de galactosa ben definides. Aquest mecanisme de regulació depèn d'un augment en la remodelació de les histones i la conseqüent associació del complex ARN pol II. La remodelació de la cromatina dosi dependent sembla ser la base de l'expressió dinàmica de GAL1, ja què els mutants relacionats amb la dinàmica de les histones mostren perfils dosi-resposta severament afectats. En el cas del promotor GRE2, es va demostrar que una versió d'una luciferasa desestabilitzada és una eina excel·lent per a descriure de forma quantitativa l'activació transcripcional transitòria. L'expressió de la luciferasa controlada pel promotor GRE2 respon de forma dinàmica a l'augment gradual d'estímul d'estrès osmòtic o oxidatiu. L'activació s'observa principalment a l'increment progressiu del temps al qual el promotor roman actiu. De forma diferent de GAL1, el promotor GRE2 opera a través d'un canvi apagat/encès en resposta a un augment d'estrès osmòtic a través de ratis de síntesi pràcticament constants i als quals la seua regulació només depèn de la remodelació de la cromatina i de la permanència de l'ARN pol II. Finalment, es pot especular que l'inductor Gal3 i la MAPK Hog1 són les molècules determinants per a les diferents estratègies de resposta dinàmica per als dos promotors. A aquest treball s'identifiquen importants diferències a la senyalització dinàmica determinada per la dosi d'estímul a l'expressió gènica. En conjunt, l'assaig luciferasa presentat a aquest treball pot ser una eina interesant per a determinar i comparar de forma ràpida i precisa els paràmetres de l'expressió gènica. Addicionalment, es va investigar la funció del factor de transcripció Smp1 involucrat en la resposta a osmoestrès en llevat. Una anàlisi de l'associació a la cromatina in vivo sota l'estrès osmòtic va demostrar que Smp1 s'uneix preferentment a regions transcrites (ORFs), el qual reflecteix un comportament diferent comparant amb altres activadors transcripcionals de la resposta a estrès osmòtic. Tot i així, Smp1 sembla ser important per a l'expressió gènica activada per estrès osmòtic només en la presència del gen natural induït i no de fusions artificials del promotor. Això evidencia el possible paper de Smp1 en la regulació de l'expressió gènica des de seqüències ORF i no a les regions promotores.
Rienzo, A. (2016). Estudio de la regulación dinámica de la expresión génica en respuesta a estrés osmótico en levadura [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62160
TESIS

En este trabajo se desarrollaron simulaciones de Dinámica Molecular para estudiar el fenómeno de la adsorción relativa para una mezcla binaria formada por moléculas diatómicas cargadas sitio-sitio. Básicamente en esta investigación se estudió el efecto de la carga de los sitios en las moléculas diatómicas presentes en la mezcla sobre propiedades interfaciales tales como la tensión superficial, la presión de vapor y la adsorción relativa.

En el presente trabajo se estimaron las densidades del equilibrio líquido-vapor para la molécula de Acetonitrilo, así como la tensión superficial en la interfase del sistema inhomogéneo. Dichas propiedades se calcularon al realizar simulaciones de Dinámica Molecular clásica en el ensamble canónico (NVT). Los datos obtenidos en este trabajo son comparados con datos experimentales y con los datos derivados de la teoría de ecuaciones integrales con la aproximación RHNC-VM. Como resultado hallamos un buen acuerdo entre ellos al usar el modelo rígido propuesto por Anta y colaboradores. Adicionalmente se analizó la tensión superficial para la mezcla de agua más Acetonitrilo. Como resultado de esta serie de simulaciones por computadora, hallamos un comportamiento anómalo de la tensión superficial para la región de fracciones molares del Acetonitrilo comprendida entre [0.1 a 0.5]. Dicho comportamiento lo atribuimos a que las temperaturas usadas en la simulación están muy cerca de la temperatura crítica donde se lleva a cabo la separación de fases líquido-líquido para la misma mezcla.

Esta tesis se centra en el estudio de la influencia del solvente en la estructura y dinámica del ADN mediante técnicas de simulación por ordenador.
En la misma se han realizado dos bloques diferenciados, cuyos objetivos concretos serían:
1- El estudio de una secuencia de ADN en solución con diferentes fuerzas iónicas con el objetivo de racionalizar cómo los contraiones modulan las propiedades estructurales y dinámicas de la molécula.
2- El estudio de diversos ácidos nucleicos canónicos y no canónicos en ausencia de solvente, bajo condiciones similares a las que tienen lugar en los experimentos de espectrometría de masas por ionización con electrospray (ESI-MS). Este bloque, a su vez, está dividido en tres trabajos: i/-estudio de la doble hélice de ADN en condiciones de vacío propias de los experimentos de ESI-M, ii/-estudio de la naturaleza de complejos no covalentes entre minor groove binders (mG-binders) y ADN de doble cadena en condiciones de vacío, iii/-análisis del comportamiento de estructuras de ADN formadas por cuatro cadenas (G-cuadrúplex) en condiciones de vacío.

La técnica utilizada para este propósito ha sido la Dinámica Molecular, la cual permite la descripción rigurosa a nivel atómico de las propiedades estructurales, energéticas y dinámicas de la molécula. Los resultados obtenidos en esta tesis complementan la información disponible en la actualidad sobre la estructura y conformación del ADN en dichas condiciones extremas.
This thesis is centered in the theoretical study of the influence of the solvent in the structure and dynamics of the DNA.
First, there is a study of 12-mer sequence of DNA under different ionic strengths with the objective of elucidate how the molecule is influenced by the ionic atmosphere. Later on, different nucleic acids are studied with the absence of solvent under similar conditions to the Electrospray Ionization Mass spectrometry technique with the objective of study the structural, energetic and dynamics properties of DNA in the gas phase. The systems studied are:
-Double helix of DNA.
-Non covalent complexes between minor-groove binders and double stranded DNA.
-G-quadruplexes of DNA.
The main computational approach used has been the Molecular Dynamics technique. This powerful method allows to study at atomistic level the Nucleic Acids under those extreme conditions mentioned. The results obtained in this thesis complement the experimental information available about the structure and conformation of DNA in vacuum.

Sequence, structure and dynamics are an indivisible tandem to understand protein function. Luckily, evolution imposed a hierarchical rational between that facilitates the analysis: dynamics are encoded in the structure, which in turn, is encoded in the sequence. Decipher the mechanisms governing protein function requires contributions from diverse fields, particularly to follow molecular motions. There are technological limitations to monitor local, elemental, protein movements, since they are too fast to be followed by current experimental set-ups. Theoretical models provide necessary assistance in this regard mainly through molecular simulations. But atomistically simulations of large functional motions make computations, currently, unaffordable. The problem is that large-scale motions are rooted in the very fast elemental ones; so, in order to observe a biological-functional conformational change we have to keep track of all the elemental motions occurring. The gap in the time scale of both extremes of motions is devastating: fast motions are over 1015 times faster than functional ones. In this Thesis, I present our contribution to extend the simulation time range, in an effort towards more predictive computational models. We explored alternative methods to retrieve molecular motions from the underlying physical forces governing proteins. The method used is named Discrete Molecular Dynamics and represents by itself a significant improvement in computational efficiency. In order to go further, we lower the resolution of protein models to a coarse-grained representation both in terms of number of particles and interaction functions. We benefited from several existing algorithms to simplify calculations keeping the models as much accurate as possible. Putting all this methodological innovations together, we developed models to follow conformational transitions of proteins, from local re-arrangements to motions changing drastically the protein structure. Also, we applied novel computational approaches to account for protein flexibility upon recognizing and binding other interacting proteins. In a second stage, we investigated the echo of protein flexibility and dynamics printed out in the sequence of the protein. We observed over the history of the sequence that instead of one single native structure, proteins were tuned to have several conformations. We exploited this flexibility signature in the sequence to predict protein motions and eventually alternative protein conformations. Finally, we use our efficient tools to move protein dynamics analysis to the proteome scale. We searched for all proteins having two known conformations, a symptom of a conformational transition, and then, we used those conformations to follow the motion from one state to the other. We analyzed and structured all that dynamical information of proteins and connected our results to the most detailed simulation methods available to dissect the fine details of proteins dynamical behavior when required.
Secuencia, estructura y dinámica forman un trío un insoslayable en el funcionamiento de las proteínas. El proceso evolutivo codificó la dinámica en la estructura de las proteínas, que a su vez, está codificada en la secuencia. Descifrar los mecanismos que rigen el movimiento de las proteínas requiere la fusión de experimentos y modelos teóricos. Los modelos teóricos proporcionan asistencia necesaria a través de simulaciones moleculares, pero su costo computacional es tan elevado que puede impedir el estudio. El problema radica en que los movimientos biológicamente interesantes son la consecuencia de un cúmulo de movimientos de alta frecuencia, que es necesario seguir para comprender los movimientos funcionales. La brecha entre ambos tiempos asciende a un impresionante ratio de 1015. En esta Tesis, presento métodos para aumentar la eficacia de los cálculos moleculares con el objetivo de acortar la diferencia entre el tiempo de lo que es simulable a lo que es biológicamente interesante. El método utilizado es Discrete Molecular Dynarnics y representa por sí mismo una mejora significativa en la eficiencia computacional. En resumen, hemos desarrollado modelos para seguir transiciones conformacionales de proteínas, desde movimientos locales hasta otros que cambian radicalmente la forma de la proteína. Dichos métodos fueron aplicados tanto a transiciones conformacionales como a interacciones proteína-proteína. En una segunda etapa, buscamos la imprenta en la secuencia del patrón de flexibilidad de la proteína, con el objetivo de predecir los cambios de conformación. Finalmente, utilizando los métodos desarrollados hemos concluido un análisis a gran escala sobre la dinámica de las proteínas, simulando todas las transiciones cuyos dos extremos fueron determinados experimentalmente. Los resultados de dichas simulaciones fueron integrados con los métodos de simulación más fiables disponibles, para aumentar en nivel de detalle cuando sea necesario.

En el presente trabajo se desarrollaron simulaciones numéricas de Dinámica Molecular en el ensamble canónico con la finalidad de calcular propiedades termodinámicas y de transporte en un sistema en bulto y en un sistema liquido-vapor de fluidos modelo. Para ello se consideraron diferentes grados de repulsión y de alcance en el modelo de interacción utilizado, así como diferentes formas y tamaños de la caja de simulación. Las propiedades calculadas en el sistema liquido-vapor fueron la tensión superficial y las densidades del equilibrio líquido-vapor. En el bulo se calculo la anisótropia en la presión y la viscosidad de corte.

