A modelagem termodinâmica do equilíbrio sólido-líquido de sistemas que contêm aminoácidos e proteínas tem sido cada vez mais necessária para o desenvolvimento de equações que permitam um projeto mais racional e eficiente das operações unitárias encontradas nos processos de purificação destas moléculas, tais como a precipitação e a cristalização. Neste trabalho, é apresentada uma relação unívoca entre a solubilidade de proteínas e o pH; sendo necessários como parâmetros apenas informações sobre a estrutura primária e os valores das constantes de ionização de cada resíduo na cadeia protéica, considerando os diferentes estados de ionização que a proteína assume em solução. Esta relação foi aplicada a sistemas de insulina suína a três diferentes temperaturas, a sistemas de insulinas mutantes e a sistemas de b-lactoglobulina a diferentes concentrações de cloreto de sódio, resultando em uma bem sucedida correlação dos dados experimentais de solubilidade destes sistemas. Estudou-se também a não-idealidade de sistemas contendo aminoácidos, partindo de considerações sobre diferentes estados de ionização da molécula assim como feito para proteínas, mas adicionando um termo de não-idealidade, neste caso, um termo advindo do modelo de Pitzer para soluções eletrolíticas. Os sistemas, cujas curvas de solubilidade em função do pH foram estudadas, são: DL-Alanina, DL-Metionina, L-Isoleucina, L-Leucina, DL-Fenilalanina, também glicina e seus oligopeptídeos e moléculas com grupos b-lactâmicos tais como a ampicilina, que é um antibiótico, e o ácido 6-aminopenicilânico, que é um precursor na rota de produção da ampicilina. Uma interpretação através de termodinâmica estatística para o parâmetro de interação de Pitzer permitiu uma análise mais profunda dos resultados. Relações entre o segundo coeficiente virial osmótico, a solubilidade de proteínas e a concentração de agente precipitante foram desenvolvidas e aplicadas a sistemas de lisozima, ovalbumina e imunoglobulina humana. Os resultados desta aplicação mostraram quão profícua é a abordagem empregada. / The thermodynamic modeling of solid-liquid equilibrium of systems containing amino acids and proteins has become increasingly necessary for a more rational and efficient design of unit operations found in the downstream processing of these molecules, such as precipitation and crystallization. In this work, an unequivocal relationship between the protein solubility and the pH is presented. The resulting equation accounts for the different ionization states that protein molecules may assume in solution, and is written as a function of the primary structure and values of the ionization constant of each residue in the protein chain. The model was applied to the solid-liquid equilibrium of porcine insulin solutions at three different temperatures, solutions of mutant insulin molecules and solutions of b-lactoglobulin at different sodium chloride concentrations. A very successful correlation of the experimental solubility data was obtained in all cases. The solubility of amino acids and b-lactam compounds was also studied through a similar approach, but in this case the non-ideality of the solutions was accounted for by introducing Pitzers model for electrolyte solutions. The compounds whose solubility curves as a function of the pH were modeled include the amino acids DL-Alanine, DL-Methionine, L-Isoleucine, L-Leucine, DL-Phenylalanine, Glycine and its oligopeptides, and b-lactam compounds such as ampicillin, which is an antibiotic, and 6-aminopenicillanic acid, which is a precursor in the ampicillin production route. The interpretation of the binary interaction parameter values through a statistical thermodynamic approach allowed a deeper analysis of the results. Finally, equations relating the osmotic second virial coefficient, the protein solubility and the concentration of precipitant agents such as salts were developed. The resulting equations were successfully applied to solutions containing lysozyme, ovalbumin and immunoglobulin, which shows that the considered approach is promising.

