Sobre les relacions lineals d'energia lliure: mesures de semblança molecular quàntica sobre funcions de densitat electrònica modificad

En aquest treball es presenta l'ús de funcions de densitat electrònica de forat de Fermi per incrementar el paper que pren una regió molecular concreta, considerada com a responsable de la reactivitat molecular, tot i mantenir la mida de la funció de densitat original. Aquestes densitats s'utilitzen per fer mesures d'autosemblança molecular quàntica i es presenten com una alternativa a l'ús de fragments moleculars aillats en estudis de relació entre estructura i propietat. El treball es complementa amb un exemple pràctic, on es correlaciona l'autosemblanca molecular a partir de densitats modificades amb l'energia d'una reacció isodòsmica

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

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.

Context-aware visual exploration of molecular databases

Facilitating the visual exploration of scientific data has received increasing attention in the past decade or so. Especially in life science related application areas the amount of available data has grown at a breath taking pace. In this paper we describe an approach that allows for visual inspection of large collections of molecular compounds. In contrast to classical visualizations of such spaces we incorporate a specific focus of analysis, for example the outcome of a biological experiment such as high throughout screening results. The presented method uses this experimental data to select molecular fragments of the underlying molecules that have interesting properties and uses the resulting space to generate a two dimensional map based on a singular value decomposition algorithm and a self organizing map. Experiments on real datasets show that the resulting visual landscape groups molecules of similar chemical properties in densely connected regions.

Bis(hydroxy-isoindolinone)s: synthesis, stereochemistry, polymer chemistry, and supramolecular assembly

Pseudoacid chlorides of 2,5-bis(4-fluorobenzoyl) terephthalic acid and 4,6-bis(4-fluorobenzoyl) isophthalic acid condense with primary amines to afford diastereomeric bis(hydroxyindolinone)s in good isolated yields and with diamines to give high molecular weight poly(hydroxyindolinone)s. Bis-N-pyrenemethyl bis(hydroxyindolinone)s assemble, even in dipolar solvents such as DMSO, with macrocyclic diimide-sulfones to give [3]pseudorotaxanes stabilized by electronically complementary aromatic π−π-stacking and shape-complementary van der Waals interactions.

The origin, molecular regulation and therapeutic potential of myogenic stem cell populations

Satellite cells, originating in the embryonic dermamyotome, reside beneath the myofibre of mature adult skeletal muscle and constitute the tissue-specific stem cell population. Recent advances following the identification of markers for these cells (including Pax7, Myf5, c-Met and CD34) (CD, cluster of differentiation; c-Met, mesenchymal epithelial transition factor) have led to a greater understanding of the role played by satellite cells in the regeneration of new skeletal muscle during growth and following injury. In response to muscle damage, satellite cells harbour the ability both to form myogenic precursors and to self-renew to repopulate the stem cell niche following myofibre damage. More recently, other stem cell populations including bone marrow stem cells, skeletal muscle side population cells and mesoangioblasts have also been shown to have myogenic potential in culture, and to be able to form skeletal muscle myofibres in vivo and engraft into the satellite cell niche. These cell types, along with satellite cells, have shown potential when used as a therapy for skeletal muscle wasting disorders where the intrinsic stem cell population is genetically unable to repair non-functioning muscle tissue. Accurate understanding of the mechanisms controlling satellite cell lineage progression and self-renewal as well as the recruitment of other stem cell types towards the myogenic lineage is crucial if we are to exploit the power of these cells in combating myopathic conditions. Here we highlight the origin, molecular regulation and therapeutic potential of all the major cell types capable of undergoing myogenic differentiation and discuss their potential therapeutic application.

Ribonucleocapsid formation of severe acute respiratory syndrome coronavirus through molecular action of the N-terminal domain of N protein

Conserved among all coronaviruses are four structural proteins: the matrix (M), small envelope (E), and spike (S) proteins that are embedded in the viral membrane and the nucleocapsid phosphoprotein (N), which exists in a ribonucleoprotein complex in the lumen. The N-terminal domain of coronaviral N proteins (N-NTD) provides a scaffold for RNA binding, while the C-terminal domain (N-CTD) mainly acts as oligomerization modules during assembly. The C terminus of the N protein anchors it to the viral membrane by associating with M protein. We characterized the structures of N-NTD from severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) in two crystal forms, at 1.17 A (monoclinic) and at 1.85 A (cubic), respectively, resolved by molecular replacement using the homologous avian infectious bronchitis virus (IBV) structure. Flexible loops in the solution structure of SARS-CoV N-NTD are now shown to be well ordered around the beta-sheet core. The functionally important positively charged beta-hairpin protrudes out of the core, is oriented similarly to that in the IBV N-NTD, and is involved in crystal packing in the monoclinic form. In the cubic form, the monomers form trimeric units that stack in a helical array. Comparison of crystal packing of SARS-CoV and IBV N-NTDs suggests a common mode of RNA recognition, but they probably associate differently in vivo during the formation of the ribonucleoprotein complex. Electrostatic potential distribution on the surface of homology models of related coronaviral N-NTDs suggests that they use different modes of both RNA recognition and oligomeric assembly, perhaps explaining why their nucleocapsids have different morphologies.

