Dinâmica molecular da interação de aminoácidos com filmes de Langmuir
de ácido esteárico
Aluno: Alline Alves Pedreira Orientador: André Silva Pimentel
Introdução
Aerossóis na troposfera influenciam o clima da Terra. A habilidade deles agirem como um núcleo de condensação de nuvens e se transformarem em uma gota de chuva depende das propriedades físico-químicas. Aerossóis aquosos têm sido propostos como uma estrutura de micela invertida, com um núcleo aquoso envolvido por uma camada que pode conter milhares de compostos orgânicos. A presença de diferentes fases e estruturas pode originar diferentes propriedades químicas, morfológicas e óticas. Neste estudo, filmes mistos de Langmuir de ácido esteárico e aminoácidos são utilizados como modelos para a superfície de partículas de aerossóis atmosféricos. Os aminoácidos foram escolhidos devido a sua solubilidade em água em conjunção com as atividades nas superfícies. Este sistema de surfactantes solúveis e insolúveis em água pode ser utilizado para monitorar como a pressão superficial induz mudanças morfológicas na interface ar-água em filmes mistos. Em uma dissertação de mestrado recentemente defendida no grupo [1], os estudos das isotermas de Langmuir (π-A) e do potencial de superfície dos filmes mistos de ácido esteárico e aminoácidos foram realizados com uma cuba de Langmuir acoplada a uma balança de Wilhelmy e com um sensor de potencial de superfície. Foram feitos dez ciclos de compressão-expansão para investigar o comportamento de histerese e o colapso hidrofóbico do filme. As isotermas de Langmuir e o potencial de superfície mostraram um comportamento diferente do que era previsto quando comparado ao comportamento do filme misto de fenilalanina-ácido esteárico publicado recentemente na literatura [2]. Observou-se também que a L-Lisina em solução aquosa foi para a interface, apesar de ser muito solúvel em água e altamente hidrofílica. Portanto, é necessário entender tais comportamentos utilizando dinâmica molecular.
Objetivos
O objetivo é realizar um estudo da dinâmica molecular da interação dos aminoácidos com ou sem filmes de Langmuir de ácido esteárico. Os aminoácidos utilizados neste projeto foram L-Fenilalanina, L-Triptofano e L-Lisina.
Metodologia
As dinâmicas moleculares que foram realizadas podem ser separadas em dois grupos de simulações. O primeiro grupo de dinâmicas moleculares foi realizado para observar a atividade dos aminoácidos na interface sem a presença do ácido esteárico. O segundo grupo foi realizado para caracterizar a adsorção de aminoácidos no filme de Langmuir de ácido esteárico.
Os parâmetros de interação dos aminoácidos e do ácido esteárico foram obtidos usando o servidor Automated Topology Builder (ATB) [3]. As cargas dos aminoácidos e seus grupos foram ajustados manualmente. Foram utilizados os parâmetros padrões para do modelo de água de carga pontual única (SPC) parametrizados para o campo de força Gromos53A6 [4]. Primeiramente, construiu-se uma caixa de água contendo 40 moléculas de aminoácidos com dimensões de 7 nm. Finalizou-se essa construção inserindo o sistema no centro de uma caixa com comprimento de 50 nm na direção z. Para construir os filmes de Langmuir a serem estudados utilizou-se o software Cellmicrocosmos [5]. Os sistemas consistem em duas
camadas contendo 196 moléculas de ácidos esteáricos com uma densidade aproximada de 21 Å2 por molécula em cada camada. As camadas são dispostas de maneira que a região polar de uma camada esteja de frente para a região polar da outra, estando estas separadas por uma distância de aproximadamente 6 nm. O espaço vazio entre as camadas é posteriormente preenchido com água. Finaliza-se a etapa de construção inserindo o sistema no centro de uma caixa de simulação cujo comprimento é de 50 nm na direção z. Todas as simulações foram realizadas no software GROMACS [4], utilizando o campo de força Gromos53A6. A dinâmica molecular foi realizada com o ensemble NVT à temperatura de 298 K e pressão constante de 1 atm utilizando o método de acoplamento de Berendsen.
Segundo o estudo de Buch [6] o pH da interface de uma solução neutra é ácido e menor que 4,8, enquanto na pesquisa de Mishra [7] esse valor está entre 3 e 4. Para esses valores de pH, todos os aminoácidos estão sob a forma zwitteriônica, ou seja, desprotonados em seu grupo carboxila e protonados no grupo amino. Para as simulações, consideramos a faixa 3<pH<4 para a interface. As estruturas dos aminoácidos para essa faixa de pH estão representadas na Figura 1 e do ácido esteárico na Figura 2.
