Computational Modeling Methods for Understanding the Interaction of Lignin and Its Derivatives with Oxidoreductases as Biocatalysts

This chapter will be presented as follow. First, a brief introduction to structure and characterization of lignin and its derivatives is presented, as well as their importance as chemical scaffolds for obtaining value-added products in chemical, food, pharmaceutical and agriculture industry. Second, an extensive review of different reports using computational modeling methods—like molecular dynamics simulations, quantum mechanics and hybrid calculation methods, among others—in the understanding of enzyme-substrate interaction and biocatalysis will be presented. Third, and as last part of chapter, some hand picked examples from literature will be chosen as successful cases where the interplay between experiment and computation has given as a result protein engineered oxidoreductases with improved catalytic capabilities

Estudio computacional de la distribución del fluoróforo 7-[(6-bromohexilo)oxi]-2H-2-cromenona en una bicapa lipídica por Dinámica Molecular

54 p.Las cumarinas son una familia de moléculas que exhiben un amplio rango de actividades biológicas y propiedades de emisión de fluorescencia. Los derivados de las cumarinas se pueden utilizar como sondas fluorescentes altamente eficaces para el estudio biofísico de bicapas lipídicas y también como sensores de especies reactivas del oxígeno (ROS) capaces de detectar la peroxidación de lípidos, lo cual es uno de los procesos celulares más graves y degenerativos para la membrana lipídica. Las técnicas de fluorescencia son herramientas experimentales convenientes para el estudio de estos procesos en la membrana. Con el objetivo de obtener información detallada acerca de la perturbación en la estructura lipídica y la localización de la sonda fluorescente en la membrana, se ha realizado en este trabajo un estudio a nivel atómico mediante el método de dinámica molecular. Específicamente se describe el proceso de inserción y ubicación de las sondas fluorescentes derivadas de cumarinas (1) 3-acetil-7-[(6-romohexil)oxi]-2H-2-cromenona, (2) 7-[(6-bromohexil)oxi]-4-metil-2H-2-cromenona y (3) etil{7-[(6-bromohexil)oxi]-2-oxo-2H-2-cromen-4-il}acetato en una bicapa lipídica de 1-palmitoil-2-oleoil-sn-glicero-3-fosfocolina (POPC) completamente hidratada y se proporciona información detallada acerca de la ubicación de las mismas.A partir de los resultados obtenidos en dinámica molecular, ha sido posible determinar la posición de estas bromo-cumarinas, las cuales se localizan en la región de las cadenas carbonadas de los fosfolípidos, o en una zona más cercana de la superficie de la membrana. El grupo 6-bromohexiloxi se localiza en la matriz hidrofóbica de POPC y el grupo cumarina se encuentra interactuando cerca de la parte polar de la membrana. Las trayectorias obtenidas muestran que los tres compuestos se incluyen espontáneamente en la membrana, siendo el compuesto 3 el de mayor grado de inclusión. Además se observo cambios considerables en la estructura y conformación de la membrana POPC en presencia de estos compuestos.Palabras claves: Cumarinas, Sondas Fluorescentes, Membrana, Dinámica Molecular, Parametrización./ABSTRACT: Coumarins are a family of molecules that exhibit a wide range of biological activities and fluorescence emission properties. Coumarins derivatives can be used as highly efficient fluorescent probes for studying lipid bilayers biophysical and also as sensors reactive oxygen species (ROS) capable of detecting the lipid peroxidation, which is one of the most important cellular processes and degenerative to the lipid membrane.Fluorescence techniques are usefull experimental tool for the study of these type of processes in the membrane. In order to obtain detailed information about the disturbance in the lipid structure and the localization of the fluorescent probe on the membrane, this study was carried out at atomic level by the method of molecular dynamics. Specifically, it is describing the process of insertion and placement of the probes derived fluorescent coumarins (bromo-coumarins) 3-acetyl-7-[(6-bromohexyl) oxy]-2H-2-chromenone (compound 1), 7 - [(6-bromohexyl) oxy]-4-methyl-2H-2-chromenone (compound 2) and ethyl {7 - [(6-bromohexyl) oxy]-2-oxo-2H-2-chromen-4-yl} acetate (compound 3) in a lipid bilayer of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) fully hydrated and provides detailed information about the location from the probes.The results obtained from molecular dynamics were determined by these three bromo-coumarins which are located in the region of the carbon chains of the phospholipids, or in a zone nearest the surface of the membrane. The 6-bromohexyloxy group is located in the hydrophobic matrix of POPC and the coumarin groups are interacting near to the polar action of the membrane. The trajectories obtained show that all three compounds are included in the membrane spontaneously; however the compound number 3 show the highest level of inclusion. In addition, it was observed significant changes in the structure and conformation of POPC membrane in the presence of these compounds Keywords: Coumarins, Fluorescent probe, Membrane, Molecular dynamics, Parametrization

