Modelação molecular de associações entre aniões e receptores sintéticos

A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface.

Estudo de receptores sintéticos no reconhecimento molecular de substratos aniónicos e iões metálicos

O trabalho descrito insere-se no âmbito da Química Supramolecular e consistiu no desenvolvimento de receptores artificiais, na forma protonada ou complexada, para o reconhecimento molecular de substratos aniónicos derivados de ácidos carboxílicos incluindo os herbicidas PMG2-, ATCP- e 2,4-D-. Foram investigadas duas séries de aniões, uma alifática (ox2-, mal2-, suc2-, glu2-, adip2-, cit3- e cta3-) e outra aromática (bzc-, naphc-, anthc-, pyrc-, ph2-, iph2-, tph2-, btc3-, dihyac2-, 4,4-dibzc2-, 3-nitrobzc- e 4-nitrobzc-). Foram sintetizados sete novos ligandos macrocíclicos simétricos constituídos por anéis aromáticos piridina ou fenantrolina ligados por cadeias de poliaminas saturadas. O comportamento ácido-base destes macrociclos foi investigado em solução aquosa e as constantes de protonação correspondentes determinadas por métodos potenciométricos e de RMN de 1H. As propriedades de complexação destes ligandos com os iões metálicos Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+ e Pb2+ foram também estudadas por métodos potenciométricos nas mesmas condições experimentais, tendo revelado que os macrociclos de dimensão média são capazes de acomodar um ou dois iões metálicos. O complexo dinuclear de Cu(II) derivado do macrociclo com dois grupos piridina foi utilizado como receptor de aniões carboxilato originando complexos ternários. Todos os complexos foram caracterizados em solução por espectroscopias de UV/vis/IVpróx e de RMN. As espécies paramagnéticas foram também caracterizadas por espectroscopia de RPE. A formação de espécies ternárias foi ainda investigada por espectrometria de massa ESI-MS e ESI-MS/MS. As estruturas cristalinas de alguns dos complexos foram determinadas por difracção de raios-X. As formas protonadas dos macrociclos foram utilizadas como receptores de uma grande variedade de aniões carboxilato. O reconhecimento molecular entre os receptores e os substratos aniónicos foi investigado em solução por métodos potenciométricos e de espectroscopia de RMN com determinação das constantes de associação. Os agregados supramoleculares foram caracterizados no estado sólido por difracção de raios-X. Finalmente as associações supramoleculares foram estudadas em solução por métodos de dinâmica molecular com determinação dos termos entrópicos e entálpicos das energias livres de ligação. Em resumo, nesta tese apresentam-se os resultados de estudos realizados com duas famílias de macrociclos: desde a síntese dos compostos, passando por estudos em solução e finalizando com simulação molecular. Este estudo sistemático através da conjugação de metodologias complementares permitiu caracterizar ao nível macroscópico e microscópico as associações moleculares.

Molecular diversity and transferability of integrons from wastewaters

Na evolução bacteriana, a capacidade de explorar novos ambientes e de responder a diferentes pressões selectivas deve-se principalmente à aquisição de novos genes por transferência horizontal. Integrões são elementos genéticos bacterianos que constituem sistemas naturais de captura e expressão de cassetes de genes, sendo um dos principais mecanismos bacterianos envolvidos na aquisição de resistências a antibióticos. Estudos recentes suportam a hipótese de que os ambientes naturais constituem importantes reservatórios de integrões e cassetes de genes. Uma vez que as águas residuais são descarregadas em receptores naturais, torna-se fundamental conhecer a presença e dispersão de integrões nestes ambientes, assim como a sua associação a outros elementos genéticos móveis e a genes de resistências a antibióticos. Neste trabalho, pretendeu-se avaliar a prevalência e diversidade de integrões em águas residuais de origem animal e doméstica, bem como a sua associação a plasmídeos conjugativos, usando metodologias dependentes e independentes do cultivo de microrganismos em laboratório. Os resultados obtidos sustentam assim a hipótese de que ambientes particularmente ricos em matéria orgânica, como é o caso das águas residuais, constituem ambientes propícios à presença de integrões e à ocorrência de transferência horizontal de genes de resistência a antibióticos, embora a sua prevalência e diversidade seja influenciada pelo tipo de efluente em questão. A presença de integrões em estações de tratamento de águas residuais, e em especial nos efluentes tratados, constitui assim um factor preocupante, uma vez que tal contribui para a sua disseminação e dispersão por outros ecossistemas aquáticos, nomeadamente rios e mares. Os métodos utilizados permitiram também detectar uma elevada diversidade de cassetes de genes associadas a integrões, sendo possível que algumas dessas sequências codifiquem para proteínas que desempenhem um importante papel na adaptação bacteriana às intensas pressões selectivas características deste tipo de ambientes. Assim, é possível concluir que as comunidades bacterianas presentes em águas residuais reúnem diferentes tipos de elementos geneticamente móveis que desempenham um importante papel não só na adaptação bacteriana, mas também na disseminação de determinantes genéticos de resistência para ambientes naturais. Adicionalmente, a presença de potenciais proteínas com possíveis aplicações biotecnológicas reforça a importância das águas residuais como fontes de diversidade funcional. Este trabalho incluiu também a criação e implementação da base de dados INTEGRALL, desenvolvida com o intuito de congregar informação acerca de integrões e de uniformizar a nomenclatura de cassetes de genes.