Neste trabalho, aplica-se uma regra de mistura desenvolvida pelo autor desta dissertação para estimar a viscosidade da mistura de duas substâncias líquidas a partir das viscosidades dessas puras, o que é usual a outros métodos. O aspecto de maior interesse é o caráter preditivo, ou seja, não requer a avaliação experimental de qualquer parâmetro da mistura para obtenção de estimativa da viscosidade da mesma. A formulação dessa regra é feita a partir de uma analogia e generalização da regra aplicada para misturas ideais, na qual a propriedade da mistura é uma ponderação das propriedades dos componentes puros, introduzindo um fator de ponderação alternativo à fração molar (ou mássica), que seria avaliado como função da composição da mistura. As constantes do modelo são obtidas a partir da ideia de uma composição local característica com considerações simplificadas de volume e área superficial das moléculas dos compostos na mistura. Os resultados obtidos apresentam desvios menores que os modelos preditivos mais conhecidos (UNIFAC-VISCO, ASOG-VISCO) para casos de mais de 30 misturas binárias verificados na literatura e ainda pode ser usado, de forma diferenciada, para tratar misturas aquosas e outras com comportamento análogo a estas. / In this work, a mixing rule to estimate the viscosity of a mixture of two liquids from the viscosities of the pure liquids is presented. The most important feature of this mixing rule is its predictive character, i.e., it does not depend on the experimental determination of the mixture viscosity. This mixing rule is developed from a generalized rule applied for ideal mixtures, in which the property is averaged from those of the pure compounds by introducing an alternative weighting factor to replace the molar or mass fractions. This weighing factor is derived from a local composition reasoning, with simplifying considerations on the volume and surface area of the molecules that constitute the mixture. The developed mixing rule was compared to other predictive models (UNIFAC-VISCO, ASOG-VISCO) to predict the viscosity of liquid mixtures. The developed mixing rule resulted in a best prediction of the mixture viscosity, and could be applied (with minor changes introduced) to aqueous mixtures, which could not be adequately treated by other models.

O equilíbrio sólido-líquido de sistemas binários de alcoóis graxos e de ésteres graxos foi descrito por meio de modelagem termodinâmica baseada na análise de estabilidade da fase líquida. A metodologia foi aplicada a três tipos de diagramas de fases: (a) sistemas cujos constituintes apresentam miscibilidade completa, em que as substâncias são miscíveis tanto na fase sólida quanto na líquida, (b) sistemas que apresentam ponto eutético simples, (c) sistemas que apresentam ponto eutético e reação peritética. A caracterização da não-idealidade foi feita com o modelo de coeficientes de atividade de Flory-Huggins para descrição dos diferentes comportamentos, que resultou em bom ajuste dos dados. A uniformidade do valor dos parâmetros ajustados mostra que há diferentes interações moleculares comparando-se as funções químicas álcool, éster etílico e éster metílico e a presença de insaturação na cadeia carbônica. Observa-se que os resultados são fortemente afetados pelos valores de entalpia e temperatura de fusão dos compostos puros. A metodologia desenvolvida foi implementada em linguagem Fortran. Do ponto de vista formal, a análise apresentada mostra que a ocorrência de peritéticos pode ser descrita sem que seja necessário postular um modelo de coeficiente de atividade para a fase sólida quando houver imiscibilidade total. / In this work, the modeling of solid-liquid equilibrium of binary systems containing fatty alcohols or fatty esters is presented. Phase equilibrium calculations were carried out using a phase stability analysis which describes the onset of the solid phase formation. The developed methodology was applied to the modeling of three distinct types of phase diagrams: (a) systems wherein the components are miscible in both phases, (b) systems with a single eutectic point, (c) systems with eutectic point and peritectic reaction. The liquid phase non-ideality was accounted for through the Flory- Huggins model for the excess Gibbs energy. It was possible to describe the different types of phase diagrams with excellent agreement with the experimental data. The values of the adjustable parameters are rather low and depend on both the chemical function of the species considered (alcohol, methyl ester or ethyl ester) and the presence of unsaturation in their molecules. The calculated phase diagrams are strongly affected by the experimental values of enthalpy of fusion and temperature of fusion of the pure compounds. Concerning the thermodynamic description of the solid-liquid equilibrium, the presented analysis showed that it is possible to account for the peritectic reaction without assigning a model for the solid phase activity coefficient when the compounds are not miscible in this phase.

