Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/9978
Title: How do water molecules probe and control bionanostructures and food functionalities
Authors: Tavagnacco, Letizia
Supervisore/Tutore: Cesaro, Attilio
Cosupervisore: Brady, John
Issue Date: 27-Mar-2014
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: L’acqua è universalmente presente nei sistemi biologici. Le sue peculiari proprietà hanno una forte influenza sulla struttura e sul comportamento chimico di macromolecole biologiche ed alimentari. La dissoluzione di una molecola di soluto in acqua comporta l’interazione dei sui gruppi funzionali con la circostante struttura della fase condensata dell’acqua. La maggior parte delle molecole biologicamente importanti hanno una complessa architettura che mantiene assieme funzionalità polari e componenti idrofobiche. Le interazioni di queste funzionalità con le circostanti molecole d’acqua causano la riorganizzazione delle molecole di solvente attorno al soluto. La risultante organizzazione delle molecole d’acqua differisce da quella delle molecole d’acqua libere in soluzione e riflette la specifica architettura del soluto. Questa strutturazione dell’acqua riveste un ruolo importante in molti processi biologici, tra i quali il ripiegamento delle proteine o il riconoscimento recettore-substrato, che hanno chiare implicazioni anche nelle proprietà degli alimenti. Un’approfondita comprensione a livello atomico dei principi che governano queste interazioni manca. Tuttavia, il raggiungimento di una maggiore conoscenza di come le molecole d’acqua interagiscono con le biomolecole e come questo influenzi l’associazione di biomolecole in soluzione acquosa riveste un interesse primario per comprendere il ruolo fondamentale dei composti attivi in tutti i settori di carattere biologico. In questo lavoro, il comportamento di piccole molecole biologiche alimentari è stato studiato attraverso tecniche computazionali e sperimentali. Simulazioni di dinamica molecolare sulla caffeina in soluzione acquosa sono state condotte per studiare l’interazione tra acqua e caffeina e la riorganizzazione delle molecole d’acqua come conseguenza della presenza della molecola di caffeina in soluzione. Questi studi hanno permesso di testare vari modelli di solvatazione dell’acqua. La molecola di caffeina è stata modellizzata utilizzando un campo di forze CHARMM sviluppato appositamente. La simulazione ha rivelato che la caffeina in soluzione acquosa impone un’organizzazione complessa alle molecole di solvente adiacenti. I dettagli caratteristici di questa strutturazione dell’acqua sono una funzione complicata dell’architettura molecolare del soluto e non dipendono dal modello computazionale di acqua utilizzato. L’auto-aggregazione delle molecole di caffeina in soluzione acquosa è stata studiata attraverso simulazioni di dinamica molecolare, esperimenti di diffrazione a basso angolo ed esperimenti di diffrazione di neutroni con sostituzione isotopica. Le simulazioni sono state eseguite su un sistema di 8 molecole di caffeina in acqua a 27°C, rappresentando una soluzione con una concentrazione 0.1 m, vicina al limite di solubilità a temperatura ambiente. Come atteso, le molecole di caffeina hanno formato aggregati in soluzione, impilandosi come monete. Il sistema era caratterizzato da un equilibrio dinamico tra aggregati di grandi e piccole dimensioni. Il coefficiente osmotico calcolato dalla distribuzione degli aggregati nel corso della simulazione è compatibile con il dato sperimentale. Esperimenti complementari di scattering a basso angolo sono stati condotti su una soluzione acquosa di caffeina con concentrazione 0.1 a 25°C. L’analisi dei dati sperimentali, con un modello in cui le molecole di caffeina sono approssimate a dischi piatti interagenti, ha fornito un valore della distanza di impilamento di 10 Å, compatibile con la distanza tra due molecole di caffeina all’estremità di un trimero e allineate in modo antiparallelo in una sequenza del tipo ABA. Esperimenti di diffrazione di neutroni con sostituzione isotopica sono stati condotti su una soluzione acquosa di caffeina a concentrazione 1 m a 80°C per aumentarne la solubilità e di conseguenza il contrasto. Gli stessi sono stati eseguiti anche sull’acqua pura alla stessa temperatura. La sostituzione isotopica è stata applicata agli atomi di idrogeno dell’acqua. I dati di diffrazione sono stati analizzati mediante simulazioni di dinamica molecolare e attraverso il metodo empirical potential structure refinment. Entrambi gli approcci hanno mostrato la formazione di aggregati di molecole di caffeina impilate in soluzione, con una maggiore tendenza ad associarsi rilevata nelle simulazioni di dinamica molecolare. Il presente studio ha mostrato che nonostante la molecola di caffeina abbia una dimensione inferiore ad 1 nm, la strutturazione delle molecole d’acqua direttamente sopra al piano della caffeina è consistente a quella prevista per una superficie idrofobica estesa. Questo risultato spiega come l’associazione della caffeina possa avere un carattere idrofobico, ma avere un’energia libera di associazione dominata dal contributo entalpico. Ulteriori simulazioni di dinamica molecolare sono state eseguite su diversi sistemi di zuccheri in soluzione acquosa di caffeina. Gli zuccheri esaminati sono: il saccarosio, entrambi gli anomeri del glucosio e il sorbitolo. Tutti gli zuccheri hanno esibito un’affinità per la molecola di caffeina. Nel caso del saccarosio e del glucosio, la natura dell’interazione è un appaiamento tra le facce idrofobiche della caffeina e le facce idrofobiche prodotte dai protoni assiali degli zuccheri. Questa modalità di interazione non ha alterato la formazione di legami idrogeno tra le molecole di zucchero e l’acqua. Il sorbitolo è topologicamente diverso da zuccheri come il saccarosio e il glucosio, in quanto in soluzione è prevalentemente caratterizzato da una struttura a catena estesa. Nonostante ciò, l’associazione del sorbitolo alla caffeina avviene attraverso l’interazione dei protoni alifatici con le facce idrofobiche della caffeina, analogamente al comportamento degli zuccheri ciclici. In aggiunta, l’associazione del sorbitolo alla caffeina non influenza la conformazione media dello zucchero in soluzione. Esperimenti complementari di titolazioni di risonanza magnetica nucleare sono stati condotti su sistemi analoghi misurando la variazione del chemical shift dei protoni degli zuccheri in conseguenza all’aggiunta di caffeina ad una soluzione a concentrazione costante di zucchero (glucosio o saccarosio) e viceversa. L’ampiezza della variazione del chemical shift dei protoni legati all’anello degli zuccheri valida la natura dell’interazione determinata dalle simulazioni di dinamica molecolare.
Ciclo di dottorato: XXVI Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 2012/2013
Keywords: Hydrophobic hydration
Caffeine
Sugars
Molecular Dynamics
Neutron Diffraction
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: CHIM/02 CHIMICA FISICA
NBN: urn:nbn:it:units-12262
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