Membranas e organelas constituem estruturas presentes nas células dos organismos. Estas estruturas representam interfaces entre eletrólitos. Uma tentativa de descrever, interpretar e compreender a distribuição iônica nas vizinhanças destas estruturas é feita neste trabalho com a análise de resultados de experimentos obtidos na investigação de alguns sistemas: 1) Sistemas constituídos por micelas de SDS. Medidas do pH nas vizinhanças de superfícies das micelas por sondas derivadas do ácido salicílico mostra variações do pH em termos da concentração de SDS e da concentração de sal adicionado. O objetivo dos experimentos é inferir o comportamento do pH nas vizinhanças de membranas biológicas que, por dissociação de alguns fosfolipídios, podem apresentar segmentos da membrana com carga na superfície. 2) A natureza \"zwitteriônica\" das membranas biológicas motivou o estudo da \"ligação iônica\" em micelas \"zwitteriônicas\", imersas em soluções com eletrólito, em concentrações variadas de sais de Cl- e Br- com os cátions monovalentes, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+ e tetrametil amônio (TMA+) e bivalentes Mg2+ e Ca2+. Os experimentos consistiram em determinar a concentração de haletos próximos a micela. A técnica de captura química mostra que há um grau de seletividade que não é determinado apenas pela carga iônica. 3) Resultados preliminares do grau de dissociação no interior de vesiculas de, cloreto de dimetildioctadecil amônio, DODAC, indicam que 8% dos monômeros estão dissociados em vesículas com o diâmetro médio em torno de 150 e 300 nm. As leis fundamentais usadas para compreender os resultados estão aliadas a hipótese de que os sistemas estudados estão em equilibrio termodinâmico, que a interação eletrostática é predominante e ao potencial eletrostático é conferido o papel do potencial da força média que atua nos íons. A simplificação adicional consistindo em admitir que os íons se comportam como cargas puntiformes no que se refere à interação eletrostática conduz o modelo teórico à equação de Poisson-Boltzmann que, linearizada, resulta na equação de Debye-Hückel. Hipóteses adicionais se fazem necessárias para formular o modelo como um problema matemático com condições de contorno. Para cada situação as hipóteses adicionais são discutidas. Sistemas hipotéticos são analizados com o intuito de comparar os resultados provenientes da equação de Poisson-Boltzmann e da equação de Debye-Hückel. A análise teórica dos sistemas conduz a resultados em acordo com os valores medidos. Entre as conclusões obtidas, neste trabalho, são mencionados: 1- As sondas derivadas do ácido salicílico mantêm os grupos dissociáveis próximos a superfície, a distância é da ordem de 0,1 nm, mesmo para sondas que apresentam cadeia longa entre o grupo nitrogênio e o grupo dissociável. 2- A especificidade iônica é bem descrita utilizando, além da carga elétrica, a massa do íon. Os íons na superfície de uma micela zwitteriônica têm liberdade translacional e portanto superfícies zwitteriônicas em solução de eletrólito apresentam condutividade elétrica na superfície. 3- As concentrações iônicas no interior de vesículas são uniformes em praticamente toda a região interna, apresentando variações apenas nas vizinhanças da superfície interna carregada eletricamente. / Membranes and organelles are structures present in biological systems. Such structures are interfaces between electrolytes. Addressing to the description, interpretation and comprehension of the ionic distribution around the structures an attempt is done is this work analyzing experimental results from the investigation of the following systems: 1) SDS micelles. \"pH\" measurements in the micellar surface neighborhood using salicylic acid probes show the pH values dependence with the SDS and added salt concentrations. The experiments aimed to infer the pH behavior in biological membranes where same phospholipids may dissociate and portions of the surface can acquire electrical charges. 2) The zwitterionic nature of biological membranes leads to the investigation of ion binding in zwitterionic micelles in electrolyte solutions with varied concentrations of Cl- or Br<SUP- salts with the cations Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+ e tetramethylammonium (TMA+) and the bivalent cations Mg2+ e Ca2+. Halide concentration in the micellar vicinity was measured. Chemical trapping method shows there is a selectivity degree that does not depend only on the ionic charge. 3) Preliminary results in the determination of the inner dissociation degree of dioctadecyldimethylammonium chloride vesicles, DODAC, show that about 8% of the vesicle constituent monomers are dissociated in vesicles with 150 and 300 nm mean diameter. The theoretical description is based upon the thermodynamics equilibrium hypothesis about the systems and that the electrostatic interaction is the stronger interaction and also it is attributed to the mean electrostatic potential the role of the mean force potential acting on the ionic species. A further simplification in considering the ions as point charges with respect to the electrostatic interactions leads the model to the Poisson-Boltzmann equation and under linearization results in the Debye-Hückel alternative description. Additional hypothesis are necessary in order to have the model as a mathematical problem with boundary conditions and are discussed for each system. Hypothetical systems are analysed aiming the comparison between Poisson-Boltzmann and Debye- Hückel descriptions. Some conclusions derived in the analysis are: 1- The salicylic acid probes have the dissociable groups always near (~0,1nm) the micellar surface, even to the probes that have a long chain between the nitrogen group and the dissociable group. 2- In a zwitterionic micelle the ions on the surface have translational freedom and this is way the zwitterionic membranes in electrolyte solutions are conducting surfaces. 3- The ionic concentrations in the vesicle interior have uniformly value almost everywhere showing variations only in the vicinity of the electrically charged interior surface. The theoretical study of the three systems considered gives results in accord with experimental data.