A pressão osmótica é uma das principais propriedades de interesse no estudo da não-idealidade de soluções proteicas, por fornecer diretamente informações sobre a atividade do solvente e, indiretamente, sobre o comportamento da proteína em solução. O presente trabalho objetiva a investigação do uso de equações osmóticas de estado para o cálculo da pressão osmótica em soluções proteicas contendo co-solventes como sais e polímeros. O modelo desenvolvido compreende um termo de esferas rígidas de Carnahan-Starling e um termo atrativo de van der Waals. Para avaliar a adequação do modelo proposto, correlacionaram-se dados de pressão osmótica de soluções proteicas obtidos da literatura para as proteínas lisozima, a-quimotripsina, albumina de soro bovino e imunoglobulina G humana, em soluções aquosas em diversos valores de pH e com diversos co-solventes. O modelo desenvolvido foi capaz de representar adequadamente os dados experimentais na maioria dos casos estudados, com uma correspondência maior do que a equação virial, usualmente empregada no estudo dessas soluções. Para a modelagem de soluções de a-quimotripsina, foi necessário considerar a dimerização da molécula proteica. Em poucos casos, especialmente na modelagem de soluções de albumina de soro bovino contendo polietileno glicol, o modelo mostrou-se insuficiente para correlacionar adequadamente os dados experimentais. Na maioria das vezes, o parâmetro do termo atrativo mostrou uma fraca dependência do pH próximo ao ponto isoelétrico, uma dependência maior com respeito a esse parâmetro em valores de pH mais distantes deste ponto, e uma dependência nítida com respeito à força iônica. De maneira geral, embora a representação dos dados experimentais seja adequada, não foi possível observar tendências inequívocas do parâmetro atrativo com respeito ao pH e a força iônica de modo a permitir o desenvolvimento de um modelo preditivo. / The osmotic pressure is one of the key properties for the assessment of the non-ideality of protein solutions. Its importance is related to the fact that it allows the evaluation of solvent activity and indirectly of the protein behavior in solution. This work presents an investigation on the use of osmotic equations of state for calculating the osmotic pressure of aqueous solutions of proteins containing cosolvents such as salts or polymers. The developed model comprises a repulsive term, corresponding to the hard-sphere equation by Carnahan-Starling, and an attractive term, corresponding to a van der Waals type equation. To assess the suitability of the proposed model, experimental osmotic pressure data obtained from literature for aqueous solutions containing lysozyme, a-chymotrypsin, bovine serum albumin and human immunoglobulin G, at several values of pH and with different cosolvents, were correlated. The model was able to adequately represent the experimental data in most of the cases, with a better agreement than the virial equation, which is the most widely used equation in the study of the osmotic pressure of protein solutions. For the modeling of a-chymotrypsin solutions, it was necessary to consider the dimerization of the protein molecule. Only in a few cases, mainly in the modeling of solutions containing bovine serum albumin and polyethylene glycol, it was not possible to correlate adequately the experimental data. In most cases, the attractive parameter presented a weak dependency on the pH close to the isoelectric point, and a stronger dependency on pH otherwise. The dependency on the ionic strength was almost always strong. To conclude, in spite of the good performance of the model in the correlation of experimental data, definite tendencies of the attractive parameter in relation to pH and ionic strength were not observed, and hence a predictive model could not be developed.

