Coupling of binding and conformational equilibria in weak polyelectrolytes. Dynamics and charge regulation of biopolymers in crowded media
- Autores: Pablo Miguel Blanco Andrés
- Directores de la Tesis: Sergio Madurga Díez (dir. tes.), José Luis Garcés González (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ramon Crehuet Simon (presid.), Carlos Rey-Castro (secret.), Peter Kosovan (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Teórica y Modelización Computacional/Theoretical Chemistry and Computational Modelling por la Universidad Autónoma de Madrid; la Universidad Complutense de Madrid; la Universidad de Barcelona; la Universidad de Cantabria; la Universidad de Extremadura; la Universidad de las Illes Balears; la Universidad de Murcia; la Universidad de Oviedo; la Universidad de Sevilla; la Universidad de Vigo; la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea; la Universidad Jaume I de Castellón y la Universitat de València (Estudi General)
- Materias:
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- Resumen
Los polímeros son omnipresentes en nuestras vidas diarias, presentes en múltiples aplicaciones industriales e involucrados en procesos biológicos esenciales. Por ejemplo, el ADN, las proteínas y los azúcares pueden ser considerados polímeros, normalmente denominados biopolímeros. Los polímeros con un gran número de grupos cargados son conocidos como polielectrolitos y son clasificados en términos de su ionización como fuertes (totalmente ionizados) y débiles (parcialmente ionizados). En esta tesis, investigo diferentes aspectos teóricos de las propiedades conformacionales, elásticas, difusivas y de ionización de polielectrolitos débiles y biopolímeros.
Por una parte, me centro en la compleja interacción entre los grados de libertad de ionización y conformacionales de polielectrolitos débiles usando el modelo Site Binding Rotational Isomeric State (SBRIS), recientemente desarrollado. Se introduce una nueva técnica analítica, el método Local Effective Interaction Parameters (LEIP), para resolver el modelo SBRIS incluyendo las interacciones electrostáticas intramoleculares de largo alcance. El modelo se valida comparándolo con simulaciones Monte Carlo a pH constante. El modelo SBRIS se utiliza para estudiar la respuesta elástica de un polielectrolito modelo. Se encuentra un nuevo régimen de fuerza en el que (i) las curvas fuerza-extensión son significativamente dependientes del valor del pH y la fuerza iónica (ii) la carga del polielectrolito es modificada por la fuerza de estiramiento. Se observa que las propiedades conformacionales y elásticas del polielectrolito se ven significativa y moderadamente afectadas por la presencia de fluctuaciones en la carga, respectivamente.
Por otra parte, evalúo las propiedades diffusivas y de ionización de biopolímeros en solución con una elevada concentración de macromoleculas. Estas condiciones, conocidas como crowding macromolecular, son características de los medios biológicos dónde hasta el 40% del volumen está ocupado por macromoleculas. Se analiza la difusión de dos proteı́nas globulares, α-chimiotripsina y estreptavidina, en diferentes condiciones de crowding macromolecular con simulaciones de Dinámica Browniana. Un nuevo modelo de grano grueso es propuesto, nombrado Chain Entanglement Softned Potential (CESP), el cual reproduce cuantitativamente los datos experimentales. Se ha investigado el efecto de la crowding macromolecular en las propiedades conformacionales y de ionización de dos proteínas intrínsicamente desordenadas (IDPs), histidina-5 y β-amiloide 42, las cuales son modelizadas usando un modelo de cuentas y muelles. Se agrega una alta concentración de albumina de suero bovino (BSA), modelizada con el modelo CESP. Se encuentra que la carga global de las IDPs exhibe pequeñas/moderadas variaciones cuando macromoléculas neutras y cargadas son añadidas al sistema, respectivamente.
