Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

Magnitude of climate variability during middle Pliocene warmth: a palaeoclimate modelling study

The nature and magnitude of climatic variability during the period of middle Pliocene warmth (ca 3.29–2.97 Ma) is poorly understood. We present a suite of palaeoclimate modelling experiments incorporating an advanced atmospheric general circulation model (GCM), coupled to a Q-flux ocean model for 3.29, 3.12 and 2.97 Ma BP. Astronomical solutions for the periods in question were derived from the Berger and Loutre BL2 astronomical solution. Boundary conditions, excluding sea surface temperatures (SSTs) which were predicted by the slab-ocean model, were provided from the USGS PRISM2 2°×2° digital data set. The model results indicate that little annual variation (0.5°C) in SSTs, relative to a ‘control’ experiment, occurred during the middle Pliocene in response to the altered orbital configurations. Annual surface air temperatures also displayed little variation. Seasonally, surface air temperatures displayed a trend of cooler temperatures during December, January and February, and warmer temperatures during June, July and August. This pattern is consistent with altered seasonality resulting from the prescribed orbital configurations. Precipitation changes follow the seasonal trend observed for surface air temperature. Compared to present-day, surface wind strength and wind stress over the North Atlantic, North Pacific and Southern Ocean remained greater in each of the Pliocene experiments. This suggests that wind-driven gyral circulation may have been consistently greater during the middle Pliocene. The trend of climatic variability predicted by the GCM for the middle Pliocene accords with geological data. However, it is unclear if the model correctly simulates the magnitude of the variation. This uncertainty is derived from, (a) the relative insensitivity of the GCM to perturbation in the imposed boundary conditions, (b) a lack of detailed time series data concerning changes to terrestrial ice cover and greenhouse gas concentrations for the middle Pliocene and (c) difficulties in representing the effects of ‘climatic history’ in snap-shot GCM experiments.

Assessing the sources and magnitude of diurnal nitrate variability in the San Joaquin River (California) with an in-situ optical nitrate sensor and dual nitrate isotopes

We investigated diurnal nitrate (NO3-) concentration variability in the San Joaquin River using an in situ optical NO3- sensor and discrete sampling during a 5-day summer period characterized by high algal productivity. Dual NO3- isotopes (delta N-15(NO3) and delta O-18(NO3)) and dissolved oxygen isotopes (delta O-18(DO)) were measured over 2 days to assess NO3- sources and biogeochemical controls over diurnal time-scales. Concerted temporal patterns of dissolved oxygen (DO) concentrations and delta O-18(DO) were consistent with photosynthesis, respiration and atmospheric O-2 exchange, providing evidence of diurnal biological processes independent of river discharge. Surface water NO3- concentrations varied by up to 22% over a single diurnal cycle and up to 31% over the 5-day study, but did not reveal concerted diurnal patterns at a frequency comparable to DO concentrations. The decoupling of delta N-15(NO3) and delta O-18(NO3) isotopes suggests that algal assimilation and denitrification are not major processes controlling diurnal NO3- variability in the San Joaquin River during the study. The lack of a clear explanation for NO3- variability likely reflects a combination of riverine biological processes and time-varying physical transport of NO3- from upstream agricultural drains to the mainstem San Joaquin River. The application of an in situ optical NO3- sensor along with discrete samples provides a view into the fine temporal structure of hydrochemical data and may allow for greater accuracy in pollution assessment.