O equilíbrio sólido-líquido de sistemas binários de alcoóis graxos e de ésteres graxos foi descrito por meio de modelagem termodinâmica baseada na análise de estabilidade da fase líquida. A metodologia foi aplicada a três tipos de diagramas de fases: (a) sistemas cujos constituintes apresentam miscibilidade completa, em que as substâncias são miscíveis tanto na fase sólida quanto na líquida, (b) sistemas que apresentam ponto eutético simples, (c) sistemas que apresentam ponto eutético e reação peritética. A caracterização da não-idealidade foi feita com o modelo de coeficientes de atividade de Flory-Huggins para descrição dos diferentes comportamentos, que resultou em bom ajuste dos dados. A uniformidade do valor dos parâmetros ajustados mostra que há diferentes interações moleculares comparando-se as funções químicas álcool, éster etílico e éster metílico e a presença de insaturação na cadeia carbônica. Observa-se que os resultados são fortemente afetados pelos valores de entalpia e temperatura de fusão dos compostos puros. A metodologia desenvolvida foi implementada em linguagem Fortran. Do ponto de vista formal, a análise apresentada mostra que a ocorrência de peritéticos pode ser descrita sem que seja necessário postular um modelo de coeficiente de atividade para a fase sólida quando houver imiscibilidade total. / In this work, the modeling of solid-liquid equilibrium of binary systems containing fatty alcohols or fatty esters is presented. Phase equilibrium calculations were carried out using a phase stability analysis which describes the onset of the solid phase formation. The developed methodology was applied to the modeling of three distinct types of phase diagrams: (a) systems wherein the components are miscible in both phases, (b) systems with a single eutectic point, (c) systems with eutectic point and peritectic reaction. The liquid phase non-ideality was accounted for through the Flory- Huggins model for the excess Gibbs energy. It was possible to describe the different types of phase diagrams with excellent agreement with the experimental data. The values of the adjustable parameters are rather low and depend on both the chemical function of the species considered (alcohol, methyl ester or ethyl ester) and the presence of unsaturation in their molecules. The calculated phase diagrams are strongly affected by the experimental values of enthalpy of fusion and temperature of fusion of the pure compounds. Concerning the thermodynamic description of the solid-liquid equilibrium, the presented analysis showed that it is possible to account for the peritectic reaction without assigning a model for the solid phase activity coefficient when the compounds are not miscible in this phase.

A pressão osmótica é uma das principais propriedades de interesse no estudo da não-idealidade de soluções proteicas, por fornecer diretamente informações sobre a atividade do solvente e, indiretamente, sobre o comportamento da proteína em solução. O presente trabalho objetiva a investigação do uso de equações osmóticas de estado para o cálculo da pressão osmótica em soluções proteicas contendo co-solventes como sais e polímeros. O modelo desenvolvido compreende um termo de esferas rígidas de Carnahan-Starling e um termo atrativo de van der Waals. Para avaliar a adequação do modelo proposto, correlacionaram-se dados de pressão osmótica de soluções proteicas obtidos da literatura para as proteínas lisozima, a-quimotripsina, albumina de soro bovino e imunoglobulina G humana, em soluções aquosas em diversos valores de pH e com diversos co-solventes. O modelo desenvolvido foi capaz de representar adequadamente os dados experimentais na maioria dos casos estudados, com uma correspondência maior do que a equação virial, usualmente empregada no estudo dessas soluções. Para a modelagem de soluções de a-quimotripsina, foi necessário considerar a dimerização da molécula proteica. Em poucos casos, especialmente na modelagem de soluções de albumina de soro bovino contendo polietileno glicol, o modelo mostrou-se insuficiente para correlacionar adequadamente os dados experimentais. Na maioria das vezes, o parâmetro do termo atrativo mostrou uma fraca dependência do pH próximo ao ponto isoelétrico, uma dependência maior com respeito a esse parâmetro em valores de pH mais distantes deste ponto, e uma dependência nítida com respeito à força iônica. De maneira geral, embora a representação dos