The cation specific effects on the aqueous solubility of amino acids: experimental and molecular dynamics simulations contributions

• Author(s): Sousa, Cátia Sofia Ribeiro de
• Date: 2014
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10198/10335
• Origin: Biblioteca Digital do IPB
• Subject(s): Aminoácidos; Solubilidade; Efeito de iões; Dinâmica molecular
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Tomé, Luciana; Ferreira, Olga; Pinho, Simão
• Contributor(s): Biblioteca Digital do IPB

Description

O estudo dos efeitos específicos dos iões na solubilidade de aminoácidos e proteínas, em soluções aquosas, é vital para o desenvolvimento de muitas áreas da bioquímica e da biotecnologia. Neste trabalho estudou-se o efeito dos iões de sais inorgânicos na solubilidade de aminoácidos, em soluções aquosas salinas, através de medições experimentais e simulações de dinâmica molecular. Foram selecionados três aminoácidos (DL-alanina, L-isoleucina e L-valina) como compostos modelo. Face à sua relevância biológica e escassa informação disponível na literatura, selecionaram-se ainda os seguintes catiões: K+, Li+, Ca2+ e Al3+, variando o anião entre Cl- ou . Recorrendo a um método analítico isotérmico mediu-se a solubilidade, a 298,15 K, da DL-alanina (Ala) em soluções aquosas contendo CaCl2 e K2SO4 e da L-isoleucina (Iso) e L-valina (Val), em soluções aquosas contendo CaCl2, K2SO4, LiCl, Li2SO4, Al2(SO4)3 e AlCl3. No caso de LiCl, o efeito observado na solubilidade de Val e Iso é praticamente inexistente enquanto Li2SO4 e K2SO4 induzem um efeito de salting-out. Por último, para CaCl2, Al2(SO4)3 e AlCl3 observou-se um efeito de salting-in bastante pronunciado, sendo mais forte no caso dos sais que contêm alumínio. Os resultados obtidos pelas simulações de dinâmica molecular sugerem que o efeito de salting-in na solubilidade é diferente entre catiões e aniões. Os catiões polivalentes fortemente hidratados (Ca2+ e Al3+) apresentam interações extremamente fortes com o grupo carboxílico dos aminoácidos, resultando num efeito pronunciado de salting-in. Por outro lado, os iões Li+ e K+ não estabelecem interações relevantes com os aminoácidos, apresentando pouco efeito na solubilidade.

The study of ion specific effects on the aqueous solubility of amino acids and proteins is crucial for the development of many areas of biochemistry and biotechnology. In this work, the effect of ions of inorganic salts on the aqueous solubility of amino acids was studied by performing experimental solubility measurements and molecular dynamics simulations. Three amino acids (DL-alanine, L-isoleucine and L-valine) were chosen as model compounds. Taking into consideration their biological relevance and scarce available information, cations such as K+, Li+, Ca2+and Al3+ were selected, varying the anion between Cl- or . New solubility data were measured, at 298.15 K, using the analytical isothermal shake-flask method, for DL-alanine (Ala) in aqueous solutions of CaCl2 and K2SO4, and for L-isoleucine (Ile) and L-valine (Val) in aqueous solutions of CaCl2, K2SO4, LiCl, Li2SO4, Al2(SO4)3 and AlCl3. For LiCl no significant solubility effect was observed for Val and Ile while Li2SO4 and K2SO4 induced a salting-out effect. In the case of CaCl2, Al2(SO4)3 and AlCl3, a pronounced salting-in was observed, much stronger for the aluminum salts. The molecular dynamics simulations results obtained suggest that the solubility effects of salting-in inducing cations is different from that of the anions. Strongly hydrated polyvalent cations (Ca2+ and Al3+) present extremely strong interactions with the carboxylic group of the amino acids, resulting in a pronounced salting-in effect. On the other hand, Li+ and K+ ions do not establish important interactions with the amino acids, having thus a small effect on their aqueous solubility.