Teoría y simulación de Monte Carlo aplicado al estudio de la adsorción de proteínas anticongelantes con tres dominios adsortivos

LOPEZ ORTIZ J.I.; NARAMBUENA C. F.; QUIROGA E.; TORRES P.; RAMIREZ PASTOR A.J.

La Plata, Buenos Aires

Congreso; 102° Reunión de la Asociación de Física Argentina; 2017

Asociación Física Argentina

En el presente trabajo, se estudio la adsorcion sobre hielo de protenas anticongelantes (AFPs, antifreeze proteins) con una estructura de tres dominios, combinando teora con simulacion de Monte Carlo. Las AFPs se encuentran en algunos seres vivos, como hongos, plantas, vertebrados y bacterias, expuestos a condiciones extremas de baja temperatura. Estas protenas son adsorbidas sobre el cristal de hielo impidiendo as la muerte celular por congelamiento. Esta adsorcion provoca un aumento en la microcurvatura del frente del hielo que, a su vez, eleva la presion de vapor y detiene el crecimiento adicional del mismo. La  interaccion protena-hielo reduce el punto de congelacion de la solucion de manera no coligativa. El descubrimiento de tales protenas tiene interes por su aplicacion potencial en medicina y en la industria de los alimentos, entre otros. La teora estadstica aqu estudiada, conocida como LGMMAS [1], obtenida desde la funcion de particion exacta de trmeros no interactuantes adsorbidos sobre una cadena unidimensional y su extension a dos dimensiones, incluye la conguracion de la molecula en el estado adsorbido, y permite la existencia de multiples estados de adsorcion de la protena. Para este caso, la protena fue modelada como tres unidades (o dominios) identicos conectadas por una union flexible ytres posibles estados de adsorcion: S1, S2 y S3, con uno, dos o tres sitios de union a la superficie, respectivamente. De acuerdo con las conguraciones de las protenas en el estado S3, se consideraron cuatro casos: i) las moleculas se adsorben ocupando tres sitios consecutivos en una red 1D; ii) las moleculas se adsorben ocupando tres sitios consecutivos a lo largo de una de las dos direcciones posibles de una red cuadrada (Caso A); iii) las moleculas se adsorben en una de las cuatro posibles formas angulares en una red cuadrada (Caso B); y vi) las moleculas se adsorben tanto en forma lineal como angular (Caso C). Las principales funciones termodinamicas (isoterma de adsorcion parcial y total, energa libre de Helmoltz y entropa conguracional) se obtuvieron a partir de la resolucion de un sistema no lineal con j ecuaciones, donde j es el numero total de posibles estados de adsorcion de las protenas. Los resultados teoricos fueron contrastados con los resultados de la simulacion de Monte Carlo y con una modicacion del modelo de Langmuir (MLM) que considera que la disposicion de los sitios de adsorcion en el espacio es inmaterial [2]. La teora LGMMAS proporciona resultados exactos para la red en una dimension y ofrece una descripcion muy precisa en dos dimensiones. Ademas, este esquema es capaz de predecir la proporcion entre el grado de cobertura correspondiente a diferentes conformaciones en el mismo estado energetico. Por el contrario, el esquema MLM no distingue entre diferentes estados de adsorcion, y muestra serias discrepancias con los resultados de simulacion en dos dimensiones. Este hallazgo indica que la estructura del adsorbato y la geometria de la red juegan un papel fundamental en la determinacion de las propiedades termodinamicas de estetipo de sistemas y, por consiguiente, deben ser incluidas en la teora.[1] E. Quiroga, A. Ramirez-Pastor. Statistical Thermodynamics of Molecules with Multiple Adsorption States: Application to Protein Adsorption. Chem. Phys. Lett. 2013, 556, 330. [2] O. Can, N.B. Holland. Utilizing Avidity to Improve Antifreeze Protein Activity: A Type iii Antifreeze Protein Trimer Exhibits Increased Thermal Hysteresis Activity. Biochemistry 2013, 52, 8745.