Resumo: Compreender a arquitetura da parede celular e suas modificações por enzimas é necessário para o desenvolvimento de novos materiais e biocombustíveis. Nesta Dissertação, utilizamos simulações computacionais de Dinâmica Molecular para entender as interações físicas da matriz polimérica da parede celular com a celulose e aspectos moleculares de enzimas que atuam sobre polissacarídeos da parede celular. Especificamente, abordamos dois tópicos: (1) adsorção, em celulose, de glucuronoarabinoxilanos, com padrão de ramificação encontrado em coníferas, e (2) estudo da endoglucanase Cel45A do fungo "Phanerochaete chrysosporium" (PcCel45A), que possui alta similaridade com expansinas produzidas em plantas. No tópico (1), mostramos que glucuronoarabinoxilanos adsorvem estavelmente na superfície hidrofílica (110) da celulose, enquanto as ramificações de 'alfa'-1,2-ácido glucurônico estabilizam a adsorção do xilano, as ramificações de 'alfa'-1,3-arabinose aumentam a mobilidade dos diedros glicosídicos e não contribuem para adsorção na superfície hidrofílica da celulose. Simulações com duas cadeias xilana em paralelo mostram que há efeitos cooperativos para adsorção na celulose, causados pelos efeitos de empacotamente e, no caso das cadeias ramificadas, ocorre reticulações entre ramificações 'alfa'-1,2-ácido glucurônico e os íons cálcio. No tópico (2), observamos que a PcCel45A tem alta similaridade com expansinas de plantas e difere de outras enzimas da família GH45 pela falta de loops para ligação ao substrato e por ter uma asparagina, em vez de aspartato, atuando como base catalítica. As simulações mostraram que a PcCel45A compensa a falta de loops com os resíduos hidrofóbicos Trp161 e Tyr74, que reconhecem o substrato via interações de stacking, e pela presença de vários resíduos polares e carregados que fazem ligações de hidrogênio com os grupos hidroximetílicos exocíclicos do substrato. Mutações de tais resíduos causaram redução de afinidade pelo substrato. O mutante do resíduo base Asn99 para Asp não apresenta estabilidade conformacional, com isso o Asp99 não consegue atuar como base em uma catálise enzimática, mesmo possuindo maior basicidade que Asn. O "loop" da base Asn99 apresentou duas conformações distintas, a conformação da estrutura cristalina e uma conformação que permite uma ligação de hidrogênio entre base e ácido catalítico, que pode indicar um mecanismo da enzima para que ocorra a troca de prótons após uma reação catalítica e, assim, voltar à forma ativa. Em conjunto, estes estudos fornecem explicações para fenômenos que ocorrem na parede celular de plantas e para aspectos mecanísticos de enzimas que a modificam e degradam Ver menos

Abstract: Comprehending the plant cell wall architecture and its modification by enzymes is necessary for the development of novel materials and biofuels. In this dissertation, we have employed molecular dynamics computer simulations to understand physical interactions between the plant cell wall polymetic matrix and cellulose, and molecular aspects of cell wall modifying enzymes. In particular, we have studied two topics: (1) adsorption of glucuronoarabinoxylans onto the cellulose surface, with a substitution pattern xylans found in conifers, and (2) the study of the endoglucanase Cel45A from "Phanerochaete chrysosporium" (PcCel45A), which exhibits a high similarity with plant expansins. In the topic (1), we show that glucuronoarabinoxylans stably adsorb onto the hydrophilic surface (110) of the cellulose. Whereas glucuronic acid substitutions are able to stabilize the xylan adsorption, arabinose substitutions cause an increase of flexibility of the glycosidic torsion angles and do not contribute to stabilize the xylan chain on the cellulose surface. Simulations of two xylan chains revealed cooperactivity for the adsorption on the cellulose, caused by packing effects and cross-linking between two glucuronic acids and calcium ions. In the topic (2), we observed that PcCel45A presents a high similarity with plant expansins and differs from other GH45 enzymes by the lack of loops that aid in the substrate binding, and for having an asparagine, instead of an aspartate, acting as catalytic base. The simulations showed that PcCel45A compensates the lack of loops with the presence of hydrophobic residues (Trp161 and Tyr74), which recornize the substrate through stacking interactions, and by the presence of several polar/charged residues that hydrogen bond hydroxymethyl groups of the substrates. Mutations of such residues induced severe decrease of the enzyme-substrate affinity. The catalytic base mutant Asn99Asp exhibited poor conformational stability, so that Asp99 cannot act as a general base in the enzymatic catalysis, even though Asp is more basic than Asn. The loop that contains Asn99 exhibited two distinct conformations: a crystallographic-like conformation and another conformation that allows a hydrogen bond between the catatytic acid and base, suggestign a mechanism of proton exchange from the base to the acid that would restore the enzyme to its active state. Together, these studies provide molecular-level explanations for events that occur within the plant cell wall structure and for mechanistic aspects of enzymes that modify plant cell walls Ver menos