Universität zu Köln

Mohanakumar, Shilpa ORCID: 0000-0001-7098-0065 (2023). Thermophoresis of electrolyte solutions and protein-ligand systems. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF (PhD thesis) Thesis_Shilpa Mohanakumar_published dissertation.pdf - Submitted Version Download (17MB)

Abstract

Thermophoresis or thermodiffusion is the mass transport driven by a temperature gradient. This thesis focuses on the thermophoretic motion of ionic compounds in a biological context and is motivated by a practical application, in which thermodiffusion is used to monitor protein-ligand reactions. Proteins are complex molecules containing non-ionic and ionic groups. While recent studies of non-ionic compounds found a strong correlation between thermodiffusion and hydration, it is unclear how this correlation changes when molecules are charged. To separate ionic from non-ionic contributions, it is reasonable to look first into the thermophoretic motion of simple salts without large organic side groups and to study in the next step complex protein-ligand systems, which typically contain hydrophobic and hydrophilic groups. The systematic studies of aqueous solutions of simple salts should reveal differences between ionic and non-ionic systems and should give further information about ion and ion specific effects. Due to the high complexity of protein-ligand systems, complementary methods should be used to gain a better understanding of the interactions between different components that are present in the system. This will help to understand how the thermophoretic behavior of the free protein differs from that of the protein-ligand complex formed. Study of the thermophoretic behavior of ionic systems indicates that several correlations, which were found for aqueous solutions of non-ionic solutes are no longer valid for ionic solutes. For non-ionic solutes hydrogen bonds primarily influence the thermophoretic behavior. In case of ionic solutes, although both electrostatic interactions and hydrogen bonds are present, it is found that thermophoretic behavior is influenced by electrostatic interactions. Focusing on the specific ion effects for ionic systems in the context of the Hofmeister series, a change of the anion is found to influence the thermophoretic behavior more than a change of the cation. Further, a correlation between thermophoretic behavior and hydrophilicity of the ionic solutes is found, which underlines the sensitivity of thermodiffusion to changes in hydration. Based on this sensitivity, a preliminary model is developed for describing the non-monotonous variation of Soret coefficient ST with concentration for aqueous solutions of alkali iodide salts. To study the thermodiffusion of binding reactions, we also use complementary methods such as Isothermal Titration Calorimetry (ITC) and a thermophoretic microfluidic cell. As systems, we have chosen EDTA-CaCl2 and protein-ligand systems (binding of Bovine Carbonic Anhydrase I (BCA I) with two aryl sulfonamide ligands). To gain deeper insight into the complex formation reactions thermophoretic data (non-equilibrium process) are compared with thermodynamic data (equilibrium process) to establish a mathematical relation between ST and Gibb’s free energy ΔG. For EDTA-CaCl2 and protein-ligand systems, the derived relation holds valid, which enables calculation of ΔG at a particular temperature from ST.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Thermophorese oder Thermodiffusion ist der durch ein Temperaturgef¨alle hervorgerufene Massentransport. Diese Arbeit befasst sich mit dem thermophoretischen Bewegung biologischer oder biokompatiber ionischer Verbindungen und ist durch eine praktische Anwendung motiviert, bei der die Thermodiffusion zur Charakterisierung von Protein-Ligand-Reaktionen eingesetzt wird. Proteine sind komplexe Molek¨ule, die nicht-ionische und ionische Gruppen enthalten. W¨ahrend neuere Studien bei nicht-ionischen Verbindungen eine starke Korrelation zwischen Thermodiffusion und Hydratation finden, ist unklar, wie sich diese Korrelation ¨andert, wenn die Molek¨ule geladen sind. Um die ionischen von den nicht-ionischen Beitr¨agen zu trennen, ist es sinnvoll, zun¨achst die thermophoretische Bewegung von einfachen Salzen ohne große organische Seitengruppen zu untersuchen und im n¨achsten Schritt komplexe Protein-Ligand-Systeme zu analysieren, die typischerweise hydrophobe und hydrophile Gruppen enthalten. Die systematischen Untersuchungen von w¨assrigen L¨osungen einfacher Salze sollen Unterschiede zwischen ionischen und nicht-ionischen Systemen aufzeigen und weitere Informationen ¨uber ionische und ionenspezifische Effekte liefern. Aufgrund der hohen Komplexit¨at von Protein-Ligand-Systemen sollten kompliment¨are Methoden eingesetzt werden, um ein besseres Verst¨andnis der Wechselwirkungen zu gewinnen. Dies wird helfen zu verstehen, wie sich das thermophoretische Verhalten des freien Proteins von dem des gebildeten Protein-Liganden-Komplexes unterscheidet. Die Untersuchung des thermophoretischen Verhaltens ionischer Systeme zeigt, dass mehrere Korrelationen, die f¨ur w¨assrige L¨osungen nicht-ionischer Stoffe gefunden wurden, f¨ur ionische Stoffe nicht mehr g¨ultig sind. Bei nicht-ionischen Stoffen beeinflussen vor allem Wasserstoffbr ¨uckenbindungen das thermophoretische Verhalten. Bei ionischen gel¨osten Stoffen sind sowohl elektrostatische Wechselwirkungen als auch Wasserstoffbr¨uckenbindungen vorhanden, und es zeigt sich, dass das thermophoretische Verhalten auch durch die elektrostatischen Wechselwirkungen beeinflusst wird. Betrachtet man die spezifischen Ioneneffekte f¨ur ionische Systeme im Rahmen der Hofmeister-Reihe, so stellt man fest, dass eine ¨Anderung des Anions das thermophoretische Verhalten st¨arker pr¨agt als eine ¨Anderung des Kations. Dar¨uber hinaus finden wir eine Korrelation zwischen dem thermophoretischen Verhalten und der Hydrophilie des ionischen gel¨osten Stoffes, was die Sensitivit¨at der Thermodiffusion gegen¨uber ¨Anderungen der Hydratation unterstreicht. Auf der Grundlage dieser Empfindlichkeit wird ein vorl¨aufiges Modell zur Beschreibung der nicht-monotonen Variation des Soret-Koeffizienten ST mit der Konzentration f¨ur w¨assrige L¨osungen von Alkali-Iodid-Salzen entwickelt. Um die Thermodiffusion von Bindungsreaktionen zu untersuchen, verwenden wir auch kompliment¨are Methoden wie die Isothermale Titrationskalorimetrie (ITC) und eine thermophoretische Mikrofluidikzelle. Als Systeme haben wir EDTA-CaCl2 und Protein- Liganden-Systeme gew¨ahlt (Bindung von Rinder-Kohlens¨aureanhydrase I (BCA I) mit zwei Arylsulfonamid-Liganden). Um einen tieferen Einblick in die Komplexbildungsreaktionen zu erhalten, werden thermophoretische Daten (Nicht-Gleichgewichtsprozess) mit thermodynamischen Daten (Gleichgewichtsprozess) verglichen, um eine mathematische Beziehung zwischen ST und der freien Gibb-Energie ΔG herzustellen. F¨ur EDTA-CaCl2 und Protein- Ligand-Systeme gilt die abgeleitete Beziehung, die die Berechnung von ΔG bei einer bestimmten Temperatur aus ST erm¨oglicht. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mohanakumar, Shilpa shilpamohan271008@gmail.com orcid.org/0000-0001-7098-0065 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-655755
Date:	4 May 2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Physical Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Thermophoresis, protein-ligand, salt solution, electrolyte solutions UNSPECIFIED
Date of oral exam:	28 April 2023
Referee:	Name Academic Title Simone, Wiegand Prof. Dr Schmidt, Annette Prof. Dr
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/65575