En esta tesis doctoral se ha realizado un estudio mediante dinámica molecular clásica del comportamiento del grafeno bajo irradiación y bajo deformación. El trabajo desarrollado en esta tesis doctoral ha contribuido a interpretar resultados experimentales de exfoliación de grafeno, ha aportado un nuevo método de identificación de defectos, ha identificado el tipo de defectos que se producen en grafeno mediante irradiación desde eV hasta MeV y ha extendido nuestro conocimiento sobre la relación entre propiedades elásticas de este material bajo distintas condiciones como irradiación, deformación o temperatura. Estos estudios nos permitirán explotar estas distintas condiciones para modificar las propiedades elásticas de este material.
Generalitat Valenciana, Conselleria d'Educació, Cultura I Esport

En este trabajo de investigación se desarrollaron simulaciones numéricas de Dinámica Molecular a fin de estudiar los efectos repulsivos y atractivos del potencial de interacción entre moléculas sobre el diagrama de coexistencia líquido-vapor y las propiedades criticas de fluidos modelo. Las interacciones moleculares introducen un parámetro de forma llamado suavidad, el cual toma en cuenta la forma del potencial en su parte repulsiva y atractiva.

Los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) son la superfamilia más grande y diversa de proteínas transmembrana en Eucariotas. Estos receptores transducen una gran variedad de señales exógenas y endógenas como fotones, hormonas o neurotransmisores para iniciar la respuesta biológica en el interior de la célula. Son, por lo tanto, muy interesantes como dianas farmacológicas. Esta Tesis Doctoral se centra en la comprensión de la estructura y función de los GPCRs, mediante el uso de técnicas de la química computacional como son el modelado por homología, el anclaje molecular y las simulaciones de dinámica molecular. En concreto, la tesis aborda los determinantes estructurales asociados al mecanismo de activación, la regulación por moduladores alostéricos, la oligomerización con otro GPCR o proteínas adicionales, asícomo el acoplamiento de transductores (proteínas G o arrestinas).
G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest and most diverse superfamily of transmembrane proteins in Eukaryotes. GPCRs transduce a huge variety of exogenous and endogenous signals such as photons, hormones or neurotransmitters to initiate biological responses in the cell interior. Therefore, they are very interesting therapeutic targets. This Doctoral Thesis focusses on the understanding of the structure and function of GPCRs, by applying computational chemistry techniques such as homology modelling, docking and molecular dynamics simulations. Particularly, the thesis addresses the structural determinants associated to the activation mechanism, the regulation by allosteric modulators, the oligomerization with other GPCR or additional proteins and the coupling to transducers (G proteins or arrestins).

Els receptors acoblats a proteïnes G (GPCRs) són importants dianes terapèutiques per a nombroses malalties. Si bé els GPCRs s’han estudiat àmpliament en les últimes dècades, els mecanismes moleculars que determinen la seva activació així com la seva modulació al·lostèrica per lípids de membrana no han estat elucidats íntegrament. La present tesi examina els processos de (de)activació de dos GPCRs prototípics de la classe A, β2-adrenèrgic i adenosina A2a, en membranes de diferent composició lipídica mitjançant simulacions de dinàmica molecular.
Los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) son importantes dianas terapéuticas para numerosas enfermedades. Si bien los GPCRs se han estudiado ampliamente en las últimas décadas, los mecanismos moleculares que determinan su activación así como su modulación alostérica por lípidos de membrana no han sido elucidados en su totalidad. La presente tesis examina los procesos de (de)activación de dos GPCRs prototípicos de la clase A, β2-adrenérgico y adenosina A2a, en membranas de diferente composición lipídica mediante simulaciones de dinámica molecular.
G-protein-coupled receptors (GPCRs) are important therapeutic targets for numerous diseases. Although GPCRs have been extensively studied in recent decades, the molecular mechanisms that determine their activation as well as their allosteric modulation by membrane lipids have not been fully elucidated. This thesis examines the processes of (de)activation of two prototypical class A GPCRs, β2-adrenergic and adenosine A2a receptors, in membranes of different lipid composition by means of molecular dynamics simulations.
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Neurociències

El 17β-estradiol (E2) es un factor de riesgo tanto en la iniciación como en la progresión de cánceres hormonodependientes. El E2 modula el estrés oxidativo afectando, entre otras, a la proliferación celular y por tanto en el proceso tumorigénico. Los objetivos de la presente tesis fueron, estudiar la acción de las hormonas sexuales en la modulación del estrés oxidativo en las células cancerosas, y el estudio de la importancia del balance de los receptores estrogénicos alfa y beta (ERα y ERβ) en la acción del E2 en la función, la biogénesis y la dinámica mitocondrial, así como en el control del estrés oxidativo. Los resultados obtenidos en la presente tesis la importancia de la acción de E2 a través de los diferentes receptores sobre el estrés oxidativo, la función, la dinámica y la biogénesis mitocondrial, tanto en líneas celulares como en tumores de mama.

La aplicación de métodos de dinámica molecular (MD) para el estudio de sistemas biológicos. Esta tesis se centra en la aplicación tanto de dinámica molecular clásica como perturbación de energía libre (FEP) para estudiar sistemas biológicos tales como los receptores acoplados a proteínas G y los inhibidores de BACE1. La tesis se divide en 5 secciones, en primer lugar, una introducción donde se explica la evolución de la metodología de MD, en segundo lugar, una sección sobre métodos utilizados en esta tesis, la tercera sección se centra en el uso de simulaciones de MD para estudiar dos aspectos diferentes de los GPCR, oligomerización del tetrámero formado por receptores de adenosina y el mecanismo de activación por ligandos alostéricos dirigidos al receptor metabotrópico de glutamato 2. La cuarta sección se centra en la aplicación de FEP con el objetivo de diseñar nuevos inhibidores de BACE1 y poner en práctica esta metodología en un proyecto de desarrollo de fármacos realizado en colaboración con Janssen Pharmaceutica. La última sección resume las conclusiones alcanzadas. En general, se demuestra que los métodos de Dinámica Molecular, puede ser de gran valor para comprender los escenarios descritos a nivel molecular, y, en particular, las interacciones y los procesos dinámicos que se producen. Esto a su vez ayudará a la comprensión más detallada de la biología básica y el diseño de fármacos. El trabajo justifica aplicaciones futuras en estas áreas y continua la exploración de forma detallada de la influencia que los métodos MD y FEP pueden alcanzar.
Application of Molecular Dynamics (MD) methods to the study of biological systems. This thesis is focused on the application of both classical MD and free energy perturbation (FEP) to study biological systems such as G protein-coupled receptors and BACE1 inhibitors. The thesis is divided into 5 sections, firstly an introduction where a timeline and evolution of MD methodology is explained, secondly a second section on Methods, the third section focuses on the use of MD simulation to study two different aspects of GPCRs, oligomerization of the tetramer formed by Adenosine receptors and the mechanism of activation by allosteric ligands targeting the metabotropic glutamate 2 receptor. The fourth section is focused on the application of FEP with the aim of designing new BACE1 inhibitors and to implement this methodology into a real drug discovery project performed in collaboration with Janssen Pharmaceutica. The final section summarizes the conclusions reached. Overall, it is shown that state of the art MD simulations, and hence modern computational methodology, can be of value to understand the described scenarios at the molecular level, and in particular the interactions and dynamic processes which occur. This in turn will help with more detailed understanding of basic biology and drug design. The work justifies future applications in these areas and continued deeper exploration of the limits of the impact which MD and FEP methods can reach.

Magíster en Ciencias, Mención Física
La fricción interna corresponde a la capacidad de los materiales de disipar la energía de ondas de sonido. Esta capacidad depende del tipo de material así como del tipo y cantidad de defectos que contenga. Durante muchos años se ha utilizado la espectroscopía mecánica para obtener información del material a través de distintos experimentos, midiendo por ejemplo la fricción interna de un material específico. A pesar de la capacidad para medir fricción interna, hasta ahora es difícil conocer con precisión cuales son los mecanismos microscópicos que dan origen a la disipación de energía al interior del material. De particular interés es un pico en la curva de disipación interna versus temperatura llamado pico de Bordoni. La evidencia sugiere que la generación de este pico se debe a propiedades de las dislocaciones. Modelos teóricos que usan mecánica del continuo permiten una descripción cualitativa, pero no cuantitativa, del efecto. Hasta ahora se ha estudiado el pico de Bordoni desde el punto de vista experimental y desde la mecánica del contínuo. En este trabajo se propone estudiar este efecto desde las simulaciones atomísticas a través de dinámica molecular. Para ello se generó una muestra de cobre de 892800 átomos con dos dislocaciones ancladas y se generaron ondas de corte en el material. Se midió la tensión generada en la muestra y se encontraron las curvas de tensión-deformación. Luego se estudió la disipación de energía generada por la interacción de las ondas con las dislocaciones a través de una posible histéresis en las curvas de tensión-deformación. Estas simulaciones se realizaron a las temperaturas de 0, 50, 100, 150, 200 y 250 K, con períodos de 125 ps y 38 ps y un máximo de deformación de 0.0008 y 0.008. Para estimar el orden de magnitud esperado para la respuesta del sistema se usó un modelo de cuerda sobreamortiguada, lo que también permitió estimar el período de forzamiento para el cual las pérdidas deberían ser máximas. Todo esto llevó a una estimación del cuociente entre energía disipada por ciclo y energía acumulada máxima del orden de 10^{-4} lo cual se ajusta a los resultados experimentales. Para estimar el valor de los parámetros que aparecen en el modelo analítico se realizaron simulaciones con las dislocaciones desancladas. Dentro de la precisión numérica utilizada, no se encontró histéresis. Se deduce que la barrera de Peierls es muy pequeña para permitir detección de la histéresis. Se establece una cota para la precisión en las mediciones para cuantificar la fricción interna en el futuro. Posibles direcciones de trabajo futuro incluyen la disminución de las fluctuaciones en las mediciones de la tensión, lo que se podría lograr con un mayor número de ciclos generados en las ondas de corte y promediando sobre muchas realizaciones. Otra opción es realizar las simulaciones en otros materiales, con mayores coeficientes de fricción, para aumentar la energía disipada.

