Adsorção de proteínas do soro do leite e do glicomacropeptídeo (GMP) na interface hidrofóbica de nanotubos de carbono de paredes múltiplas

Abstract

Neste trabalho, foi estudado o comportamento de adsorção das proteínas &#945;-Lactoalbumina (&#945;-La), &#946;-Lactoglobulina (&#946;-Lg) e o glicomacropeptídeo (GMP) em nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) na presença e na ausência de eletrólitos da série de Hofmeister, em diferentes valores de pH, visando a compreensão do mecanismo de adsorção de proteínas em nanotubos de carbono (CNTs). Foram investigados os efeitos do pH do meio reacional, natureza do eletrólito e estrutura da proteína sobre a quantidade adsorvida (&#915;) das diferentes proteínas e do GMP. Variações na carga líquida da proteína e na natureza do eletrólito alteram o processo de interação nanotubo-proteína. A &#915; de &#945;-La é maior quando sua carga líquida é positiva (pH 3) e da &#946;-Lg quando a carga líquida é negativa (pH 9). Os elevados valores de &#915; demonstraram o potencial dos NCTs na adsorção de proteínas. Em pH 9 observa-se um aumento na &#915; de &#945;-La devido à presença de 100,0 mM dos eletrólitos. Para [&#945;-La] &#8776; 0,7000 mg mL-1, na presença apenas de tampão pH 9 temos: &#915; Tampão/&#945;-La = 197,0 mg g-1, indo para &#915; NaSCN/&#945;-La = 233,0 mg g-1, &#915; Na2SO4/&#945;-La = 281,0 mg g-1, &#915; NaHPO4 = 256,0 mg g-1. Comportamento contrário foi observado para a &#946;-Lg. Em pH 9, os maiores valores de &#915; foram observados para o GMP e o processo foi pouco influênciado por eletrólitos. Os resultados mostram que o mecanismo do processo de adsorção é dependente da natureza da proteína, sendo as isotermas de &#946;-Lg e &#945;-La características de adsorção monocamada, enquanto que as isotermas de adsorção de GMP não se ajustaram bem ao modelo de Langmuir, apresentando duas regiões de saturação, caracterizando a adsorção em bicamada. Além disso, pela primeira vez, foram determinados os parâmetros termodinâmicos de adsorção de proteínas em NCTs, usando dois modelos: o modelo de Langmuir e o modelo termodinâmico de diluição infinita. A análise termodinâmica baseada nas titulações microcalorimétricas demonstrou que o processo de adsorção de proteínas em todas as condições avaliadas ocorre de maneira espontânea (&#916;adsG° <0). O processo é exotérmico e entálpicamente dirigido, para todos os estados termodinâmicos avaliados. Com base nos resultados experimentais, foi proposto um mecanismo para o processo adsortivo dos polieletrólitos estudados na interface dos MWCNTs, que consiste em mudança conformacional da molécula de proteína, devido a sua interação com a superfície do nanotubo, de forma que resíduos de aminoácidos hidrofóbicos se direcionam para a interface dos MWCNT e resíduos carregados e hidrofílicos formam uma interface proteína adsorvida solução. Enquanto isso, íons provinientes dos eletrólitos formadores da solução tampão adsorvem na interface proteína adsorvida/solução. Foi proposto que, na presença de eletrólitos da série de Hofmeister, há uma adsorção competitiva entre os íons da série de Hofmeister e os íons formadores do tampão, alterando as contribuições entálpicas e entrópicas para o processo adsortivo. Medidas de potencial eletrocinético reforçaram o mecanismo proposto.

In this work we studied the adsorption behavior of the proteins &#945;-lactalbumin (&#945;-La), &#946;-Lactoglobulin (&#946;-Lg) and of the glicomacropeptídeo (GMP) in multiple-walled carbon nanotubes (MWCNT) in the presence and absence of electrolytes of Hofmeister series at different pH values, aimed in the understanding of the mechanism of protein adsorption on carbon nanotubes (NCTS). We investigated the effect of pH of the reaction medium, nature of electrolyte and protein structure on the amount adsorbed (&#915;) of different proteins and of the GMP. A variation in net charge of protein and of the electrolyte nature changes the process of nanotube-protein interaction. The &#915; of &#945;-La is greater when its net charge is positive (pH 3) and &#946;-Lg when the net charge is negative (pH 9). The high values of &#915; demonstrated the big potential of NCTs in the protein adsorption. At pH 9 there is an increase in &#915; of &#945;-La due to the presence of 100,0 mM electrolyte, for [&#945;-La] &#8776; 0,7000 mg mL-1 in the presence of only buffer pH 9 are: &#915; Buffer/&#945;-La = 197,0 mg g-1, going to &#915; NaSCN/&#945;-La = 233,0 mg g-1, &#915; Na2SO4/&#945;-La = 281,0 mg g-1, &#915; NaHPO4/&#945;-La = 256,0 mg g-1, opposite behavior was observed for &#946;-Lg. At pH 9 the highest values of &#915; were observed for the GMP and the process was little influenced by electrolytes. The results show that the mechanism of adsorption depend on the nature of the polyelectrolyte, and the isotherms of &#946;-Lg and &#945;-La features of monolayer adsorption while the adsorption isotherms GMP did not fit well to Langmuir model featuring two characterizing the regions of saturation adsorption bilayer. In addition, that is the first time that thermodynamic parameters were determined for adsorption of proteins in NCTs using two models: the Langmuir model and the thermodynamic model of infinite dilution. The thermodynamic analysis based on calorimetric titrations showed that the adsorption of proteins in all conditions evaluated occurs spontaneously (&#916;adsG° <0). The process is exothermic and enthalpy driven, for all thermodynamic states evaluated. Based on experimental results a mechanism was proposed for the process of adsorption of polyelectrolytes studied in the interface of MWCNTs consisting of conformational change of the protein molecule due to its interaction with the surface of the nanotube so that hydrophobic amino acid residues are directed to interface of MWCNT loaded and hydrophilic residues and form an adsorbed protein solution interface, meanwhile ions from the electrolyte that forms the buffer adsorb at the protein adsorbed at the interface / solution and it was proposed that the presence of electrolytes of the Hofmeister series - a competitive adsorption between the ions the salt of the Hofmeister series of ions and the ions that form the buffer by changing the enthalpy and entropy contributions to the adsorptive process. Electrocinetic potential measurements reinforced the proposed mechanism.