Publication

Competing Effects of Hydration and Cation Complexation in Single-Chain Alginate

2022
Article
Résumé

Alginic acid, a naturally occurring anionic polyelectrolyte, forms strong physically cross-linked hydrogels in the presence of metal cations. The latter engage in electrostatic interactions that compete with intra- and intermolecular hydrogen bonds, determining the gel structure and properties of the system in aqueous media. In this study, we use all-atom molecular dynamics simulations to systematically analyze the interactions between alginic acid chains and Na+ and Ca2+ counterions. The formed alginates originate from the competition of intramolecular hydrogen bonding and water coordination around the polyelectrolyte. In contrast to the established interpretation, we show that calcium cations strongly bind to alginate by disrupting hydrogen bonds within (1 -> 4)-linked beta-d-mannuronate (M) residues. On the other hand, Na+ cations enhance intramolecular hydrogen bonds that stabilize a left-hand, fourfold helical chain structure in poly-M alginate, resulting in stiffer chains. Hence, the traditionally accepted flexible flat-chain model for poly-M sequence is not valid in the presence of Na+. The two cations have a distinct effect on water coordination around alginate and therefore on its solubility. While Ca+ disrupts water coordination directly around the alginate chains, mobile Na+ cations significantly disrupt the second hydration layer.

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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.
Complexe de coordination
vignette| Le cisplatine est un complexe de coordination du platine() avec deux ligands chlorure et deux ligands ammoniac formant une ammine. C'est l'un des anticancéreux les plus connus. Un complexe de coordination est constitué d'un atome ou d'ion central, généralement métallique, appelé centre de coordination, et d'un réseau de molécules ou d'ions liés, appelés ligands. De nombreux composés contenant des métaux, en particulier ceux qui comprennent des métaux de transition (éléments tels que le titane qui appartiennent au bloc du tableau périodique), sont des complexes de coordination.
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