Estudios computacionales sobre los receptores nicotínicos de acetilcolina subtipos α4β2 y α7

111 p.Los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChRs ‒ nicotinic acetylcholine receptors) son canales iónicos activados por ligando presentes en el sistema nervioso central y periférico. Estos canales pentaméricos se asocian a múltiples patologías neuronales, entre ellas, trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer y la adicción a la nicotina. Entre los subtipos de nAChR más importantes están los α4β2 y α7 en vista de sus potenciales aplicaciones terapéuticas. Dichos blancos biológicos son los que se encuentran con mayor frecuencia en el cerebro humano, siendo los compuestos agonistas posibles candidatos a fármacos para el tratamiento del deterioro cognitivo, mientras que los antagonistas tienen un potencial uso como anestésicos debido su acción relajante.Con el fin de estudiar las interacciones receptor-ligando se realizaron diversos cálculos químico-computacionales en los nAChRs α4β2 y α7. Inicialmente, se construyeron las estructuras tridimensionales de cada receptor mediante modelamiento por homología, seguido por cálculos de predicción de los modos de unión a través de acoplamiento molecular (Docking), y luego cálculos sobre los complejos construidos a través de simulaciones de dinámica molecular. Posteriormente, empleando el método MM/GBSA, se determinó computacionalmente la energía libre de unión para grupos de ligandos agonistas y antagonistas de los subtipos α7 y α4β2, respectivamente. Finalmente, los datos computacionales fueron comparados estadísticamente con los datos experimentales (IC50 o Ki) anteriormente reportados, validando así el protocolo computacional. En este estudio se construyeron nuevos modelos de nAChR, los cuales fueron validados y mostraron un buen acuerdo frente a datos experimentales. El protocolo empleado para el cálculo de energía libre de unión demostró ser útil para el estudio de este tipo de sistemas moleculares, pudiéndose extender a otros complejos receptor-ligando y eventualmente predecir la actividad de nuevos compuestos./ABSTRACT: Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are ligand-gated ion channels present in the central and peripheral nervous system. These pentameric channels are associated with several neural pathologies, including neurodegenerative disorders such as Alzheimer's disease and nicotine addiction. Among the main nAChR subtypes are α4β2 and α7 due their potential therapeutic applications. These biological targets are found mainly in the human brain, where agonists are being used clinically as drug candidates to treat cognitive impairment while antagonists compounds are used to achieve anesthesia given its relaxing action.In order to study the receptor-ligand interactions, several computational chemical calculations were carried out on α4β2 and α7 nAChRs systems. Initially, three-dimensional structures were built through homology modeling for each receptor, followed by the prediction of the ligand binding modes using molecular docking, then obtained receptor-ligand complexes were subject to molecular dynamics calculations. Subsequently, binding free energies were computationally determined using the MM/GBSA method for both agonists and antagonists ligands of α4β2 and α7 subtypes, respectively. Finally, computational results were compared with experimental data (IC50 or Ki) previously reported in the literature, thus validating the computational protocol.In this study three new models of nAChR were built, which were validated and showed a good agreement against experimental data. The binding free energy calculation protocol used proved to be useful for the study of such molecular systems, and it could be extended to other receptor-ligand complexes and eventually predict the activity of new compounds

Estudio de las interacciones con NADP y NAD en 6-fosfogluconato deshidrogenasa de Escherichia coli mediante dinámica molecular de las formas silvestre y mutantes.