Time course of gag protein assembly in HIV-1-infected cells: a study by immunoelectron microscopy

Recent biochemical studies have identified high molecular complexes of the HIV Gag precursor in the cytosol of infected cells. Using immunoelectron microscopy we studied the time course of the synthesis and assembly of a HIV Gag precursor protein (pr55gag) in Sf9 cells infected with recombinant baculovirus expressing the HIV gag gene. We also immunolabeled for pr55gag human T4 cells acutely or chronically infected with HIV-1. In Sf9 cells, the time course study showed that the first Gag protein appeared in the cytoplasm at 28-30 h p.i. and that budding started 6-8 h later. Colloidal gold particles, used to visualize the Gag protein, were first scattered randomly throughout the cytoplasm, but soon clusters representing 100 to 1000 copies of pr55gag were also observed. By contrast, in cells with budding or released virus-like particles the cytoplasm was virtually free of gold particles while the released virus-like particles were heavily labeled. Statistical analysis showed that between 80 and 90% of the gold particles in the cytoplasm were seen as singles, as doublets, or in small groups of up to five particles probably representing small oligomers. Clusters of gold particles were also observed in acutely infected lymphocytes as well as in multinuclear cells of chronically infected cultures of T4 cells. In a few cases small aggregates of gold particles were found in the nuclei of T4 lymphocytes. These observations suggest that the Gag polyprotein forms small oligomers in the cytoplasm of expressing cells but that assembly into multimeric complexes takes place predominantly at the plasma membrane. Large accumulations of Gag protein in the cytoplasm may represent misfolded molecules destined for degradation.

A novel self-healing supramolecular polymer system

Utilising supramolecular pi-pi stacking interactions to drive miscibility in two-component polymer blends offers a novel approach to producing materials with unique properties. We report in this paper the preparation of a supramolecular polymer network that exploits this principle. A low molecular weight polydiimide which contains multiple pi-electron-poor receptor sites along its backbone forms homogeneous films with a siloxane polymer that features pi-electron-rich pyrenyl end-groups. Compatibility results from a complexation process that involves chain-folding of the polydiimide to create an optimum binding site for the pi-electron-rich chain ends of the polysiloxane. These complementary pi-electron-rich and -poor receptors exhibit rapid and reversible complexation behaviour in solution, and healable characteristics in the solid state in response to temperature. A mechanism is proposed for this thermoreversible healing behaviour that involves disruption of the intermolecular pi-pi stacking cross-links as the temperature of the supramolecular film is increased. The low T-g siloxane component can then flow and as the temperature of the blend is decreased, pi-pi stacking interactions drive formation of a new network and so lead to good damage-recovery characteristics of the two-component blend.

Construction of Helical Nanofibers from Self-Assembling Pseudopeptide Building Blocks: Modulating the Handedness and Breaking the Helicity

Helical nanofibers are successfully constructed from suitable self-assembling pseudopeptide-based molecular building blocks. The handedness of these nanofibers can be reversed by using mirror-imaged pseudopeptide-based building blocks. Straight nanofibers are also constructed by modulating the molecular and supramolecular structures by the proper choice of the stereochemical nature of the molecular scaffolds. This study demonstrates that molecular structure and chirality are not the only determining factors for tuning the morphology and chirality of nanostructures; the nature of the supramolecular structures formed from the corresponding molecular scaffolds also plays a key role in dictating the shape and chirality of nanostructures. Helical nanofibers are suitable templates for fabricating dipeptide-capped gold nanoparticles, indicating a possible use of these nanofibers in the construction of arrays of gold nanoparticles.

Correlation-type structure activity relationships for the kinetics of gas-phase RO2 self-reactions and reaction with HO2