Submitted by Daniel Lucas Zago Caetano (daniel.caetano@sjrp.unesp.br) on 2017-09-29T00:38:30Z No. of bitstreams: 1 caetano_dlz_dr_sjrp.pdf: 13957655 bytes, checksum: 5b96587e7372ab57b53df4f703a1de39 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-09-29T18:31:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 caetano_dlz_dr_sjrp.pdf: 13957655 bytes, checksum: 5b96587e7372ab57b53df4f703a1de39 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-29T18:31:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 caetano_dlz_dr_sjrp.pdf: 13957655 bytes, checksum: 5b96587e7372ab57b53df4f703a1de39 (MD5) Previous issue date: 2017-09-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho tem por objetivo estudar, por meio de simulações computacionais baseadas no método de Monte Carlo, interações eletrostáticas em superfícies e macromoléculas. Na primeira parte deste estudo é abordada a interação entre polieletrólitos, mais especificamente, homopolímeros e copolímeros em bloco suscetíveis à variações de pH, e macromoléculas com distribuição helicoidal de carga compatível com a encontrada em polinucleotídeos. A macromolécula foi representada por um cilindro rígido infinito que simula a parte central do DNA/RNA, totalmente inacessível ao polieletrólito. Visando simular os sulcos do DNA, duas esferas completam o modelo: uma localizada na posição dos grupos fosfato (esfera externa) e outra localizada entre a esfera externa e o cilindro (esfera interna). A distribuição de carga da macromolécula é dada por um conjunto de cargas negativas monovalentes centradas nas esferas externas. O polieletrólito foi representado por uma cadeia de N esferas rígidas carregadas, conectadas por um potencial harmônico e com um valor de pKa específico. A solução eletrolítica foi tratada pela teoria de Debye-Hückel. Os efeitos do pH, da concentração de sal, da estrutura primária e da rigidez da cadeia polimérica e da distribuição de carga da macromolécula sobre as propriedades conformacionais e físico-químicas da cadeia adsorvida foram calculados. Verificou-se que a presença da macromolécula modifica as propriedades ácido/base do polieletrólito e que o efeito de regulação de carga afeta o processo de adsorção/dessorção. Além disso, constatou-se uma dependência entre as conformações adotadas pelo polieletrólito na superfície da macromolécula e a concentração de sal da solução. Na segunda parte deste trabalho é investigada a influência das interações de hidratação sobre a capacitância diferencial da dupla camada elétrica por meio de simulações de Monte Carlo e por modelos teóricos baseados na aproximação de Campo Médio. Um eletrodo plano e carregado foi inserido em uma solução eletrolítica constituída por íons monovalentes e com concentração próxima às condições fisiológicas. As interações de hidratação foram descritas por meio de potenciais de Yukawa, as quais foram adicionadas às interações de Coulomb e de volume excluído entre os íons e entre os íons e o eletrodo. O modelo de Campo Médio proposto não só inclui interações de hidratação aos pares ânion-ânion, ânion-cátion e cátion-cátion de intensidades arbitrárias, mas também leva em consideração o tamanho finito dos íons por meio de duas abordagens distintas: i) equação de estado de Carnahan-Starling; e ii) modelo de rede. A capacitância diferencial obtida não só pelas simulações de Monte Carlo, mas também pelas aproximações de Campo Médio, apresenta o característico pico duplo, usualmente denominado de camel-shape, no qual seu decaimento reflete o empacotamento dos contraíons nas proximidades do eletrodo. Verificou-se também que a presença das interações de hidratação entre os íons e entre o eletrodo e os íons promove o surgimento de uma pequena região de depleção de carga nas proximidades do eletrodo, similar à camada de Stern. / This work aims to analyze electrostatic interactions on surfaces and macromolecules through the use of computational simulations based on the Monte Carlo method. In the first part of this study, we discuss the interaction between polyelectrolytes – more specifically homopolymers and block-copolymers which are susceptible to variations in pH – and macromolecules with helical charge distribution compatible with that found in polynucleotides. The macromolecule was represented by an infinite rigid cylinder, which mimics the central core of RNA/DNA, totally inaccessible