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Title in Portuguese: De aminoácidos a proteínas: medidas e cálculos ab initio de propriedades estruturais e eletrônicas de polimorfos cristalinos de glicina e a interação entre Clorotetraciclina e o receptor TetR
Author: Flores, Marcelo Zimmer Sampaio
Advisor(s): Freire, Valder Nogueira
Co-advisor(s): Cavada, Benildo Sousa
Keywords: Interação receptor litigante
Propriedades óticas
Issue Date: 2007
Citation: FLORES, M. Z. S. De aminoácidos a proteínas: medidas e cálculos ab initio de propriedades estruturais e eletrônicas de polimorfos cristalinos de glicina e a interação entre Clorotetraciclina e o receptor TetR. 2007. 127 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2007.
Abstract in Portuguese: Glicina é o mais simples dos aminoácidos protéicos existentes e o único não quiral, tendo como cadeia lateral um átomo de hidrogênio. Na forma gasosa, ela se apresenta em forma não-iônica, enquanto que em solução ou cristal, ela assume uma forma iônica chamada de zwitterion. Embora em termos moleculares não exista L- ou D-glicina, ela apresenta grande versatilidade em sua forma cristalina, ocorrendo em várias fases polimórficas, dentre as quais as três principais são: ?-, ?- ou ?-glicina, contendo respectivamente quatro, duas e três moléculas por célula unitária. Na presente dissertação, foram realizados cálculos de primeiros princípios baseados na aproximação do gradiente generalizado da teoria do funcional da densidade (DFT-GGA) usando o funcional PBE para as seguintes formas de tratamento dos elétrons de caroço: todos os elétrons (TE), pseudopotenciais ultramacios e pseudopotenciais de norma conservada (NC). Critérios elevados de convergência foram adotados e os resultados estruturais obtidos coincidem satisfatoriamente com os resultados experimentais e teóricos existentes na literatura. A estabilidade cristalina foi estudada tanto pela energia por molécula, quanto pela análise populacional de Mulliken e energias de ligação dos elétrons de caroço. Foi obtida a seqüência ?>?>?, onde ? é o polimorfo mais estável, em detrimento da ordem de estabilidade obtida experimentalmente (?>?>?). Essa discordância, entretanto está em acordo com o já obtido por Chisholm et. al. (J. A. Chisholm et. al., Crystal Growth & Design 5(4), 1437, 2005). A absorção ótica foi calculada, e mostrou que o cristal de ?-glicina apresenta uma menor dependência com a polarização da radiação incidente que os outros polimorfos estudados. Todos os polimorfos apresentaram gaps indiretos na estrutura de banda. Além das simulações teóricas, foram feitas medidas de absorção ótica e espectroscopia de fotoelétron de raios-X (XPS) apenas em cristais de ?-glicina crescidos através do método de evaporação lenta de solvente. Da absorção, foi obtido um gap de energia de 5,11 ± 0.02 eV, enquanto que do XPS foram obtidas as energias de ligação dos elétrons em orbitais profundos para os átomos de C, N e O. Além disso, a análise do XPS detectou a presença de cloro e sódio, em baixas concentrações. A interpretação dos resultados experimentais foi feita comparando com os resultados obtidos teoricamente pelos três métdos descritos acima. A absorção calculada apresenta grande dependência com a polarização da radiação incidente, devido ao arranjo espacial das moléculas de glicina que cria uma resultante dipolar na direção 100. O XPS foi interpretado analisando as densidades parciais de estados eletrônicos obtidas através dos cálculos com TE, além da comparação entre os níveis de orbitais 1s para os átomos não hidrogênio. Nesse caso, a diferença entre os resultados experimentais e os teóricos foi inferior a 5%. Medidas de luminescência foram feitas em cristais de ?-glicina com temperaturas variando de 4 K a 300 K. Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade dependente do tempo foram realizados e permitiram o assinalamento do pico em 3,4 eV no espectro de luminescência como sendo uma assinatura molecular. Por fim, como aplicação, foram calculadas as energias de interação do antibiótico Tetraciclina (Tc) com os resíduos de aminoácidos pertencentes ao sítio de ligação da proteína repressora Tet responsiva à Tc (TetR). Tc são uma família de antibióticos de largo espectro que exibem atividade contra um grande número de bactérias gram-positiva e gram-negativa. As energias de interação foram computadas para todos os resíduos da TetR (aminoácidos do sítio de ligação) interagentes com a Tc, a partir das posições atômicas obtidas experimentalmente e disponibilizadas no Protein Data Bank sob a identificação 2TCT. Os cálculos de energia foram realizados através da teoria do funcional da densidade com a aproximação do gradiente generalizado (DFT-GGA) em conjunto com o funcional híbrido de correlação e troca proposto por Becke-Lee-Yang-Parr (BLYP). Foi usado o conjunto de base numérica dupla com polarização (DNP) com um raio orbital de corte de 4,9 Å. Os resultados obtidos são coerentes com os já propostos, a menos de uma discrepância na interação entre a Met177 e a tetraciclina, que está muito mais intensa que a esperada. Apesar disso, os resultados sugerem que a metodologia empregada possa ser utilizada em outros sistemas, além de sugerir quais modificações na estrutura da Tc podem ser feitas de forma a potencializar a ação antibiótica.