Structure activity relationships (SARs) are presented for the gas-phase reactions of RO2 with HO2, and the self- and cross-reactions of RO2. For RO2+HO2 the SAR is based upon a correlation between the logarithm of the measured rate coefficient and a calculated ionisation potential for the molecule R-CH=CH2, R being the same group in both the radical and molecular analogue. The correlation observed is strong and only for one RO2 species does the measured rate coefficient deviate by more than a factor of two from the linear least-squares regression line. For the self- and cross-reactions of RO2 radicals, the SAR is based upon a correlation between the logarithm of the measured rate coefficient and the calculated electrostatic potential (ESP) at the equivalent carbon atom in the RH molecule to which oxygen is attached in RO2, again R being the same group in the molecule and the radical. For cases where R is a simple alkyl-group, a strong linear correlation observed. For RO2 radicals which contain lone pair-bearing substituents and for which the calculated ESP<-0.05 self-reaction rate coefficients appear to be insensitive to the value of the ESP. For RO2 of this type with ESP>-0.05 a linear relationship between log k and the ESP is again observed. Using the relationships, 84 out of the 85 rate coefficients used to develop the SARs are predicted to within a factor of three of their measured values. A relationship is also presented that allows the prediction of the Arrhenius parameters for the self-reactions of simple alkyl RO2 radicals. On the basis of the correlations, predictions of room-temperature rate coefficients are made for a number of atmospherically important peroxyl-peroxyl radical reactions. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

New copper(I) cyanide networks: interpenetration, self-penetration and polymorphism

The structures Of four alkali-metal copper (I) cyanides, KCu2(CN)(3)(H2O)-H-.-II (I), K2Cu3(CN)(5) (II), CsCu3(CN)(4) (III) and KCu3(CN)(4) (IV) are described. Three of these, ((II)-(IV)), with previously unknown ACN:CuCN ratios have new copper-cyanide frameworks, whilst (1) is a new polymorph of KCu2(CN)(3)(H2O)-H-.. These structures are discussed in terms of assembly from the simple building units Cu(CN)(2/2), Cu(CN)(3/2), Cu(CN)(2/2)(CN)(1/1) and Cu(CN)(4/2). Compounds (I), (II) and (III) are layered materials based on (6,3) nets containing (CuCN)(6) rings (I) and (CuCN)(8) rings (II) and (III). In compound (IV), (4,4) nets containing (CuCN)(12) rings link to generate a three-dimensional network. Both (III) and (IV) are examples of interpenetrating solids in which two and four identical networks interweave, respectively. These materials illustrate the structural versatility of copper (I) in cyanide frameworks. (c) 2006 Elsevier SAS. All rights reserved.

Supramolecular beta-sheet and nanofibril formation by self-assembling tripeptides containing an N-terminally located gamma-aminobutyric acid residue

Three terminally protected tripeptides Boc-gamma-Abu-Val-Leu-OMe 1, Boc-gamma-Abu-Leu-Phe-OMe 2 and Boc-gamma-Abu-Val-Tyr-OMe 3 (gamma-Abu = gamma-aminobutyric acid) each containing an N-terminally positioned gamma-aminobutyric acid residue have been synthesized, purified and studied. FT-IR studies of all these peptides revealed that these peptides form intermolecularly hydrogen bonded supramolecular beta-sheet structures. Peptides 1, 2 and 3 adopt extended backbone beta-strand molecular structures in crystals. Crystal packing of all these peptides demonstrates that these beta-strand structures self-assemble to form intermolecularly H-bonded parallel beta-sheet structures. Peptide 3 uses a side chain tyrosyl -OH group as an additional hydrogen bonding functionality in addition to the backbone CONH groups to pack in crystals. Transmission electron microscopic studies of all peptides indicate that they self-assemble to form nanofibrillar structures of an average diameter of 65 nm. These peptide fibrils exhibit amyloid-like behavior as they bind to a physiological dye Congo red and show a characteristic green-gold birefringence under polarizing microscope.

Detection of neural correlates of self-paced motor activity using empirical mode decomposition phase locking analysis

Transient episodes of synchronisation of neuronal activity in particular frequency ranges are thought to underlie cognition. Empirical mode decomposition phase locking (EMDPL) analysis is a method for determining the frequency and timing of phase synchrony that is adaptive to intrinsic oscillations within data, alleviating the need for arbitrary bandpass filter cut-off selection. It is extended here to address the choice of reference electrode and removal of spurious synchrony resulting from volume conduction. Spline Laplacian transformation and independent component analysis (ICA) are performed as pre-processing steps, and preservation of phase synchrony between synthetic signals. combined using a simple forward model, is demonstrated. The method is contrasted with use of bandpass filtering following the same preprocessing steps, and filter cut-offs are shown to influence synchrony detection markedly. Furthermore, an approach to the assessment of multiple EEG trials using the method is introduced, and the assessment of statistical significance of phase locking episodes is extended to render it adaptive to local phase synchrony levels. EMDPL is validated in the analysis of real EEG data, during finger tapping. The time course of event-related (de)synchronisation (ERD/ERS) is shown to differ from that of longer range phase locking episodes, implying different roles for these different types of synchronisation. It is suggested that the increase in phase locking which occurs just prior to movement, coinciding with a reduction in power (or ERD) may result from selection of the neural assembly relevant to the particular movement. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.