to the polyelectrolyte. In order to simulate DNA grooves, two additional spheres complete the model: one being centered at the position of the phosphate groups (outer sphere) and the other being located between the outer sphere and the cylinder (inner sphere). The charge distribution of the macromolecule is given by a helical set of monovalent negative charges centered at the outer spheres. The polyelectrolyte was represented by a chain with charged hard spheres connected by harmonic bonds and presenting a specific pKa value. The electrolyte solution was treated at the Debye-Hückel level. The effects of pH, salt concentration, primary structure and stiffness of the polymer chain on the conformational and physicochemical properties of the adsorbed chain were investigated. Results show that the presence of the macromolecule modifies the acid/base properties of the polyelectrolyte and that the effect of charge regulation affects the adsorption/desorption process. Furthermore, a dependence between the conformations adopted by the polyelectrolyte on the surface of the macromolecule and the salt concentration of the solution was also observed. In the second part of this study, we investigated the influence of hydration interactions on the differential capacitance of an electric double layer by means of Monte Carlo simulations and by theoretical models based on mean-field approximation. A charged planar electrode was inserted in an electrolyte solution composed of monovalent ions and with concentration close to that found at physiological conditions. The hydration interactions were modeled through Yukawa potentials, which were added to Coulomb and excluded volume interactions among the ions and between the ions and the electrode. The proposed mean-field model not only include hydration interactions to the cation-cation, anion-anion and cationanion pairs, but also take into account the finite size of the ions through two distinct approaches: i) the Carnahan-Starling equation of state, and ii) the lattice gas model. We found that both our Monte Carlo simulations and mean-field approaches predict a characteristic double-peak (the so-called camel shape) of the differential capacitance, where its decrease reflects the packing of the counterions near the electrode. We also found that the presence of hydration interactions among the ions and between the ions and the electrode promotes the emergence of a small region of charge depletion near the electrode, similar to the Stern layer. / FAPESP: 2013/13151-7

Membranas e organelas constituem estruturas presentes nas células dos organismos. Estas estruturas representam interfaces entre eletrólitos. Uma tentativa de descrever, interpretar e compreender a distribuição iônica nas vizinhanças destas estruturas é feita neste trabalho com a análise de resultados de experimentos obtidos na investigação de alguns sistemas: 1) Sistemas constituídos por micelas de SDS. Medidas do pH nas vizinhanças de superfícies das micelas por sondas derivadas do ácido salicílico mostra variações do pH em termos da concentração de SDS e da concentração de sal adicionado. O objetivo dos experimentos é inferir o comportamento do pH nas vizinhanças de membranas biológicas que, por dissociação de alguns fosfolipídios, podem apresentar segmentos da membrana com carga na superfície. 2) A natureza \"zwitteriônica\" das membranas biológicas motivou o estudo da \"ligação iônica\" em micelas \"zwitteriônicas\", imersas em soluções com eletrólito, em concentrações variadas de sais de Cl- e Br- com os cátions monovalentes, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+ e tetrametil amônio (TMA+) e bivalentes Mg2+ e Ca2+. Os experimentos consistiram em determinar a concentração de haletos próximos a micela. A técnica de captura química mostra que há um grau de seletividade que não é determinado apenas pela carga iônica. 