Name: quantifying the binding interactions between cu(ii) and peptide residues in the presence and absence of chromophores
Uploaded: 2022-04-05T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Quantifying the Binding Interactions Between CuII and Peptide Residues in the Presence and Absence of Chromophores at JoVE.com

SC bedankt de Whitehead Summer Research Fellowship. MJS bedankt de Startup Funds en het Faculty Development Fund aan de Universiteit van San Francisco. MCH erkent financiering van de National Institutes of Health (NIH MIRA 5R35GM133684-02) en de National Science Foundation (NSF CAREER 2048265).

1. Elektronische absorptiespectroscopie: directe titratie met bufferconcurrentie
<ol><li>Monstervoorbereiding<ol>
<li>Bereid een gebufferde oplossing van 50 mM 2-[bis(2-hydroxyethyl)amino]-2-(hydroxymethyl)propaan-1,3-diol (bisTris) bij pH 7,4 met ultrapuur water (>18 MΩ weerstand). Verwijder sporenmetaalionen door gedurende ten minste 2 uur te broeden met een hars met hoge affiniteit en daaropvolgende filtratie.</li>
		<li>Los een bekende hoeveelheid van het peptide op of verdun het in de metaalvrije...

<ol>
	<li>Waldron, K. J., Robinson, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+do+bacterial+cells+ensure+that+metalloproteins+get+the+correct+metal.">How do bacterial cells ensure that metalloproteins get the correct metal.</a> Nature Reviews Microbiology. 7 (1), 25-35 (2009).</li><li>Puig, S., Thiele, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mechanisms+of+copper+uptake+and+distribution.">Molecular mechanisms of copper uptake and distribution.</a> Current Opinion in Chemical Biology. 6 (2), 171-180 (2002).</li><li>Huffman, D. L., O'Halloran, T. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Function,+structure,+and+mechanism+of+intracellular+copper+trafficking+proteins.">Function, structure, and mechanism of intracellular copper trafficking proteins.</a> Annual Review of Biochemistry. 70 (1), 677-701 (2001).</li><li>Kaplan, J. H., Lutsenko, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Copper+transport+in+mammalian+cells:+Special+care+for+a+metal+with+special+needs.">Copper transport in mammalian cells: Special care for a metal with special needs.</a> Journal of Biological Chemistry. 284 (38), 25461-25465 (2009).</li><li>Makowska, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+binding+of+Cu(II)+ions+to+a+fragment+of+the+A&#946;+(1-42)+polypeptide+using+fluorescence+spectroscopy,+isothermal+titration+calorimetry+and+molecular+dynamics+simulations.">Probing the binding of Cu(II) ions to a fragment of the A&#946; (1-42) polypeptide using fluorescence spectroscopy, isothermal titration calorimetry and molecular dynamics simulations.</a> Biophysical Chemistry. 216, 44-50 (2016).</li><li>Gaggelli, E., D'Amelio, N., Valensin, D., Valensin, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=1H+NMR+studies+of+copper+binding+by+histidine-containing+peptides.">1H NMR studies of copper binding by histidine-containing peptides.</a> Magnetic Resonance in Chemistry. 41 (10), 877-883 (2003).</li><li>Garc&#237;a, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectroscopic+and+electronic+structure+studies+of+copper(II)+binding+to+His111+in+the+human+prion+protein+fragment+106&#8722;115:+evaluating+the+role+of+protons+and+methionine+residues.">Spectroscopic and electronic structure studies of copper(II) binding to His111 in the human prion protein fragment 106&#8722;115: evaluating the role of protons and methionine residues.</a> Inorganic Chemistry. 50 (5), 1956-1972 (2011).</li><li>Jakab, N. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+histidine+containing+peptides+for+better+understanding+of+their+coordination+mode+toward+copper(II)+by+CD+spectroscopy.">Design of histidine containing peptides for better understanding of their coordination mode toward copper(II) by CD spectroscopy.</a> Journal of Inorganic Biochemistry. 101 (10), 1376-1385 (2007).</li><li>Keltner, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+spectrometric+characterization+and+activity+of+zinc-activated+proinsulin+C-peptide+and+C-peptide+mutants.">Mass spectrometric characterization and activity of zinc-activated proinsulin C-peptide and C-peptide mutants.</a> Analyst. 135 (2), 278-288 (2010).</li><li>Whittal, R. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=a+Copper+binding+to+octarepeat+peptides+of+the+prion+protein+monitored+by+mass+spectrometry.">a Copper binding to octarepeat peptides of the prion protein monitored by mass spectrometry.</a> Protein science: a publication of the Protein Society. 9 (2), 332-343 (2000).</li><li>&#379;amoj&#263;, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+pentapeptide+with+tyrosine+moiety+as+fluorescent+chemosensor+for+selective+nanomolar-level+detection+of+copper(II)+ions.">A pentapeptide with tyrosine moiety as fluorescent chemosensor for selective nanomolar-level detection of copper(II) ions.</a> International Journal of Molecular Sciences. 21 (3), 1-16 (2020).</li><li>Beuning, C. