Termodinâmica e cinética de formação de complexos supramoleculares sintetizados a partir da interação entre compostos bioativos e biopolímeros

Abstract

A incorporação de compostos bioativos em formulações alimentares tem ganhado destaque na indústria devido às diversas funções que são capazes de desempenhar. Em geral, estes ativos são antioxidantes, antimicrobianos, anticancerígenos, pigmentam os alimentos ou são moléculas necessárias ao organismo humano. Dentre estes compostos de interesse se destacam a cafeína (CAF), a luteína (LUT) e o β- caroteno (BCR). Porém, apesar de seus inúmeros benefícios tecnológicos e na saúde humana, o uso destas moléculas é limitado na indústria de alimentos pois são moléculas de baixa solubilidade em meio aquoso ou sensíveis a degradação pela luz, calor e oxigênio como no caso da LUT e do BCR. Para que seja possível a veiculação destes ativos em alimentos, é necessário o uso de estratégias como a formação de complexos. Um complexo é formado por uma molécula de carreadora, que pode ser uma proteína como a β-lactoglobulina (BLG) ou um carboidrato como a β-ciclodextrina (BCD), e a molécula de interesse. Assim, uma abordagem interessante para o estudo destes complexos é a elucidação parâmetros cinéticos e termodinâmicos da formação de complexos. Neste trabalho a formação do complexo BLG-CAF foi elucidada pelas técnicas de espectroscopia de fluorescência (FS), calorimetria de titulação isotérmica (ITC) e docking molecular (MD). Os resultados obtidos mostraram que o complexo foi formado e que as diferenças entre as técnicas FS e ITC geram uma diferença na estequiometria do complexo (FS - 1:1, ITC - 1:3), enquanto que os modelos obtidos pelo docking molecular demonstram que o melhor modelo 𝛥𝐺° 𝑀𝐷 = (−20.38 kJ.mol-¹) está em concordância com a FS, mas que os dados obtidos pelo ITC também são válidos. Os resultados obtidos pela FS mostram ainda que a conformação da BLG altera a termodinâmica de interação com a CAF Já a formação dos complexos BCD- BCR e BCD-LT foi avaliada pela técnica de ressonância plasmônica de superfície (SPR), em que foi verificada a formação de um complexo termodinamicamente estável entre o BCD e os carotenoides BCR e LT, com predominância da forma complexada sobre as formas livres (𝛥𝐺° 𝑆𝑃𝑅< 0). A taxa de associação para BCD-BCR foi mais rápida do que o complexo BCD-LT. Além disso, a formação do complexo BCD-BCR foi entropicamente dirigida sugerindo que a interação ocorre por forças hidrofóbicas enquanto a formação do complexo BCD-LT foi conduzida entalpicamente principalmente devido à formação de ligações de hidrogênio. Um complexo intermediário é formado pela associação de ligantes livres ou dissociação do complexo estável para ambos os complexos. A partir dos resultados obtidos, nota-se que os complexos estudados podem ser utilizados para a incorporação destes compostos bioativos em matrizes de interesse e parâmetros cinéticos e termodinâmicos apresentados neste estudo podem contribuir para otimizar estas aplicações. Palavras-chave: Nanocarreador. Compostos bioativos. Carotenoides. Cafeína. Proteína. Interação intermolecular.The incorporation of bioactive compounds in food formulations has gained prominence in the industry due to the various functions they are capable of performing. In general, these actives are antioxidants, antimicrobials, anticancers, pigments in food or are molecules necessary for the human body. Some of these compounds of interest are caffeine (CAF), lutein (LUT) and β-carotene (BCR). However, despite their numerous technological and human health benefits, the use of these molecules is limited in the food industry as they are molecules of low solubility in aqueous systems or sensitive to degradation by light, heat and oxygen as in the case of LUT and BCR. In order to be able to apply these actives in food, it is necessary to use strategies such as the formation of complexes. A complex is formed by a carrier molecule, which can be a protein such as β-lactoglobulin (BLG) or a carbohydrate such as β-cyclodextrin (BCD), and the molecule of interest. Thus, an interesting approach to the study of these complexes is the elucidation of kinetic and thermodynamic parameters of complex formation. In this work, the formation of the BLG-CAF complex was elucidated by the techniques of fluorescence spectroscopy (FS), isothermal titration calorimetry (ITC) and molecular docking (MD). The results obtained showed that the complex was formed and that the differences between the FS and ITC techniques generate a difference in the stoichiometry of the complex (FS - 1:1, ITC - 1:3), while the models obtained by molecular docking demonstrate that the best model 𝛥𝐺° 𝑀𝐷 = (−20.38 kJ.mol-¹) is in agreement with the FS, but the data obtained by the ITC are also valid. The results obtained by FS also shows that the conformation of the BLG alters the thermodynamics of interaction with the CAF. The formation of BCD-BCR and BCD-LT complexes was evaluated by the surface plasmonic resonance (SPR) technique, in which the formation of a thermodynamically stable complex between BCD and the carotenoids BCR and LT was verified, with a predominance of the form complexed over free forms (𝛥𝐺° 𝑆𝑃𝑅< 0). The association rate for BCD-BCR was faster than for the BCD-LT complex. Furthermore, the formation of the BCD-BCR complex was entropically driven suggesting that the interaction occurs by hydrophobic forces while the formation of the BCD-LT complex was driven enthalpically mainly due to the formation of hydrogen bonds. An intermediate complex is formed by the association of free ligands or dissociation of the stable complex for both complexes. From the results obtained, it is noted that the studied complexes can be used for the incorporation of these bioactive compounds in matrices of interest and kinetic and thermodynamic parameters presented in this study can contribute to optimize these applications. Keywords: Nanocarrier. Bioactive compounds. Carotenoids. Caffeine. Protein. Intermolecular interaction.