Submillisecond alterações na conformação das proteínas resolvidas por Photothermal Boca deflexão

Resumo

Aqui descrevemos uma aplicação da técnica de deflexão do feixe fototérmica em combinação com um composto de cálcio enjaulado, DM-nitrophen, para monitorar microssegundo e milissegundo dinâmica e energética de mudanças estruturais associadas com a associação de cálcio para um sensor de cálcio neuronal, Downstream Elemento Regulador Antagonista modulador .

Resumo

Deflexão do feixe Photothermal conjunto com foto-acústica calorimetria e ralar térmica pertence à família de métodos fototérmicos que monitorar o tempo de perfil de volume e entalpia mudanças de luz induzidas mudanças conformacionais em proteínas em microssegundos para milissegundo prazos que não são acessíveis através de parada tradicional -fluxo de instrumentos. Além disso, uma vez que as alterações globais de volume e / ou entalpia são sondados, estas técnicas podem ser aplicadas às proteínas e outras biomacromoléculas que carecem de um fluoróforo e um rótulo ou cromóforo. Para monitorar a dinâmica e energética de mudanças estruturais associadas ao Ca ^{2 +} ligação a transdutores de cálcio, tais sensores de cálcio neuronais, um composto de cálcio enjaulado, DM-nitrophen, é empregado para foto-trigger um aumento rápido (τ <20 ms) em cálcio livre concentração eo volume associado e entalpia mudanças são detectados usando feixe fototérmica técnica deflexão.

Introdução

Métodos foto-térmico, como a calorimetria fotoacústica, deflexão do feixe fototérmica (APO), e ralar transitória juntamente com excitação laser de nanossegundos representam uma alternativa poderosa para transitória espectroscopia óptica para estudos resolvido em tempo de curta duração intermediários ^1,2. Em contraste com as técnicas ópticas, tais como a absorção transiente e espectroscopia de infravermelho, que acompanhar o perfil do tempo de alterações de absorção do cromóforo circundante; técnicas fototérmicos detectar o tempo-dependência de alterações de calor / volume e, portanto, são ferramentas valiosas para investigar os perfis de tempo de opticamente processos de "Silêncio". Até agora, calorimetria fotoacústica e ralar transitória tem sido aplicado com sucesso para estudar a dinâmica dos processos de conformação induzida por fotografias, incluindo a migração ligante diatômico em globinas ^3,4, ligante com a proteína sensor de oxigênio FixL ^5, elétrons e transporte de prótons em heme-oxidases de cobre ⁶ umaª fotossistema II, bem como foto-isomerização em rodopsina ⁷ e dinâmica conformacional em cryptochrome ^8.

Para expandir a aplicação de técnicas de fototérmicos aos sistemas biológicos que faltam um cromóforo e / ou fluoróforo interna, a técnica de PBD foi combinado com a utilização do composto de foto-enjaulado gatilho um aumento na concentração do ligando / substrato dentro de alguns microssegundos ou mais rápido, dependendo no composto enjaulado. Esta abordagem permite o monitoramento da dinâmica e energética de mudanças estruturais associadas com a ligação do ligante / substrato para as proteínas que estão faltando um fluoróforo interna ou cromóforo e em escala de tempo que não são acessíveis por instrumentos stop-flow comerciais. Aqui uma aplicação de PBD para monitorar a termodinâmica do composto gaiola, Ca ^{2 +} DM-nitrophen, foto-clivagem, assim como a cinética de Ca ^{2 +} associação para o domínio C-terminal do sensor de cálcio neuronais de Downfluxo Reguladora Elemento Antagonista modulador (sonho) é apresentado. O Ca ^{2 +} é de Ca-lançado foto ^{2 +} DM-nitrophen dentro de 10 ms e religa a uma gaiola unphotolysed com uma constante de tempo de ~ 300 ms. Por outro lado, na presença de um apoDREAM cinética adicional que ocorre na escala de tempo de milisegundos é observada e reflecte a ligação da proteína ligando. A aplicação do PBD para investigar transições conformacionais em sistemas biológicos tem sido de alguma forma limitada devido às dificuldades instrumentais, por exemplo árdua alinhamento da sonda e feixe de bomba para alcançar um sinal de PBD forte e reprodutível. No entanto, uma concepção meticulosa de uma instrumentação de configuração, um controle preciso da temperatura, e um alinhamento cuidadoso do feixe de sonda e uma bomba de proporcionar um sinal de PBD consistente e robusto que permite a monitorização do volume de resolução por tempo e mudanças de entalpia numa ampla escala de tempo de 10 ms para aproximadamente 200 ms. Além disso, modificções do procedimento experimental para assegurar a detecção de vestígios de amostra e de referência em temperatura idêntica, a composição do tampão, a orientação da célula óptica, a potência do laser, etc reduz significativamente o erro experimental em volumes de reacção medidos e as entalpias.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocolo

1. Preparações de amostras

1. Realizar a preparação de amostras e todas as manipulações de amostra em um quarto escuro para evitar uma uncaging indesejada.
2. Solubiliza-DM-nitrophen ((1 - (2-nitro-4 ,5-dimetoxifenil) - N, N, N ', N'-tetraquis [(oxi-carbonil) metil] -1,2-etanodiamina) em HEPES 50 mM tampão, KCl 100 mM, pH 7,0 para uma concentração final de 400 uM (ε _350nm = 4330 M ^-1 cm ^{-1 9).}
3. Adicionar _CaCl2 a partir da solução de estoque 0,1 M para atingir uma proporção desejável de [Ca ^{2 +]:} [DM-nitrophen]. Para as proteínas com a K _d para o ^{Ca2 +} associação maior do que 10 uM, a proporção de [Ca ^{2 +]:} [DM-nitrophen] de 1:01 é preferível para evitar a ligação de Ca libertado ^{foto-2 +} para uncaged DM-nitrophen . Com efeito, considerando-se o valor de K _d para o DM-nitrophen de 10 nM e a concentração total de DM-nitrophen e Ca ^{2 +} para ser de 400 mM, a 90% de uma proteína de ligação de cálciocom a K _d = 10 uM estará na apoform. Por outro lado, para o estudo de Ca ^{2 +} de ligação para proteínas com a K _d <10 uM, é preferível para diminuir a [Ca ^{2 +]:} proporção [DM-nitrophen] de 0,95 para evitar a Ca ^{2 +} a complexação com a apo- de proteína antes da gaiola foto-dissociação.
4. Solubiliza-se o composto de referência, K ₃ [Fe (III) (CN) _6] ou de Na ₂ CrO _4, no mesmo tampão de amostra.

2. Configurando o Experimento

1. A configuração experimental básico é mostrado na Figura 2.
2. Usar um orifício para o pino (P ₂₎ para ajustar o diâmetro do feixe de sonda (632 nm saída de laser He-Ne, ~ potência de laser 5 mW) a 1 mm e propagar o feixe sonda através do centro de uma célula colocada em uma temperatura suporte de célula controlada usando um M ₁ espelho.
3. Use um espelho (M ₂₎ por trás da amostra para centralizar o feixe de provaem um centro de posição detector sensível.
4. Focar o feixe de sonda no centro do detector, de tal modo que a diferença de tensão entre as duas melhores diodos e inferior dois diodos, bem como a diferença de tensão entre os dois diodos no lado esquerdo e direito do detector é zero.
5. Posteriormente, a forma de um diâmetro do feixe de bomba, uma saída de 355 nm, de Q-switched Nd: YAG, FWHM 5 nseg) usando um orifício de 3 mm (P _1), colocado entre dois espelhos de laser 355 nm.
6. Copropagate o feixe de bomba através do centro da tina, como demonstrado na Figura 2. É importante que os dois feixes de laser são propagadas através do centro da célula óptica em forma quase colinear para obter um ângulo de deflexão mensurável e, assim, maior a amplitude de sinal de PBD. Em condições experimentais, o ângulo do cruzamento da sonda e bomba de raios é inferior a 15 °.
7. Utilizar um composto de referência para alinhar a sonda e bombafeixe de alcançar um sinal de PBD satisfatório, ou seja, uma relação S / N bom e amplitude PBD estável em longos prazos (~ 100 ms).
8. Ajustar a posição da viga de bomba em relação ao feixe de prova por um ajuste incremental de 355 nm espelhos laser.
9. Medir a amplitude do sinal de referência de PBD, como a diferença entre dois fotodiodos topo e de fundo sobre o detector sensível à posição. O sinal de PBD devem apresentar um rápido aumento na amplitude de uma escala de tempo rápido (<10 ms) e permanecem estáveis ​​na escala de tempo de 100 mseg, como demonstrado na Figura 3. O tiro disparado à variabilidade da amplitude APO é dentro de 5% da amplitude do sinal e da reprodutibilidade do sinal é afetada principalmente por vibrações.
10. Verifique a linearidade da amplitude do sinal de PBD em relação à energia térmica libertada medindo a dependência linear do sinal de PBD na potência do laser de excitação e sobre o número de Einsteins absorvido, e _um= ^(1-10-A), em que A corresponde à absorvância no comprimento de onda de referência de excitação.
11. Manter a potência do laser inferior a aproximadamente 1.000 μJ e absorvância da amostra de composto / referência no comprimento de onda de excitação inferior a 0,5 para evitar a absorção de multi e diminuição da potência do feixe de bomba, respectivamente, e garantir a linearidade do sinal de PBD.