dados experimentais seja adequada, não foi possível observar tendências inequívocas do parâmetro atrativo com respeito ao pH e a força iônica de modo a permitir o desenvolvimento de um modelo preditivo. / The osmotic pressure is one of the key properties for the assessment of the non-ideality of protein solutions. Its importance is related to the fact that it allows the evaluation of solvent activity and indirectly of the protein behavior in solution. This work presents an investigation on the use of osmotic equations of state for calculating the osmotic pressure of aqueous solutions of proteins containing cosolvents such as salts or polymers. The developed model comprises a repulsive term, corresponding to the hard-sphere equation by Carnahan-Starling, and an attractive term, corresponding to a van der Waals type equation. To assess the suitability of the proposed model, experimental osmotic pressure data obtained from literature for aqueous solutions containing lysozyme, a-chymotrypsin, bovine serum albumin and human immunoglobulin G, at several values of pH and with different cosolvents, were correlated. The model was able to adequately represent the experimental data in most of the cases, with a better agreement than the virial equation, which is the most widely used equation in the study of the osmotic pressure of protein solutions. For the modeling of a-chymotrypsin solutions, it was necessary to consider the dimerization of the protein molecule. Only in a few cases, mainly in the modeling of solutions containing bovine serum albumin and polyethylene glycol, it was not possible to correlate adequately the experimental data. In most cases, the attractive parameter presented a weak dependency on the pH close to the isoelectric point, and a stronger dependency on pH otherwise. The dependency on the ionic strength was almost always strong. To conclude, in spite of the good performance of the model in the correlation of experimental data, definite tendencies of the attractive parameter in relation to pH and ionic strength were not observed, and hence a predictive model could not be developed.

Neste trabalho, aplica-se uma regra de mistura desenvolvida pelo autor desta dissertação para estimar a viscosidade da mistura de duas substâncias líquidas a partir das viscosidades dessas puras, o que é usual a outros métodos. O aspecto de maior interesse é o caráter preditivo, ou seja, não requer a avaliação experimental de qualquer parâmetro da mistura para obtenção de estimativa da viscosidade da mesma. A formulação dessa regra é feita a partir de uma analogia e generalização da regra aplicada para misturas ideais, na qual a propriedade da mistura é uma ponderação das propriedades dos componentes puros, introduzindo um fator de ponderação alternativo à fração molar (ou mássica), que seria avaliado como função da composição da mistura. As constantes do modelo são obtidas a partir da ideia de uma composição local característica com considerações simplificadas de volume e área superficial das moléculas dos compostos na mistura. Os resultados obtidos apresentam desvios menores que os modelos preditivos mais conhecidos (UNIFAC-VISCO, ASOG-VISCO) para casos de mais de 30 misturas binárias verificados na literatura e ainda pode ser usado, de forma diferenciada, para tratar misturas aquosas e outras com comportamento análogo a estas. / In this work, a mixing rule to estimate the viscosity of a mixture of two liquids from the viscosities of the pure liquids is presented. The most important feature of this mixing rule is its predictive character, i.e., it does not depend on the experimental determination of the mixture viscosity. This mixing rule is developed from a generalized rule applied for ideal mixtures, in which the property is averaged from those of the pure compounds by introducing an alternative weighting factor to replace the molar or mass fractions. This weighing factor is derived from a local composition reasoning, with simplifying considerations on the volume and surface area of the molecules that constitute the mixture. The developed mixing rule was compared to other predictive models (UNIFAC-VISCO, ASOG-VISCO) to predict the viscosity of liquid mixtures. The developed mixing rule resulted in a best prediction of the mixture viscosity, and could be applied (with minor changes introduced) to aqueous mixtures, which could not be adequately treated by other models.

