Utilizando simulação de dinâmica molecular estudamos as propriedades termodin âmicas da água em um sistema com macromoléculas hidrofóbicas e hidrofílicas. Em um primeiro momento utilizamos um sistema com uma proteína imersa em água. Os dois modelos atomísticos utilizados foram o modelo SPC/E e o modelo TIP4P-2005 e a proteína utilizada foi a toxina oriunda do escorpião brasileiro, TS-Kappa. Observamos para o sistema bulk e para o sistema com a proteína hidratada um máximo valor de densidade. Porém, analisando a densidade próximo à superfície da proteína, o comportamento anômalo não está mais presente. Para baixas temperaturas densidade da água próximo à proteína é maior do que no bulk. Nossos resultados mostram que o número de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água na camada de hidratação da proteína, é menor que o número de ligações de hidrogênio para o sistema puro. A água na primeira camada de hidratação conecta-se com a superfície da proteína, além de ligar-se com outras moléculas de água vizinhas. medida que a temperatura diminui as moléculas de água tornam-se mais estruturadas próximo à região hidrofílica, e a densidade da água nessa região é maior do que a densidade da água na região hidrofóbica. Os resultados para a difusão nos mostram que a água diminui sua mobilidade na superfície da proteína, indicando uma maior conexão com sua superfície. Com o objetivo de estudar o comportamento da água em um sistema com interações hidrofílicas e hidrofóbicas, usamos um modelo mínimo com duas placas paralelas imersas em um uido do tipo-água. Nossos resultados indicam que a densidade da água aumenta com a diminuição da temperatura e a água torna-se mais estruturada a medida que a temperatura diminui. / Using a molecular dynamics simulation we studied the thermodynamic properties of water in a system with a hydrophilic and hydrophobic macromolecule. At rst, we used a system with a protein immersed in water. The models used were the SPC/E and the TIP4P-2005 water model and the chosen protein was the Brazilian scorpion toxin TS-Kappa. For bulk system and the protein hydrated system, the maximum value of density is present. However, the density of water near to the protein surface, the anomalous behavior is no longer veri ed. At lower temperatures the density of water near to protein surface is higher than the bulk. Our results show that the number of hydrogen bonds between water molecules in the hydration shell is lower than the number of hydrogen bonds in bulk water. The water in the rst hydration shell connect with the hydrophilic protein surface besides the hydrogen bonds with other water molecules. As the temperature is decreased the water is more structured near the hydrophilic amino acid and the density in this region is higher than the density of water in the hydrophobic region. The di usion values of water shows that hydration water is more connected with the protein surface, so the di usion coe cient decreases in this region. In order to investigate the behavior of water in a hydrophobic and a hydrophilic system, we used a simple model of parallel plates immersed in a water-like uid. Our results suggests the density of water increases with the decrease of temperature and the water is more structured as the temperatures is decreased.