3. Medidas PBD

1. Comece com a medição dos vestígios de PBD de referência. Coloque a solução do composto de referência em um 1,0 centímetros por 1,0 cm ou 1,0 cm x 0,5 centímetros de células de quartzo e posicionar a célula no suporte de temperatura controlada. Ambos os comprimentos de trajeto fornecer amplitude comparável PBD.
2. Detectar o sinal de referência de PBD, como uma função da temperatura no intervalo de temperatura de 16-35 ° C, com o aumento de temperatura de 3 ° C.
3. A cada mudança de temperatura, verifique a posição do feixe de prova no detector sensível posição e reajustar a posição do centro do detector, se necessário.
4. Verifique a linearidade do sinal de PBD, como uma função da [(dn / dt) / C _p ρ] prazo de acordo com a equação 2.
5. Coloque a solução de amostra na mesma célula óptica como para o composto de referência, mantendo a mesma orientação da célula óptica, para a medição de referência.
6. Detectar os vestígios de PBD de amostra na mesma gama de temperaturas, como para a referência e verificar a linearidade da amplitude da amostra de PBD em relação ao [(dn / dt) / C _p ρ] prazo.

4. Análise de Dados

A magnitude da deformação é directamente proporcional à variação de volume devido ao aquecimento da amostra (? V _po) e alteração de volume não térmico (? V _nonth) de acordo com a Equação 1:

A amplitude da amostra (A _S) E de referência _(Ar) PBD sinal podem ser descritas usando as equações 2 e 3, respectivamente.

PBD sinal é directamente proporcional ao parâmetro de resposta do aparelho (K) e o número de Einsteins absorvida _(EA). O primeiro termo da equação 2, (dn / dt) (1/ρC _p) Q, corresponde à mudança de sinal devido ao calor libertado para o solvente. A dn / dt termo representa a alteração em função da temperatura no índice de refracção, ρ é a densidade do solvente, C _p é a capacidade de calor. Todos os parâmetros são conhecidos para a água destilada e podem ser determinadas por uma solução tampão por meio da comparação de um sinal de PBD para o composto de referência em água destilada e em um tampão apropriado. Q é a quantidade de calor Returned para o solvente. O ρ (dn / d ρ) é um termo constante sem unidades que é independente da temperatura no intervalo de temperatura de 10-40 ° C ^10. Δn termo _abs corresponde à variação do índice de refracção devido à presença de espécies de absorção na solução e é insignificante, se o comprimento de onda do feixe de sonda é deslocada em relação ao espectro de absorção de qualquer espécie em solução. O sinal resultante do composto de referência _(Ar) é expresso pela Equação 3 em que E _{h ν} é a energia de fotões de comprimento de onda de excitação, e _{h ν} = 80,5 kcal / mol para 355 nm de excitação.