Figura 1: Estruturas químicas dos aminoácidos utilizados nas simulações.
Figura 2: Estrutura química do ácido esteárico
No entanto, como na parte experimental a L-Lisina em solução aquosa sem a presença do ácido esteárico apresentou um comportamento distinto do previsto, as dinâmicas moleculares foram realizadas aumentando o tempo da simulação e variando o pH em 3 faixas distintas de acordo com a Tabela 1.
Nomenclatura adotada Estrutura Faixa de pH
Lisina 1 pH < 2 Lisina 2 3< pH < 9 Lisina 3 pH > 10
Tabela 1: Nomenclatura adotada para as estruturas de L-Lisina em diferentes faixas de pH estudadas.
No total foram simulados 8 sistemas: 2 sistemas com tempo de simulação de 20 ns pertencentes ao primeiro grupo, 3 sistemas com tempo de simulação de 50 ns pertencentes ao primeiro grupo e 3 sistemas com tempo de simulação de 20 ns pertencentes ao segundo grupo.
Grupo de simulação
Características
comuns Aminoácidos Tempo de simulação(ns)
Aminoácidos em solução aquosa sem
a presença do surfactante ácido esteárico Lisina 1 50 Lisina 2 50 Grupo 1 Lisina 3 50 L-Triptofano 20 L-Fenilalanina 20 Aminoácidos em solução aquosa na presença de filmes de ácido esteárico L-Lisina (Lisina 2) 20 Grupo 2 L-Triptofano 20 L-Fenilalanina 20
Tabela 2: Características iniciais dos sistemas simulados. Resultados
Energia
O valor da energia ao longo da simulação é um parâmetro importante para determinar se o sistema está em um estado de equilíbrio. A energia é resultado da soma da energia cinética das partículas e da energia potencial das interações entre as partículas. As Figuras 3, 4 e 5 apresentam a energia total de cada um dos sistemas em função do tempo. Através da análise dessas figuras, é possível verificar que os sistemas se encontram em equilíbrio termodinâmico, pois a energia total de cada um dos sistemas se torna constante nos primeiros nanosegundos de simulação.
Figura 3: Energia total no decorrer do tempo para os sistemas contendo L-Lisina do grupo 1.
Figura 4: Energia total no decorrer do tempo para os sistemas contendo L-Fenilalanina e L-Triptofano do grupo 1.
Figura 5: Energia total no decorrer do tempo para os sistemas do grupo 2.
Análise Qualitativa
Em um primeiro instante foi realizada uma análise qualitativa dos sistemas através da observação das dinâmicas moleculares ao longo do tempo de simulação presentes nas Figuras de 6 a 13. Com isso, foi possível verificar o comportamento dos aminoácidos em solução aquosa e no filme de Langmuir de ácido esteárico de acordo com a Tabela 3.
No entanto, é necessário fazer uma análise quantitativa para obter maior precisão sobre o comportamento dos aminoácidos. Dessa forma, seus resultados podem ser quantificados por meio da análise dos dados e a utilização de ferramentas estatísticas.
Figura 6: Imagens instantâneas em 0, 10 e 20 ns do sistema com L-Fenilalanina do grupo 1.
Figura 7: Imagens instantâneas em 0, 10 e 20 ns do sistema com L-Fenilalanina do grupo 2.
Figura 8: Imagens instantâneas em 0, 10 e 20 ns do sistema com L-Triptofano do grupo 1.
Figura 9: Imagens instantâneas em 0, 10 e 20 ns do sistema com L-Triptofano do grupo 2.
Figura 10: Imagens instantâneas em 0, 25 e 50 ns do sistema com Lisina 1 do grupo 1.
Figura 12: Imagens instantâneas em 0, 10 e 20 ns do sistema com L-Lisina (Lisina 2) do grupo 2.
Aminoácidos Foi para a interface na água? Formou aglomerados na água ? Foi para a interface no filme ? Formou aglomerados no filme ?
L-Fenilalanina não sim sim sim
L-Triptofano sim sim sim sim
L-Lisina
Lisina 1 não não NR NR
Lisina 2 não não parcialmente não
Lisina 3 não sim NR NR
Tabela 3: Comportamento dos aminoácidos nos sistemas de acordo com a análise qualitativa. NR significa que não foi realizado.
