Intermolecular interactions between milk proteins and molecules of interest in the food area

Abstract

Milk proteins have been studied for the transport of small molecules, such as pharmaceuticals, bioactive compounds, dyes, etc. These proteins have in their structure sites capable of interacting with hydrophobic compounds and thus carry them. The objective of this study was to study the molecular mechanisms involved in the interaction between curcumin (CUR) (bioactive compound) and lactoferrin (bLF) and enrofloxacin (ENRO) and bovine serum albumin (antibiotic used in the treatment of cows with mastitis) under different temperature conditions and at physiological pH. For the interaction study between bLF and CUR, sensitive and efficient techniques were used, such as fluorescence and surface plasmon resonance (SPR). Fluorescence results showed that the fluorescence intensity of bLF decreased with increasing concentrations of CUR. The fluorescence quenching mechanism was classified as static, showing the occurrence of complex formation between bLF and CUR under the thermodynamic conditions studied. In addition, the Gibbs free energy variation of the complexation was negative, being governed by entropy. SPR analysis also demonstrated the occurrence of complex formation between bLF and CUR. However, at low temperatures (285.15 K to 293.15 K) the process was governed by entropy, and at higher temperatures (297.15 K at 301.15 K) was governed by enthalpy. In addition, it was found that the complex formed had lower energy transfer capacity in the potential forms than the free molecules. The kinetic study of complex formation between bLF and CUR showed that the activation energy for association and dissociation of the complex (bLF-CUR) increased with increasing temperature. At low temperatures, the CUR showed to interact preferentially on the surface of the bLF, already at higher temperatures, the CUR penetrates inside the protein. It was also verified the occurrence of the enthalpy-entropy compensation phenomenon, namely related to the desolvation and to the conformational changes in the interaction site. for the interaction study between BSA and ENRO, fluorescence spectroscopy was used, based on ENRO's ability to emit fluorescence. In the study verified that the mechanism of extinction of the fluorescence was static, occurring the formation of BSA-ENRO complex. ENRO demonstrated to bind preferentially to the subdomain IIA (site I) of the BSA, the interaction process being exothermic. the complex has been shown to be more stable at low temperatures. It was also verified that in the process of formation of the BSA-ENRO complex there was the enthalpy-entropic compensation and the formed complex (BSA-ENRO) presented greater capacity of transference of energy to the potential forms than the free molecules, unlike which was observed for bLF and CUR. This study contributes to the knowledge, at the molecular level, of the interaction between milk proteins and molecules of interest in the food area under different temperature conditions and physiological pH, being a useful guide for the optimization of the use of whey proteins as carriers.

As proteínas do leite têm sido alvo de estudos como estruturas para veiculação de pequenas moléculas como, drogas lícitas, compostos bioativos, corantes, etc. Estas proteínas apresentam em sua estrutura sítios capazes de interagir com compostos hidrofóbicos e assim veiculá-los. A ENRO é um antibiótico utilizado no tratamento de vacas com mastite e, quando boas práticas agropecuárias não são realizadas, resíduos de antibióticos são encontrados no leite. A CUR é um corante natural, utilizado na indústria de alimentos, que apresenta propriedades bioativas. Várias moléculas, inclusive proteínas, tem sido estudado para interagir com a CUR e assim transporta-la. No entanto, não há estudos na literatura propondo a bLF como molécula de transporte para a CUR. O presente trabalho teve como objetivo estudar a nível molecular os mecanismos envolvidos na interação entre: curcumina (CUR) e lactoferrina (bLF) e, enrofloxacina (ENRO) e albumina do soro bovino (BSA), em diferentes condições de temperatura e em pH fisiológico. Para o estudo de interação entre bLF e CUR foram utilizadas técnicas sensíveis e eficazes como fluorescência e a ressonância plasmônica de superfície (SPR). No estudo de interação entre BSA e ENRO foi utilizado a espectroscopia de fluorescência. Resultados de fluorescência mostraram que a intensidade de fluorescência da bLF diminuiu à medida que as concentrações de CUR aumentaram. O mecanismo de extinção da fluorescência foi classificado como estático, havendo portanto, a formação de complexos entre bLF e CUR nas condições termodinâmicas estudadas. Além disso, a variação de energia livre de Gibbs de formação de complexo foi negativa, sendo regida pela entropia. A análise de SPR também demonstrou a ocorrência de formação de complexos entre bLF e CUR. No entanto, em baixas temperaturas (285.15 K a 293.15 K) o processo foi regido pela entropia, já em temperaturas maiores (297.15 K a 301.15 K) foi regido pela entalpia. Adicionalmente, verificou-se que as novas interações formadas com a formação do complexo apresentaram menor capacidade de transferência de energia nas formas potencial do que quando as moléculas estavam livres. O estudo cinético de formação de complexo entre bLF e CUR mostrou que a energia de ativação para a associação e dissociação do complexo (bLF-CUR) aumentou com o aumento da temperatura. Em baixas temperaturas, CUR demonstrou interagir preferencialmente na superfície da bLF, já em temperaturas mais elevadas a CUR se insere no interior da proteína. Também foi verificado a ocorrência do fenômeno de compensação entalpia- entropia, estando relacionado principalmente a dessolvatação e a mudanças conformacionais no local de interação. Para o estudo de interação entre BSA e ENRO, foi utilizado a espectroscopia de fluorescência, baseando-se na capacidade da ENRO em emitir fluorescência. No estudo verificou-se que ENRO se ligar preferencialmente no subdomínio IIA (sitio I) da BSA, sendo o processo de interação exotérmico. O complexo formado demonstrou ser mais estável em baixas temperaturas. Também foi verificado que no processo de formação do complexo BSA-ENRO houve a compensação entalpico-entropico e, as novas interações formadas com a formação do complexo (BSA-ENRO) apresentaram maior capacidade de transferência de energia para as formas potenciais que as interações que ocorrem quando as moléculas estão livres, ao contrário do que foi observado para bLF e CUR. Este estudo contribui para o conhecimento em nível molecular da interação entre proteínas do leite e moléculas de interesse na área de alimentos, em diferentes condições de temperatura e pH fisiológico, sendo um guia útil para a otimização da utilização de proteínas do soro como carreadoras.