1. Leve a amplitude do sinal de referência de PBD, como a diferença entre o sinal e pretrigger PBD pós de gatilho, conforme demonstrado na Figura 3. De um modo semelhante, determina a amplitude do jejum (A _s ^rápido) e de fase lenta (A _s ^lento) Do sinal da amostra de PBD.
2. Para eliminar o parâmetro de resposta do instrumento, K, escalar a amplitude do sinal da amostra de PBD por a amplitude do sinal de PBD para a referência. A razão entre o sinal da amostra para o sinal de referência dá Equação 4 e pode ser escrita como:
   
   
3. Usando esta equação, determine o calor libertado para a solução (Q) e não térmico mudança de volume _(nonth? V) associado a uma reação iniciou-foto da inclinação e interceptação, respectivamente, de um lote de [(A _s / A _r) E _{h ν]} prazo versus temperatura dependente termo [(dn / dt) (1/ρCp)].
4. Para determinar o volume de reação e variação de entalpia para o rápido eo lento processo, dimensionar o volume observado e variação de entalpia para o rendimento quântico apropriado de acordo com as equações 5-7.
   
   
   
   
   
   
   Para um processo de vários passos com uma cinética ocorre na escala de tempo entre 10 ms ~ 200 ms, o volume e as alterações de entalpia associada com os passos individuais de reacção pode ser determinada. As amplitudes e os tempos de vida para os passos individuais são analisadas por ajuste dos dados para a função f (t) que descreve o perfil de tempo o volume e as alterações de entalpia.
   
   onde α ₀ corresponde ao A _s ^rápido e α _i corresponde a um _s ^lento para cada processo individual e τ _i é o tempo de vida das etapas de reação individuais. A partir da dependência da temperatura da constante da taxa de for processos individuais (K _i = 1 / τ _i) os parâmetros de activação de entalpia e de entropia pode ser facilmente determinada através de curvas de Eyring.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Resultados

Um exemplo representativo de PBD traça de Ca ^{2 + a} foto-libertação de ^{Ca2 +} DM-nitrophen é mostrado na Figura 3. A fase rápida corresponde à foto-clivagem de Ca ^{2 +} DM-nitrophen e Ca ^{2 +} de libertação, enquanto que a fase lenta reflecte Ca ^{2 +} ligação para a gaiola nonphotolysed. O gráfico da amplitude de PBD amostra para a fase rápida e lenta escalado para a amplitude do composto de referência, em função do factor de dependia da temp...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussão

O princípio físico por trás de métodos fototérmicos é que uma molécula foto-animado dissipa o excesso de energia através de relaxamento vibracional para o estado fundamental, resultando em aquecimento térmico do ^1,12 solvente circundante. Para solventes, tais como água, esta produz uma expansão rápida de volume (? V _th). Moléculas em estado animado também podem passar por processos fotoquímicos que resultam em mudanças de volume nonthermal (? V _nonth) devido à ligação ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-(4,5-Dimethoxy-2-Nitrophenyl)-1,2-Diaminoethane-N,N,N',N'-Tetraacetic Acid	Life Technologies	D-6814	DM-nitrophen, cage calcium compound, keep stock solutions in dark to prevent photodissociation
4-(2-Hydroxyethyl)piperazine-1-ethanesulfonic acid, N-(2-Hydroxyethyl)piperazine-N′-(2-ethanesulfonic acid)	Sigma Adrich	0909C	HEPES buffer
Potassium ferricyanide (III)	Sigma Aldrich	702587	reference compound for PBD measurements
Sodium chromate	Sigma Aldrich	307831	reference compound for PBD measurements
He-Ne Laser Diode 5 mW 635 nm	Edmund Optics	54-179	use as a probe beam for PBD measurements
Oscilloscope,	LeCroy	Wave Surfer 42Xs	400 MHz bandwith
Nd:YAG laser	Continuum	ML II	pump beam for PBD measurements
M355; Nd:YAG laser mirror	Edmund Optics	47-324	laser mirror for 355 nm laser line
M1 and M2; Laser diode mirror	Edmund Optics	43-532	visilbe laser flat mirror, wavelength range 300-700 nm
P1 and P2; Iris Diaphragm	Edmund Optics	62-649	pin hole to shape the probe and pum beams
L1; bi-convex lens	Thorlabs	LB1844	a lens to focus the probe beam at the detector, EFL 50 mm, wavelength range 350-2,000 nm
DM, dichroic mirror	Thorlabs	DMLP505	a longpass dichroic mirror with a cutoff wavelength of 505 nm
F1; Edge filter	Andower	500FH90-25	a long pass filter with a cutoff wavelength of 500 nm
Temperature-controlled cuvette holder	Quantum Northwest	FLASH 300