An investigation of the properties of β-casein and how it may be used as a model protein for PRP-1

Abstract

The aim of this thesis was threefold: (i) study the association behaviour of β-casein, (ii) study the electrostatic and conformational properties of β-casein, and (iii) evaluate the possibility of using β-casein as a model protein for the acidic proline rich protein (PRP-1).

Dynamic light scattering (DLS) was used to determine the size of β-casein aggregates that were formed in aqueous solutions as an effect of protein concentration, salt (NaCl) concentration and calcium ion concentration. There proved to be three possible types of aggregates forming for solutions with the protein concentration close to the critical aggregation concentration. It was also observed that the protein solutions precipitated in the absence of any salt and caused the results to be polydisperse, showing odd peaks known as "slow modes". The aggregate size was shown to be increased with both the protein- and salt-concentration. It was also observed that the aggregates were generally smaller in the presence of calcium ions. Furthermore, there seemed to be a connection between the ionic strength and the aggregate size when there were calcium ions present.

Both β-casein and PRP-1 were studied using a coarse-grained model simulated by a Metropolis Monte Carlo algorithm. Their properties, such as net charge and radius of gyration, were analyzed and compared. The behaviour of the two proteins was very similar apart from the shifted values due to the size difference between them. These results indicated that it might be possible for β-casein to work as a model protein for PRP-1 and further investigation is recommended.

Popular Abstract (Swedish)

Muntorrhet är en åkomma som uppkommer på grund av salivbrist eller om salivens sammansättning ändras. Sådana förändringar i salivproduktionen kan uppstå på grund av flera olika anledningar. De vanligaste orsakerna är Sjögrens syndrom, diabetes, ätstörningar eller näringsbrist. Muntorrhet kan även uppstå som en bieffekt av strålbehandlingar och receptbelagd medicin. Muntorrhet kan ge upphov till värre symptom som till exempel tandlossning, tandröta och ökad infektionsrisk. Det är svårt att bota sjukdomen men symptomen kan mildras genom att dricka mycket vatten, ta munvatten, tugga sockerfria tuggummin och genom att undvika alkohol och koffein. I vissa fall används även salivsubstitut.

Saliv är en vätska som består av mer än 99 % vatten, olika salter samt en mängd varierande proteiner. Proteinerna står för de flesta av funktionerna i saliven. Det optimala salivsubstitutet innehåller de nödvändiga proteiner som förhindrar symptomen som är associerade med muntorrhet. Det finns till exempel ett protein som hjälper till att återmineralisera tänderna genom att binda och hantera kalciumjoner. Proteinet kallas acidic proline rich protein (PRP-1) och det återfinns enbart i saliv. Detta är ett problem då det gör det väldigt svårt att få tag på PRP-1 i tillräckliga mängder för att kunna tillverka ett effektivt salivsubstitut. Det har dock observerats att det finns ett annat mer lättillgängligt protein som har egenskaper liknande de hos PRP-1. Detta protein är ett mjölkprotein som kallas β-kasein. Målet med detta arbete var då att undersöka dessa egenskaper hos de båda proteinerna och utforska möjligheten att använda β-kasein som ersättning för PRP-1 vid tillverkning av salivsubstitut.

En egenskap som studerades var micellbildning av β-kasein, det vill säga hur flera β-kaseinkedjor klumpar ihop sig till större proteinkluster (aggregat), och hur det påverkas av pH, salthalt och tillsats av kalciumjoner. Detta gjordes genom att lösa upp β-kasein i olika lösningar och sedan analysera dessa med hjälp av en metod som kallas \textit{dynamisk ljusspridning} (DLS). Resultaten visade att aggregaten blir större vid hög salthalt men mindre vid tillsats av kalciumjoner. Detta beror på att växelverkningarna som finns mellan proteinkedjorna skärmas när det är mycket salt/joner i lösningarna, det vill säga de hindrar proteinerna från att känna av varandra. Skärmningen leder till att fler eller färre proteiner kan samlas och bilda aggregat, beroende på vilken typ av interaktion som skärmas.

Egenskaper som laddning, kapacitans och storlek vid olika pH studerades för de båda proteinerna med hjälp av datorsimuleringar. Det visade sig att PRP-1 och β-kasein beter sig enhetligt då de utsätts för samma miljö och resultaten indikerar att det finns en god möjlighet för att kunna använda β-kasein som ersättning för PRP-1. Däremot krävs vidare undersökningar innan en slutsats kan dras.

• author: Jephthah, Stephanie
• supervisor: Marie Skepö
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMK08 20142
• year: 2015
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: Monte Carlo, DLS, saliva, PRP-1, KEMK08, β-casein, teoretisk kemi, simulations
• language: English
• id: 5045868
• date added to LUP: 2015-07-02 14:42:36
• date last changed: 2015-07-02 14:42:36