Protein interaction with polyelectrolytes and ligands: A structural and thermodynamic investigation
Creators: name: Yu, Shun
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2017
Subjects: subject: Polyeletrolyt
subject: Human Serum Albumin
subject: Ligand
subject: Isothermale Titrationskalorimetrie
subject: polyelectrolyte
subject: human serum albumin
subject: ligand
subject: isothermal titration calorimetry
subject: 530 Physik
subject: WD 5275
subject: VG 7107

description: Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die Ladungswechselwirkung zwischen Proteinen und Polyelektrolyten. Dabei wird die Bindung von Polyakrylsäure (PAA) als kurzes Modell-Polyelektrolyt an Humanalbumin (HSA) in einer umfassenden experimentellen und theoretischen Studie untersucht und sehr gute Übereinstimmung der Resultate konnte festgestellt werden. Die Computersimulationen in dieser Arbeit wurden von Xiao Xu im Rahmen seiner Promotion durchgeführt. Thermodynamische Daten wurden mit Hilfe von Isothermer Titrationskalorimetrie (ITC) gesammelt und strukturelle Untersuchungen wurden mit Hilfe von Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS) durchgeführt. Die Analyse von Bindungsaffinitäten zeigte eine eins zu eins Bindung von PAA mit HSA, die entropisch getrieben ist und strukturellen Untersuchungen weisen eine stabile Proteilstruktur unabhängig von der Adsorption durch PAA auf. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Wechselwirkung zweier uremischer Toxinen, nämlich Phenylessigsäure (PhAA) und Indoxylsulfat (IDS), mit HSA untersucht. Eine wichtige Schlussfolgerung aus der Analyse der ITC Daten ist, dass begünstigende, hydrophobe Wechselwirkungen die treibende Kraft für die Adsorption von Toxinen an HSA sind, und dass hierbei die Enthalpie-Entropie-Kompensation (EEC) zu tragen kommt. Weiterhin zeigen SANS Untersuchungen, dass die Proteinstruktur trotz Adsorption stabil bleibt und konnte außerdem über Interpartikulare Wechselwirkung von HSA-Toxin Komplexen aufklären. Im Allgemeinen ist HSA strukturell unverändert durch die Adsorption von Liganden. Diese Feststellung erlaubt die Interpretation von ITC Daten, da damit gemessene Wärmeprozesse ausschließlich von Bindungsprozessen herrühren. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass eine ausführliche thermodynamische Analyse durch Kombination von theoretischer mit experimenteller Arbeit, eine umfassende Einsicht in die Mechanismen von Bindungsprozessen ermöglicht.
description: The first part of the thesis explores the charge-charge interaction between proteins and polyelectrolytes. Polyacrylic acid (PAA) is used as a short model polyelectrolyte to interact with human serum albumin (HSA) the most abundand protein in blood, in a comprehensive experimental and theoretical study. The results thereby coincide very well. Computer simulation studies were performed by Xiao Xu within the framework of his PhD thesis. Thermodynamic data were collected by means of isothermal titration calorimetry (ITC) and structural analysis performed using small-angle neutron scattering (SANS). The analysis of binding free energies revealed one to one binding that is mainly driven by entropy. Structural investigations give proof of the stability of the protein beside adsorption. In the second part, the interaction of two uremic toxins, namely phenylacetic acid (PhAA) and indoxyl sulfate (IDS), with HSA is studied. Systematic ITC experiments reveal two binding sites for both of the two toxins and show small dependence of binding affinities on ionic strength in contrast to PAA adsorption to HSA. This leads to the key conclusion that the favorable hydrophobic interaction is the driving contribution for adsorption and enthalpy-entropy compensation (EEC) effect comes into play. SANS studies of high concentrated HSA-toxin solutions proofed the stability of the protein structure and shed light on the interparticle interaction of HSA-toxin complexes. In general, HSA is structurally robust regardless of ligand uptake. This finding allows the interpretation of ITC data by confirming that the measured heat signals are purely associated to the binding process. The present thesis has demonstrated that a full thermodynamic analysis in combination with theoretical modelling can provide a comprehensive understanding of binding in terms of identifying driving forces and their contributions to protein ligand interaction.