Thermodynamic modeling of the osmotic pressure of protein solutions through volumetric equations of state.

A pressão osmótica é uma das principais propriedades de interesse no estudo da não-idealidade de soluções proteicas, por fornecer diretamente informações sobre a atividade do solvente e, indiretamente, sobre o comportamento da proteína em solução. O presente trabalho objetiva a investigação do uso de equações osmóticas de estado para o cálculo da pressão osmótica em soluções proteicas contendo co-solventes como sais e polímeros. O modelo desenvolvido compreende um termo de esferas rígidas de Carnahan-Starling e um termo atrativo de van der Waals. Para avaliar a adequação do modelo proposto, correlacionaram-se dados de pressão osmótica de soluções proteicas obtidos da literatura para as proteínas lisozima, a-quimotripsina, albumina de soro bovino e imunoglobulina G humana, em soluções aquosas em diversos valores de pH e com diversos co-solventes. O modelo desenvolvido foi capaz de representar adequadamente os dados experimentais na maioria dos casos estudados, com uma correspondência maior do que a equação virial, usualmente empregada no estudo dessas soluções. Para a modelagem de soluções de a-quimotripsina, foi necessário considerar a dimerização da molécula proteica. Em poucos casos, especialmente na modelagem de soluções de albumina de soro bovino contendo polietileno glicol, o modelo mostrou-se insuficiente para correlacionar adequadamente os dados experimentais. Na maioria das vezes, o parâmetro do termo atrativo mostrou uma fraca dependência do pH próximo ao ponto isoelétrico, uma dependência maior com respeito a esse parâmetro em valores de pH mais distantes deste ponto, e uma dependência nítida com respeito à força iônica. De maneira geral, embora a representação dos dados experimentais seja adequada, não foi possível observar tendências inequívocas do parâmetro atrativo com respeito ao pH e a força iônica de modo a permitir o desenvolvimento de um modelo preditivo.The osmotic pressure is one of the key properties for the assessment of the non-ideality of protein solutions. Its importance is related to the fact that it allows the evaluation of solvent activity and indirectly of the protein behavior in solution. This work presents an investigation on the use of osmotic equations of state for calculating the osmotic pressure of aqueous solutions of proteins containing cosolvents such as salts or polymers. The developed model comprises a repulsive term, corresponding to the hard-sphere equation by Carnahan-Starling, and an attractive term, corresponding to a van der Waals type equation. To assess the suitability of the proposed model, experimental osmotic pressure data obtained from literature for aqueous solutions containing lysozyme, a-chymotrypsin, bovine serum albumin and human immunoglobulin G, at several values of pH and with different cosolvents, were correlated. The model was able to adequately represent the experimental data in most of the cases, with a better agreement than the virial equation, which is the most widely used equation in the study of the osmotic pressure of protein solutions. For the modeling of a-chymotrypsin solutions, it was necessary to consider the dimerization of the protein molecule. Only in a few cases, mainly in the modeling of solutions containing bovine serum albumin and polyethylene glycol, it was not possible to correlate adequately the experimental data. In most cases, the attractive parameter presented a weak dependency on the pH close to the isoelectric point, and a stronger dependency on pH otherwise. The dependency on the ionic strength was almost always strong. To conclude, in spite of the good performance of the model in the correlation of experimental data, definite tendencies of the attractive parameter in relation to pH and ionic strength were not observed, and hence a predictive model could not be developed