Publication

Revisiting Cation Complexation and Hydrogen Bonding of Single-Chain Polyguluronate Alginate

2021
Article
Résumé

Modifying the properties of bio-based materials has garnered increasing interest in recent years. In related applications, the ability of alginates to complex with metal ions has been shown to be effective in liquid-to-gel transitions, useful in the development of foodstuff and pharma products as well as biomaterials, among others. However, despite its ubiquitous use, alginate behavior as far as interactions with cations is not fully understood. Hence, this study presents a detailed comparison of alginate's complexation with Na+ and Ca2+ and the involved intramolecular hydrogen bonding and biomolecular chain geometry. Using all-atom molecular dynamics simulations, we find that in contrast to accepted models, calcium cations strongly bind to alginate chains by disruption of hydrogen bonds between neighboring residues, stabilizing a left-hand, 3-fold helical chain structure that enhances chain stiffness. Hence, while present, the traditionally accepted egg-box binding mode was a minor subset of possible conformations. For a single chain, most of the cation binding occurred as single-cation interaction with a carboxyl group, without the coordination of other alginate oxygens. The monovalent Na+ ions were found to be mostly nonlocalized around alginate and therefore do not compete with intramolecular hydrogen bonding. The different binding modes observed for Na+ and Ca2+ contribute toward explaining the different solubility of sodium and calcium alginate.

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Concepts associés (34)
Liaison hydrogène
vignette|Liaison hydrogène entre des molécules d'eau. La liaison hydrogène ou pont hydrogène est une force intermoléculaire ou intramoléculaire impliquant un atome d'hydrogène et un atome électronégatif comme l'oxygène, l'azote et le fluor. L'intensité d'une liaison hydrogène est intermédiaire entre celle d'une liaison covalente et celle des forces de van der Waals (en général les liaisons hydrogène sont plus fortes que les interactions de van der Waals).
Force intermoléculaire
Les forces intermoléculaires sont des forces de nature essentiellement électrostatique induisant une attraction ou une répulsion entre des particules chimiques (atomes, molécules ou ions). Ces forces sont en général bien plus faibles que les forces intramoléculaires qui assurent l'association des atomes dans les molécules.
Liaison chimique
Une liaison chimique est une interaction durable entre plusieurs atomes, ions ou molécules, à une distance permettant la stabilisation du système et la formation d'un agrégat ou d'une substance chimique. Les électrons, chargés négativement, gravitent autour d’un noyau constitué de protons chargés positivement. Les deux corps s’attirent du fait de la force électrostatique s’exerçant entre les électrons et les protons. Ainsi, un électron positionné entre deux noyaux sera attiré par les deux corps chargés positivement, et les noyaux seront attirés par l’électron.
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