Ingeniero Civil en Biotecnología
Los receptores TLR4, participantes de la respuesta innata inmune, son capaces de reconocer patrones exógenos altamente conservados, además de otros ligandos de carácter endógeno. Dicho reconocimiento repercute en la formación del homodímero de TLR4, lo cual da inicio a una cadena de señalización celular que finaliza en la expresión de citoquinas pro-inflamatorias e interferones que inducen la síntesis de prostaglandinas, potentes mediadores pro-inflamatorios. Su producción sobre los niveles normales es un factor común en enfermedades autoinmunes tales como sepsis y artritis reumatoide cuyo tratamiento actual en base a drogas antiinflamatorias trae efectos secundarios perjudiciales en su uso prolongado. Estudios previos han identificado que los loops BB, secuencias ubicadas entre la hélice alpha-B y la lámina beta-B presentes tanto en el receptor TLR4 como en las proteínas adaptadoras MyD88, TRAM y MAL, son fundamentales en la formación de los complejos proteicos necesarios para la vía de señalización celular. El diseño de péptidos bloqueadores en base a estas secuencias ha sido presentado en la literatura como un mecanismo inocuo e innovador para el tratamiento de este tipo de patologías. En el presente trabajo se identifican los sitios de acoplamiento y el tipo de interacciones proteína-ligando generadas entre el homodímero de TLR4 y diferentes péptidos de bloqueo basados en los \loops BB mediante el uso de programas de acoplamiento y dinámica molecular, estableciendo paralelamente su energía libre a través de la metodología MM-PBSA para determinar su factibilidad termodinámica. Los resultados obtenidos señalan que los péptidos estudiados establecen interacciones de elevada permanencia con los sitios de unión del homodímero descritos para las proteínas MAL y TRAM, pudiendo ser calificados como pepMAL > pepTRAM > pepTLR4 > pepMyD88. Específicamente, si bien todos establecen contactos hidrofóbicos con los loops BB del homodímero con diferentes tiempos de permanencia, pepMAL y pepTRAM presentan un comportamiento más estable producto de la formación de puentes de hidrógeno, puentes salinos e interacciones catión-pi adicionales de carácter estable con otras regiones del homodímero, destacándose la participación del aminoácido E24 perteneciente a la hélice alpha-A de la cadena A. En lo que respecta a sus valores absolutos, la energía libre de unión de los complejos proteína-ligando presentan errores asociados principalmente a la extensión insuficiente de las simulaciones de dinámica molecular y la estimación de la variación de entropía y variación de energía libre de solvatación del sistema. Sin embargo, sus diferencias relativas son consistentes con el estudio de interacciones realizado, asignándole a dicha metodología una labor netamente de comparación de factibilidad termodinámica. Los péptidos de bloqueo lograron representar en gran medida los contactos reportados para las proteínas MAL y TRAM en estudios de acoplamiento y pruebas experimentales. Sin embargo, la jerarquización realizada en este trabajo presenta discrepancias con respecto a la evidencia experimental reportada en los estudios de Toshchakov y cols., lo cual es atribuible a tiempos insuficientes de simulación en la etapa de dinámica molecular y las diferencias de carácter puntual que existen en las secuencias que definen los péptidos. Según esto, este trabajo introduce nueva evidencia acerca del tipo de interacciones y regiones del homodímero involucradas en el efecto inhibitorio que ejercen estos péptidos. De esta manera, se establece como conclusión que la metodología aplicada logra establecer resultados confiables acerca del efecto inhibitorio de dichos péptidos de bloqueo, pudiendo proceder a etapas posteriores de búsqueda computacional de otros estados conformacionales y pruebas de carácter experimental. Específicamente, este trabajo sienta un precedente importante en la integración exitosa de varias herramientas de modelamiento molecular que puede ser aplicada en el estudio de otros sistemas bioquímicos, destacándose la influencia de otros dominios en las vías de señalización.

En este trabajo se analizó el fenómeno de adsorción física relativa en un sistema ternario de fluidos modelo, donde se toman en cuenta tamaños y parámetros de atracción distintos entre las especies. Para el caso de mezclas multicomponente hay poca información disponible donde se haga un estudio sistemático de propiedades interfaciales tales como la presión de vapor y la tensión superficial. El presente trabajo toma en cuenta además la problemática de representar sistemas compuestos por mezclas ternarias, donde para cada sistema existen tres juegos de parámetros (uno por cada especie de la mezcla) que son independientes entre si; determinar los valores a utilizar es una de las problemáticas más importantes. Por tanto se decidió hacer un estudio variando de forma sistemática algunos de estos parámetros, obteniendo de este modo sistemas que consideramos representativos. Hallamos el fenómeno de adsorción en capaz, es decir, las partículas con diámetro mayor son primero adsorbidas y posteriormente las partículas de menor diámetro. de las especies en la mezcla y manteniendo fijos los tamaños moleculares.

The theoretical description of bistable materials requires dealing with the interplay of various phenomena, like temperature, environmental effects and electron correlation. We developed a procedure to combine the benefits of the molecular dynamics techniques with the accuracy of the ab initio wave function based methods including various models for the surroundings. The combination of these computational methods involved the making of specific software tools. The proposed procedure has been applied successfully, obtaining good agreements with experimental data, on organic molecules in solvent (cytosine tautomers in water), crystalline materials (NiO, LaMnO3 and TTTA) and inorganic spin-crossover compounds (FeII(bpy)3). We achieved a significant improvement in the description of their absorption spectra: including ligand-to-metal and metal-to-metal charge transfer processes, formally dipole forbidden transitions and the broadening of the spectral bands. Moreover, we observe dramatic changes on the electronic structure by incorporating the environmental effects on the theoretical model.
La descripció teòrica de materials biestables requereix el tractament de diversos fenòmens interactuants, com la temperatura, els efectes del medi i la correlació electrònica. S'ha desenvolupat un procediment que combina els beneficis de la dinàmica molecular amb la precisió dels mètodes ab initio basats en la funció d'ona incloent diferents models de l'entorn. La combinació d'aquests mètodes computacionals ha involucrat la creació de programari específic. El procediment proposat ha estat aplicat amb èxit, obtenint bona concordança amb els experiments, a molècules orgàniques en solvent (citosina en aigua), materials cristal•lins (NiO, LaMnO3 i TTTA) i compostos spin-crossover inorgànics (FeII(bpy)3). S'ha assolit una millora significativa en la descripció del seus espectres d'absorció: incloent la transferència de càrrega lligand-metall i metall-metall, les transicions formalment prohibides per dipol i l'eixamplament de les bandes espectrals. A més, s'observen canvis importants en l'estructura electrònica al incorporar els efectes de l'entorn en el model teòric.

El estudio de la unión de un ligando con un receptor es de particular relevancia en el desarrollo de fármacos, donde se persigue encontrar un ligando con elevada afinidad hacia un determinado receptor. El ligando se une al receptor en el denominado “sitio de unión”. El proceso de unión puede dividirse en 2 etapas: i) difusión del ligando a través del receptor hasta el sitio de unión, y ii) la selección de aquella conformación (bioactiva) que cumple con las características geométricas y fisicoquímicas que le permiten unirse al receptor. En la presente memoria se ha estudiado la difusión molecular del ligando a través de la matriz proteica hasta el sitio de unión, así como la selección de la conformación bioactiva implicada en el reconocimiento ligando-receptor. En la primera parte se ha desarrollado una metodología Multinivel que proporciona un método eficiente para la exploración conformacional de moléculas tipo fármaco, permitiendo identificar estructuras estables y su población relativa. Hace uso de una exploración conformacional a nivel RM1 y posterior refinamiento a nivel más robusto de teoría: B3LYP y MP2. Se consigue así un buen balance costo/calidad para la estimación precisa de la población relativa de los confórmeros relevantes. Para compuestos en solución se utiliza la metodología de solvente continuo MST. Esto hace necesario derivar una nueva versión parametrizada del modelo MST para el hamiltoniano RM1. El modelo parametrizado ha probado proveer estimaciones precisas de la energía de solvatación para compuestos neutros. El tratamiento de compuestos iónicos es más delicado, dado que existe una dependencia fuerte entre el factor de escalado utilizado para modular la frontera electrostática entre el solvente y el soluto y el grupo ionizable. El uso de un factor de escalado adaptado al entorno químico provee una estrategia computacional viable para obtener estimaciones precisas de la energía de solvatación para compuestos cargados. Los resultados obtenidos para la histamina neutra son alentadores considerando la complejidad conformacional y tautomérica que presenta y coinciden con la mayoría de los estudios previos. En la segunda parte, se ha estudiado el impacto de las distorsiones de la planaridad del grupo hemo en la afinidad por O(2). Se halló que éstas pueden modular la afinidad de una globina por ligandos bimoleculares. Las distorsiones resultan en una disminución de la afinidad por O(2).con excepción del modo breathing, que implica la compresión-expansión del grupo hemo en el plano. El “breathing” positivo del hemo de la protoglobina “Methanosarcina Acetivorans” (MaPgb) podría contribuir a la alta afinidad por O(2) reportada dado que no presenta efecto distal, habitualmente responsable de la alta afinidad hallada en otras globinas. Por otra parte, la accesibilidad del ligando a esta proteína se logra a través de un sistema de túneles novedoso definido entre las hélices G y B (túnel 1) y B y E (túnel 2). El túnel 2, a diferencia del 1, está siempre abierto. Phe(145)G8 se halla en 2 conformaciones: abierta y cerrada, que regula la migración de ligandos a través del 1. La dimerización y la presencia de ligando unido al hemo facilitan la apertura del 1. La presencia del ligando unido al hemo es detectada por Phe(93)E11, y transmitida a Phe(145)G8 a través del cambio de las hélices B y E. Esto proporciona una explicación a los estudios cinéticos de Cristiano Viappiani. Cabe pensar que las conformaciones de ligación lenta y rápida reflejan la apertura del túnel 1 cuando se ha fijado un primer ligando en el grupo hemo. MaPgb podría participar en un proceso bimolecular, donde la entrada de un ligando facilitara de un segundo.
The study of ligand-receptor interaction is relevant to drug design. In this work we have studied: ligand diffusion through the receptor to the active site and selection of the bioactive conformation implied in ligand-receptor recognition In the first part we have developed a Multilevel methodology to efficiently explore the conformational space of drug-like molecules. It is based on a conformational search at a RM1 level and a “a posteriori” refinement with B3LYP and MP2. For molecules in solution a parametrization of the MST solvation model for RM1 was needed. Precise free energies of solvation have been obtained with the new set of parameters for neutral compounds. For ionic compounds there is a strong dependence with the scale factor used to modulate the electrostatic frontier between solvent and solute. The use of environment-adapted scale factor provides a suitable strategy. The results obtained for neutral histamine are encouraging considering its conformational and tautomeric complexity and agree with most of the previous studies. In the second part, we have studied the impact of heme distortions on its O2 affinity. Distortions reduce affinity with the exception of the breathing mode (compressionexpansion) Positive breathing found in “Methanosarcina Acetivorans” protoglobin (MaPgb) could contribute to the reported high O(2) affinity since there is no distal effect, generally responsible of high affinity in globins. A new tunnel system defined between G and B helices (tunnel 1) and B and E helices (tunnel 2) allows ligand access. Contrary to tunnel 1, tunnel 2 is always open. Phe(145)G8 is found in open and closed conformations that regulate migration through tunnel 1. Dimerization and the presence of a heme-bound ligand facilitate opening of tunnel 1. The bound ligand is detected by Phe(93)E11 and transferred to Phe(145)G8 through changes in helices B and E. This could shed light on the kinetic studies by Cristiano Viappiani. Slow and fast conformations could reflect the opening of tunnel 1 when another ligand is bound. MaPgb could be involved in a bimolecular process where the entrance of a ligand would facilitate binding of a second one.