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+interpeptidic+Cu+II+exchange+rate+constants+of+Cu+II+-amyloid-&#946;+complexes+to+small+peptide+motifs+by+tryptophan+fluorescence+quenching.">Measurement of interpeptidic Cu II exchange rate constants of Cu II -amyloid-&#946; complexes to small peptide motifs by tryptophan fluorescence quenching.</a> Inorganic Chemistry. 60 (11), 7650-7659 (2021).</li><li>Makowska, J., &#379;amoj&#263;, K., Wyrzykowski, D., Wiczk, W., Chmurzy&#324;ski, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Copper(II)+complexation+by+fragment+of+central+part+of+FBP28+protein+from+Mus+musculus.">Copper(II) complexation by fragment of central part of FBP28 protein from Mus musculus.</a> Biophysical Chemistry. 241, 55-60 (2018).</li><li>Stevenson, M. J., Farran, I. C., Uyeda, K. S., San Juan, J. A., Heffern, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+metal+effects+on+C-peptide+structure+and+internalization.">Analysis of metal effects on C-peptide structure and internalization.</a> ChemBioChem. 20 (19), 2447-2453 (2019).</li><li>Stevenson, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elucidation+of+a+copper+binding+site+in+proinsulin+C-peptide+and+its+implications+for+metal-modulated+activity.">Elucidation of a copper binding site in proinsulin C-peptide and its implications for metal-modulated activity.</a> Inorganic Chemistry. 59 (13), 9339-9349 (2020).</li><li>Magyar, J. S., Godwin, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectropotentiometric+analysis+of+metal+binding+to+structural+zinc-binding+sites:+Accounting+quantitatively+for+pH+and+metal+ion+buffering+effects.">Spectropotentiometric analysis of metal binding to structural zinc-binding sites: Accounting quantitatively for pH and metal ion buffering effects.</a> Analytical Biochemistry. 320, 39-54 (2003).</li><li>Ferreira, C. M. H., Pinto, I. S. S., Soares, E. V., Soares, H. M. V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=(Un)suitability+of+the+use+of+pH+buffers+in+biological,+biochemical+and+environmental+studies+and+their+interaction+with+metal+ions+-+a+review.">(Un)suitability of the use of pH buffers in biological, biochemical and environmental studies and their interaction with metal ions - a review.</a> RSC Advances. 5 (39), 30989-31003 (2015).</li><li>Sigel, H., Martin, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coordinating+properties+of+the+amide+bond.+stability+and+structure+of+metal+ion+complexes+of+peptides+and+related+ligands.">Coordinating properties of the amide bond. stability and structure of metal ion complexes of peptides and related ligands.</a> Chemical Reviews. 82 (4), 385-426 (1982).</li><li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metalloproteins+containing+cytochrome,+iron-sulfur,+or+copper+redox+centers.">Metalloproteins containing cytochrome, iron-sulfur, or copper redox centers.</a> Chemical Reviews. 114 (8), 4366 (2014).</li><li>Grossoehme, N. E., Spuches, A. M., Wilcox, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+isothermal+titration+calorimetry+in+bioinorganic+chemistry.">Application of isothermal titration calorimetry in bioinorganic chemistry.</a> Journal of Biological Inorganic Chemistry. 15 (8), 1183-1191 (2010).</li><li>Miessler, G. L., Fischer, P. J., Tarr, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Inorganic Chemistry. , (2014).</li><li>Walger, E., Marlin, N., Molton, F., Mortha, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+the+direct+red+81+dye/copper(II)-phenanthroline+system.">Study of the direct red 81 dye/copper(II)-phenanthroline system.</a> Molecules. 23 (2), 1-23 (2018).</li><li>Kocy&#322;a, A., Pomorski, A., Kr&#281;&#380;el, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molar+absorption+coefficients+and+stability+constants+of+Zincon+metal+complexes+for+determination+of+metal+ions+and+bioinorganic+applications.">Molar absorption coefficients and stability constants of Zincon metal complexes for determination of metal ions and bioinorganic applications.</a> Journal of Inorganic Biochemistry. 176, 53-65 (2017).</li><li>Zhao, H., Piszczek, G., Schuck, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SEDPHAT+-+A+platform+for+global+ITC+analysis+and+global+multi-method+analysis+of+molecular+interactions.">SEDPHAT - A platform for global ITC analysis and global multi-method analysis of molecular interactions.</a> Methods. 76, 137-148 (2015).</li><li>NIST. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Critically Selected Stability Constants of Metal Complexes, Version 8.0. , (2004).</li><li>Riener, C. K., Kada, G., Gruber, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quick+measurement+of+protein+sulfhydryls+with+Ellman's+reagent+and+with+4,4&#8242;-dithiodipyridine.">Quick measurement of protein sulfhydryls with Ellman's reagent and with 4,4&#8242;-dithiodipyridine.</a> Analytical and Bioanalytical Chemistry. 373 (4-5), 266-276 (2002).</li><li>Bradford, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+rapid+and+sensitive+method+for+the+quantitation+of+microgram+quantities+of+protein+utilizing+the+principle+of+protein-dye+binding.">A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding.</a> Analytical Biochemistry. 72 (1-2), 248-254 (1976).</li></ol>

