Study of structures, interactions and molecular recognition in carbohydrates using computer simulation.

Neste trabalho métodos de química computacional foram utilizados para estudar, a nível atômico, carboidratos derivados da glicose. Dois sistemas de interesse foram considerados: trehalose e ciclodextrinas. O dissacarídeo trehalose é conhecido por suas propriedades bioprotetoras. Produzida em grandes quantidades em organismos capazes de sobreviver a condições extremamente desfavoráveis, a trehalose desempenha seu papel protetor através da estabilização de bioestruturas como proteínas e membranas. No presente estudo, simulações de dinâmica molecular foram utilizadas para investigar a interação da trehalose com uma proteína e uma membrana. Para investigar a interação trehalose-proteína, simulações de dinâmica molecular da proteína lisozima em solução e temperatura ambiente foram conduzidas na presença e ausência de trehalose. Os resultados mostram que as moléculas de trehalose agrupam-se e movem-se em direção à proteína mas não expelem completamente a água da sua superfície ou formam ligações de hidrogênio. Além disso, a presença do açúcar não reduz significativamente flutuações conformacionas na proteína. A interação trehalose-membrana foi investigada realizando-se simulações de uma bicamada lipídica na ausência e presença de duas concentrações de trehalose em duas temperaturas. Os resultados mostram que o açúcar é capaz de minimizar o efeito destrutivo da temperatura elevada e estabilizar a estrutura da bicamada. A trehalose interage com a membrana formando ligações de hidrogênio, porém, as moléculas de água não são completamente removidas da superfície da biomolécula. Na alta temperatura o efeito protetor da trehalose é correlacionado com um aumento no número de ligações de hidrogênio com a membrana e de moléculas de trehalose conectando três ou mais moléculas lipídicas. Ciclodextrinas são oligossacarídeos cíclicos que apresentam uma cavidade capaz de acomodar e modificar as propriedades de uma grande variedade de moléculas. O comportamento estrutural em solução é determinante para a complexação. Simulações de dinâmica molecular foram realizadas para a três ciclodextrinas naturais (α, β e γ) em solução à temperatura ambiente. Os resultados mostram que a flexibilidade conformacional em água é definida principalmente por flutuações no esqueleto do anel. Ligações de hidrogênio internas entre as hidroxilas secundárias estão presentes em solução e possuem um caráter altamente dinâmico, onde ligações de hidrogênio alternativas são formadas com água. Moléculas de água foram observadas dentro das cavidades e apresentam um tempo de residência nesta região que pode ser vinculado ao tamanho da ciclodextrina.In this work, computer simulation methods were applied to investigate glucose-derived carbohydrates in solution at atomistic resolution. The carbohydrates considered were: trehalose and cyclodextrins. The disaccharide trehalose is well known for its bioprotective properties. Produced in large amounts in organisms able to survive extremely damaging conditions trehalose plays its protective role by stabilizing biostructures such as proteins and lipid membranes. In the present study, molecular-dynamics simulations were used to investigate the interaction of trehalose with a protein and a membrane. To investigate the interaction trehalose-protein molecular-dynamics simulations of the protein lysozyme in solution have been carried out in the presence and in the absence of trehalose at room temperature. The results show that the trehalose molecules cluster and move towards the protein, but do neither completely expel water from its surface, nor form hydrogen bonds. Furthermore, the coating by trehalose does not significantly reduce the conformational fluctuations of the protein. The interaction trehalose-membrane was investigated performing simulations of a lipid bilayer in the absence and in the presence of trehalose at two different concentrations and temperatures. The results show that trehalose is able to minimize the disruptive effect of elevated temperature and stabilize the bilayer structure. Trehalose is found to interact directly with the bilayer through hydrogen bonds. However, the water molecules at the bilayer surface are not completely replaced. At high temperature the protective effect of trehalose is correlated with an increase in the number of hydrogen bonds with the bilayer and of trehalose molecules bridging three or more lipid molecules. Cyclodextrins are cyclic oligosaccharides presenting a cavity able to accommodate and modify the properties of a huge variety of molecules. Their structural behavior in solution is determinant for the complexation abilities. Molecular dynamics simulations have been performed in solution for the three natural (α, β and γ) cyclodextrins at room temperature. Results show that the conformational flexibility in solution is mainly defined by variations in the ring backbone of these molecules. Interglucose secondary hydrogen bonds are present in solution and show a very dynamical character, where alternative hydrogen bonds to water molecules are present. Water molecules were found to exist inside the cavities and present residence times in this region that is dependent on the size of the cyclodextrin molecule