A modelagem termodinâmica do equilíbrio sólido-líquido de sistemas que contêm aminoácidos e proteínas tem sido cada vez mais necessária para o desenvolvimento de equações que permitam um projeto mais racional e eficiente das operações unitárias encontradas nos processos de purificação destas moléculas, tais como a precipitação e a cristalização. Neste trabalho, é apresentada uma relação unívoca entre a solubilidade de proteínas e o pH; sendo necessários como parâmetros apenas informações sobre a estrutura primária e os valores das constantes de ionização de cada resíduo na cadeia protéica, considerando os diferentes estados de ionização que a proteína assume em solução. Esta relação foi aplicada a sistemas de insulina suína a três diferentes temperaturas, a sistemas de insulinas mutantes e a sistemas de b-lactoglobulina a diferentes concentrações de cloreto de sódio, resultando em uma bem sucedida correlação dos dados experimentais de solubilidade destes sistemas. Estudou-se também a não-idealidade de sistemas contendo aminoácidos, partindo de considerações sobre diferentes estados de ionização da molécula assim como feito para proteínas, mas adicionando um termo de não-idealidade, neste caso, um termo advindo do modelo de Pitzer para soluções eletrolíticas. Os sistemas, cujas curvas de solubilidade em função do pH foram estudadas, são: DL-Alanina, DL-Metionina, L-Isoleucina, L-Leucina, DL-Fenilalanina, também glicina e seus oligopeptídeos e moléculas com grupos b-lactâmicos tais como a ampicilina, que é um antibiótico, e o ácido 6-aminopenicilânico, que é um precursor na rota de produção da ampicilina. Uma interpretação através de termodinâmica estatística para o parâmetro de interação de Pitzer permitiu uma análise mais profunda dos resultados. Relações entre o segundo coeficiente virial osmótico, a solubilidade de proteínas e a concentração de agente precipitante foram desenvolvidas e aplicadas a sistemas de lisozima, ovalbumina e imunoglobulina humana. Os resultados desta aplicação mostraram quão profícua é a abordagem empregada. / The thermodynamic modeling of solid-liquid equilibrium of systems containing amino acids and proteins has become increasingly necessary for a more rational and efficient design of unit operations found in the downstream processing of these molecules, such as precipitation and crystallization. In this work, an unequivocal relationship between the protein solubility and the pH is presented. The resulting equation accounts for the different ionization states that protein molecules may assume in solution, and is written as a function of the primary structure and values of the ionization constant of each residue in the protein chain. The model was applied to the solid-liquid equilibrium of porcine insulin solutions at three different temperatures, solutions of mutant insulin molecules and solutions of b-lactoglobulin at different sodium chloride concentrations. A very successful correlation of the experimental solubility data was obtained in all cases. The solubility of amino acids and b-lactam compounds was also studied through a similar approach, but in this case the non-ideality of the solutions was accounted for by introducing Pitzers model for electrolyte solutions. The compounds whose solubility curves as a function of the pH were modeled include the amino acids DL-Alanine, DL-Methionine, L-Isoleucine, L-Leucine, DL-Phenylalanine, Glycine and its oligopeptides, and b-lactam compounds such as ampicillin, which is an antibiotic, and 6-aminopenicillanic acid, which is a precursor in the ampicillin production route. The interpretation of the binary interaction parameter values through a statistical thermodynamic approach allowed a deeper analysis of the results. Finally, equations relating the osmotic second virial coefficient, the protein solubility and the concentration of precipitant agents such as salts were developed. The resulting equations were successfully applied to solutions containing lysozyme, ovalbumin and immunoglobulin, which shows that the considered approach is promising.