El ob jetivo de nuestro trabajo es contribuir al estudio de la transición sólido-líquido en sistemas bidimensionales. Particularmente, pretende contrastar resultados numéricos generados por simulaciones de dinámica molecular con las predicciones de la teoría propuesta por Kosterlitz y Thouless [1] para tales casos. La teoría postula que la fusión en cristales sin super cie es generada por la proliferación térmicamente excitada de defectos topológicos. Una de las predicciones más importantes es que el derretimiento se produce en dos pasos debido a la existencia de una fase hexática intermedia. Tanto la transición sólido-hexático como hexático-líquido serían continuas. Otra consecuencia notoria es el comportamiento de las propiedades mecánicas al momento de la fusión, dado que existiría una relación universal entre éstas y la temperatura de transición en ese punto. Nuestro traba jo se centrará precisamente en estos aspectos. Para examinar la naturaleza de la transición, así como para calcular las constantes elásticas numéricamente, hemos utilizado un código paralelo de dinámica molecular que reproduce una red triangular en dos dimensiones. Los átomos interactúan a través de un potencial de Lennard-Jones 12-6, y su número varió entre 36864 y 90000, con el n de tener una idea de la importancia del tamaño del sistema en las magnitudes a calcular y comparar nuestros resultados con otros previos. Las ecuaciones de movimiento están diseñadas para generar trayectorias que mantengan tanto la presión como la temperatura constante. Esta última se ha a justado con el n de aproximarse lo máximo posible al punto de fusión desde una con guración sólida, mientras que la presión es nula en todos los casos con el n de ceñirse elmente a las premisas de la teoría de Kosterlitz y Thouless. Las super cies, por su parte, han sido suprimidas imponiendo condiciones de borde periódicas. En nuestras simulaciones observamos una transición en un sólo paso, donde tanto la entalpía como el volumen experimentaron un salto del orden del 15 %. No hubo evidencia de una fase hexática intermedia. Por otra parte, las constantes elásticas del material muestran una clara tendencia a satisfacer la predicción de la teoría. Notamos una mejora en la estadística con el incremento del número de partículas, mientras que el salto de la entalpía y volumen son insensibles a este parámetro dentro los rangos simulados.

Carbohydrates are one of the most important biochemical molecules due to their role as energetic resource for non-photosynthetic organisms, cell-cell recognition and adhesion, protection of cell membranes of bacteria and plants and ensure the proper functionality of several enzymes. Glycoproteins are important components of cell surfaces and the extracellular medium where molecular-cell interactions take place. Defects in the activity of glycoproteins are the cause of several human diseases, such as diabetes and lysosomal storage diseases. Glycoside hydrolases (GHs) are one of the most relevant glycoproteins. They catalyse the cleavage of glycosidic bonds of oligosaccharides to generate smaller oligosaccharides or monosaccharides with relevant biological roles. To know the proper way to modulate the activity of these enzymes, it is crucial to understand their molecular mechanisms of action. Sugars are very flexible molecules, most of them formed by 6- membered rings whose conformation changes during the reaction catalysed by GHs. Capturing these conformations, in particular the one at the reaction transition state, is important in inhibitor design. Experiments aimed at characterizing (indirectly) the transition state conformation of GHs include crystallizing the Michaelis complex (MC), which usually is done using thioglycoside derivatives of the natural substrate (i.e. the glycosidic oxygen is substituted by sulfur) or enzyme mutants (e.g. the catalytic acid/base residue mutated to glutamine or asparagine). However, in some cases, the degree of resemblance of the sugar conformation in thioglycosides or enzyme mutants with respect to the natural/wild type counterparts unclear. In last years, our group has demonstrated that the conformational free energy landscape (FEL) of natural sugars (e.g. β-glucose, α,β-mannose and β-xylose) can be used to predict catalytic pathways of GHs. The conformational FEL is explored using Cremer & Pople puckering coordinates as collective variables in the metadynamics method. A natural extension of these studies is to explore the conformational FEL of 7-membered sugar rings (septanosides), which are currently the focus of great interest as potential GH substrates. In this Thesis, we applied Car-Parrinello molecular dynamics methods, within the QM/MM approach, to elucidate the catalytic mechanism of a family 13 retaining GH, (amylosucrase) and a family 125 inverting GH (exo-1,6-α-mannosidase). In both cases, prior structural information was available from enzyme mutants and/or thioderivative substrates. In addition, we have extended previous ring conformational analyses of pyranoses to septanosides in order to assess their potential as new substrates of selected GHs. The Thesis is organised as follows: Chapters I and II focuses on the conformational flexibility of carbohydrates, GH mechanisms and experimental techniques aimed to trap the MC, as well as the methodology used in this Thesis. In Chapter III, we investigate the conformational landscape of α-glucose and the conformational itinerary that an α-glucoside (fructose) follows during catalysis by GH13 amylosucrase (both hydrolysis and polymerization have been investigated). In Chapter IV, we present the results of conformational study of a thioglycoside vs the natural substrate in a GH125 α-mannosidase, including a mechanistic analysis that uncovered the conformational catalytic itinerary for family 125 GHs. In Chapter V, we investigate four MC structures of a promiscuous GH3 β- glucohydrolase, able to cleave several types of glycosidic linkages, for which only structures with thioglycosides are available. The reconstruction of the structure with the natural substrate allowed us to predict the mechanism of action of these enzymes. In Chapter VI, we apply the Cremer & Pople puckering coordinates for 7-membered rings as collective variable for metadynamics on several septanoside molecules (both isolated and “on-enzyme”) and assess their potential as substrate/inhibitors of GHs. Finally, Chapter VII contains the main conclusions of this work.
Los carbohidratos son una de las biomoléculas más importantes debido a su papel como fuente de energía para organismos no-fotosintéticos, reconocimiento célula-célula, protección de la membrana celular de bacterias y plantas y por asegurar la buena funcionalidad de algunas enzimas. Las glicoproteínas son componentes esenciales en la superficie de las células y en el medio extracelular. Defectos en la actividad de estas proteínas son la causa de varias enfermedades humanas, como la diabetes o problemas en el lisosoma. Las glicosil hidrolasas (GHs) son una de las glicoproteínas más relevantes. Catalizan la rotura de enlaces glicosídicos de oligosacáridos para generar monosacáridos o cadenas más pequeñas de azúcares con relevancia biológica. Para encontrar una manera adecuada de modular la actividad de estas enzimas, es crucial entender sus mecanismos moleculares. Los azúcares son moléculas muy flexibles, la mayoría formados por anillos de 6 átomos cuya conformación cambia durante la reacción en GHs. Capturar estas conformaciones, en particular la del estado de transición, es clave para diseñar inhibidores. La manera de caracterizar indirectamente la conformación de ese estado de transición es cristalizando el complejo de Michaelis de la GH con un tioderivado del sustrato natural (el oxígeno glicosídico es substituido por azufre) o usando mutantes de la enzima. No obstante, en algunos casos, la semejanza a nivel conformacional del mímico y el sustrato natural no queda suficientemente clara. En los últimos años, nuestro grupo ha demostrado el uso para predecir itinerarios catalíticos de GHs a partir de las superficies de energía libre conformacional de los azúcares naturales (glucosa, manosa y xilosa). Estas superficies se exploran utilizando las coordenadas de empaquetamiento de Cremer y Pople como variables colectivas en el método de metadinámica. Una extensión de estos estudios es el análisis conformacional de azúcares formados por anillos de 7 átomos (septanósidos), que están actualmente en el foco de interés como sustratos de GHs. En la presente Tesis, aplicamos métodos basados en dinámica molecular Car- Parrinello, dentro de la aproximación QM/MM, para estudiar el mecanismo catalítico de las GHs de la familia 13 (amilosucrasa), la familia 125 (exo-1,6-α-manosidasa) y la familia 3 (enzima HvExoI). Además, hemos extendido el estudio conformacional de anillos a los septanósidos para poder predecir su potencial como nuevos sustratos de GHs concretas.

El objetivo central de esta tesis fue realizar una estimación numérica del factor de estructura estático de los metales alcalinos Na, K, y Rb, bajo diferentes condiciones de densidad y temperatura empleando el potencial de interacción de Morse Modificado. De igual manera se calcularon la autodifusión y la viscosidad de corte con el fin analizar posibles formaciones de arreglos estructurales particulares en el sistema estudiado, así como las funciones de distribución radiales. Hallamos que a altas densidades hay indicios de una transición de fase, creemos que se trata de atascamientos por parte de las partículas, que pueden considerarse como fases metaestables.