Dit artikel biedt een robuuste methode voor het kwantificeren van de affiniteit en thermodynamica van Cu(II) binding aan peptiden. Complexen met Cu(II) zijn door de d9 elektronenconfiguratie bij uitstek geschikt om de d-d absorptieband op de metaallocatie te bewaken. Hoewel de extinctiecoëfficiënt klein is, waardoor grotere concentraties van het complex nodig zijn om een betrouwbaar signaal te leveren, kunnen titraties van Cu(II) in peptide snel inzicht geven in de bindingsstoomometrie en de geschatte bindin...

De biologie is geëvolueerd om gebruik te maken van de diverse chemie van metaalionen die nodig zijn voor het leven om zich aan te passen en te overleven in de omgeving. Naar schatting 25%-50% van de eiwitten gebruikt metaalionen voor structuur en functie1. De specifieke rol en redoxtoestand van het metaalion is direct gerelateerd aan de samenstelling en geometrie van de biologische liganden die het coördineren. Bovendien moeten redox-actieve metaalionen zoals Cu (II) strak worden gereguleerd, zodat ze niet interageren met oxidatiemiddelen via Fenton-achtige chemie om reactieve zuurstofsoorten (ROS) te vormen 2,3,4. Het begrijpen van de bindingsmodi en affiniteit die de biochemie aansturen, zou moeten helpen de biologische rol van het metaalion op te helderen.
Veel technieken worden gebruikt om de bindingsinteracties van metalen en peptiden te bestuderen. Dit zijn meestal spectroscopische technieken, maar omvatten ook computersimulaties met behulp van moleculaire dynamica, zoals gezien door Cu(II) interacties met een fragment van amyloïde bèta (Aβ)5. Een veelgebruikte spectroscopische techniek die voor veel universiteiten toegankelijk is, is kernspinresonantie (NMR). Door gebruik te maken van de paramagnetische aard van Cu(II) konden Gaggelli et al. aantonen waar het metaalion zich bindt aan een petide door ontspanning van nabijgelegen kernen6. Elektron paramagnetische resonantie (EPR) kan ook worden gebruikt om de locatie en modus van de paramagnetische metaalionbindingte onderzoeken 7. Andere spectroscopische technieken zoals circulair dichroïsme (CD) kunnen de coördinatie over Cu(II) in systemen zoals tripeptidesystemen8 beschrijven, en massaspectrometrie kan stoichiometrie aantonen en op welke residuen het metaalion wordt gecoördineerd door fragmentatiepatronen 9,10.
Sommige van deze technieken, zoals NMR, zijn labelvrij, maar vereisen grote concentraties peptide, wat uitdagingen vormt voor studie. Een andere veel voorkomende techniek genaamd fluorescentiespectroscopie is gebruikt om de positie van een tyrosine of tryptofaan te relateren aan het blussen van een Cu (II) 11,12. Evenzo kan deze techniek structurele veranderingen vertonen als gevolg van Cu(II)-binding13. Uitdagingen met deze metaal-peptidebindingsstudies zijn echter dat ze chromofoor aminozuren zoals tyrosine onderzoeken die niet alle systemen hebben, dat het metaalion bindt onder een klassiek model en dat de techniek mogelijk niet bevorderlijk is onder fysiologische omstandigheden. Er zijn inderdaad verschillende peptiden in opkomst die dergelijke chromofoor aminozuren niet bevatten of binden onder klassieke modellen, waardoor het gebruik van deze technieken wordt uitgesloten14,15. Dit artikel beschrijft benaderingen voor het beoordelen van bindende eigenschappen in deze scenario's onder fysiologisch relevante omstandigheden.
Biologische liganden kunnen verschillende protonatietoestanden aannemen die de metaalionbinding kunnen beïnvloeden, zoals de imidazoolring op histidine. Als de pH niet consistent wordt gehandhaafd, kunnen de resultaten ingewikkeld of tegenstrijdig zijn. Om deze reden zijn buffers een essentieel onderdeel in de studie van metaal-eiwit/peptide interacties. Van veel buffers is echter aangetoond dat ze gunstig interageren met metaalionen16,17. Naast het concurreren met het biologische molecuul van belang, kan de buffer vergelijkbare coördinerende atomen hebben die moeilijk te onderscheiden zijn van de coördinerende atomen van het peptide of eiwit. In deze studie ligt de focus op elektronische absorptiespectroscopie en isothermische titratiecalorimetrie (ITC) als twee complementaire technieken voor het bestuderen van Cu(II)-peptide-interacties, met speciale overwegingen met betrekking tot bufferkeuze.
Elektronische absorptiespectroscopie is een snelle, breed toegankelijke techniek voor het bestuderen van metaalbindingsinteracties. Bestraling met licht in de ultraviolette (UV) of zichtbare golflengten kan leiden tot absorptie van metaalgecentreerde d-d-banden, die waardevolle informatie opleveren over ligandclassificatie, metaalgeometrieën en schijnbare bindingsaffiniteiten18,19. Voor deze complexen kunnen directe titraties van metaalionen in eiwit- of peptideoplossingen bindende stoichiometrieën en schijnbare bindingsaffiniteiten kwantificeren. In sommige gevallen, zoals d5 of d10 elektronenconfiguraties, absorbeert het complex geen licht (d.w.z. is spectroscopisch stil). In deze spectroscopisch stille overgangsmetaalcomplexen kunnen deze beperkingen worden omzeild door een concurrerend ligand te gebruiken dat, bij coördinatie met het metaalion, detecteerbare ladingsoverdrachtsbanden oplevert. In beide gevallen is deze benadering beperkt tot het kwantificeren van alleen stoichiometrie en schijnbare bindingsaffiniteit, en wordt er geen inzicht in bindingsenthalpie gegeven zonder benaderingen.
