The mechanisms of ATP - biomacromolecule ınteractions
ATP - biyomakromolekül etkileşimlerinin mekanizmalari
Yazar: CANSIN AYVAZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HALİL İBRAHİM OKUR
İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyofizik = Biophysics ; Kimya = Chemistry

Özet:
Yaşamın en önemli biyomoleküllerinden biri olan adenozin trifosfat (ATP), temel biyolojik işlevler için hücrelerde birincil enerji kaynağı olarak hayati bir rol oynar. Son zamanlarda ATP'nin protein agregatlarını ve liflerini dengesizleştirmek için biyolojik bir hidrotrop görevi görebileceği keşfedildi. Bu tez, ATP'nin yakın zamanda keşfedilen hidrotropik davranışını ve bunun biyomakromoleküllerle, özellikle de poli (N-izopropilakrilamid) (PNIPAM) ile etkileşim mekanizmalarını, moleküler dinamik (MD) simülasyonlarıyla birleştirilmiş çoklu deneysel bir yaklaşım kullanarak araştırmayı amaçlamaktadır. Aşağıdan yukarıya yaklaşım benimsenerek makromoleküllerin faz davranışı, faz geçişi ve ATR-FTIR ölçümleri yoluyla incelenir. Ek olarak, sahaya özgü etkileşimler niceliksel 1H-NMR spektroskopik çalışmalarla tanımlanır ve ATP moleküllerinin hidrasyon kabuk yapısı ve küme morfolojileri Çok Değişkenli Eğri Çözümleme (MCR) Raman deneyleri aracılığıyla araştırılır. Adenin ve adenozin alt gruplarının makromoleküllerin çözünürlüğü üzerinde ihmal edilebilir bir etkisi olduğu gösterilmiştir, öte yandan ATP, AMP ve trifosfat ise tamamen tuzlanma davranışı sergilemiş ve makromoleküllerin agregasyonuna neden olmuştur. ATP'nin yakın zamanda keşfedilen hidrotropik davranışının tam tersine, spektroskopik ATR-FTIR ve 1H-NMR ölçümlerinin yanı sıra MD simülasyonlarında makromolekül ile ATP arasında hiçbir spesifik etkileşim gözlenmemiştir. Şaşırtıcı bir şekilde, yüksek konsantrasyonlarda, ATP moleküllerinin kendi kendine birleşmesinin, daha büyük PNIPAM agregatlarının daha küçük olanlara doğru kısmen dengesizleşmesine yol açtığı gözlemlenmiştir. ATP bağlanma bölgelerinin yokluğunda, rastgele halka benzeri yapılı makromoleküllerle etkileşimler, ATP'nin hidrotropik etkisine yol açmaz. Bunun yerine, ATP molekülleri makromolekülleri çözmekten ziyade stabilizatör olarak işlev görürler.

Abstract:
Adenosine triphosphate (ATP), one of the most important biomolecules of life, plays a vital role as the primary energy source within cells for essential biological functions. It has recently been discovered that ATP can also serve as a biological hydrotrope to destabilize protein aggregates and fibers. This thesis aims to investigate the recently discovered hydrotropic behavior of ATP and its interaction mechanisms with biomacromolecules, particularly poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), using a multi-experimental approach combined with molecular dynamics (MD) simulations. Adapting the bottom-up approach, the phase behavior of macromolecules is examined through phase transition and ATR-FTIR measurements. Additionally, site-specific interactions are identified with quantitative 1H-NMR spectroscopic studies, and the hydration shell structure and cluster morphologies of ATP molecules are explored through Multivariate Curve Resolution (MCR) Raman experiments. It is demonstrated that adenine and adenosine subgroups show negligible effect on the solubility of macromolecules, whereas ATP, AMP, and triphosphate exhibited purely salting-out behavior, and induced the aggregation of macromolecules. In stark contrast to the recently discovered hydrotropic behavior of ATP, no specific interactions between the macromolecule and ATP were observed in spectroscopic ATR-FTIR and 1H-NMR measurements, as well as MD simulations. Surprisingly, at elevated concentrations, self-association of ATP was observed leading to partial destabilization of larger PNIPAM aggregates to smaller ones. In the absence of ATP binding sites, interactions with random-coil-like structured macromolecules do not lead to effective hydrotropic action of ATP. Instead, they function more as stabilizers rather than solubilizing the macromolecules.