En aquesta tesi s'ha realitzat un estudi global, sobre les relacions seqüencia-estructura-funció de proteïnes glicosiltransferasa amb plegament GTA, mitjançant un enfocament bioinformàtic i de biologia computacional. La tesi està estructurada en quatre capítols principals. En els dos primers s'aborda aquest estudi per a un enzim essencial de Mycoplasma genitalium involucrada en la síntesi de glicolípids de membrana (MG517). En el tercer capítol s'estudien els canvis de conformació d'un bucle catalític, en el mecanisme d'una proteïna de Micobacterium tuberculosis (GpgS), que inicia la ruta biosintética dels lipopolisacáridos 6-O-metilglucosa (MGLPs) en aquest organisme. Finalment, en el capítol 4 s'aborda la relació entre una regió específica de les glicosiltransferasas amb plegament GTA, i l'especificitat pel substrat. Començant per l'estudi de proteïnes específiques, com la proteïna MG517 de Mycoplasma genitalium o GpgS de Micobacterium tuberculosi, passant pel de les estructures de totes les proteïnes cristal·litzades amb plegament GTA, fins a la utilització de totes les seqüències existents per aquesta superfamilia de proteïnes (més de 100000), s'han trobat característiques comunes a totes elles que relacionen la seqüència, amb l'estructura i la funció de cada proteïna. Tot això s'ha aconseguit utilitzant tècniques i mètodes bioinformàtics i computacionals, entre els quals destaquen: el modelatge per homologia, les simulacions de Dinàmica Molecular i Metadinámica, el Docking de ligandos, la superposició d'estructures tridimensionals, alineaments múltiples i la construcció d'arbres filogenètics. Gràcies a aquest estudi, s'ha pogut identificar una topologia consens comú a totes les GTAs, amb la qual s'ha construït un model tridimensional de la regió N-terminal de la proteïna MG517, de la qual fins ara no existia estructura coneguda. El model tridimensional ha estat validat per dinàmica molecular i experimentalment, la qual cosa ha permès identificar posicions catalítiques clau en MG517 com I193 base general, D40, I126, I169, I170 i I218 d'unió a substrats. A més, per a MG517 s'ha proposat un model d'interacció monotópica amb la membrana, mitjançant una hèlix amfipàtica a la seva regió C-terminal. La mateixa topologia consens, ha permès el refinament d'un alineament múltiple de GTAs, amb el qual s'ha generat un perfil Hidden Makov Model (HMM) per a la regió N-terminal d'aquest grup de proteïnes. Aquest perfil facilita l'alineament de noves proteïnes GTAs i la identificació de les seves estructures secundàries. També ha permès identificar, dins de la topologia consens, una regió de seqüència i estructura molt variable, fins i tot per a proteïnes de la mateixa família, on es posiciona l'acceptor específic de cada proteïna i que hem denominat “Regió Variable”. S'han descrit els canvis de conformació del bucle catalític en la proteïna GpgS mitjançant simulacions de dinàmica molecular de llarga durada i diferents càlculs de metadinámica utilitzant multitud de variables col·lectives. S'ha demostrat que les diferents conformacions són una propietat intrínseca de la proteïna, però estan desplaçades cap a la seva forma inactiva en absència de ligandos. La presència del substrat dador més el metall al centre actiu, promou el moviment de les cadenes laterals de dos residus del bucle, Arg256 i His258, que desplaça l'equilibri cap a la forma activa i l'estabilitza mitjançant la interacció de His258 amb el metall, proposant-se un mecanisme d'ajust induït per a aquesta proteïna. Completant aquests resultats amb càlculs de docking de ligandos, s'ha pogut proposar l'ordre d'entrada dels ligandos, sent l'acceptor el primer a arribar al centre actiu, seguit pel dador, moment en què succeeix el canvi conformacional en el bucle. Arran d'aquestes simulacions, s'ha observat que la interacció del metall amb un residu de histidina en el bucle catalític, és una característica comuna a la gran majoria de famílies GTAs, al costat de les ja conegudes del motiu DXD o la tètrada d'aspartats proposada en literatura D-DXD-D, que es proposa canviar a D-DXD-D-H. S'ha estudiat l'evolució de la superfamilia GTAs i la seva relació amb els substrats, trobant que el plegament global del domini GTA, defineix l'especificitat de l'acceptor i que l'homologia entre seqüències està més influïda per aquesta molècula aceptora del sucre que per la molècula dadora. La regió variable sembla sofrir una pressió evolutiva menor que la resta de la seqüència, la qual cosa explica la seva major variabilitat, no obstant això, conté residus altament conservats que interaccionen amb l'acceptor específic de cada proteïna. S'ha utilitzat aquesta regió per a la generació de perfils HMM específics per a cada acceptor i família de proteïnes. Aquests perfils s'han utilitzat amb èxit pel screening de proteïnes GTA de funció desconeguda i la predicció del seu acceptor.
En esta tesis se ha realizado un estudio global, acerca de las relaciones secuencia-estructura-función de proteínas glicosiltransferasa con plegamiento GTA, mediante un enfoque bioinformático y de biología computacional. La tesis está estructurada en cuatro capítulos principales. En los dos primeros se aborda este estudio para una enzima esencial de Mycoplasma genitalium involucrada en la síntesis de glicolípidos de membrana (MG517). En el tercer capítulo se estudian los cambios conformacionales de un bucle catalítico, en el mecanismo de una proteína de Micobacterium tuberculosis (GpgS), que inicia la ruta biosintética de los lipopolisacáridos 6-O-metilglucosa (MGLPs) en este organismo. Por último, en el capítulo 4 se aborda la relación entre una región específica de las glicosiltransferasas con plegamiento GTA, y la especificidad por el sustrato. Comenzando por el estudio de proteínas específicas, como la proteína MG517 de Mycoplasma genitalium o GpgS de Micobacterium tuberculosis, pasando por el de las estructuras de todas las proteínas cristalizadas con plegamiento GTA, hasta la utilización de todas las secuencias existentes para esta superfamilia de proteínas (más de 100000), se han encontrado características comunes a todas ellas que relacionan la secuencia, con la estructura y la función de cada proteína. Todo ello se ha conseguido utilizando técnicas y métodos bioinformáticos y computacionales, entre los que destacan: el modelado por homología, las simulaciones de Dinámica Molecular y Metadinámica, el Docking de ligandos, la superposición de estructuras tridimensionales, alineamientos múltiples y la construcción de árboles filogenéticos. Gracias a este estudio, se ha podido identificar una topología consenso común a todas las GTAs, con la que se ha construido un modelo tridimensional de la región N-terminal de la proteína MG517, de la que hasta ahora no existía estructura conocida. El modelo tridimensional ha sido validado por dinámica molecular y experimentalmente, lo cual ha permitido identificar posiciones catalíticas clave en MG517 como E193 base general, D40, Y126, Y169, I170 y Y218 de unión a sustratos. Además, para MG517 se ha propuesto un modelo de interacción monotópica con la membrana, mediante una hélice anfipática en su región C-terminal. La misma topología consenso, ha permitido el refinamiento de un alineamiento múltiple de GTAs, con el que se ha generado un perfil Hidden Makov Model (HMM) para la región N-terminal de este grupo de proteínas. Este perfil facilita el alineamiento de nuevas proteínas GTAs y la identificación de sus estructuras secundarias. También ha permitido identificar, dentro de la topología consenso, una región de secuencia y estructura muy variable, incluso para proteínas de la misma familia, donde se posiciona el aceptor específico de cada proteína y que hemos denominado “Región Variable”. Se han descrito los cambios conformacionales del bucle catalítico en la proteína GpgS mediante simulaciones de dinámica molecular de larga duración y distintos cálculos de metadinámica utilizando multitud de variables colectivas. Se ha demostrado que las distintas conformaciones son una propiedad intrínseca de la proteína, pero están desplazadas hacia su forma inactiva en ausencia de ligandos. La presencia del sustrato dador más el metal en el centro activo, promueve el movimiento de las cadenas laterales de dos residuos del bucle, Arg256 e His258, que desplaza el equilibrio hacia la forma activa y la estabiliza mediante la interacción de His258 con el metal, proponiéndose un mecanismo de ajuste inducido para esta proteína. Completando estos resultados con cálculos de docking de ligandos, se ha podido proponer el orden de entrada de los ligandos, siendo el aceptor el primero en llegar al centro activo, seguido por el dador, momento en que sucede el cambio conformacional en el bucle. A raíz de estas simulaciones, se ha observado que la interacción del metal con un residuo de histidina en el bucle catalítico, es una característica común a la gran mayoría de familias GTAs, junto a las ya conocidas del motivo DXD o la tétrada de aspartatos propuesta en literatura D-DXD-D, que se propone cambiar a D-DXD-D-H. Se ha estudiado la evolución de la superfamilia GTAs y su relación con los sustratos, encontrando que el plegamiento global del dominio GTA, define la especificidad del aceptor y que la homología entre secuencias está más influida por esta molécula aceptora del azúcar que por la molécula dadora. La región variable parece sufrir una presión evolutiva menor que el resto de la secuencia, lo que explica su mayor variabilidad, sin embargo, contiene residuos altamente conservados que interaccionan con el aceptor específico de cada proteína. Se ha utilizado esta región para la generación de perfiles HMM específicos para cada aceptor y familia de proteínas. Estos perfiles se han utilizado con éxito para el screening de proteínas GTA de función desconocida y la predicción de su aceptor.
This thesis has conducted a comprehensive study on the sequence-structure-function relations for glycosyltransferase proteins with GTA fold, through a bioinformatic computational biology approach and. The thesis is divided into four main chapters. In the first two, is approached this study by an essential enzyme in Mycoplasma genitalium involved in synthesis membrane glycolipids (MG517). In the third chapter, conformational changes of a catalytic loop are studied in the mechanism of a protein of Mycobacterium tuberculosis (GpgS), which starts the 6-O-methyl glucose biosynthetic pathway of lipopolysaccharide (MGLPs) in this organism. Finally, in chapter 4, the relationship between a specific region of the glycosyltransferase with GTA folding and substrate specificity is addressed. Starting with the study of specific proteins, such as Mycoplasma genitalium MG517 protein or Mycobacterium tuberculosis GpgS, through the structures of all proteins crystallized with GTA folding, and the use of all existing sequences for this protein superfamily (over 100000), it has found common characteristics to them all linking sequence, structure and function of each protein. All this, has been achieved using bioinformatics and computational techniques and methods, among which are: homology modeling, simulations of Molecular Dynamics and Metadinámica, the Docking of ligands, overlapping three-dimensional structures, multiple alignments and phylogenetic tree building. Thanks to this study, it has been possible to identify a consensus topology common to all GTAs, with which it has built a three-dimensional model of the N-terminus of the protein MG517, region which hitherto was known structure. The three-dimensional model has been validated experimentally by molecular and dynamic, which has identified key catalytic MG517 positions as general base E193, D40, Y126, Y169, Y218 I170 and substrate binding. Furthermore, for it has been proposed a MG517 monotopic membrane interaction model by an amphipathic helix in the C-terminal region. The same topology consensus has permitted the refinement of a multiple alignment of GTAs, with which we generate a profile Hidden Makov Model (HMM) for the N-terminal region of this group of proteins. This profile facilitates the alignment of GTAs new proteins and identifying their secondary structures. It has also enabled us to identify, within the consensus topology, a region of highly variable sequence and structure, even for proteins of the same family, where each protein specific acceptor is positioned that we have called "Variable Region". Have been described conformational changes in the catalytic loop GpgS protein, by long duration Molecular Dynamics simulations and different calculations of metadinámica using many collective variables. It has been shown that different conformations, are an intrinsic property of the protein, but are displaced towards its inactive form in the absence of ligands. The presence of the donor substrate plus metal in the active site, promotes the movement of the side chains of two residues of the loop, Arg256 and His258, which shifts the equilibrium to the active form and stabilizes by the interaction of His258 with metal, proposing an induced fit mechanism for this protein. Completing these results with docking of ligands calculations, it has been possible to propose the order of entry of the ligands, being the acceptor the first to reach the active site, followed by the donor, when that happens the conformation loop changes. Following these simulations, it has been observed that the interaction of the metal with a histidine residue in the catalytic loop, is a feature common to the vast majority of GTAs families, with the already known motif DXD or tetrad aspartates proposal in literature D-DXD-D, proposed switch to D-DXD-DH. We have studied the evolution of GTAs superfamily and their relationship with the substrates, finding that the overall folding of GTA domain, defines the acceptor specificity and the homology between sequences is more influenced by the acceptor molecule of sugar than the molecule donor. The variable region seems to suffer less evolutionary pressure than the rest of the sequence, which explains its greater variability, however, contain highly conserved residues that interact with the specific acceptor for each protein. This region has been used for profiling specific HMM for each acceptor and protein family. These profiles have been successfully used for screening GTA proteins of unknown function and predicting their acceptor.

