Photochemical and photophysical reaction dynamics of chemical and biological systems

espanolEl proyecto realizado en esta Tesis consiste en el desarrollo y aplicacion de metodologias teoricas y computaciones, usadas en la descripcion estatica y dinamica de procesos fotofisicos y fotoquimicos de compuestos quimicos y de interes biologico. Estas metodologias computacionales fueron implementadas aplicando tecnicas punteras usadas en el campo de la ciencia de la computacion. La presente Tesis se compone de 4 bloques principales. El primero de estos bloques estudia el proceso de transferencia de energia intermolecular, especialmente transferencia de energia triplete. Por su parte, el segundo bloque examina los mecanismos y comportamiento dinamico de dos procesos biologicos fotoinducidos de intereses tecnologico. Mientras el tercer bloque, consiste en el estudio del efecto de fuerzas externas sobre las propiedades espectroscopicas de los sistemas moleculares. Finalmente, el ultimo bloque considera el diseno de dispositivos moleculares que usan cambios conformacionales fotoinducidos en la generacion de movimiento controlado. En la seccion de transferencia de energia ha sido estudiado el problema de encontrar las principales coordenadas moleculares que modulan de forma eficiente el proceso de transferencia de energia triplete. Asi mismo, se llevo a cabo una aproximacion dinamica al proceso de transferencia energia triplete a temperatura constante, que completa el estudio estatico llevado a cabo en la primera parte de la seccion. En la primer parte del segundo bloque, se lleva a cabo la caracterizacion estatica y dinamica de modelos moleculares en el estudio de los fenomenos de quimioluminiscencia y bioluminiscencia. Donde se analiza en detalle el mecanismo de descomposicion concertado de la familia de 1,2-dioxetanes, Por su parte, en la segunda seccion de este bloque es analizado el efecto del ambiente proteico en la emision de fluorescencia de la proteina fluorescente IrisFP. En el tercer bloque de la presente Tesis ha sido explorado la respuesta fotodinamica de sistemas moleculares al efecto de una fuerza externa. Discutiendo en detalle el efecto sobre el cambio de la reactividad quimica a causa de la disrupcion del sistema molecular por parte de la fuerza externa. Simultaneamente, se muestran los resultados obtenidos con respecto al cambio en las propiedades espectroscopicas debidos a la fuerza externa y se plantea su posible aprovechamiento en aplicaciones tecnologicas Finalmente en el ultimo bloque del presente trabajo, se expone el diseno y operacion de dispositivos moleculares como motores e interruptores controlados mediante ciclos fotoinducidos, controlado la rotacion unidireccional en el caso de los motores moleculares a traves de puentes de hidrogenos. EnglishIn this thesis we present a set of theoretical methodologies focused on photophysical and photochemical phenomena, which were implemented and subsequently applied to a collection of chemical and biological relevant systems. The developments and applications are divided in four sections which are: energy transfer, dynamical studies of photoreactivity in biological systems, photochemical response to external forces and finally dynamical behaviour of molecular devices. In the energy transfer section it is tackle the problem of finding which molecular coordinates modulates more efficiently the triplet energy transfer process (i.e. the triplet energy transfer reaction coordinate), together with a dynamical approach to the energy transfer at constant temperature. The photochemical dynamics section firstly deals with the static and dynamical characterization of a minimal molecular model to study the phenomena of chemiluminescence and bioluminescence. Then the preliminary results of the simulations of fluorescence in the IrisFP are shown. Subsequently the photodynamical response to external forces section contains a discussion on the effect of external forces in the reactivity of molecular systems, as well as change of spectroscopic properties. Finally it is considered the design and operation of molecular motors control by light irradiation, where molecular simulations are used as a characterization tool of their properties. Additionally, it was developed a set of programs focused on modularity, parallelism and readability, aiming to perform the numerical simulations described in this thesis.