Utilizando simulação de dinâmica molecular estudamos as propriedades termodin âmicas da água em um sistema com macromoléculas hidrofóbicas e hidrofílicas. Em um primeiro momento utilizamos um sistema com uma proteína imersa em água. Os dois modelos atomísticos utilizados foram o modelo SPC/E e o modelo TIP4P-2005 e a proteína utilizada foi a toxina oriunda do escorpião brasileiro, TS-Kappa. Observamos para o sistema bulk e para o sistema com a proteína hidratada um máximo valor de densidade. Porém, analisando a densidade próximo à superfície da proteína, o comportamento anômalo não está mais presente. Para baixas temperaturas densidade da água próximo à proteína é maior do que no bulk. Nossos resultados mostram que o número de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água na camada de hidratação da proteína, é menor que o número de ligações de hidrogênio para o sistema puro. A água na primeira camada de hidratação conecta-se com a superfície da proteína, além de ligar-se com outras moléculas de água vizinhas. medida que a temperatura diminui as moléculas de água tornam-se mais estruturadas próximo à região hidrofílica, e a densidade da água nessa região é maior do que a densidade da água na região hidrofóbica. Os resultados para a difusão nos mostram que a água diminui sua mobilidade na superfície da proteína, indicando uma maior conexão com sua superfície. Com o objetivo de estudar o comportamento da água em um sistema com interações hidrofílicas e hidrofóbicas, usamos um modelo mínimo com duas placas paralelas imersas em um uido do tipo-água. Nossos resultados indicam que a densidade da água aumenta com a diminuição da temperatura e a água torna-se mais estruturada a medida que a temperatura diminui. / Using a molecular dynamics simulation we studied the thermodynamic properties of water in a system with a hydrophilic and hydrophobic macromolecule. At rst, we used a system with a protein immersed in water. The models used were the SPC/E and the TIP4P-2005 water model and the chosen protein was the Brazilian scorpion toxin TS-Kappa. For bulk system and the protein hydrated system, the maximum value of density is present. However, the density of water near to the protein surface, the anomalous behavior is no longer veri ed. At lower temperatures the density of water near to protein surface is higher than the bulk. Our results show that the number of hydrogen bonds between water molecules in the hydration shell is lower than the number of hydrogen bonds in bulk water. The water in the rst hydration shell connect with the hydrophilic protein surface besides the hydrogen bonds with other water molecules. As the temperature is decreased the water is more structured near the hydrophilic amino acid and the density in this region is higher than the density of water in the hydrophobic region. The di usion values of water shows that hydration water is more connected with the protein surface, so the di usion coe cient decreases in this region. In order to investigate the behavior of water in a hydrophobic and a hydrophilic system, we used a simple model of parallel plates immersed in a water-like uid. Our results suggests the density of water increases with the decrease of temperature and the water is more structured as the temperatures is decreased.

Utilizando simulação de dinâmica molecular estudamos as propriedades termodin âmicas da água em um sistema com macromoléculas hidrofóbicas e hidrofílicas. Em um primeiro momento utilizamos um sistema com uma proteína imersa em água. Os dois modelos atomísticos utilizados foram o modelo SPC/E e o modelo TIP4P-2005 e a proteína utilizada foi a toxina oriunda do escorpião brasileiro, TS-Kappa. Observamos para o sistema bulk e para o sistema com a proteína hidratada um máximo valor de densidade. Porém, analisando a densidade próximo à superfície da proteína, o comportamento anômalo não está mais presente. Para baixas temperaturas densidade da água próximo à proteína é maior do que no bulk. Nossos resultados mostram que o número de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água na camada de hidratação da proteína, é menor que o número de ligações de hidrogênio para o sistema puro. A água na primeira camada de hidratação conecta-se com a superfície da proteína, além de ligar-se com outras moléculas de água vizinhas. medida que a temperatura diminui as moléculas de água tornam-se mais estruturadas próximo à região hidrofílica, e a densidade da água nessa região é maior do que a densidade da água na região hidrofóbica. Os resultados para a difusão nos mostram que a água diminui sua mobilidade na superfície da proteína, indicando uma maior conexão com sua superfície. Com o objetivo de estudar o comportamento da água em um sistema com interações hidrofílicas e hidrofóbicas, usamos um modelo mínimo com duas placas paralelas imersas em um uido do tipo-água. Nossos resultados indicam que a densidade da água aumenta com a diminuição da temperatura e a água torna-se mais estruturada a medida que a temperatura diminui. / Using a molecular dynamics simulation we studied the thermodynamic properties of water in a system with a hydrophilic and hydrophobic macromolecule. At rst, we used a system with a protein immersed in water. The models used were the SPC/E and the TIP4P-2005 water model and the chosen protein was the Brazilian scorpion toxin TS-Kappa. For bulk system and the protein hydrated system, the maximum value of density is present. However, the density of water near to the protein surface, the anomalous behavior is no longer veri ed. At lower temperatures the density of water near to protein surface is higher than the bulk. Our results show that the number of hydrogen bonds between water molecules in the hydration shell is lower than the number of hydrogen bonds in bulk water. The water in the rst hydration shell connect with the hydrophilic protein surface besides the hydrogen bonds with other water molecules. As the temperature is decreased the water is more structured near the hydrophilic amino acid and the density in this region is higher than the density of water in the hydrophobic region. The di usion values of water shows that hydration water is more connected with the protein surface, so the di usion coe cient decreases in this region. In order to investigate the behavior of water in a hydrophobic and a hydrophilic system, we used a simple model of parallel plates immersed in a water-like uid. Our results suggests the density of water increases with the decrease of temperature and the water is more structured as the temperatures is decreased.