Als aanvulling op informatie verkregen uit elektronische absorptiespectroscopie, is ITC een aantrekkelijke techniek voor directe en rigoureuze kwantificering van de bindende enthalpie20. ITC meet direct de warmte die vrijkomt of wordt verbruikt tijdens een bindingsgebeurtenis en aangezien de titratie plaatsvindt bij constante druk, is de gemeten warmte de enthalpie van alle evenwichten (ΔHITC). Daarnaast worden de stoichiometrie van de bindingsgebeurtenis (n) en de schijnbare bindingsaffiniteit (KITC) gekwantificeerd. Uit deze parameters worden de vrije energie (ΔGITC) en entropie (ΔSITC) bepaald, waardoor een thermodynamische momentopname van de bindingsgebeurtenis ontstaat. Omdat het niet afhankelijk is van lichtabsorptie, is ITC een ideale techniek voor spectroscopisch stille soorten, bijvoorbeeld d5 of d10 metaalionencomplexen. Aangezien calorimetrie echter warmte meet, kunnen niet-overeenkomende buffersystemen en niet-geregistreerde evenwichten de analyse nadelig beïnvloeden om de metaalionenbindende thermodynamica nauwkeurig te bepalen, en er moet grote zorg worden besteed aan het aanpakken van deze factoren20. Indien uitgevoerd met de juiste striktheid, is ITC een robuuste techniek voor het bepalen van de thermodynamica van metaal-eiwit / peptidecomplexen.
Hier wordt een chromoforisch stil koperbindend peptide, C-peptide, gebruikt om het complementaire gebruik van de twee technieken te demonstreren. C-peptide is een 31 residu splitsingsproduct (EAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQ) gevormd tijdens insulinerijping; het mist chromofore residuen, maar het is aangetoond dat het Cu(II) bindt met fysiologisch relevante affiniteit 14,15. De Cu(II)-bindingsplaats bestaat uit de zijketens van een glutamaat en een aspartaat en de N-terminus van het peptide14,15. Deze coördinerende atomen lijken sterk op die van veel gebruikte gebufferde systemen. Hier wordt het tandemgebruik van de d-d- en ladingsoverdrachtsbanden in elektronische absorptiespectroscopie en ITC getoond bij het kwantificeren van de Cu (II) bindende thermodynamica aan C-peptide. De benadering van het bestuderen van Cu (II) binding aan C-peptide kan worden toegepast op andere metaalionen en eiwit / peptide systemen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1,10-phenanthroline</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>131377-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>bis-Tris buffer</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>BP301-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bottle-top 0.45 micron membrane</td>
			<td>Nalgene</td>
			<td>296-4545</td>
			<td>Any filtration system that removes the resin without introducing contaminants is acceptable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper(II) chloride</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>12458</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDTA</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>EDS-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electronic absorption spectrophotometer</td>
			<td>Varian</td>
			<td>Cary 5000</td>
			<td>Another suitable sensitive spectrophotometer is acceptable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>high affinity resin</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>C7901-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isothermal titration calorimeter (ITC)</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>Nano ITC Low Volume</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ITC analysis software</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>NanoAnalyze</td>
			<td>SEDPHAT (Methods. 2015, 76: 137&#8211;148) may also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ITC software</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>ITCRun</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>light-duty delicate wiper</td>
			<td>Kimwipe</td>
			<td>34155</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>loading syringe</td>
			<td>Hamilton</td>
			<td>Syr 500 uL, 1750 TLL-SAL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>matched cuvettes</td>
			<td>Starna Cells, Inc</td>
			<td>16.100-Q-10/Z20</td>
			<td>Ensure that the window for the small volume cuvette matches the beam height of the spectrophotometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MOPS buffer</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>A12914</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>spectrophotometer software</td>
			<td>Cary</td>
			<td>WinUV Scan</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>spreadsheet program</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>Excel</td>
			<td>Any suitable spreadsheet program will work</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>titration syringe</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>5346</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ultrapure water</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>Milli-Q</td>
			<td>Any water is okay as long as &#62;18 M&#937; resistance</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantifying the binding interactions between cu(ii) and peptide residues in the presence and absence of chromophores