Carbohydrates were early considered important for energy storage and structural support for living organisms. It was not until a few decades ago that scientist discovered that they are also involved in much more complex mechanisms, such as modulating protein structures, locating and signalling in multicellular systems and cell-cell recognition, including bacterial and virus infections and in some aspects of cancer. Consequently, carbohydrates are getting more recognition, being used in drug delivery strategies, vaccines and new therapeutics for treating many types of diseases. Carbohydrates come in many stereochemistries, configurations and conformations which converts them into very complex molecules to study. The vast amount of carbohydrate-based structures in nature needs a larger number of enzymes responsible of their degradation, synthesis and possible modifications. These are named as carbohydrate-active enzymes (CAZymes), which include glycoside hydrolases, glycosyltransferases, polysaccharide lyases and carbohydrate esterases. This Thesis focuses on glycosyl hydrolases (GHs), which are responsible for the hydrolysis of glycosidic bonds. The possible sugar ring conformations that carbohydrates can adopt in the enzyme active sites during catalysis depends on the distinct active site topologies found for the more than 150 GH families. Each GH (or each family of GHs) hosts a particular catalytic conformational itinerary of the corresponding carbohydrate substrate. Understanding these itineraries is of great importance when designing selective inhibitors, as some of the most powerful inhibitors mimic the structure and properties of the transition state (TS) of the hydrolysis reaction. Molecular mechanisms and catalytic conformational itineraries of GHs can be investigated with both experimental and computational approaches. Typically, an initial structure of the GH enzyme is needed to further perform computational analyses to elucidate the electronic and conformational changes along the catalytic itinerary of the carbohydrate substrate. In this Thesis we will focus on two GHs of biochemical and biotechnological relevance, which the catalytic conformational itineraries were still unknown, the β-D-galactocerebrosidase (GALC) and α-L-arabinofuranosidase Aspergillus kawachii abfB (AkAbfB). These GHs act on carbohydrates formed by five and six-membered rings (derivatives of β-D-galactose and α-L-arabinose, respectively). Additionally, and motivated by recent NMR experiments of isolated glycosyl cations, we analyse the properties of five-and six- membered glycosyl cations in different environments; in vacuum, in superacid media and on- enzyme.
Els carbohidrats no només són una eina d’emmagatzematge d’energia i de suport estructural dels éssers vius, sinó també actuen en mecanismes molt més complexos, com la localització i senyalització en sistemes multicel·lulars i el reconeixement entre cèl·lules, incloent-hi infeccions causades per bacteris i virus. Consegüentment, s’està donant més reconeixement als carbohidrats, utilitzant-los dins del camp dels fàrmacs per tractar molts tipus de malalties. Els carbohidrats presenten estereoquímiques, configuracions i conformacions molt variades, cosa que els converteix en unes molècules molt complexes d’estudiar. Aquesta gran varietat fa que existeixi també una gran quantitat d’enzims, anomenats “enzims actius en carbohidrats”, que s’encarreguen de la seva degradació, la seva síntesis i les seves possibles modificacions. Aquesta Tesi s’ha centrat en les glicosidases, responsables d’hidrolitzar els enllaços glicosídics. Les possibles conformacions que poden adoptar els anells de sucre en el centre actiu d’aquests enzims depenen de les diferents topologies que es troben en les més de 150 famílies de glicosidases. Cada glicosidasa opera amb un itinerari conformacional particular del corresponent substrat. El coneixement d’aquests itineraris és de gran importància en el disseny selectiu d’inhibidors, ja que alguns dels inhibidors més potents imiten l’estructura i les propietats de l’estat de transició de la reacció d’hidròlisi. Els mecanismes moleculars i els itineraris conformacionals de les glicosidases es poden investigar tant amb mètodes experimentals com amb mètodes computacionals. Usualment, es necessita una estructura inicial d’una glicosidasa per poder després fer anàlisis computacionals per a elucidar els canvis electrònics i conformacionals que pateix el sucre al llarg de l’itinerari catalític. En aquesta Tesi, ens centrarem en dues glicosidases de rellevància bioquímica i biotecnològica, de les quals l’itinerari conformacional era encara desconegut: la β-galactocerebrosidasa (GALC) i l’α-L-arabinofuranosidasa Aspergillus kawachii abfB (AkAbfB). Aquestes glicosidases actuen en carbohidrats formats per anells de cinc i de sis àtoms de carboni (derivats de la β-D-galactosa i l’α-L- arabinosa, respectivament). Per últim, i motivat per experiments recents de caracterització de cations de glicosil en medi superàcid, s’analitzen aquests cations, tant per a sucres de cinc com de sis àtoms de carboni en diferents entorns: en el buit, en medi superàcid i dins d’un enzim.

La presente tesis "Modelling of 5-HT2A and 5-HT2C receptors and of their complexes with actual and potential antipsychotic drugs" tiene como objetivo de profundizar los conocimientos actuales sobre el mecanismo de acción de los fármacos antipsicóticos. En este proyecto de larga duración, se han construidos modelos computacionales de los receptores 5-HT2A y 5-HT2C, utilizando un nuevo protocolo de modelización basado sobre los datos experimentales de otras proteínas GPCR de la misma familia. Las estructuras 3D se han validado e utilizado en estudios de acoplamiento ligando-receptor, simulaciones de dinámica molecular, y estudios 3D-QSAR con el ligando natural (serotonina), un agonista inverso bien conocido (ketanserina) y una serie de butyrofenonas con afinidad para ambos subtipos receptoriales. Las metodologías directas e indirectas utilizadas, han permitido de comprender mejor los elementos claves que gobiernan el acoplamiento ligando - receptor, mediante la identificación de los residuos más involucrados en esta interacción, el rol de la quiralidad de los ligandos y también las posiciones alternativas de acoplamiento que algunos ligandos pueden asumir en el sitio de unión de los receptores.Los resultados son coherentes con los datos experimentales y su interpretación ha proporcionado información valiosa, difícilmente obtenible con la simple inspección visual de las estructuras de los ligandos y de los receptores.
This thesis "Modelling of 5-HT2A and 5-HT2C receptors and of their complexes with actual and potential antipsychotic drugs" has the objective of investigate the mechanism of action of antipsychotic drugs. During the development of this project, computational models of 5-HT2A and 5-HT2C receptors have been built, by means of a new modeling protocol based on experimental data from other GPCR of the same family. 3D structures have been validated by means of docking, molecular dynamic simulations and 3D-QSAR studies, using the natural ligand (serotonin), a well known inverse agonist (ketanserin) and a series of butyrophenones with affinity for both receptor subtypes. Direct and indirect methodologies have been applied, allowing a better comprehension of the key elements governing the ligand-receptor docking, thanks to the identification of the most important residues that stabilize such interaction, role of chirality and alternative positions within the binding site. The results are coherent with experimental data and its interpretation provided valuable information, not available at a simple visual inspection of ligand - receptor structures.

El argumento fundamental de esta tesis es el estudio de la solvatación iónica por medio de cálculos con ordenador. Tres lineas de investigación han sido seguidas:
(i) Solvatación y mobilidad ionica. Las características principales del processo de intercambio entre la primera y la segunda capa de hidratación iónica para Li+ en agua se ha encontrado ser independiente del estado termodinamico en gran medida. Ha sido demostrado que el desplazamiento cuadrático medio de moléculas pertenecientes a complejos inertes está caracterizado por un largo transitorio debido a la lenta relajación rotacional del complejo. El incremento del coeficiente de difusión iónico debido a los intecambios en la capa de solvatación ha sido calculado por primera vez en el caso de Li+ y Na+. Finalmente, se han derivado leyes de probabilidad que ponen en relación la estereoquímica y la velocidad iónica instantanea.
(ii) Plastificantes. Se propone un nuevo procedimiento para el desarrollo de campos de fuerza intramoleculares, que funciona satisfactoriamente en el caso de dos moleculas de interés en las Batterias a Iones de Litio: carbonato de etileno y -butirolactona. Respecto a la solvatación de Li+ en los dos solventes, el ión está coordenado por 4 moleculas a través del oxigeno del carbonilo con pequeñas distorsiones de la geometría molecular. La nueva asignación de los modos vibracionales hecha para las dos moléculas ha permitido calcular los cambios inducidos por el ión litio, explicando varias caracteristicas de los espectros esperimentales.
(iii) Polarización. Se ha estudiado la eficacia de los metodos de polarización más comunes para simulaciones de Dinámica Molecular en dímeros ión-molécula, usando calculos ab initio como referencia. En lugar de centrarnos en la superficie de energía potencial completa (procedimiento típico), se ha considerado solo la parte electrostática. Se han desarrollado nuevos modelos polarizables para agua y tetracloruro de carbono, que reproducen el comportamiento de sistemas carga-molécula. Ha sido encontrado que, en el caso de dímeros ión-molécula, se requiere una corrección de amortiguamento de la polarización a cortas distancias. El método de los dipolos puntuales junto al método de amortiguamento de Thole reproduce satisfactoriamente las características principales para cationes y aniones atómicos.
The underlying topic of this thesis is the study of ion solvation by means of computer calculations. Three lines of investigation have been followed:
(i) Solvation and Ionic Mobility. The main features of the exchange process between first and second ionic hydration shells for Li+ in water have been found to be largely independent of the thermodynamic state. It has been shown that the mean square displacement of molecules belonging to inert complexes is characterized by a long transient due to the slow rotational relaxation of the complex. The increase of the ionic diffusion coefficient due to solvation shell exchanges has been computed for the first time in the case of Li+ and Na+. Finally, probability laws have been derived which relate the stereochemistry and the instantaneous ionic velocity.
(ii) Plasticizers. A new approach for the development of intramolecular force fields is proposed, which performs satisfactorily in the case of two molecules of interest for Lithium Ion Batteries: ethylene carbonate and -butyrolactone. Concerning the solvation of Li+ in both solvents, it is coordinated by 4 molecules through the carbonyl oxygen with slight distorsions of the molecular geometry. The new vibrational mode assignment performed for both molecules has allowed to compute the vibrational shifts induced by the lithium ion, explaining a number of features present in the experimental spectra.
(iii) Polarization. The performance of the most commonly used polarization methods for Molecular Dynamics simulation is studied for ion-molecule dimers, using ab initio calculations as benchmark. Instead of focusing on the full potential energy surface (the standard approach), only the electrostatic part is considered. New polarizable models have been developed for water and carbon tetrachloride, which reproduce the behaviour of charge-molecule systems. In the case of ion-molecule dimers it has been found that a polarization damping correction is required at short distances. The point dipole method in conjunction with the Thole damping scheme reproduces rather satisfactorily the main features both for atomic cations and anions.

