Protein Interactions: Electrostatics and Ligand Binding

Abstract

This thesis deals with Ca2+ binding to proteins, electrostatic interactions in and between proteins as well as inter- and intramolecular interactions. A computer program was developed to determine Ca2+ binding constants from experimental titration data of proteins. We further studied the effect of deamidation in the Ca2+ binding site of Calbindin D9k on the Ca2+ binding and cooperativity and conclude that introduction of b-peptide linkage leads to a reduction of both binding and cooperativity. The binding of Ca2+ to the individual EF-hands of Calbindin D28k and the coupling of Ca2+ binding to oligomerization was studied by analysis of Ca2+ binding at different protein concentrations and computer fitting of data to a 4- or 6-state model. Three different modes of coupling between Ca2+ binding and oligomerization emerge for the studied EF-hands, which allows for interpretation of their position within the intact protein.



The importance of electrostatic interaction for the binding of a highly positively charged peptide to the negatively charged calmodulin was studied. Charge mutations and variations in protein and peptide, together with changes in pH and salt content allow us to experimentally verify the importance of electrostatic interactions. Experimental results were coupled to simulations and it was concluded that the system is surprisingly invariant to changes in the charge state of protein and peptide. This insensitivity is caused by the high charge of the system, which behaves as it is "saturated" with charge, and a charge regulation at lower pH. Furthermore, we find that binding is optimal at physiological conditions and that binding affinity of two oppositely charged binding partners can be increased by screening of electrostatic interactions. We propose a model to explain the data.



Electrostatic interactions can be studied by determining pKa values of titrating groups in proteins. A heteronuclear NMR method was developed to study the charge state of arginine and lysine residues in proteins and to determine pKa values. The method was applied to apo-calmodulin where site-specific pKa values of lysine residues were determined. In another project the pKa values of acidic groups in a variant of protein GB1 in low and high ionic strength was determined using NMR. This allowed for the pH dependence of protein stability to be determined. From this data it can be concluded that the unfolded state contains residual structure. Many of the proton titration curves are significantly non-ideal and to analyze this data we propose new methods to visualize and analyze cooperativity of proton binding.



The conformation of C4BP-binding region of M proteins derived from streptococcus pyogenes was investigated in isolation and in complex with C4BPa-12 using NMR. We conclude that this region adopts a coiled-coil and that it binds in an extended shape in the complex.



The importance of tertiary contacts on secondary structure formation was studied by searching for fragments in the PDB database which can adopt different secondary structure depending on depending on the protein framework. We conclude that secondary structure switching is rare and that there is a strong inherent propensity in structured segments to form only one type of secondary structure.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Proteiner I varje cell i kroppen finns en kopia av vårt DNA. DNA är uppdelat i en massa gener som vart och ett innehåller en karta för uppbyggnaden av ett protein. Dessa proteiner kontrollerar nästan alla aspekter av det vi kallar liv. De transporterar syre, bygger upp vävnad, extraherar energi ur den föda vi stoppar i oss och bygger upp alla molekyler som behövs för vår fortlevnad. Proteiner är mycket fascinerande molekylära maskiner och det faktum att de kan utföra alla dessa uppgifter i cellen/kroppen säger lite om hur komplexa de måste vara. När proteiner slutar att fungera kan de få drastiska effekter och detta är orsaken till ett stort antal sjukdomar. Proteiner är uppbyggda av en eller flera kedjor av aminosyror som är ihopkopplade med varandra. Vilka dessa aminosyror är och i vilken ordning de sitter i kedjan specificeras av den genetiska koden. Faktum är att bara en förändring av aminosyra i ett protein som består av flera hundra aminosyror kan leda till allvarliga sjukdomar. Proteinkedjor veckar spontant ihop sig till sin egen unika tredimensionella form, dess struktur. Detta fixar naturen spontant på sekunder till minuter. Mycket forskningen pågår på att bara utifrån den genetiska koden förutsäga den tredimensionella strukturen, biologisk funktion och interaktioner med andra proteiner hos ett protein. Detta är nödvändigt om vi skall kunna bota sjukdomar. För att förstå varför proteiner ser ut som dom gör så måste vi förstå vad som håller ihop dem. Vi måste förstå vilka krafter och interaktioner mellan aminosyror som leder till att protein får sin speciella egenskaper. Interaktioner inom proteiner, mellan proteiner och med små molekyler temat för den här avhandlingen.



Kalciumbinding Kalciumjoner (Ca2+) har en mycket viktig roll i kroppen. Den fungerar som signal som för över information från ett ställe till ett annat. Tex så är pulser av kalcium ansvariga för att se till att hjärtat pumpar i takt och kalcium bestämmer vad för typ en cell skall bli (hudcell, hjärncell etc) och när en cell skall begå harakiri. Kalcium aktiverar vissa proteiner genom att binda till dem. För att förstå dessa proteiners biologiska roll är det viktigt att förstå hur starkt de binder till kalcium och vad effekten blir. Två av mina arbeten avhandlar kalcium bindning direkt men även i ett antal av de övriga arbetena så har jag studerat proteiner som binder kalcium. Jag har utvecklat ett dataprogram för att extrahera hur starkt proteiner binder till kalcium och studerat effekten av en process som kallas deamidering på kalciumbindning av ett protein calbindin D9k. Sedan har jag varit inblandad i ett projekt där vi studerat små delar av ett protein, calbindin D28k, och hur dessa bitar binder kalcium var för sig och hur interaktionen mellan bitar av samma typ påverkas av bindningen av kalcium. På det här sättet kan vi förstå hur hela proteinet, med alla delarna tillsammans, ser ut och fungerar.