Análise Quantitativa
Através da observação das simulações moleculares foi possível verificar claramente a adsorção dos aminoácidos no filme de Langmuir de ácido esteárico de acordo com as Figuras 7, 9 e 12. Entretanto, é necessário fazer uma investigação mais aprofundada dos dados presentes na Tabela 3. Para estudar a atividade superficial dos aminoácidos foi analisada a sua densidade ao longo do eixo z e para estudar a formação de aglomerados foram realizadas análises do tamanho do cluster formado.
- Atividade Superficial
Figura 15: Densidade do L-Triptofano em função da posição Z.
Figura 16: Densidade da Lisina 2 em função da posição Z.
Figura 18: Densidade da Lisina 3 em função da posição Z. Grupo 1
Os sistemas do grupo 1 são formados por uma caixa de água e aminoácidos com dimensões de 7 nm que foi inserida no centro de uma caixa de simulação com comprimento de 50 nm na direção Z. Dessa forma as interfaces ar-solução aquosa estão localizadas na posição Z=21,5nm e Z=28,5nm.
Pela análise das Figuras 14 e 15, conclui-se que L-Fenilalanina e L-Triptofano vão parcialmente para a interface. Isso porque os aminoácidos apresentam um aumento das densidades nas regiões onde estão localizadas as interfaces e uma densidade expressiva no interior da solução aquosa.
Inicialmente, observou-se na parte experimental que L-Lisina apresentava atividade superficial relativamente alta, apesar de ser muito solúvel em água e altamente hidrofílica. Por isso, resolvemos investigar a L-Lisina em 3 faixas de pH distintas. No entanto, nota-se nas Figuras 16, 17 e 18 que a densidade de aminoácido no interior da solução é muito grande e nas interfaces é quase nula.
Diante dessa divergência, o experimento foi refeito. Adicionou-se solução aquosa de L-Lisina (C=0,02 mol L-1) em uma cuba de Langmuir, onde a interface ar-solução aquosa foi
submetida a uma compressão constante de 5 mm min-1. A posição de 50 mm (em relação à posição inicial das barreiras) foi escolhida como alvo para que fosse atingida uma pressão superficial mais alta possível, sem que ocorresse o colapso do filme. O valor de área por molécula inicial foi de 54,2 Å2 e o valor final foi de 18,1 Å2. A isoterma π-A obtida neste experimento está representada na Figura 19.
Figura 19: Isoterma π–A (1 compressão) de solução aquosa de L-Lisina 0,02 mol L-1 sem presença de ácido esteárico.
Nota-se que L-Lisina apresentou atividade superficial muito baixa, visto que a pressão de superfície se mantém quase nula ao longo da compressão. Portanto, conclui-se que L-Lisina não vai para a interface.
Grupo 2
Os filmes de Langmuir são formados por duas camadas constituídas de ácido esteárico e separadas por aproximadamente 6 nm. O espaço vazio entre as camadas foi preenchido com água. Finaliza-se a etapa de construção dos sistemas do grupo 2 inserindo o filme no centro de uma caixa de simulação cujo comprimento é de 50 nm na direção z. Dessa forma, as interfaces ácido esteárico-solução aquosa estão localizadas na posição Z=22 nm e Z=28 nm.
Observa-se nas Figuras 14, 15 e 16 que a presença do ácido esteárico aumenta significativamente a adsorção dos aminoácidos na interface. Nas Figuras 14 e 15, nota-se que L-Fenilalanina e L-Triptofano vão para a interface do filme de Langmuir.
Pela análise da Figura 16, conclui-se que L-Lisina vai parcialmente para a interface. Isso porque os aminoácidos apresentam um aumento das densidades nas regiões onde estão localizadas as interfaces e uma densidade expressiva no interior da solução aquosa.
- Formação de aglomerados
Para as Figuras 20, 21 e 22 considera-se média como o número médio de moléculas de aminoácidos nos aglomerados formados no sistema.
Figura 20: Número médio de moléculas de aminoácidos nos aglomerados formados ao longo do tempo para os sistemas contendo L-Lisina do grupo 1.
Figura 21: Número médio de moléculas de aminoácidos nos aglomerados formados ao longo do tempo para os sistemas contendo L-Fenilalanina e L-Triptofano do grupo 1.
Figura 22: Número médio de moléculas de aminoácidos nos aglomerados formados ao longo do tempo para os sistemas do grupo 2.