El interés por los mecanismos que generan las reordenaciones cromosómicas se ha reavivado recientemente gracias al enorme avance que supone la comparación de genomas secuenciados. En Drosophila, las inversiones cromosómicas son abundantes como polimorfismos intraespecíficos y como cambios fijados entre especies. Sin embargo, aun sabemos poco acerca de la generación de estas inversiones naturales y sus consecuencias moleculares. Se conocen diversos mecanismos moleculares capaces de generar inversiones cromosómicas. En el mecanismo clásico, un fragmento cromosómico generado por dos roturas puede repararse erróneamente y resultar invertido (NHEJ). Por otro lado, los elementos transponibles (TE) pueden actuar como sustrato de la recombinación ectópica entre copias insertadas en orientación inversa en sitios cromosómicos alejados e inducir inversiones. Los TE también pueden generar inversiones por otros procesos como la transposición aberrante o como simples endonucleasas. De cualquier modo, ambos mecanismos son capaces de producir duplicaciones asociadas a la inversión. En diversos análisis moleculares de puntos de rotura de inversiones en Drosophila se han descrito duplicaciones invertidas que la flanquean. Sin embargo, un problema aun no resuelto es si el mecanismo per se puede producir las coincidencias y no aleatoriedad observada de los puntos de rotura o, si la selección modula su distribución independientemente de cómo se produzcan. Este trabajo completa el estudio de nuestro grupo de investigación que ha demostrado anteriormente que tres inversiones polimórficas del cromosoma 2 de Drosophila buzzatii (2j, 2q7, 2z3) se generaron por recombinación ectópica entre copias del elemento transponible Galileo. En la única inversión fijada estudiada previamente en D. buzzatii (inversión 5g) no se ha demostrado la implicación de TE. Hemos llevado a cabo el estudio de los puntos de 2 rotura de las otras tres inversiones fijadas en el cromosoma 2 de D. buzzatii desde su divergencia del ancestro del grupo repleta: 2m, 2n y 2z7. Por otro lado, las inversiones 2m y 2n están dispuestas en tándem, compartiendo un punto de rotura a nivel citológico. En ambos puntos de rotura de la inversión 2z7 se han encontrado fragmentos degenerados de un elemento de la familia Galileo que sugieren que esta inversión podría haberse originado por recombinación ectópica. Por otro lado, el análisis molecular de las inversiones 2m y 2n, ha confirmado la coincidencia citológica de uno de los puntos de rotura. La inversión 2m está asociada a una duplicación génica que incluye el gen CG4673 y dos genes anidados en éste (CG5071 y CG5079). En la posición original (punto de rotura AC), los genes CG4673 y CG5079 se han pseudogeneizado. En la duplicación (punto de rotura BE), el gen CG4673 es funcional pero no hay rastro de los genes anidados debido a la pérdida del intrón 6 (que incluye ambos genes anidados). Esta duplicación parece además, haber sufrido una posterior micro-inversión. Existen tres posibles mecanismos para explicar el origen de esta compleja reorganización y la reutilización observada. (i) primero se originaría la inversión 2m mediante NHEJ y posteriormente la inversión 2n por recombinación ectópica entre copias del elemento BuT5. (ii) primero se originaría la inversión 2n mediante NHEJ y posteriormente la inversión 2m por inserción híbrida. (iii) que ambas inversiones hubieran sido simultáneas. (1 rotura escalonada + 2 roturas DSB más reparación NHEJ de los dos fragmentos generados). Finalmente, se habrían localizado hasta tres transcritos relacionados con el gen CG4673 en D. buzzatii por uno sólo en el genoma no invertido de D. mojavensis. Uno procedería de la copia degenerada del gen (punto de rotura AC) y otros dos de la copia del gen funcional (punto de rotura BE). Estos transcritos se relacionan formando moléculas de dsRNA que podrían estar regulando la expresión del gen funcional.
The interest in the origin of chromosomal rearrangements has been recently revived due to the increase in the number of sequenced genomes and the results obtained from their comparison. In Drosophila, chromosomal inversions are abundant as intraspecific polymorphisms and as fixed changes between species. However, still little is known about the molecular causes that generate natural inversions and their consequences. Moreover, the distribution of inversion breakpoints is nonrandom and breakpoints are commonly reused. This nonrandom distribution could be due to the mechanism that generate the inversions or to selection. Different molecular mechanisms are capable of generating chromosomal inversions. In the classical view, the insertion in the opposite direction of a chromosome fragment generated by two breaks generates an inversion (Non Homologous End Joining). Ectopic recombination between homologous sequences inserted in reverse orientation can also produce a chromosomal inversion. Transposable elements (TE) have been described as agents of ectopic recombination. Moreover, TE can also be involved in the generation of inversions by other processes such as aberrant transposition or acting as simple endonucleases. In any case, duplications flanking the inversion have been reported in several molecular analyses of breakpoints in Drosophila. The origin of these duplications has been commonly described as result of the reparation of a staggered break. Breakpoint reuse, inversion success and preferential mechanisms between species, time or chromosomes of inversion still remains unclear. Our work aims at shedding light on the non resolved problems about inversions. Our research group has been working with Drosophila buzzatii species that belongs to the repleta group as a model to understand the generation of chromosomal inversions. Our research group has previously shown that three polymorphic inversions of the chromosome 2 of D. buzzatii (2j, 2q7, 2z3) were generated by ectopic recombination between copies of the transposable element Galileo. On the other hand, in the only previously studied fixed inversion in D. buzzatii (5g) transposable elements has not been related with its origin. To analyze a possible profile between mechanism and success of fixation, we have carried out the study of the breakpoints of the other three inversions fixed on chromosome 2 of D. buzzatii since its divergence from the ancestor of the repleta group: 2m, 2n and 2z7. On the other hand, inversions 2m and 2n are arranged in tandem, sharing a breakpoint under cytological view. Degenerated fragments of a transposable element of the Galileo family were found in both breakpoints of inversion 2z7 suggesting that this inversion could have been originated by ectopic recombination as previously studied polymorphic inversions. 2z7 is the first fixed inversion described as a result of ectopic recombination. Degenerated fragments of BuT5 were founded in all breakpoints of inversions 2m and 2n. Furthermore, inversion 2m has been associated with a gene duplication that includes the gene CG4673 and its two nested genes (CG5071 and CG5079). In the original position (2m inversion distal breakpoint), CG4673 and CG5079 genes have became pseudogenes. In the duplication (2m and 2n shared breakpoint), the gene CG4673 is functional however there are no traces of the nested genes due the loss of the intron that includes them. Furthermore, molecular analysis of the inversions 2m and 2n has confirmed the coincidence of the breakpoints. Finally, the whole duplication was later inverted due the one micro-inversion. There are three possible mechanisms to explain the origin of this complex arrangement and the observed reuse. (i) The inversion 2m occurred first with NHEJ and later ectopic recombination between copies of the BuT5 element generated inversion 2n. (ii) The inversion 2n occurred by NHEJ and later the inversion 2m by hybrid insertion. (iii) Both inversions were simultaneous (two wrong repaired fragments generated with one staggered breakage and two double strand breakages). Finally, three transcripts related to the gene CG4673 have been found in D. buzzatii while only one was found in the non-inverted genome of D. mojavensis, also from repleta group. One of these three transcripts corresponds to the pseudogene in the 2m inversion distal breakpoint and the other two transcripts correspond to the functional copy of the gene in the 2m-2n shared breakpoint (one sense and one antisense transcript). These transcripts form dsRNA molecules that could be involved in the regulation of the expression of the CG4673 gene.

Se estudió un sistema de 3,6864×104 partículas que interactúan a través del potencial de Lennard-Jones mediante dinámica molecular, usando un código paralelo que integra las ecuaciones de movimiento diseñadas para simular un sistema a tensor de presiones y temperatura constantes (NPT) en dos dimensiones. Se investigó una región del espacio de fase correspondiente a presión nula y temperaturas cercanas al punto de fusión, para comparar los resultados con las predicciones de la teoría de Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson y Young (KTHNY). En esta teoría la fusión de un sólido bidimensional, provocada por los defectos topológicos, ocurre a través de dos transiciones de fase continuas. En la primera transición se pierde el orden traslacional y en la segunda el orden orientacional, resultando en un líquido que carece de orden. Los mecanismos que provocan la fusión tienen una estrecha relación con el comportamiento y la dinámica de los defectos, particularmente las dislocaciones y el desligamiento de pares de ellas. En la teoría KTHNY las constantes elásticas se acercan a un valor universal cuando el sólido se acerca a su temperatura de fusión. Con el n de explorar la compatibilidad del sistema simulado con la teoría se ha estudiado el comportamiento de la entalpía, las constantes elásticas, la fracción de defectos y se ha hecho un análisis visual de los defectos en función de la temperatura. También se investigó el número de iteraciones que demora el sistema en llegar al equilibrio en función de la temperatura y las condiciones iniciales. Se ha observado una transición de fase sólido líquido entre las temperaturas reducidas 0,40725 (sólido) y 0,4095 (líquido). Se ha estudiado el tiempo que demora el sistema en llegar al equilibrio en función de la temperatura. Al acercarse a la temperatura de transición este tiempo aumenta. El comportamiento de las propiedades mecánicas del sistema está en acuerdo con la teoría KTHNY. El análisis de los defectos presentes en el sistema a diferentes temperaturas permite concluir que en el sólido frío sólo se observan pares de dislocaciones ligadas mientras que al subir la temperatura y acercarse a la transición de fase se forman regiones densas de defectos y los pares se empiezan a desligar. En el líquido se ve una mayor concentración de defectos muy desordenados. Este escenario está de acuerdo con la teoría KTHNY que dice que la fusión ocurre a partir del desligamiento de pares de dislocaciones.