61 p.La rama oxidativa de la vía de las pentosas-fosfato, es una de las principales fuentes de producción de NADPH en bacterias heterotróficas. La 6-fosfogluconato deshidrogenasa (6PGDH), es la tercera enzima de la rama oxidativa y cataliza la oxidación del 6-fosfogluconato, para formar ribulosa-5-fosfato, a través de la reducción del NAD(P) y la formación de CO2. En Escherichia coli esta enzima es específica por NADP. El objetivo del proyecto es entender las causas estructurales de la fuerte preferencia de la 6PGDH de Escherichia coli (Ec6PGDH) por NADP y proponer mutaciones puntuales de la enzima, que incrementarían la afinidad por NAD y desfavorezcan la interacción por NADP. A través de simulaciones moleculares, se estudiaron las interacciones de NADP y NAD con Ec6PGDH. En estos sistemas se cuantificaron los puentes de hidrógeno entre la proteína y el cofactor. El análisis de los cambios estructurales (a través del cálculo de la función RMSD) y el cálculo de la energía total del sistema también se realizó sobre estos sistemas Así mismo se realizó un alineamiento múltiple para caracterizar las relaciones filogenéticas de la familia de la Ec6PGDH, e identificar homólogos lejanos con diferentes especificidades por el cofactor. Por medio del análisis de módulos centrípetos de Ec6PGDH, se identificará el módulo que contiene los residuos responsables de unión a cofactor, y su secuencia será comparada con un homólogo lejano que una a NAD. Como proyección de los resultados de esta tesis, distintas mutaciones podrán ser usadas en estudios in vitro, a fin de encontrar variantes específicas por NAD. Estas mutantes serán relevantes en estudios fisiológicos para alterar el balance de la producción de equivalentes de reducción, como una estrategia de ingeniería metabólica./ABSTRACT:The oxidative branch of the pentose-phosphate pathway is one of the major sources of NADPH in heterotrophic bacteria. The 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH) is the third enzyme of the pathway and catalyzes the reaction of 6-phosphogluconate oxidation to form ribulose-5-phosphate and CO2 along with NAD(P) reduction. In Escherichia coli this enzyme is NADP specific.The main goal of this work is to understand the structural basis of the strong preference of 6PGDH from Escherichia coli (Ec6PGDH) for NADP, allowing the proposition of point enzyme mutations that would increase the NADP affinity, and disfavoring NADP interaction.Through molecular simulations, we studied the NAD and NADP interactions with Ec6PGDH. In these systems the hydrogen bonds between the protein and the cofactor were quantified. The analysis of the structural changes (according to the RMSD function) and the calculation of total system energy also were performed on these systems Likewise, a multiple sequence alignment was performed to characterize the phylogenetic relationships of the Ec6PGDH family, and identify distant homologues with different cofactor specificities. By using the centripetal distance function over Ec6PGDH structure, we identified the module that contains the residues responsible in directly binding the cofactor. The sequence of the corresponding modules in 6PGDHs showing different cofactor specificities is compared. As a future projection of this thesis, the mutations here proposed will be used in the search for NAD-specific variants, by in vitro studies. These mutants will be relevant in physiological studies to alter the balance of the production of reducing equivalents, as well as metabolic engineering tool

Inhibition of key enzymes in the inflammatory pathway by hybrid molecules of terpenes and synthetic drugs: In vitro and in silico studies

The aim of this work was to compare the anti-inflammatory activity of compounds prepared from terpenes and the synthetic drugs ibuprofen and naproxen. The anti-inflammatory activity of the hybrid compounds was compared with the activity of the parent compounds. This was accomplished using in vitro inhibition of lipoxygenases (LOX) and COX-2, and in silico docking studies in 15-LOX and COX-2. The synthesized hybrids showed an inhibition of COX-2 and LOX between 9.8%–57.4% and 0.0%–97.7%, respectively. None of the hybrids showed an improvement in the inhibitory effect toward these pro-inflammatory enzymes, compared to the parent terpenes and non-steroidal anti-inflammatory drugs. The docking studies allowed us to predict the potential binding modes of hybrids 6–15 within COX-2 and 15-LOX active sites. The relative affinity of the compounds inside the binding sites could be explained by forming non-covalent interactions with most important and known amino acids reported for those enzymes. A good correlation (r 2  = 0.745) between docking energies and inhibition percentages against COX-2 was found. The high inhibition obtained for compound 10 against COX-2 was explained by hydrogen bond interactions at the enzyme binding site. New synthetic possibilities could be obtained from our in silico models, improving the potency of these hybrid compounds.Fil: Theoduloz, Cristina. Universidad de Talca; ChileFil: Alzate-Morales, Jans. Universidad de Talca; ChileFil: Jiménez-Aspee, Felipe. Universidad de Talca; ChileFil: Isla, Maria Ines. Universidad Nacional de Tucumán; Argentina. INBIOFIV; ArgentinaFil: Alberto, Maria Rosa. Universidad Nacional de Tucumán; ArgentinaFil: Pertino, Mariano Walter. Universidad de Talca; ChileFil: Schmeda-Hirschmann, Guillermo. Universidad de Talca; Chil