<p>Open questions remain on the influence of various conditions and ion behavior on the hydration-shell of oily molecules. My research uses Raman spectroscopy and Raman multivariate curve resolution to study the hydration-shell of oily molecules as tools to help answer some of these open questions.</p><p>More specifically, I present results on the effect of molecular crowding on the structure of water around various oily molecules, and report the effect of molecular crowding on hydrophobic crossover. These results are important, as crowding has the potential to influence several fields, such as biology and environmental sciences. This work shows that increasing molecular concentration results in oil-oil crowding, decreases the tetrahedrality of the water structure around the oily molecules, and subsequently, the crossover temperature.</p><p>In addition to studying the hydration-shell under crowded conditions, I also present work on ion affiliation for the hydration-shell of an oily molecule. Ion affiliation for oil/water interfaces has been an ongoing topic of research since the Hoffmeister experiments because of their effect on biological processes. This study focuses on hydroxide and its affiliation for tert-butyl alcohol in comparison to other electrolytes. These results show iodide is less repelled by the oil/water interface in comparison to hydroxide.</p><p>Finally, I present findings on the influence of hydrogen peroxide in comparison to other small molecules on the water structure of an oily molecule. Hydrogen peroxide has been shown to reach supercooled temperatures, which may be useful in future studies of liquid phase transitions or studies on solute behavior at supercooled conditions. It is found that hydrogen peroxide does not significantly influence the water structure around tert-butyl alcohol, while other small molecules display significant water structure changes.</p><p>All these projects aim to contribute results to heated debates, as well as share information for future experiments.</p>

No description available.

The deprotonation characteristics of fluorescent probes -naphthol and 8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulphonic acid (HPTS) were studied in this diploma thesis, using steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy. Two cationic surfactants, Septonex and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), were studied. These surfactants were measured in the complex with hyaluronan (1.75 MDa, 1 MDa and 300 kDa). Steady-state fluorescence was used for determination of critical aggregation concentration of each surfactant and pKa*. Time-resolved fluorescence decays were used to calculate the average lifetimes and the deprotonation constants of naphthol and HPTS. The measurement with hyaluronan were compared with the polystyrenesulfonate (PSS) – surfactant system. The effect of hydration shell of hyaluronan on hyaluronan – surfactant complex formation results from the comparison of above mentioned systems. Large differences were found in the deprotonation characteristic between surfactants and even between individual molecular weights of hyaluronan. The measurement shows that the hydration shell is located near to the dissociated carboxyl groups of hyaluronan chain, where the interaction with the positively charged surfactants occurs. Furthermore, the aggregation number of Septonex was determined by quenching of pyrene using cetylpyridinium chloride (CPC) as a quencher. The aggregation number for 20 mM Septonex solution was determined as a value of 104 molecules. CPC was used for confirmation of the localization of -naphthol in the micelles of CTAB and polymer – CTAB, respectively.

No description available.

Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase. Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen. Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat. Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss. Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+. Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen. Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten. Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.

Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase. Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen. Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat. Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss. Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+. Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen. Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten. Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.:1 Einführung 1.1 Biomineralisation 1.2 Calciumphosphat 1.3 Phosphoserin 1.4 Kollagen 1.5 Osteocalcin 1.6 Fetuin 1.7 Matrixvesikel 1.8 Fragestellung der Dissertation 2 Material und Methoden 2.1 Computermodellierung 2.2 Chemikalien und Lösungen 2.3 FT-IR-Messungen 2.4 UV/Vis-Messungen 2.5 Massenspektroskopische Experimente 2.6 REM 2.7 TEM 2.8 AFM 2.9 NMR 2.10 XRD 3 Ergebnisse und Interpretation 3.1 Calciumphosphat 3.2 Phosphoserin 3.3 Fetuin 3.4 Osteocalcin 3.5 Kollagen 3.6 Künstliche Vesikel 4 Abschließende Zusammenfassung Anhang Erläuterungen zu den Ergebnissen Glossar Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Erklärung, Danke Publikationen Lebenslauf Index