Se llevaron a cabo simulaciones de dinámica molecular a través del software libre Gromacs. Se calculó la constante dieléctrica del dioxido de azufre en fase líquida. En el equilibrio líquido-vapor se calculó la tension superficial, la presion de vapor y las densidades del equlibrio. El modelo de SO2 que se utilizó para obtener nuestros resultados fue un modelo modificado del propuesto por Ketko y colaboradores. Dicho modelo consta de tres sitios de interacción donde las distancias atomo- atomo se mantuvieron fijas, de manera que las interacciones intermoleculares fueron modeladas por el potencial de Lennard-Jones y de Coulomb y las interacciones intramoleculares fueron modeladas con un potencial armonico en el angulo.
El dioxido de azufre es una molécula compuesta por un atomo de azufre y dos atomos de oxígeno con formula molecular SO2 es un gas incoloro con un olor irritante característico que generalmente se percibe entre 0.3-1.4 ppm (partes por millón). Esta molécula no es inflamable tampoco explosivo y es relativamente estable. Su densidad es más del doble que la del aire ambiental, y es altamente soluble en agua formando disoluciones acidas. En contacto con membranas húmedas el SO2 forma acido sulfúrico H2 SO4 , que es responsable de fuertes irritaciones en los ojos, membranas mucosas y piel.

Classical force fields are the core of classical simulations, particularly of molecular dynamics (MD), a technique that is changing our view on the structure, flexibility and function of biological macromolecules. Originated from the pioneering work of Lifson’s group in the sixties, force fields have been in continuous evolution, improving in each generation the accuracy in the representation of proteins and nucleic acid. Force field development is tightly connected to the refinement of simulation procedures and to the extension of simulation time scales. Thus, as simulation time passed the microsecond barrier, MD simulations have revealed the existence of some errors in the default force field for DNA simulations, parmbsc0 (developed in the group). The goal of this thesis is to address these problems by a reparameterization of AMBER force field that aims to represent a wide range of DNA structures under physiological and non-physiological conditions. Keeping α/γ parmbsc0 corrections and parm99 non-bonded parameters, we systematically reparameterized sugar puckering, ε, ζ and χ torsions using high level QM calculations both in gas phase and solution. The refined force field has been tested for more than 3 years to an unprecedented level of detail, considering a large variety of DNAs, and analyzing structural, mechanical and dynamical properties of the DNAs resulting from the corresponding MD simulations. The refined force field parameters have been also subjected for more than 1 year of β-testing by different groups, finding to our knowledge no major drawbacks. In the world of RNA simulations, despite the recent efforts to improve the description of RNA in MD simulations, RNA force fields are still far in accuracy from those of DNA. A probable cause could be the incomplete understanding of the mechanism of 2’-OH orientation, which in big extent determines the RNA conformation and most probably serves as the molecular switch. THESIS ORGANIZATION This thesis is compiled of five publications (or in the process of publication) works; first three consider DNA force field development and following validation and benchmark while the last two are focused on RNA efforts. For better understanding of this work Chapter 1 introduces the central concepts related to nucleic acids, their structures and ways to study them. Chapter 2 goes into more details of the methodology employed here, briefly explaining basic QM formalism and MD simulations with an emphasis on force fields. Chapter 3 is a small handbook of methods employed in the analysis in this work. All together first three chapters should provide a solid ground to better understand the details and the relevance of the five publications in the following two chapters. Chapter 4 is based on the development of new force field, called parmbsc1, its further testing on the Drew-Dickerson sequence and benchmarking. Chapter 5 focuses on efforts to understand the mechanism of complexity of RNA structures studying 2’-OH rotation, and computational design of a new RNA dumbbell structure. A summary of the major results and a general discussion that reflects on the five projects and future work are presented in Chapter 6, with the main conclusions at the end of this work.

FtsZ es una proteína bacteriana esencial en el proceso de división celular. Se localiza en la membrana interna de la célula generando un anillo en la mitad de su eje longitudinal, donde actúa como una proteína de andamiaje reclutando a las demás proteínas del mecanismo de división. Esta estructura denominada “anillo Z” esta compuesta de polímeros de FtsZ, los cuales son capaces de interactuar lateralmente generando sabanas o dobles filamentos. La polimerización se produce por la unión de GTP al monómero de FtsZ. Dentro del filamento, FtsZ adquiere actividad GTPásica, y tras la hidrólisis del GTP el filamento de FtsZ se desestabiliza y desensambla. Los cambios estructurales producidos tras la hidrólisis del GTP pueden explicarse al analizar la estructura de FtsZ, que esta compuesta por dos dominios, el amino que contiene el sitio de unión a nucleótido del tipo Rossman y el carboxilo que presenta un plegamiento de tipo α/β. Ambos interactúan estrechamente por medio de una interfase hidrofóbica generada entre las sabanas plisadas de ambos dominios y la helice H7, la que se encuentra entre ambos dominios. Esta interfase no solo tiene relevancia funcional en el mecanismo de polimerización, sino que también juega un rol estabilizador entre los dominios de FtsZ. Mientras que dominios de una FtsZ de Thermotoga maritima son estables en forma independiente, los dominios de FtsZ de Escherichia coli solo muestran estructura secundaria en presencia de agentes estabilizantes. Con el fin de estudiar la influencia de esta interfase de interacción en la estabilidad de los dominios de FtsZ, se llevaron a cabo simulaciones de dinámica molecular con un método de solvatación implícita. La utilización de este método nos permitió efectuar simulaciones en condiciones nativas y desnaturantes (alta temperatura) de una proteína FtsZ termófila (Methanococcus jannaschii) y una mesófila (Pseudomonas aeruginosa) para las cuales existen estructuras cristalinas disponibles. Las simulaciones mostraron que en condiciones nativas ambas proteínas son estables, sin embargo el dominio de unión a nucleótido de la proteína mesófila muestra una menor estabilidad que el dominio de la proteína termófila. Las diferencias se localizan en las zonas aledañas al lazo T3, involucrado en la unión del nucleótido. La forma general del desplegamiento de la proteína mesófila y termófila es muy similar, observándose solo diferencias en la rapidez con la cual se pierde estructura secundaria, siendo más estable la proteína termófila. Sin embargo, cálculos de estabilidad de los núcleos hidrófobos de la interfase y los dominios, no mostraron diferencias significativas entre los dominios aislados y las proteínas nativas. Los únicos cambios significativos se logran al comparar las estabilidades del dominio carboxilo con el dominio amino, donde este último muestra una mayor estabilidad. En conjunto, los resultados sugieren una relación entre la estabilización de los dominios por medio de la interfase de interacción y la unión del nucleótido con el mecanismo de cambio conformacional de FtsZ.

Carbohydrates play a central role in transport and storage of energy and as molecular building blocks. Additionally, glycoconjugates, specifically glycoproteins and glycolipids, are important components of cell surfaces and the extracellular environment that mediate cellular and molecular interactions. Defects in glycosylation are associated with human diseases while the ability of glycans to modulate immune responses leads to them playing a critical role in susceptibility and resistance to pathogens. This huge amount of glycan structures requires the existence of a diverse group of degrading and remodelling enzymes: glycoside hydrolases (GHs) and glycoside transferases (GTs). GHs and GTs are highly specific enzymes responsible of the hydrolysis (GHs) and formation (GTs) of glycosidic bonds in carbohydrates. They are responsible for the modification of polysaccharides and glycoconjugates involved in numerous biological processes such as pathogenesis mechanisms, cell-cell recognition and polysaccharide degradation for biofuel processing. Knowledge of their enzymatic mechanism at a molecular level is crucial to understand how carbohydrates are assembled/degraded in organisms, as well as in developing new drugs. The detailed characterization of the transition state of the chemical reaction in which they participate, for instance, is key for the development of TS-analog inhibitors, which are known to be very efficient. In recent years, our group has investigated the implications of the conformational changes on the substrate during catalysis in several GHs and has related these changes with the conformations that can be sampled by a single sugar unit (e.g. glucose). This was analyzed by adapting sugar puckering coordinates as collective variables in ab initio metadynamics simulations. These studies are having a significant impact not only in the theoretical community but also in biochemistry and biophysics, because of the possibility to predict substrate catalytic itineraries for GHs. In this thesis, we extend these analyses to other sugar molecules to verify the proposed catalytic itineraries and also to GH inhibitors and sugar oxocarbenium ions to gain insights into transition state mimicry. Unlike GHs, known to operate by means of a double displacement mechanism, the reaction mechanism of retaining GTs is controversial. Both a two-step mechanism (by analogy to retaining glycoside hydrolases) and a one-step mechanism have been proposed and studied by means of quantum mechanics / molecular mechanics (QM/MM) simulations. Here, we applied this methodology to elucidate the catalytic mechanism of an engineered glycoside hydrolase and a glycoside transferase, giving support for a front-face single displacement mechanism.
Los azúcares presentan una gran variabilidad estructural que es aprovechada por los diferentes organismos para realizar una multitud de procesos biológicos, que incluyen el almacenamiento de energía, el reconocimiento y la señalización celular. Las glicosil hidrolasas y glicosil transferasas son las enzimas responsables de la hidrólisis y síntesis, respectivamente, de estos biopolímeros y por lo tanto están presentes en una gran variedad de procesos celulares. Las técnicas de modelado molecular permiten analizar estos procesos biológicos, como por ejemplo la reacción de formación de un enlace entre azúcares, a un nivel atomístico. De esta forma, se pueden describir los cambios conformacionales que se producen en el sustrato al unirse a la enzima, identificar el estado de transición de la reacción química y determinar otros aspectos fundamentales de la catálisis enzimática.