Modelamiento Molecular y Análisis Estructural de TASK–1, TASK–3 y TASK–2 en Interacción con A1899

111 p.Los canales de potasio con dos dominios de poro (K2P) son un tipo de canales iónicos selectivos, caracterizados por una topología de cuatro segmentos transmembranales (M1–M4) y dos dominios de poro por subunidad. Algunas de las funciones mejor estudiadas de estos canales incluyen la mantención del potencial de reposo, regulación de la excitabilidad celular,transporte de iones y regulación metabólica.Una dificultad para entender el rol de estas proteínas como blanco de agentes terapéuticos es la falta de farmacología selectiva. Es necesario entender cómo estos agentes terapéuticos actúan y modifican la estructura de los canales K2P para poder desarrollar drogas específicas. Actualmente sólo la molécula A1899 ha mostrado alta selectividad por distintos canales K2P y se han determinado experimentalmente los residuos de un canal K2P (TASK–1) involucrados en la interacción con el inhibidor, sin embargo, se desconoce el mecanismo molecular de unión de A1899 a estos canales. Estos datos fueron ocupados como base para determinar el sitio de unión específico de A1899 en canales K2P (TASK–1, TASK–3, TASK–2, TRAAK) utilizando simulaciones de acoplamiento molecular para determinar los complejos formados entre el sitio unión de cada receptor con el inhibidor. Posteriormente se realizaron simulaciones de dinámica molecular de los complejos receptor–ligando para evaluar la estabilidad termodinámica y molecular de los complejos obtenidos por acoplamiento molecular. Los resultados conseguidos detallan la relación constituida entre A1899 y los canales K2P, y sugieren cómo este inhibidor bloquea cada canal de forma distinta, mostrando buena correlación con los datos electrofisiológicos reportados. Pese a que los resultados concuerdan con la información biológica reportada, es necesario realizar análisis adicionales con el fin de sustentar los resultados y determinar la contribución individual de cada residuo involucrado en el bloqueo de los canales K2P./ABSTRACT: Two–pore–domain potassium channels (K2P) are one kind of selective ion channels,characterized by a four transmembrane domain (M1–M4) topology and two pore–forming domains per subunit. Some of the most studied roles of K2P channels include the maintenance of the resting potential, regulation of the excitability of the cells, ion transport and metabolic regulation. A major difficulty to understand the role of these channels as therapeutic targets is the lack of selective pharmacology. It is necessary to understand how these therapeutic agents act and modify the structure of K2P channels to develop specific drugs. To date only the molecule A1899 has shown high selectivity for ifferent K2P channels. The residues involved in the formation of the drug binding site of one K2P channel (TASK–1) have been identified, nevertheless, the binding mechanism of A1899 to these channels is unknown. These data were taken as basis for determining the specific binding site for A1899 in K2P channels (TASK–1, TASK–3, TASK–2, TRAAK) by using docking simulations to determine complexes between receptor’s binding site and the inhibitor. Subsequently, molecular dynamics of receptor–ligand complexes were performed to study the thermodynamics and the structural properties of the complexes achieved by docking. The obtained results describe the relationship between A1899 and K2P channels, and suggest how this molecule blocks each channel differently, showing good agreement with reported electrophysiological data. Although the results agree with biological information available, further analyses are required to support the findings and establish the individual contribution of each residue involved in the K2P channel block

Compuestos naturales con rol agonista o antagonista en canales de potasio específicos