Síntese de azacalixarenos para o reconhecimento molecular de aniões

No âmbito desta dissertação são apresentados novos recetores sintéticos baseados na plataforma macrocíclica tetraazacalix[2]areno[2]triazina incorporando bases de purina ou unidades de aminoácidos naturais. Estes recetores foram preparados tendo como objectivo o reconhecimento seletivo de fármacos e aniões biologicamente relevantes. No primeiro capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica sobre recetores derivados de tetraazacalix[2]areno[2]triazina demonstrando-se que a funcionalização desta plataforma, nos anéis de triazina ou nos anéis benzénicos, encontra-se ainda na infância bem como a investigação das suas afinidades para aniões. Subsequentemente, considerando os aniões principais estudados nesta tese, aniões carboxilatos alifáticos, aromáticos e aminoácidos é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os estudos de reconhecimento molecular reportados na literatura, entre derivados de calix[4]areno e este tipo de aniões. No segundo capítulo descrevem-se as sínteses de recetores com uma ou duas unidades de aminoácido, L-alanina (AC1A, AC2A) e L-triptofano (AC2T), ancoradas nos anéis benzénicos da plataforma tetraazacalix[2]areno[2]triazina. Como demostrado no capítulo 3, os grupos N-H dos azotos em ponte são locais de reconhecimento de aniões. Neste contexto, estes macrociclos foram também metilados nos azotos em ponte (Me4AC2A e Me4AC2T) de modo a direcionar o reconhecimento cooperativo de aniões exclusivamente através dos grupos N-H das unidades de aminoácidos. A lipofilicidade destas moléculas foi alterada por substituição dos átomos de cloro das triazinas por dihexilamina. Os compostos sintetizados foram caracterizados através de técnicas espetroscópicas complementadas em alguns compostos por difração de raios X de cristal único. No capítulo 3 apresentam-se os estudos de reconhecimento molecular entre os recetores sintetizados e aniões derivados de ácidos carboxílicos (mono, di e tricarboxílicos) alifáticos, aromáticos, isoméricos e aniões inorgânicos. Estes estudos foram efetuados em DMSO-d6 ou em CDCl3 por titulações de RMN de 1H com determinação das respetivas constantes de associação. Para os recetores AC1A e AC2A o reconhecimento da maioria dos aniões estudados ocorre simultaneamente através dos grupos N-H dos azotos em ponte e do N-H da amida do braço da L-alanina. Contudo, no caso do isoftalato e tricarboxilato, com dois e três grupos carboxilato em posição meta, ocorre preferencialmente através dos dois braços de L-alanina como sugerido por estudos de dinâmica molecular em DMSO. Os estudos de associação realizados para os macrociclos que contêm unidades de L-triptofano, AC2T e Me4AC2T, mostraram que o reconhecimento de aniões é efetuado preferencialmente através de ligações de hidrogénio estabelecidas com os grupos amida e amina do grupo indole dos braços de aminoácido em detrimento das aminas em ponte como em AC1A e AC2A. Para a série dos carboxilatos alifáticos verifica-se que o recetor Me4AC2A tem maior afinidade com o anião glutarato (K= 389 M-1, DMSO-d6) enquanto o recetor Me4AC2T associa-se mais fortemente com o anião oxalato (K= 776 M-1, CDCl3). Todas as Job plots efetuadas confirmaram que as entidades estudadas obedeciam a uma estequiometria recetor/anião de 1:1.

Association between common lipid metabolism genes polymorphisms and sporadic colorectal adenocarcinoma risk

