Publication: Estudo dos efeitos de regulação de carga na adsorção do citocromo c em poros carregados
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Date
Advisor
Carvalho, Sidney Jurado de 
Coadvisor
Caetano, Daniel Lucas Zago
Graduate program
Biofísica Molecular - IBILCE 33004153068P9
Undergraduate course
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Type
Master's thesis
Access right
Acesso aberto
Abstract
Abstract (portuguese)
A adsorção de proteínas em superfícies porosas carregadas tem sido amplamente investigada devido ao seu potencial de aplicação nas áreas de biotecnologia e biomedicina, como em biossensores e drug delivery. Em geral, a adsorção é favorecida em pH próximo do ponto isoelétrico (pI) da proteína, no qual a repulsão eletrostática proteína-proteína é minimizada, e os patches de carga de sinal oposto à da superfície promovem a atração proteína-poro. Entretanto, resultados experimentais da adsorção do citocromo c em mesoporos de sílica SBA-15 mostraram que o pH no qual ocorre a máxima adsorção está significativamente abaixo do pI da proteína. Nossa hipótese é que o mecanismo de regulação de carga pode ser importante para esse comportamento. Para investigar essa questão, estudamos a adsorção do citocromo c enovelado, utilizando um modelo simplificado baseado em estrutura, por meio de simulações computacionais de Monte Carlo a pH constante. A proteína foi confinada em um poro cilíndrico carregado negativamente e foram avaliados os efeitos do pH, da concentração de sal e do raio de confinamento na distribuição de cargas da proteína e na energia de ligação proteína-superfície. Nós observamos que a regulação de carga causada pela presença da superfície favorece a protonação dos resíduos ionizáveis da proteína, mas esse comportamento é invertido para pH>pI. Esse aumento da carga líquida resulta em menores energias de ligação para raios maiores e salinidades menores. Também vimos que a regulação de carga aumenta a estabilidade da orientação do citocromo c durante a adsorção, além de possibilitar que a adsorção ocorra em pH ≈ pI, o que não acontece sem considerar a regulação de carga.
Abstract (english)
Protein adsorption onto charged porous surfaces has been extensively investigated in the literature due to its applicability in biotechnology and biomedicine, such as
biosensors and drug delivery systems. Typically, adsorption is favored in pH values close to the protein’s isoelectric point (pI), in which protein-protein electrostatic repulsion is minimized and the oppositely charged regions of the protein promote protein-surface attraction. However, experimental results of cytochrome c adsorption into SBA-15 silica mesopores have shown that the pH at which maximum adsorption occurs is significantly below pI. We propose that the charge regulation mechanism might play a crucial role in this behavior. To address this hypothesis, we employ pH-constant Monte Carlo simulations with a simplified structure-based model of folded cytochrome c, confined within a negatively charged cylindrical pore. We evaluate the effects of pH, salt concentration and confinement radius on the protein’s charge distribution and the protein-surface binding energy. Our results indicate that the charge regulation induced by the surface promotes the protonation of titratable residues in the protein, although this behavior is inverted for pH > pI. This increased charge state results in lower binding energies for larger confinement sizes and lower salinities. We have also shown that charge regulation increases the stability of cytochrome c orientation during adsorption and promotes adsorption at pH ≈ pI, which does not occur without employing charge regulation.
Description
Keywords
Adsorção de proteínas, Método de Monte Carlo, Regulação de carga, Protein adsorption, Monte Carlo Method, Charge regulation
Language
Portuguese
Citation
Souza Júnior, Ricardo Belarmino de. Estudo dos efeitos de regulação de carga na adsorção do citocromo c em poros carregados, 74f. 2023. Dissertação (Mestrado em Biofísica molecular) – Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas (Ibilce), São José do Rio Preto, 2023.