Koper (II) is een essentieel metaal in biologische systemen en verleent unieke chemische eigenschappen aan de biomoleculen waarmee het interageert. Er is gemeld dat het zich direct bindt aan een verscheidenheid aan peptiden en zowel noodzakelijke als pathologische rollen speelt, variërend van de bemiddelende structuur tot elektronenoverdrachtseigenschappen tot het geven van katalytische functie. Het kwantificeren van de bindingsaffiniteit en thermodynamica van deze Cu(II)-peptidecomplexen in vitro geeft inzicht in de thermodynamische drijvende kracht van binding, potentiële competities tussen verschillende metaalionen voor het peptide of tussen verschillende peptiden voor Cu(II), en de prevalentie van het Cu(II)-peptidecomplex in vivo. Het kwantificeren van de bindende thermodynamica kan echter een uitdaging zijn vanwege een groot aantal factoren, waaronder het verantwoorden van alle concurrerende evenwichten binnen een titratie-experiment, vooral in gevallen waarin er een gebrek is aan discrete spectroscopische handgrepen die het peptide, het d-blokmetaalion en hun interacties vertegenwoordigen.
Hier wordt een robuuste reeks experimenten geleverd voor de nauwkeurige kwantificering van Cu (II) -peptide thermodynamica. Dit artikel richt zich op het gebruik van elektronische absorptiespectroscopie in de aan- en afwezigheid van chromofoor liganden om de benodigde spectroscopische handgreep op Cu(II) te bieden en het gebruik van labelvrije isothermische titratiecalorimetrie. In beide experimentele technieken wordt een proces beschreven om rekening te houden met alle concurrerende evenwichten. Hoewel de focus van dit artikel ligt op Cu (II), kan de beschreven reeks experimenten van toepassing zijn buiten Cu (II) -peptide-interacties en een kader bieden voor nauwkeurige kwantificering van andere metaalpeptidesystemen onder fysiologisch relevante omstandigheden.