66 p.Los canales iónicos de potasio (K+) son proteínas transmembranales que permiten el flujo selectivo de K+ a través de la membrana celular. Estos canales se expresan en diversos tejidos que poseen roles fundamentales en el funcionamiento del organismo, por lo que al fallar los canales de K+ (por mutaciones, drogas, toxinas, enfermedades, etc.) se pueden desencadenar varias patologías. Diversas investigaciones han logrado modelar dos farmacóforos que poseen una relación directa con la activación y el bloqueo de canales de K+. El modelo de farmacóforo antagonista se aplica a compuestos que modulan los canales TASK-1 y Kv1.5 (relacionados con fibrilación auricular) y el otro farmacóforo está contenido en moléculas agonistas de los canales TREK-2, hERG y BKCa. Estos últimos compuestos agonistas podrían aplicarse en enfermedades como accidentes cerebrovasculares (isquemias) o epilepsia, promoviendo la apertura simultánea de canales neuroprotectores como BKCa y TREK-2. Los compuestos naturales (CN) son moléculas químicas provenientes de fuentes naturales tales como animales, plantas, hongos, algas, etc., cuya estructura química puede estar disponible en bases de datos gratuitas o comerciales. Estas moléculas pueden utilizarse como base para el desarrollo de nuevas drogas, empleándose como agentes terapéuticos. Se utilizó modelado computacional y diversas técnicas bioinformáticas, tales como cribado virtual basado en farmacóforo, cribado virtual de alto rendimiento basado en estructura, dinámicas moleculares (DMs) y análisis de trayectorias de DMs, para encontrar compuestos naturales que posean una actividad antagonista (sobre TASK-1 y Kv1.5) o agonista (sobre TREK-2, hERG y BKCa). Apoyado en los análisis anteriores, se escogieron los compuestos ZINC000009708083 como antagonista y CNP0365891 como agonista, los cuales podrían ser relevantes en el desarrollo de nuevos fármacos para tratar la fibrilación auricular, accidentes cerebrovasculares (isquemias) o epilepsia. // ABSTRACT: Potassium (K+) channels are transmembrane proteins that allow the selective flow of K+ across the membrane. Many of these channels are expressed in various tissues, playing fundamental roles in the proper functioning of the organism. The failure of these channels can trigger various pathologies. Two separate investigations have been able to model two pharmacophores that have a direct relationship with the activation and blocking of K+ channels. The antagonist pharmacophore model applies to compounds that modulate TASK-1 and Kv1.5 channels (related with atrial fibrillation) and the other pharmacophore model belongs to agonist molecules of TREK-2, hERG and BKCa channels. The agonist compounds could be used in diseases such as stroke (ischemia), epilepsy and pain, promoting the simultaneous opening of neuroprotective channels such as BKCa and TREK-2. Natural Compounds (NC) are chemical molecules from animals or plants that can be found in free and commercial databases. They are an important source for drug development, in their natural conformation or as lead compounds for the development of new drugs. We proposed that it would be possible to find natural compounds with an antagonist role (in TASK-1 and Kv1.5 channels) or agonist role (in TREK-2, hERG and BKCa channels). These selected compounds could be relevant in the development of new drugs against atrial fibrillation, stroke (ischemia), epilepsy or pain

Búsqueda de sitios de unión a ligandos en receptores nicotínicos de acetilcolina humano de tipo α7 y α4(2)β2(3)

147 p.Los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChRs – Nicotinic Acetylcholine Receptors) son canales iónicos activados por ligando (LGIC - Ligand-Gated Ion Channels), que se encuentran presentes en la unión neuromuscular y en neuronas ubicadas en el sistema nervioso central y periférico, donde median la transmisión sináptica. En las últimas décadas, los nAChRs presentes en células neuronales se han convertido en blanco de múltiples investigaciones debido a que se ha reportado que un funcionamiento anormal de estos receptores está asociado a diversas patologías psiquiátricas y neurológicas (enfermedades de Alzheimer, Parkinson, Huntington, etc.) Numerosos intentos han sido realizados para aliviar estas enfermedades, tratando de aprovechar la unión de diversas moléculas para activar, bloquear y/o modular la funcionalidad de los distintos tipos de nAChRs. Varias de estas moléculas se unen al sitio de unión ortostérico, mientras que otros compuestos se unen a los denominados sitios alostéricos, modulando de forma positiva o negativa la acción de estos receptores.En el presente trabajo se realizó la búsqueda de sitios putativos de unión a ligando en diferentes modelos computacionales de nAChRs humanos, teniendo en cuenta la dinámica de las estructuras. Se encontraron un total de 4 sitios consensos de unión a ligando (no repetidos) para el nAChR α4β2 en estado abierto (conformación agonista), 3 sitios putativos no repetidos para el nAChR α4β2 en estado cerrado (conformación antagonista) y 5 sitios putativos de unión a ligando no repetidos para el nAChR α7 en estado abierto (conformación agonista). Posteriormente, a través de simulaciones de acoplamiento molecular proteína-ligando, se comprobó la capacidad de estos sitios para generar interacciones favorables con distintos compuestos.Palabras claves: Receptor nicotínico de acetilcolina, nAChR, Sitios de unión a ligandos . ABSTRACT: Nicotinic Acetylcholine Receptors (nAChRs) are ligand gated ionic channels (LGIC) functionally expressed in the neuromuscular junction and in neurons located in the central and peripheral nervous systems. In the last decades, neuronal nAChRs have become the focus of multiple investigations because it has been reported that their abnormal function is associated with diverse psychiatric disorders and neurological diseases (e.g. Alzheimer’s, Parkinson’s and Huntington’s diseases). Numerous attempts have been made to treat these conditions, trying to exploit the binding of several molecules that activate, block and/or modulate the function of the different types of nAChRs. Some of these drugs bind to the orthosteric binding site, while other compounds bind to the so called allosteric sites, modulating positively or negatively the actions of these receptors.In this work we searched for putative ligand binding sites in different computational models of human nAChRs, taking into account the dynamical behavior of structures. Four (not repeated) putative binding sites were found in α4β2 nAChR in the open state. Likewise, three (not repeated) binding sites for α4β2 nAChR in the closed state and three (not repeated) putative binding sites for α7 nAChR in the open state, were found. Then, through molecular docking simulations, we tested the ability of these sites to generate favorable interactions with a series of compounds over different consensus protein structures of nAChR.Key words: Nicotinic acetylcholine receptors, nAChR, Ligand Binding Sit