Lipids can modulate the risk of developing sporadic colorectal adenocarcinoma (SCA), since alterations into lipid metabolism and transport pathways influence directly cholesterol and lipids absorption by colonic cells and indirectly reactive oxygen species (ROS) synthesis in rectum cells due to lipid accumulation. Lipid metabolism is regulated by several proteins APOA1, APOB, APOC3, APOE, CETP, NPY, PON1 and PPARG that could influence both metabolism and transport processes. Is been reported that several common single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in these genes could influence their function and/or expression, changing lipid metabolism balance. Thus, genetic changes in those genes can influence SCA development, once the majority of them were never studied in this disease. Furthermore, there are contradictory results between some studied polymorphisms and SCA risk. Thus, the aim of this study was to explore and describe lipid metabolism-associated genes common polymorphisms (APOA1 -75 G>A; APOB R3500Q; APOC3 C3175G, APOC3 T3206G; APOE Cys112/158Arg; CETP G279A, CETP R451Q; NPY Leu7Pro; PON1 Q192R; PPARG Pro12Ala) status among SCA, and their relationship with SCA risk. Genotyping of common lipid metabolism genes polymorphisms (APOA1 75 G>A; APOB R3500Q; APOC3 C3175G, APOC3 T3206G; APOE Cys112/158Arg; CETP G279A, CETP R451Q; NPY Leu7Pro; PON1 Q192R; PPARG Pro12Ala) were done by PCR-SSP techniques, from formalin-fixed and paraffin-embedded biopsies of 100 healthy individuals and 68 SCA subjects. Mutant genotypes of APOA1 -75AA (32% vs 12%; p=0.001; OR=3.51; 95% CI 1.59-7.72); APOB 3500AA (7% vs 0%; p=0.01); APOC3 3175GG (19% vs 2%; p=0.0002; OR=11.58; 95% CI 2.52-53.22), APOC3 3206GG (19% vs 0%; p<0.0001); CETP 279AA (12% vs 1%; p=0.003; OR=13.20; 95% CI 1.61-108.17), CETP 451AA (16% vs 0%; p<0.0001); NPY 7CC (15% vs 0%; p<0.0001); PPARG 12GG (10% vs 0%; p=0.001); and heterozygote genotype PON1 192AG (56% vs 22%; p<0.0001; OR=4.49; 95% CI 2.298.80) were found associated with SCA prevalence. While, APOE E4/E4 (0% vs 8%; p=0.02) mutant haplotype seemed to have a protective effect on SCA. Moreover, it also been founded differences between APOB 3500GA, APOC3 3206TG, CETP 279AA genotypes and PPARG 12Ala allele prevalence and tissue localization (colon vs rectum). These findings suggest a positive association between most of common lipid metabolism genes polymorphisms studied and SCA prevalence. Dysregulation of APOA1, APOB, APOC3, CETP, NPY, PON1 and PPARG genes could be associated with lower cholesterol plasma levels and increase ROS among colon and rectum mucosa. Furthermore, these results also support the hypothesis that CRC is related with intestinal lipid absorption decrease and secondary bile acids production increase. Moreover, the polymorphisms studied may play an important role as biomarkers to SCA susceptibility.

Association between common lipid metabolism genes polymorphisms and sporadic colorectal adenocarcinoma risk

Lipids can modulate the risk of developing sporadic colorectal adenocarcinoma (SCA), since alterations into lipid metabolism and transport pathways influence directly cholesterol and lipids absorption by colonic cells and indirectly reactive oxygen species (ROS) synthesis in rectum cells due to lipid accumulation. Lipid metabolism is regulated by several proteins APOA1, APOB, APOC3, APOE, CETP, NPY, PON1 and PPARG that could influence both metabolism and transport processes. Is been reported that several common single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in these genes could influence their function and/or expression, changing lipid metabolism balance. Thus, genetic changes in those genes can influence SCA development, once the majority of them were never studied in this disease. Furthermore, there are contradictory results between some studied polymorphisms and SCA risk. Thus, the aim of this study was to explore and describe lipid metabolism-associated genes common polymorphisms (APOA1 -75 G>A; APOB R3500Q; APOC3 C3175G, APOC3 T3206G; APOE Cys112/158Arg; CETP G279A, CETP R451Q; NPY Leu7Pro; PON1 Q192R; PPARG Pro12Ala) status among SCA, and their relationship with SCA risk. Genotyping of common lipid metabolism genes polymorphisms (APOA1 75 G>A; APOB R3500Q; APOC3 C3175G, APOC3 T3206G; APOE Cys112/158Arg; CETP G279A, CETP R451Q; NPY Leu7Pro; PON1 Q192R; PPARG Pro12Ala) were done by PCR-SSP techniques, from formalin-fixed and paraffin-embedded biopsies of 100 healthy individuals and 68 SCA subjects. Mutant genotypes of APOA1 -75AA (32% vs 12%; p=0.001; OR=3.51; 95% CI 1.59-7.72); APOB 3500AA (7% vs 0%; p=0.01); APOC3 3175GG (19% vs 2%; p=0.0002; OR=11.58; 95% CI 2.52-53.22), APOC3 3206GG (19% vs 0%; p<0.0001); CETP 279AA (12% vs 1%; p=0.003; OR=13.20; 95% CI 1.61-108.17), CETP 451AA (16% vs 0%; p<0.0001); NPY 7CC (15% vs 0%; p<0.0001); PPARG 12GG (10% vs 0%; p=0.001); and heterozygote genotype PON1 192AG (56% vs 22%; p<0.0001; OR=4.49; 95% CI 2.298.80) were found associated with SCA prevalence. While, APOE E4/E4 (0% vs 8%; p=0.02) mutant haplotype seemed to have a protective effect on SCA. Moreover, it also been founded differences between APOB 3500GA, APOC3 3206TG, CETP 279AA genotypes and PPARG 12Ala allele prevalence and tissue localization (colon vs rectum). These findings suggest a positive association between most of common lipid metabolism genes polymorphisms studied and SCA prevalence. Dysregulation of APOA1, APOB, APOC3, CETP, NPY, PON1 and PPARG genes could be associated with lower cholesterol plasma levels and increase ROS among colon and rectum mucosa. Furthermore, these results also support the hypothesis that CRC is related with intestinal lipid absorption decrease and secondary bile acids production increase. Moreover, the polymorphisms studied may play an important role as biomarkers to SCA susceptibility.