3) Resultados preliminares do grau de dissociação no interior de vesiculas de, cloreto de dimetildioctadecil amônio, DODAC, indicam que 8% dos monômeros estão dissociados em vesículas com o diâmetro médio em torno de 150 e 300 nm. As leis fundamentais usadas para compreender os resultados estão aliadas a hipótese de que os sistemas estudados estão em equilibrio termodinâmico, que a interação eletrostática é predominante e ao potencial eletrostático é conferido o papel do potencial da força média que atua nos íons. A simplificação adicional consistindo em admitir que os íons se comportam como cargas puntiformes no que se refere à interação eletrostática conduz o modelo teórico à equação de Poisson-Boltzmann que, linearizada, resulta na equação de Debye-Hückel. Hipóteses adicionais se fazem necessárias para formular o modelo como um problema matemático com condições de contorno. Para cada situação as hipóteses adicionais são discutidas. Sistemas hipotéticos são analizados com o intuito de comparar os resultados provenientes da equação de Poisson-Boltzmann e da equação de Debye-Hückel. A análise teórica dos sistemas conduz a resultados em acordo com os valores medidos. Entre as conclusões obtidas, neste trabalho, são mencionados: 1- As sondas derivadas do ácido salicílico mantêm os grupos dissociáveis próximos a superfície, a distância é da ordem de 0,1 nm, mesmo para sondas que apresentam cadeia longa entre o grupo nitrogênio e o grupo dissociável. 2- A especificidade iônica é bem descrita utilizando, além da carga elétrica, a massa do íon. Os íons na superfície de uma micela zwitteriônica têm liberdade translacional e portanto superfícies zwitteriônicas em solução de eletrólito apresentam condutividade elétrica na superfície. 3- As concentrações iônicas no interior de vesículas são uniformes em praticamente toda a região interna, apresentando variações apenas nas vizinhanças da superfície interna carregada eletricamente. / Membranes and organelles are structures present in biological systems. Such structures are interfaces between electrolytes. Addressing to the description, interpretation and comprehension of the ionic distribution around the structures an attempt is done is this work analyzing experimental results from the investigation of the following systems: 1) SDS micelles. \"pH\" measurements in the micellar surface neighborhood using salicylic acid probes show the pH values dependence with the SDS and added salt concentrations. The experiments aimed to infer the pH behavior in biological membranes where same phospholipids may dissociate and portions of the surface can acquire electrical charges. 2) The zwitterionic nature of biological membranes leads to the investigation of ion binding in zwitterionic micelles in electrolyte solutions with varied concentrations of Cl- or Br<SUP- salts with the cations Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+ e tetramethylammonium (TMA+) and the bivalent cations Mg2+ e Ca2+. Halide concentration in the micellar vicinity was measured. Chemical trapping method shows there is a selectivity degree that does not depend only on the ionic charge. 3) Preliminary results in the determination of the inner dissociation degree of dioctadecyldimethylammonium chloride vesicles, DODAC, show that about 8% of the vesicle constituent monomers are dissociated in vesicles with 150 and 300 nm mean diameter. The theoretical description is based upon the thermodynamics equilibrium hypothesis about the systems and that the electrostatic interaction is the stronger interaction and also it is attributed to the mean electrostatic potential the role of the mean force potential acting on the ionic species. A further simplification in considering the ions as point charges with respect to the electrostatic interactions leads the model to the Poisson-Boltzmann equation and under linearization results in the Debye-Hückel alternative description. Additional hypothesis are necessary in order to have the model as a mathematical problem with boundary conditions and are discussed for each system. Hypothetical systems are analysed aiming the comparison between Poisson-Boltzmann and Debye- Hückel descriptions. Some conclusions derived in the analysis are: 1- The salicylic acid probes have the dissociable groups always near (~0,1nm) the micellar surface, even to the probes that have a long chain between the nitrogen group and the dissociable group. 2- In a zwitterionic micelle the ions on the surface have translational freedom and this is way the zwitterionic membranes in electrolyte solutions are conducting surfaces. 3- The ionic concentrations in the vesicle interior have uniformly value almost everywhere showing variations only in the vicinity of the electrically charged interior surface. The theoretical study of the three systems considered gives results in accord with experimental data.