Simulación molecular de L-difenilalanina con agua y 2-propanol

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Director: Dr. D. Diego González Salgado. Los procesos de agregación molecular juegan un papel esencial en la construcción de estructuras altamente ordenadas y funcionales en biología. La difenilalania (L-Phe-LPhe, FF) forma agregados que actúan de semillas para la formación de fibras de amiloide, un aspecto quela conecta directamente con los procesos biológicos asociados con las denominadas enfermedades amiloides. Además, el péptido de Ldifenilalanina es una unidad que puede formar diversas estructuras, como microtubos, nanocables o microcristales. La técnica de simulación molecular es hoy en día una herramienta muy poderosa para el estudio de fenómenos macroscópicos desde una perspectiva microscópica. Un aspecto esencial en este tipo de estudios es la elección del modelo elegido para describir las moléculas involucradas y sus interacciones. Este modelo debe ser lo suficientemente sencillo para que la simulación sea posible con la potencia de cálculo de estos días y a su vez debe reproducir de manera adecuada el comportamiento experimental del sistema objeto de estudio. En este TFM se ha evaluado la capacidad de un modelo molecular definido disoluciones de L-difenilalanina en agua y 2-propanol para describir el comportamiento experimental de estos sistemas en la región diluida de soluto. El modelo elegido se compone de la versión flexible del modelo TIP4P/2005 para agua y el modelo OPLS-AA para las moléculas de L-difenilalanina y 2-propanol. Además, las interacciones Lennard-Jones cruzadas soluto-disolvente han sido fijadas de acuerdo a la regla de combinación geométrica. Las medidas experimentales han sido llevadas a cabo por Jacobo Troncoso en el Laboratorio de Propiedades Termofísicas de la Universidad de Vigo. Para este fin, se han llevado a cabo simulaciones en el colectivo isotérmico-isobárico desde 238.15 K a 328.15 K con un paso de 10 K y a la presión de 1bar. Las fracciones molares de soluto han sido 0.000, 0,0005, 0,0010, 0.0020, 0.0040. Se han determinado la densidad, el volumen molar y el volumen molar parcial del soluto a dilución infinita. En el caso de las disoluciones acuosas se ha determinado también la temperatura del máximo de la densidad TMD. Los resultados obtenidos han mostrado una excelente concordancia con los resultados experimentales tanto en aspectos cuantitativos como en lo relativo a las tendencias con la temperatura. De especial interés ha sido la excelente concordancia con los experimentos del comportamiento de la TMD con la composición en disoluciones acuosas, una propiedad normalmente difícil de capturar. En base al buen acuerdo encontrado entre experimentos y simulaciones se ha concluido que el modelo seleccionado es un buen punto de partida para el estudio de los procesos de agregación característicos de la L-dfhenilalanina.

Molecular aggregation processes play an essential role in the construction of highly ordered and functional structures in biology. Diphenylalanine (LPhe- L-Phe, FF) forms aggregates that act as seeds for the formation of amyloid fibers, an aspect that connects directly with the biological processes associated with so-called amyloid diseases. Furthermore, the diphenylalanine peptide is a unit that can form various structures, such as microtubes, nanowires or microcrystals. The molecular simulation technique is today a very powerful tool for the study of macroscopic phenomena from a microscopic perspective. An essential aspect in this type of study is the choice of the model chosen to describe the molecules involved and their interactions. This model must be simple enough for the simulation to be possible with the computing power of these days and in turn must adequately reproduce the experimental behavior of the system under study. In this TFM the capacity of a defined molecular model solutions of LDiphenylalanine in water and 2-propanol has been evaluated to describe the experimental behavior of these systems in the diluted region of solute. The chosen model consists of the flexible version of the TIP4P / 2005 model for water and the OPLS-AA model for the L-Diphenyalanine and 2- propanol molecules. Furthermore, the crossed Lennard-Jones solutesolvent interactions have been fixed according to the geometric combination rule. The experimental measurements have been carried out by Jacobo Troncoso at the Laboratory of Thermophysical Properties of the University of Vigo. For this purpose, simulations have been carried out in the isothermalisobaric ensemble from 238.15 K to 328.15 K with a step of 10 K and at a pressure of 1 bar. The mole fractions of solute have been 0.000, 0.0005, 0.0010, 0.0020, 0.0040. The density, molar volume, and partial molar volume of the solute have been determined at infinite dilution. In the case of aqueous solutions, the temperature of the maximum density TMD has also been determined. The results obtained have shown excellent agreement with the experimental results both in quantitative aspects and in relation to trends with temperature. Of special interest has been the excellent agreement with experiments of the behavior of TMD with the composition in aqueous solutions, a property normally difficult to capture