Movilidad molecular en soluciones acuosas sobreenfriadas y vitrificadas de trehalosa y sacarosa

• Autores: Longinotti, María Paula
• Año de publicación: 2007
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Corti, Horacio Roberto
• Materia: VIDRIOS; LIQUIDOS SOBREENFRIADOS; TRANSICION VITREA; PROPIEDADES DE TRANSPORTE; RELAJACION DIELECTRICA; GLASSES; SUPERCOOLED LIQUIDS; GLASS TRANSITION; TRANSPORT PROPERTIES; DIELECTRIC RELAXATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las soluciones acuosas de sacarosa y trehalosa son ampliamente utilizadas en la crioprotección de biomoléculas. La estabilidad de biomateriales en dichas matrices, en el estado vítreo y sobreenfriado, está determinada por reacciones de deterioro de las cuales participan moléculas de muy variadas características en cuanto a su interacción con el agua y los agentes crioprotectores que componen el sistema. Hay muy pocos trabajos [1, 2] que analizan el control difusional de estos procesos y la validez de los modelos que predicen la dependencia de las velocidades de reacción con la temperatura. Estos trabajos recomiendan medir los coeficientes de difusión traslacional de los reactantes para determinar en que medida las propiedades de transporte pueden describirse mediante teorías de líquidos normales en la región cercana a la transición vítrea. Además, dado que la velocidad de muchos procesos de deterioro de biomoléculas depende de la movilidad de las matrices en las cuales se hallan embebidas, el estudio de la dinámica del solvente y su relación con la movilidad los solutos disueltos en el mismo es de gran interés práctico para estimar la influencia de la concentración de azúcar y la temperatura de trabajo en la estabilización de biomoléculas. Estos estudios han sido los principales motivadores de este trabajo de tesis. Para el estudio de las propiedades de transporte de solutos en mezclas sacarosa/agua y trehalosa/agua, se midió el coeficiente de difusión traslacional de un soluto neutro (ferrocenometanol) utilizando técnicas electroquımicas y la conductividad eléctrica de electrolitos simples (NaCl, CsCl, KCl, MgCl2 y Bu4NBr) y capaces de formar ésteres con los azúcares (borato de sodio). La difusión traslacional del ferrocenometanol puede describirse por las ecuaciones hidrodinámicas clásicas de transporte (ecuación de Stokes-Einstein) hasta una temperatura crıtica de aproximadamente 1,3 Tg. A menores temperaturas, la difusión del soluto es mayor que la predicha por la ecuación de Stokes-Einstein, desacoplándose de la viscosidad del solvente. A la misma temperatura crítica, las medidas de relajación dieléctrica muestran una separación entre los procesos de relajación α y β, indicando que la dinámica del soluto está determinada por la movilidad del solvente. El análisis de la conductividad eléctrica de los electrolitos simples reveló que la conductividad eléctrica molar no puede ser predicha por el modelo de fricción viscosa (regla deWalden), a un muy lejos de Tg. El comportamiento observado se puede resumir con una ecuación de Walden modificada (Λ.η⌃ζ=constante, con ζ≋0,69 para todos los electrolitos simples estudiados). Este comportamiento se relaciono con la presencia de microheterogeneidades estructurales en la matriz acuosa. El análisis de la conductividad eléctrica del borato de sodio en soluciones acuosas de sacarosa y trehalosa indicó que la movilidad de los ésteres borato-disacárido puede describirse por la ecuación de Walden modificada con un valor de ζ mayor que el encontrado para iones simples (ζ= 0,9 ± 0.1). El estudio de la conductividad eléctrica molar de los ésteres formados permitió diferenciar la estructura de los iones boratosacarosa y borato-trehalosa.
Aqueous sucrose and trehalose mixtures are commonly used for biomolecular cryoprotection. The stability of biomaterials in vitreous and supercooled matrices is determined by deterioration reactions among which molecules of different characteristics in relation to their interactions with water and cryopropectant agents participate. Only a few works [1, 2] analyze the diffusion control of these processes and the validity of the models that predict the temperature dependence of the deterioration reactions. These works recommend measuring the diffusion coefficients of the reactants and analyzing in which way the transport properties near the glass transition temperature can be described using theories appropriate for normal liquids. Considering that kinetics of many deterioration reactions depend on the mobility of the matrices in which they are dissolved, analyzing solvent dynamics and its relationship with solute mobility is of great interest for the estimation of the influence of sugar concentration and working temperature on the stabilization of biomolecules. These studies have been the principal motors of this thesis project. The analysis of transport properties of solutes in aqueous sugar mixtures have been performed by electrochemical techniques for the determination of the translational diffusion coefficient of ferrocenemethanol, and by electrical conductivity studies for simple electrolytes (NaCl, CsCl, KCl, MgCl2 y Bu4NBr) and complexing agents (sodium borate). The translational diffusion of ferrocenemethanol can be described by classical hydrodynamic transport equations (Stokes-Einstein equation) up 1.3 Tg. At lower temperatures, the diffusion of the solute decouples from the viscosity of the solvent, being the observed diffusion coefficient higher than the one predicted by the Stokes-Einstein equation. At this critical temperature, the dielectric relaxation measurements show a bifurcation of the α and β processes which indicates that the solute mobility is coupled to the solvent dynamics. The electrical conductivity measurements point out that the molar conductivity of simple electrolytes cannot be described by the viscous friction model (Walden Rule) for temperatures well above Tg. The observed behaviour can be described using a corrected Walden Rule (Λ.η⌃ζ=constant with ζ≋0.69 for all the simple electrolytes studied). This behaviour was analyzed considering the existence of structural inhomogeneities in the matrix. The analysis of sodium borate conductivity in aqueous sucrose and trehalose solutions showed that the electrical mobility of borate-disaccharide esters can be described by the corrected Walden Rule with a ζ value bigger that the one found for simple electrolytes (ζ= 0,9 ± 0.1). The study of the molar conductivity of the borate-disaccharide esters allowed us to differentiate between the two different structures of the esters formed (borate-sucrose and borate-trehalose).
Fil: Longinotti, María Paula. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.