Elektrostatiska interaktioner Mycket av den här avhandlingen behandlar betydelsen av interaktionen av laddade grupper (+ och - laddningar), sk elektrostatiska interaktioner. Interaktionen mellan sådan laddningar har bla stor betydelse för hur känsliga protein är för att veckas upp och hur proteiner interagerar med andra proteiner. I två arbeten har vi tagit reda på hur stor betydelse elektrostatiska interaktioner har för bindingen av en liten del av ett protein till det kalciumbindande proteinet calmodulin. Calmodulin är en central protein i alla celler eftersom den binder och aktiverar hundratals andra proteiner. Här kan vi visa att elektrostatiska interaktioner inte hade så stor betydelse för interaktionen mellan molekylerna trots att de båda proteinerna är väldigt laddade. Vi kan också visa att bindnigen är optimal vid de förhållanden som råder i en cell. Ett sätt att studera elektrostatiska interaktioner är att ta reda på vilken laddning olika aminosyror i ett protein har vid olika pH. Man kan ta reda på hur starkt olika aminosyror i ett protein binder protoner. Det bästa sättet att göra detta är med kärnmagnetisk resonans (NMR). I ett projekt har vi utvecklat en ny metod för bestämma laddningtillståndet för positiva aminosyror i ett protein. Vi bestämmer med hjälp av denna metod hur starkt en speciell aminosyra, lysin, binder protoner i calmodulin. I ett annat projekt bestämmer vi hur starkt för negativt laddade grupper i protein GB1 binder protoner. Med hjälp av dessa studier kan vi också förklara hur stabiliteten mot uppveckning varierar för proteinet vid olika pH.



M proteiner M proteiner sitter på ytan av illvilliga streptococcusbakterier av en speciell typ, streptococcus pyogenes. Dessa är ansvariga för en rad sjukdomar som tex halsfluss och scharlakansfeber men också betydligt allvarligare saker som reumatisk feber och "toxic shock", där den sistnämda kan leda till döden. M protein medverkar i bakteriens försvar genom att binda till proteiner i immunförsvaret och inhibera deras verkan. En sådant protein är C4BP som är en viktig del av det sk komplementsystemet. Jag har studerat den delen av M proteiner som binder C4BP och försökt utröna vilken tredimensionell struktur den har. Jag har också studerat hur den ser när den binder till C4BP. Detta är viktigt eftersom olika stammar av M proteiner med väldigt olika aminosyrasekvens alla kan binda till C4BP. För att kunna störa den bindningen måste man veta hur den binder. Med hjälp av NMR kunde vi visa på att den C4BP bindande antar samma typ som resten av proteinet, sk coiled-coil, samt dra slutsatsen att den binder utsträckt till C4BP.



Intermolekylära interaktioner Vilken tredimensionell struktur ett protein har beror på vilka interaktion de ingående aminosyrorna har med varandra. Jag har studerat betydelsen av interaktioner på längre avstånd på den lokala strukturen i ett protein. Slutsatsen var att långväga interaktioner inte är så betydelsefulla.

• author: André, Ingemar
• supervisor: Sara Linse
• opponent: Professor Baldwin, Robert, Stanford University School of Medicine, USA.
• organization: Biophysical Chemistry
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• keywords: Molecular biophysics, Molekylär biofysik, secondary structure formation, protein GB1, pKa values, pH stability, NMR, electrostatic interactions, M proteins, calbindin D9k, calcium binding, cooperativity, calmodulin, calbindin D28k
• pages: 156 pages
• defense location: Centre for Chemistry and Chemical Engineering, room B, Lund Institute of Technology
• defense date: 2005-09-23 10:30:00
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: I André and S Linse. 2002. Measurement of Ca2+ binding constants of proteins and presentation of the CaLigator software. Anal Biochem, pp 195-205. Elsevier; T Cederwall, I André, C Selah, J.P. Roblee, P.C. Kreicoch, R. Fairman, S Linse and K.A. Åkerfeldt. 2005. Calbindin D28k EF Hands ligand binding and oligomerization: Four high affinity sites three modes of action. Biochemistry, American Chemical society (accepted); I. André, T. Kesvatera, B. Jonsson, K.S. Akerfeldt and S. Linse. 2004. The role of electrostatic interactions in calmodulin peptide complex formation. Biophys J., pp 1929-38. Biophysical Society; I. André, T. Kesvateera, B. Jönsson and S. Linse. . Salt enhances calmodulin-target interaction. (submitted); I. André, S. Linse, M. Akke and F.A.A. Mulder. . Sequence Specific NMR assignment and pKa determination of lysine and arginine residues in proteins. (manuscript); S. Lindmann, S. Linse, F.A.A. Mulder and I. André. . Electrostatic coupling and pH stability of a PGB1 variant. (manuscript); I. André, J. Persson, A. Blom, T. Drakenberg, H. Nilsson, G. Lindahl and S. Linse. . Structural Studies On a Streptococcal Hypervariable Region: Free and Bound to a Complement Inhibitor. (submitted); I. André and S. Linse. . Lack of Secondary Structure Switching in Proteins. (submitted)
• id: f10ec368-8acb-4a59-b8cb-b87e31beb6b4 (old id 545274)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:26:48
• date last changed: 2018-11-21 21:04:55