The interaction between two proteins into salt aqueous solutions is investigated throughout this thesis. Experiments, modeling and molecular simulations were carried out to get a better understanding of the phenomenon. Bovine serum albumin was used as a model protein. An analytical expression for the structure factor for globular proteins in aqueous solution is presented in this work. This expression was obtained considering an intermolecular potential given by the sum of a hard core, a van der Waals attractive and a screened Coulomb contribution. Experimental data of Small Angle X-Ray Scattering for bovine serum albumin in aqueous solutions containing sodium salts at different protein concentrations and pH values are also presented. The expression developed for the structure factor describes accurately these experimental data provided a dependence of the attractive parameter on protein concentration is established. An expression for the osmotic pressure was derived from the structure factor. With attractive parameters adjusted from X-ray scattering data, the osmotic pressure of bovine serum albumin aqueous solutions could be predicted with very good agreement with experimental data. A derivation of the thermodynamic potentials, such as the chemical potential, using the new osmotic equation of state is presented. Applying the phase equilibrium criterion, the fluid-fluid phase equilibrium for bovine serum albumin in salt aqueous solution was calculated. Although such separation was not experimentally observed at the isoelectric point, it was indeed experimentally observed for a pH value below the isoelectric point. The predictions seem to be valuable to discuss how ion specificity affects the phase diagram of proteins. To apply molecular dynamic techniques to simulate how proteins interact to each other in salt aqueous solutions, two new coarse-grained force fields are proposed. The first one, meant for sodium sulfate aqueous solution, avoids the unphysical association observed for non-polarizable atomistic force fields; and allows the prediction of thermodynamic and dynamic properties. The second one, meant for bovine serum albumin in aqueous solution, is used as a new strategy to evaluate the scattering form factor of proteins as a low resolution technique for protein structure prediction. / Nesta tese apresenta-se uma investigação sobre a interação entre duas proteínas em soluções aquosas salinas. Experimentos, modelagem e simulações moleculares foram realizadas para conseguir um melhor entendimento do fenômeno. Albumina de soro bovina foi usada como proteína modelo. Uma expressão para o fator de estrutura de proteínas globulares em solução aquosa é apresentada neste trabalho. Esta expressão foi obtida considerando-se um potencial intermolecular dado pela soma de um núcleo duro, uma contribuição atrativa tipo vander Waals e uma contribuição de potencial coulômbico blindado. Dados experimentais de espalhamento de raios-X a baixos ângulos para a albumina de soro bovino em soluções aquosas contendo sais de sódio com diferentes concentrações de proteína e valores de pH também são apresentados. A expressão desenvolvida para o fator de estrutura descreve com precisão estes dados experimentais, desde que uma dependência entre o parâmetro atrativo com a concentração de proteína seja estabelecida. Uma expressão para a pressão osmótica foi derivada do fator de estrutura. Com parâmetros atrativos ajustados aos dados de espalhamento de raios-X, a pressão osmótica da albumina de soro bovino em solução aquosa pôde ser predita com grande correlação com os dados experimentais. Uma derivação dos potenciais termodinâmicos usando a nova equação osmótica de estado é apresentada. Aplicando o critério de equilíbrio de fases, foi possível calcular o equilíbrio fluido-fluido para a albumina de soro bovino em solução aquosa. Embora tal separação não tenha sido observada experimentalmente em um pH igual ao ponto isoelétrico, ela foi de fato observada experimentalmente para um valor de pH menor do que o ponto isoelétrico. As predições parecem ser valiosas para discutir como a especificidade iônica afeta o diagrama de fases de proteínas. De modo a avaliar como proteínas interagem umas com as outras usando técnicas de dinâmica molecular, dois novos campos de força coarse-grained são propostos. O primeiro, para o sulfato de sódio em solução aquosa, evita a associação não-física que é observada para campos de força atomísticos não-polarizáveis. Este modelo é capaz de prever propriedades dinâmicas e termodinâmicas. O segundo, para a albumina de soro bovino em solução aquosa, é usado como uma nova estratégia para avaliar o fator de forma de espalhamento de proteínas como uma ferramenta de baixa resolução na predição de estruturas proteicas.

