Biophysical study of Folic Acid delivery by Pregnant’s Serum proteins in The First and Third Trimester of Pregnancy
Date
2022-09-13
Authors
Alqawasmeh, Ghadeer
غدير عصام عبد الفتاح القواسمة
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Ghadeer Alqawasmeh
Abstract
Human serum albumin (HSA) is the most abundant protein in blood plasma. It is a biologically relevant protein that binds a variety of drugs and other small molecules. It plays a crucial role in the transportation and distribution of drugs, including Folic Acid in the human body. Folic Acid (FA) is a water-soluble bioactive food constituent from the vitamin B-family complex (B9). Folic Acid is recognized as an important component of the care of women of child-bearing age as it plays a crucial role in the prevention of birth defects. The strongest justification for Folic Acid supplementation during pregnancy comes from the association between adequate intake of Folic Acid and reduced risk of having a child with neural tube defects.
In this study, the structural changes and the molecular mechanism of the interaction of Folic Acid with human serum albumin (HSA) taken from pregnant women during early stage (First Trimester) and the late stage (Third Trimester) of pregnancy was investigated in a single molecular level (single functional group). The native blood protein concentration was almost constant in all samples in both First and Third Trimester periods with various Folic Acid contents.
FTIR total Absorption Spectroscopy, second derivative, Fourier self-deconvolution and curve-fitting methods were employed to analyze the Folic Acid binding sites, binding mechanisms and the induced structural effects on pregnant blood protein (HSA) by different Folic Acid concentrations in Pregnant’s blood.
The molecular mechanism of types of interaction of Folic Acid with native serum albumin of pregnant women in the First and Third Trimester was extensively investigated in all major structural regions of protein using FTIR spectroscopy over a range of 4000–400 cm-1. The interaction mechanism was demonstrated by a significant decrease in the total absorption intensities of the Amide A, vas CH3, vas CH2, Amide (I, II, III) in both Trimesters. The intensity difference (delta) of the maximum Absorption of the lowest and highest concentration of Folic Acid in FA-HSA complexes (ΔI = I5ng/ml – I11ng/ml) were calculated in both Trimesters. For the Amide A and Amide B band (3500-3000 cm-1) in the First and Third Trimesters were 0.327 and 0.090, respectively. In C-H Band (3000-2800 cm-1), the intensity difference of vas CH3 in the First and Third IV trimester were 0.278 and 0.029, respectively, and of vas CH2 in the First and Third Trimester were 0.286 and 0.029, respectively. Additionally, in Amide (I, II, III) bands, the intensity difference in the First Trimester were 0.299, 0.279 and 0.120, respectively. While in the Third Trimester were 0.083, 0.080 and 0.026, respectively. This indicates that the interaction between Folic Acid and serum albumin in the early stages (First Trimester) is greater than in the late stages (Third Trimester) of pregnancy.
Based on the overall all results obtained from the FTIR structural analysis, we could confirm that Folic Acid binds native serum albumin of Pregnant’s via hydrophobic, hydrophilic and H-bonding interactions in both trimesters. Hence, at the molecular level, this gives evidence regarding major induced alterations occurring in the native serum albumin of Pregnant’s women as a result of Folic Acid interaction in the early stages of pregnancy.
Besides the structural changes FTIR measurements, determination of the conformational changes of the native protein secondary structure induced by Folic Acid in the Amide I region (1700–1600 cm-1) have been made using Fourier self-deconvolution methods. From these advanced analyses, it has been found that Folic Acid biding to native serum albumin induce conformational and microenvironmental changes on protein secondary structure by major alternation in the α-helix (reduced) and β-sheet (increased) structures in First and Third Trimesters. While, the occurrence of major structural alterations of blood protein for the Pregnant women was happened clearly in the early gestation ages (First Trimester) than later ages (Third Trimester). Therefore, taking Folic Acid as supplement by Pregnant’s women during the First Trimester of pregnancy can efficiently contribute to the public health action to decrease severe, disabling and potentially lethal Neural Tube Defects (birth defects).
بروتين الدم البشري (HSA) هو البروتين الأكثر وفرة في بلازما الدم. له أهمية بيولوجية كبيرة، حيث يرتبط بمجموعة متنوعة من الأدوية والجزيئات الصغيرة الأخرى مثل الفيتامينات، وله دور مهم في نقل وتوزيع الأدوية في جسم الإنسان، بما في ذلك حمض الفوليك.
حمض الفوليك هو أحد أنواع فيتامينات ب المركبة والذائبة في الماء، ويعرف كذلك باسم فيتامين ب 9. يُعد حمض الفوليك مهم بشكل خاص للنساء الحوامل لأنه يلعب دورًا مهماً في الوقاية من التشوهات الخلقية للجنين. إن السبب الأساسي لإدخال مكملات حمض الفوليك في النظام الغذائي للمرأة الحامل هو وجود ارتباط بين تناول كمية كافية من حمض الفوليك وتقليل نسبة إنجاب طفل مصاب بأحد عيوب الأنبوب العصبي. مما يعني أن حمض الفوليك ضروري للتطور الطبيعي والتكوّن السليم للأنبوب العصبي للجنين. لذلك، فإن دراسة التفاعل الجزيئي لحمض الفوليك مع بروتين الدم للمرأة الحامل له أهمية كبيرة لفهم وظيفة حمض الفوليك في تقليل نسبة إنجاب طفل مصاب بالتشوهات.
