velikost textu

Ion Specific Hofmeister Effects on Peptides and Proteins

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Ion Specific Hofmeister Effects on Peptides and Proteins
Název v češtině:
Iontově specifické hofmeisterovské efekty na peptidy a proteiny
Typ:
Disertační práce
Autor:
Ing. Jana Hladílková, Ph.D.
Školitel:
doc. RNDr. Pavel Jungwirth, CSc., DSc.
Oponenti:
prof. doc. RNDr. Mgr. Rüdiger Ettrich, Ph.D.
prof. Dominik Horinek, Dr.
Id práce:
96511
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
Program studia:
Modelování chemických vlastností nano- a biostruktur (P1415)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
16. 9. 2014
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
molekulová dynamika, proteiny, peptidy, ionty, Hofmeisterova řada iontů
Klíčová slova v angličtině:
molecular dynamics, proteins, peptides, ions, Hofmeister series
Abstrakt:
Název práce: Iontově specifické hofmeisterovské efekty na peptidy a proteiny Autor: Ing. Jana Hladílková Katedra: Fyzikální a makromolekulární chemie Vedoucí doktorské práce: Prof. Pavel Jungwirth, DSc., ÚOCHB AV ČR E-mail vedoucího: pavel.jungwirth@uochb.cas.cz Abstrakt: V této dizertaci byla použita klasická molekulová dynamika s pokročilými metodami analýzy dat pro doplnění a zároveň objasnění jevů týkající se Hofmeisterovy řady iontů. V kombinaci se širokým spekterem experimentálních metod byly studovány jak reálné proteiny, tak i modelové systémy v roztocích hofmeisterovských solí. Cílem práce bylo identifikovat a kvantifikovat specifické interakce iontů s peptidy a proteiny, které způsobují výsledné hofmeistrovské řazení kationtů a aniontů, či které toto pravidlo porušují. Příkladem nehofmeisterovského chování je zrychlení enyzmatické reakce BHMT transferázy pomocí draselných iontů, zatímco ostatní běžné monovalentní kationty nemají tento efekt. Molekulové simulace nám umožnily určit a detailně popsat vazebné místo poblíž aktivního místa enzymu, které bylo později krystalograficky potvrzeno. Specificita pro draselný kation byla vysvětlena na základě hydratačních vlastností jednotlivých kationtů a interakcí se záporně nabitými rezidui aktivního místa. Naproti tomu pouze malý efekt monovalentních kationtů na enzymatickou reakci, který odpovídá hofmeisterovskému řazení, byl pozorován pro LinB dehalogenázu. V tomto případě se kationty vážou u ústí tunelu vedoucího ke katalytické triádě, a proto pouze nepřímo ovlivňují rychlost reakce, což bylo podpořeno výpočty i měřením mutovaných variací tohoto enzymu. Dále byla provedena systematická studie interakcí aniontů s peptidy na modelových strukturách různých velikostí s podporou dat z nukleární magnetické rezonance. Výsledky pro (VPGVG)120 polypeptid nejen odhalily dominanci interakcí aniontů s páteří peptidu, ale navíc ukázaly, že anionty nejsou přitahovány k nepolárním částem reziduí, jakým je například valin. Následující analýza triglycinu s oběma chránícími skupinami, který byl zvolen jako model peptidové vazby, potvrdila, že čím slaběji je aniont hydratován, tím silněji se váže na bílkovinovou páteř (SCN- > I- > Br- > Cl- > SO42-). Ve výsledku se proto thiokyanát a jodid chovají jako vsolovací činidla, bromid a chlorid jako neutrální ionty, zatímco sulfát peptidy/proteiny vysoluje. Efekt nabitých reziduí na interakce iontů s peptidy/proteiny byl kvantifikován na zwitteriontové (nechráněné) struktuře triglycinu. V tomto případě hraje hlavní roli interakce aniontů s pozitivně nabitým N-koncem molekuly, což vede k převrácení pořadí iontů v Hofmeisterově řadě (SO42- > Cl- > Br- > I-). Thiokyanát porušuje toto řazení, jelikož se jako jediný váže jak na pozitivně nabitý N-konec tripeptidu, tak i na peptidovou vazbu, což mu umožňuje jeho nekulový tvar. Při přímém srovnání našich výsledků s experimentálními daty publikovanými v 70. letech, se nám podařilo odhallit chybu v původní publikaci. Ukázali jsme, že otištěné vysolovací konstanty souhlasí s našimi výpočty pro molekulu triglycinu s jednou chránící skupinou na N-konci, zatímco se rozcházejí s výsledky pro autory uvedenou oboustranně chráněnou variantu. Náš předpoklad byl potvrzen nereprodukovatelností posledního syntetického kroku v publikovaném článku. Jako ukázka nového přístupu jdoucí za jednoduché principy hofmeistrovského vázání kationtů a aniontů na peptidy a proteiny, byly uvedeny výpočty a měření elektroforetických dat pro neutrální molekuly včetně elektroforetických markerů. Klíčová slova: molekulová dynamika, proteiny, peptidy, ionty, Hofmeisterova řada iontů.