Estudio computacional de la afinidad de dendrímeros PAMAN G0 por iones metálicos presentes en aguas contaminada

80 p.Los nanopolímeros dendríticos han sido potenciados en diversos ámbitos, siendo uno de ellos la remoción de metales en agua. Estos materiales presentan afinidad por diversas moléculas dependiendo de su grupo terminal que es capaz de modificar la especificidad de atrapamiento por ciertas moléculas. En esta tesis, se utilizaron aproximaciones químico-computacionales aplicadas al estudio de las interacciones entre metales y dendrímeros PAMAM G0 sin funcionalizar y funcionalizados con un conjunto de grupos terminales (asparagina, lisina y arginina). Los metales estudiados son iones bivalentes Cu, Ni y Zn que se presentan comúnmente como residuos tóxicos en agua. Las metodologías computacionales utilizadas corresponden a aproximaciones DTF (Teoría de Funcionales de la Densidad) y semi-empíricas. Los métodos utilizados permitieron recabar información relevante con respecto a la geometría y afinidad de éstos complejos. Los resultados obtenidos por medio de técnicas computacionales de la TFD indican que las coordinaciones más estables entre dendrímero-metal se encuentran en el sector del núcleo del dendrímero, para lo cual se obtuvieron geometrías del tipo cuadrado planar distorsionadas. Por otra parte, la afinidad encontrada por dichos estudios indica el siguiente orden: Ni(II) > Cu(II) > Zn(II), lo cual difiere de la información obtenida experimentalmente, la cual mostró la tendencia Cu(II) > Ni(II) y Zn(II). Sin embargo, estos estudios podrían ser complementados adicionando solvente implícito al sistema, lo que podría conseguir la misma tendencia en ambos estudios. Los cálculos por métodos semi-empíricos por su parte sugieren que se obtendría una mejor extracción de éstos metales a través de una funcionalización de PAMAM G0 con el grupo asparagina./ABSTRACT: Dendritic nanopolymers have been successfully applied in different technological solutions; one of them is the removal of metals in water. Dendrimers exhibit high affinity for different molecules depending of their terminal groups that are capable of modifying the capture specificity for certain molecules. In this thesis, computational chemistry approaches were used to study the interactions between metals and the non-functionalized dendrimer PAMAM G0, and PAMAM G0 functionalized with a set of chemical groups (asparagine, lysine and arginine). The selected metal ions corresponded to the divalent cations Cu, Ni and Zn, commonly present as toxic waste in water. Relevant information about the geometry and affinity of these metal complexes was obtained through DFT and semi-empirical approximations. DFT results indicated that the core area of the dendrimer corresponds to the most stable coordination site exhibiting a distorted square planar geometry. Moreover, the affinity of the ligand for each metal showed the following tendency: Ni(II)> Cu(II)> Zn(II). This sequence differs from the experimental information; however, the introduction of implicit solvation models could complement and improve these studies. Analyses of the complexation of metals with the functionalized dendrimer at semi-empirical level of theory showed that PAMAM G0 modified with asparagine is the best candidate for water remediatio