هناك تركيز هام على الحمل البشري في البحوث أكثر من الحمل عند باقي أنواع الثدييات. عيوبُ الأنبوب العصبي هي أحد العيوب الخلقية التي تظهر على الجنين عند الولادة والتي تؤثر على النخاع الشوكي والدماغ، وأكثر أنواعها شيوعاً هي: السنسنة المشقوقة، وعدم وجود الدماغ. وهناك الكثير من الأدلة الواضحة على أن حمض الفوليك قد يقلل من نسبة أنجاب أطفال مصابة بعيوب الأنبوب العصبي، وأن الأم التي تعاني من نقصه تكون أكثر عرضة للإجهاض وانقطاع المشيمة وتسمم الحمل والولادة المبكرة.
في هذه البحث، تم دراسة التغيرات الهيكلية والآلية الجزيئية لتفاعل حمض الفوليك مع بروتين الدم المأخوذ من النساء الحوامل في المرحلة المبكرة (الثلث الأول) والمرحلة المتأخرة (الثلث الثالث) من الحمل. كان تركيز بروتين الدم ثابت تقريبًا في جميع العينات في كل من الثلث الأول والثالث مع اختلاف تركيز حمض الفوليك في العينات.
تم استخدام جهاز مطياف تحويل فوريير للأشعة تحت الحمراء (FTIR) مع تطبيق عدد من التقنيات الموجود في هذا الجهاز مثل (Second derivative) و (Fourier-self deconvolution) بالإضافة إلى تقنية (curve-fitting) لتحليل مواقع وآليات الربط والتأثيرات الهيكلية لحمض الفوليك على بروتين الدم للمرأة الحامل.
تم استخدام التحليل الطيفي FTIR لدراسة الآلية الجزيئية لأنواع تفاعل حمض الفوليك مع بروتين الدم للنساء الحوامل في الثلث الأول والثالث من الحمل في جميع المناطق الهيكلية الرئيسية للبروتين. ومن نتائج الدراسة تبين أن هناك انخفاض واضح في شدة الامتصاص (Maximum Intensity) لكل من المناطق: Amide A, C-H amide I, II, and III في الثلث الأول والثالث. بعد ذلك تم حساب فرق شدة الامتصاص لبروتين الدم المرتبط بحمض الفوليك بين أقل وأعلى تركيز لحمض الفوليك (ΔI = I5ng/ml – I11ng/ml) لكل من الثلث الأول والثالث. بالنسبة لمنطقة Amide A (3500-3000 cm-1)، كانت قيم فرق شدة الامتصاص 0.327 و0.090 في الثلث الأول والثالث على التوالي. أما منطقة C-H (3000-2800 cm-1)، كان القيم للقمة as CH3 تساوي 0.278 و0.029 في الثلث الأول والثالث على التوالي. وللقمة as CH2 تساوي 0.286 و0.029 في الفصل الأول والثالث على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، في نطاقاتAmide (I, II and III) ، كانت قيم فرق شدة الامتصاص في الثلث الأول 0.299 و 0.279 و 0.120 على التوالي. بينما كانت في الثلث الثالث 0.083 و0.080 و0.026 على التوالي. تشير هذه النتائج إلى أن التفاعل بين حمض الفوليك وبروتين الدم للمرأة الحامل في المراحل المبكرة (الثلث الأول) أكبر من التفاعل في المراحل المتأخرة (الثلث الثالث) من الحمل.
استنادًا إلى النتائج التي تم التوصل إليها من التحليل الهيكلي للأطياف التي تم الحصول عليها من جهاز FTIR، يمكننا تأكيد أن حمض الفوليك يرتبط مع بروتين الدم للنساء الحوامل من خلال التفاعلات الكارهة للماء والمحبة للماء والروابط الهيدروجينية في كل من الثلث الأول والثالث. على المستوى الجزيئي، تقدم هذه النتيجة دليلًا على التغيرات الرئيسية التي تحدث في بروتين الدم للنساء الحوامل نتيجة تفاعله مع حمض الفوليك في المراحل المبكرة من الحمل.
بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد التغييرات في البنية الثانوية لبروتين الدم نتيجة تفاعله مع حمض الفوليك في منطقة Amide I (1700–1600 cm-1) باستخدام تقنية (Fourier self-deconvolution)، وجد أن تفاعل حمض الفوليك مع بروتين الدم يؤدي إلى تغييرات في البنية الثانوية للبروتين عن طريق الانخفاض في نسبة حزم الامتصاص التابعة ل (α-helix) مقابل زيادة نسبة حزم الامتصاص التابعة ل (β-sheet) في الثلث الأول والثالث. من ناحية أخرى، لوحظ أن التغيرات الهيكلية في بروتين الدم للنساء الحوامل قد حدثت بشكل أكبر وأوضح في المراحل المبكرة (الثلث الأول) من المراحل المتأخرة (الثلث الثالث) من الحمل. لذلك، فإن إدخال حمض الفوليك كمكمل في النظام الغذائي للنساء الحوامل في الأشهر الثلاثة الأولى من الحمل قد يساهم بشكل كبير في انخفاض نسبة إنجاب أطفال مصابة بعيوب الأنبوب العصبي التي قد تسبب تشوهات خلقية أو قد تكون مميتة للجنين.