Abstract v angličtině:
Title: Ion Specific Hofmeister Effects on Peptides and Proteins Author: Ing. Jana Hladílková Department: Physical and Macromolecular Chemistry Advisor: Prof. Pavel Jungwirth, DSc., IOCB AS CR Advisor’s email address: pavel.jungwirth@uochb.cas.cz Abstract: Classical molecular dynamics simulations in combination with advanced methods of analysis were used to shed light on missing parts of our molecular understanding of the Hofmeister series. In tandem with various experimental techniques, real proteins as well as model systems were investigated in aqueous salt solutions in order to identify and quantify ion-protein interactions either leading or not leading to the canonical cationic and anionic Hofmeister ordering. The potassium cation was found to significantly enhance the BHMT enzymatic activity in contrast to the rest of the common monovalent cations. In the quest to rationalize this behavior, a key potassium binding site in the vicinity of the active site was discovered and described. Moreover, the exceptionally strong effect of K+ on the enzymatic activity was explained by hydration properties of the cations within the limited space of the active site in interplay with their attraction to the nearby negatively charged residues. By contrast, only a small and indirect influence, which follows the cationic Hofmeister series, was established for the LinB dehalogenase. The binding hot spot for all the cations was assigned at the mouth of the tunnel leading to the active site. This assumption was further supported by single point mutations at the tunnel mouth of this enzyme. A systematic study of anion-peptide interactions was realized for a variety of model systems with aid of NMR experiments. Examination of the (VPGVG)120 polypeptide revealed a dominant role of anion-backbone interactions in neutral biological systems. On top of that, it was shown that anions are not attracted to the nonpolar side chains of residues like valine. In order to quantify our previous findings, capped triglycine was investigated as a model system for the peptide bond in aqueous solutions of five sodium salts. It was confirmed that the more weakly hydrated the anion is, the more it interacts with the peptide backbone (SCN- > I- > Br- > Cl- > SO42-). Consequently, thiocyanate and iodide act like salting-in agents, bromide and chloride are neutral in contrast with sulfate which is repelled from the backbone surface and shows a salting-out behavior. To capture the effect of charged residues, anion-peptide binding sites for uncapped aqueous triglycine were explored. In this case, charge-charge interactions dominate, resulting in a reversed Hofmeister series (SO42- > Cl- > Br- > I-), i.e., the more strongly hydrated the anion is, the larger its affinity to the positively charged N-terminus. Interestingly, SCN- does not fully follow this rule as a consequence of a synergy between charge-charge and anion-backbone interactions of this non-spherical ion. A direct comparison of our results with experimental data published in the 1970s led to a discovery of an error in the original publication. It was proven that an inefficient synthetic procedure caused assignment of the measured salting-out constants to a fully capped triglycine molecule instead of a half-capped version, which matched with our computational results. Finally, an innovative way of studying ion-protein interactions was demonstrated on the example of electrophoretic measurements and calculations of neutral model systems and electroosmotic flow markers. Keywords: molecular dynamics, proteins, peptides, ions, Hofmeister series.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Ing. Jana Hladílková, Ph.D. 4.38 MB
Stáhnout Příloha k práci Ing. Jana Hladílková, Ph.D. 13.84 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Ing. Jana Hladílková, Ph.D. 196 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Ing. Jana Hladílková, Ph.D. 191 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Ing. Jana Hladílková, Ph.D. 1.63 MB
Stáhnout Posudek vedoucího doc. RNDr. Pavel Jungwirth, CSc., DSc. 213 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. doc. RNDr. Mgr. Rüdiger Ettrich, Ph.D. 491 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. Dominik Horinek, Dr. 1.72 MB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 775 kB