The interaction between two proteins into salt aqueous solutions is investigated throughout this thesis. Experiments, modeling and molecular simulations were carried out to get a better understanding of the phenomenon. Bovine serum albumin was used as a model protein. An analytical expression for the structure factor for globular proteins in aqueous solution is presented in this work. This expression was obtained considering an intermolecular potential given by the sum of a hard core, a van der Waals attractive and a screened Coulomb contribution. Experimental data of Small Angle X-Ray Scattering for bovine serum albumin in aqueous solutions containing sodium salts at different protein concentrations and pH values are also presented. The expression developed for the structure factor describes accurately these experimental data provided a dependence of the attractive parameter on protein concentration is established. An expression for the osmotic pressure was derived from the structure factor. With attractive parameters adjusted from X-ray scattering data, the osmotic pressure of bovine serum albumin aqueous solutions could be predicted with very good agreement with experimental data. A derivation of the thermodynamic potentials, such as the chemical potential, using the new osmotic equation of state is presented. Applying the phase equilibrium criterion, the fluid-fluid phase equilibrium for bovine serum albumin in salt aqueous solution was calculated. Although such separation was not experimentally observed at the isoelectric point, it was indeed experimentally observed for a pH value below the isoelectric point. The predictions seem to be valuable to discuss how ion specificity affects the phase diagram of proteins. To apply molecular dynamic techniques to simulate how proteins interact to each other in salt aqueous solutions, two new coarse-grained force fields are proposed. The first one, meant for sodium sulfate aqueous solution, avoids the unphysical association observed for non-polarizable atomistic force fields; and allows the prediction of thermodynamic and dynamic properties. The second one, meant for bovine serum albumin in aqueous solution, is used as a new strategy to evaluate the scattering form factor of proteins as a low resolution technique for protein structure prediction. / Nesta tese apresenta-se uma investigação sobre a interação entre duas proteínas em soluções aquosas salinas. Experimentos, modelagem e simulações moleculares foram realizadas para conseguir um melhor entendimento do fenômeno. Albumina de soro bovina foi usada como proteína modelo. Uma expressão para o fator de estrutura de proteínas globulares em solução aquosa é apresentada neste trabalho. Esta expressão foi obtida considerando-se um potencial intermolecular dado pela soma de um núcleo duro, uma contribuição atrativa tipo vander Waals e uma contribuição de potencial coulômbico blindado. Dados experimentais de espalhamento de raios-X a baixos ângulos para a albumina de soro bovino em soluções aquosas contendo sais de sódio com diferentes concentrações de proteína e valores de pH também são apresentados. A expressão desenvolvida para o fator de estrutura descreve com precisão estes dados experimentais, desde que uma dependência entre o parâmetro atrativo com a concentração de proteína seja estabelecida. Uma expressão para a pressão osmótica foi derivada do fator de estrutura. Com parâmetros atrativos ajustados aos dados de espalhamento de raios-X, a pressão osmótica da albumina de soro bovino em solução aquosa pôde ser predita com grande correlação com os dados experimentais. Uma derivação dos potenciais termodinâmicos usando a nova equação osmótica de estado é apresentada. Aplicando o critério de equilíbrio de fases, foi possível calcular o equilíbrio fluido-fluido para a albumina de soro bovino em solução aquosa. Embora tal separação não tenha sido observada experimentalmente em um pH igual ao ponto isoelétrico, ela foi de fato observada experimentalmente para um valor de pH menor do que o ponto isoelétrico. As predições parecem ser valiosas para discutir como a especificidade iônica afeta o diagrama de fases de proteínas. De modo a avaliar como proteínas interagem umas com as outras usando técnicas de dinâmica molecular, dois novos campos de força coarse-grained são propostos. O primeiro, para o sulfato de sódio em solução aquosa, evita a associação não-física que é observada para campos de força atomísticos não-polarizáveis. Este modelo é capaz de prever propriedades dinâmicas e termodinâmicas. O segundo, para a albumina de soro bovino em solução aquosa, é usado como uma nova estratégia para avaliar o fator de forma de espalhamento de proteínas como uma ferramenta de baixa resolução na predição de estruturas proteicas.