Het doel was om de thermodynamica van Cu(II) binding aan C-peptide te kwantificeren en te bevestigen met behulp van de complementaire technieken van elektronische absorptiespectroscopie en ITC. Vanwege de robuuste aard van elektronische absorptiespectroscopie werd een directe titratie van Cu(II) in 300 μM C-peptide uitgevoerd (figuur 1). Toevoeging van 150 μM Cu(II) veroorzaakte een onmiddellijke toename van de band bij 600 nm, toegeschreven aan de d-d-band van Cu(II), en bleef toenemen to...

Watch this Scientific Journal Video about Quantifying the Binding Interactions Between CuII and Peptide Residues in the Presence and Absence of Chromophores at JoVE.com

Quantifying the Binding Interactions Between CuII and Peptide Residues in the Presence and Absence of Chromophores

Dit artikel richt zich op het gebruik van elektronische absorptiespectroscopie en isothermische titratiecalorimetrie om de thermodynamica van Cu (II) binding aan peptiden en eiwitten te onderzoeken en te kwantificeren.

Kwantificeren van de bindingsinteracties tussen Cu (II) en peptideresiduen in de aan- en afwezigheid van chromoforen

Copper(II) is an essential metal in biological systems, conferring unique chemical properties to the biomolecules with which it interacts. It has been ...