- Grupo 1
Na Figura 20, percebe-se que Lisina 1 e Lisina 2, na verdade, não formam aglomerados, uma vez que o número médio de aminoácidos nos aglomerados formados é 1. A Lisina 3 forma poucos dímeros. Na Figura 21, nota-se que L-Fenilalanina não chega a formar dímeros, enquanto L-Triptofano forma vários dímeros.
-Grupo 2
Na Figura 22, observa-se que L-Fenilalanina forma dímeros, L-Lisina não forma aglomerados e L-Triptofano forma aglomerados contendo de 2 a 6 moléculas de aminoácido.
- Retificação dos dados da tabela 3
A análise qualitativa é um ótimo primeiro passo para analisar os sistemas, mas não devem ser a última opção. A análise quantitativa foi muito importante para obter dados de melhor qualidade sobre o comportamento dos aminoácidos nos sistemas expressos na Tabela 4. Aminoácidos Foi para a interface na água? Formou aglomerados na água ? Foi para a interface no filme ? Formou aglomerados no filme ?
L-Fenilalanina parcialmente não sim sim
L-Triptofano parcialmente sim sim sim
L-Lisina
Lisina 1 não não NR NR
Lisina 2 não não parcialmente não
Lisina 3 não poucos NR NR
Tabela 4: Comportamento dos aminoácidos nos sistemas de acordo com a análise quantitativa. NR significa que não foi realizado.
Conclusões
A dinâmica molecular clássica da interação de aminoácidos (L-Fenilalanina, L-Triptofano e L-Lisina) com filmes de Langmuir de ácido esteárico foi realizada com
sucesso através da utilização do pacote computacional Gromacs. O estudo teórico através das dinâmicas moleculares permitiu uma maior compreensão do comportamento dos aminoácidos em filmes de Langmuir de ácido esteárico como modelos para a superfície de partículas em aerossóis atmosféricos. Nas simulações foi observado que a presença do ácido esteárico aumenta significativamente a adsorção dos aminoácidos na interface. Observou-se também que a L-lisina em solução aquosa não adsorveu na interface, ao contrário do que tinha sido encontrado anteriormente em nosso grupo, já que é muito solúvel em água e altamente hidrofílica. A análise da densidade dos aminoácidos ao longo do eixo z e do número médio de moléculas de aminoácidos nos aglomerados formados no sistema ao longo do tempo mostraram-se técnicas eficientes para estudar a adsorção dos aminoácidos na interface e a formação de aglomerados. Por fim, foi possível entender o comportamento dos aminoácidos no filme de Langmuir de ácido esteárico de modo eficaz utilizando dinâmica molecular.
Referências
1 - Lavandier, Maria Isabel Spitz Argolo; Pimentel, André Silva (Orientador). Adsorção de Aminoácidos por Filmes de Langmuir de Ácido Esteárico na Interface Ar-Água. Rio de Janeiro, 2014. 86p. Dissertação de Mestrado – Departamento de Química, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
2 - Griffith, E. C., Adams, E. M., Allen, H. C., Vaida, V. Hydrophobic collapse of a stearic acid film by adsorbed l-phenylalanine at the air-water interface J. Phys. Chem. B. 2012, 12, 116(27): 7849-57.
3 - Malde AK, Zuo L, Breeze M, Stroet M, Poger D, Nair PC, Oostenbrink C, Mark AE. An Automated force field Topology Builder (ATB) and repository: version 1.0. Journal of Chemical Theory and Computation, 2011, 7(12), 4026-4037.
4 - D. van der Spoel, E. Lindahl, B. Hess, A. R. van Buuren, E. Apol, P. J. Meulenhoff, D. P. Tieleman, A. L. T. M. Sijbers, K. A. Feenstra, R. van Drunen and H. J. C. Berendsen,
Gromacs User Manual version 4.6, www.gromacs.org (2010).
5 - Sebastian Rubert, Christian Gamroth, André J Heissmann, Gunther Lukat, Ralf Rotzoll, Alexander Schäfer, Jens Krüger, and Björn Sommer, The GMX-Plugin for the
CELLmicrocosmos MembraneEditor J Cheminform. 2012; 4(Suppl 1): P49.
6 - BUCH, V. et al. Water surface is acidic. Proc Natl Acad Sci U S A, v.104, n. 18, p. 7342-7, May 1 2007. ISSN 0027-8424 (Print)
7 - MISHRA, H. et al. Bronsted basicity of the air-water interface. PNAS, v.109, n. 46, p. 18679-18683, 2012.