Abstract: Glycine is the simplest among all naturally occurring amino acids, presenting an hydrogen atom in its side chain and for this reason it is the only non-chiral. In its gaseous phase, glycine appears in a non-ionic structure, whereas in solution or crystal, it takes an ionic or zwitterionic form. Although at molecular level, there is no L- or D-glycine, it presents great versatility in its crystalline phase related to the existence of several polymorphs, which the three most studied are: α-, β- or γ-glycine, containing four, two and three molecules per unit cell, respectively. First principles calculations based on the density functional theory within the generalized gradient approach (DFT-GGA) using the PBE functional were performed. Three different approaches for accounting core electrons were used: (i) all electron (AE); (ii) ultra-soft pseudopotencials (USP); and (iii) norm-conserving pseudopotentials. Lattice parameters are in good greement with those previously published from both experimental and theoretical works. The crystal stability was studied by both the energy per molecule and Mulliken populational analysis, accounting also for the core electron binding energy. This way, the stability sequence was taken as α > β > γ, being the α polymorph the most stable structure, which is in agreement with the previously published results by Chisholm et. al. (J. A. Chisholm et. al., Crystal Growth & Design 5(4), 1437, 2005) from DFT simulations. However, this result confronts experimental results, which account for the γ > α > β stability sequence. Optical absorption was computed, showing that γ-glycine presents the lowest dependence with the incident radiation polarization amongst all polymorphs studied. All glycine phases presented indirect band gaps. Optical absorption and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) experiments were made for α-glycine grown by the standard solvent slow evaporation method using ultrapure commercially-obtained glycine powder (> 99%) and Milli-Q water. The absorption spectra showed the existence of a 5, 11 ± 0.02 eV direct energy band gap, and the XPS showed the binding energy for core electrons for non-hydrogen atoms and also showed the presence of chlorine and sodium atoms in α-glycine crystals. These experimental results were interpreted by comparison with first principles calculations. The calculated absorption spectra showed great dependence with the incident radiation polarization, due to the molecular space arrangement, which generates the greatest electric dipole within 100 direction. XPS was interpreted analyzing the partial density of states for every element and functional group obtained by AE calculations, and also by comparing 1s orbital energies for non-hydrogen atoms. The difference between theoretically predicted binding energies was lower than 5%. Luminescence spectra were obtained for temperatures varying from 4 K to 300 K for α-glycine crystals. Time-dependent density functional theory calculations were performed in order to assign molecular signature for the 3,4 eV peak in the luminescence spectra. The present dissertation also includes calculations for binding energies between the Tetracycline (Tc) antibiotic with its binding site at the protein Tet responsive to Tc (TetR). Tc are a family of broad spectrum antibiotics, which exhibits activity against several gam-positive and gram-negative bacteria. The interaction energies were computed for all Tc interacting residues of Tetr, constrained to their atomic positions obtained experimentally, with structure available at Protein Data Bank within ID 2TCT. Energy calculations were performed within DFT-GGA using the hybrid functional proposed by Becke-Lee-Yang-Parr (BLYP) and taking the double numerical plus polarization (DNP) basis set with an orbital cutoff of 4.9 ˚A. Our results are in overall good agreement with previously proposed interaction energies, though Met177 presents a great discrepancy, related to fact that calculations lead to greater interaction intensity than it is expected experimentally. Despite this fact, our results suggest that the methodology employed can be extended to other systems with relative confidence and also, which changes can be made in order to increase the antibiotic activity
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/12376
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