Deze methode stelt de onderzoeker in staat om moeilijk te bestuderen systemen te onderzoeken, zoals peptiden en eerste rij overgangsmetaalionen, die beide over het algemeen een uitdaging vormen met behulp van meer standaardtoepassingen. Het grote voordeel hierbij is het gebruik van orthogonale technieken omdat ze elkaar goed aanvullen, en dat kan meer inzicht geven in het systeem en ons helpen om geen enkel fenomeen te missen. De methode die in deze video wordt beschreven, is zeer geschikt voor het bestuderen van andere systemen.Hoewel we het laten zien met Cu (II) en een peptide, kan het worden gebruikt voor veel verschillende metaalpeptide- en metaaleiwitinteracties. Ik denk dat het moeilijkste deel zal zijn om een goede bufferkeuze te vinden voor je metaalion en peptide. Ik zou literatuur raadplegen om te zien welke buffers eerder door anderen zijn gebruikt.het aantonen van de procedure zal Sohee Choi zijn, een afgestudeerde student in mijn onderzoekslaboratorium. Schakel om te beginnen de elektronische absorptiespectrofotometer in en laat deze ongeveer 15 tot 20 minuten opwarmen voor gebruik. Start vervolgens de spectrofotometersoftware en configureer de parameters, zoals het scanbereik van 200 tot 900 nanometer, het scanbereik van 200 nanometer per seconde en de gecorrigeerde basislijn voor dubbele bundels.Verzamel vervolgens een basislijn zonder cuvetten of monsters in de balkpaden. Gebruik twee bijpassende cuvetten in de dubbelstraalspectrofotometer en laad één cuvette met 115 microliter ultrapuur water en de andere cuvette met 115 microliter van het peptidemonster terwijl u ervoor zorgt dat er geen luchtbellen in de cuvetten zitten, omdat deze het signaal zullen verstoren. Plaats daarna de cuvette met ultrapuur water in de referentiestraal en de cuvette met peptide in de monsterbundel.Verzamel vervolgens het absorptiespectrum van het metaalvrije peptide. Voeg een substoichiometrische hoeveelheid van de Cu(II)-oplossing toe aan het cuvet met het peptidemonster en noteer het volume voor analyse later. Pipeer dat voorzichtig op en neer om de oplossing te mengen en vermijd het genereren van luchtbellen.Na vijf minuten balanceren plaatst u de cuvette terug in de monstercelhouder en registreert u het absorptiespectrum. Herhaal vervolgens de toevoeging van Cu(II)aliquots aan de peptideoplossing voor verschillende equivalenten en noteer het totale volume Cu(II)toegevoegd aan de cuvette. Na het initialiseren van de software zoals eerder beschreven in twee gematchte cuvetten laadt u één cuvette met 115 microliter ultrazuiver water en andere cuvette met 115 microliter van de koper-fen complexe oplossing.Plaats de cuvette met water in de referentiebalk en de cuvette met koper-fen complexe oplossing in de monsterbundel. Verzamel vervolgens het absorptiespectrum van het metaalligandcomplex. Voeg daarna een stoichiometrische hoeveelheid peptide toe aan de koper-fen complexe oplossing en pijp dat voorzichtig op en neer om grondig te mengen, terwijl je voorzichtig bent om geen luchtbellen te introduceren.Incubeer vervolgens de oplossing gedurende vijf minuten om een evenwicht te bereiken. Plaats de cuvette terug in de monstercelhouder en noteer het absorptiespectrum. Herhaal later de toevoeging van peptide-aliquots aan de koper-fen-complexoplossing voor verschillende equivalenten en noteer het volume toegevoegd peptide zodat de verdunde concentratie kan worden bepaald.Schakel eerst de ITC in en start de ITC-software om het instrument uit te voeren. Na de eerste initialisatie, herplaats de buret en volg de instructies op het scherm. Verwijder vervolgens de buret en het deksel uit de referentiecel.Verwijder vervolgens al het water uit de referentiecel en spoel drie keer met 450 microliter ontgast ultrazuiver water. Zuig langzaam ultrazuiver water op tot de 450 microliter markering van een laadspuit en zorg ervoor dat er geen luchtbellen in de spuit komen. Steek vervolgens de laadspuit in de referentiecel totdat deze zich ongeveer een millimeter van de bodem bevindt en injecteer langzaam een deel van de oplossing totdat er 150 microliter in de laadspuit achterblijft.Beweeg daarna de zuiger van de laadspuit snel op en neer met ongeveer 25 microliter meerdere keren om eventuele bellen op het celoppervlak los te maken. Injecteer vervolgens langzaam totdat de zuiger de markering van 100 microliter op de laadspuit bereikt, waardoor in totaal 350 microliter ultrazuiver water in de referentiecel wordt gedoseerd en de referentiecelafdekking wordt vervangen. Nadat u een restoplossing uit de monstercel hebt verwijderd, laadt u 450 microliter 10 millimol EDTA met behulp van een laadspuit en weekt u gedurende 10 minuten om ervoor te zorgen dat sporenmetaalionen worden verwijderd omdat de EDTA sporenmetalen bindt.Spoel na het verwijderen van de EDTA-oplossing de laadspuit grondig af met overvloedige hoeveelheden ultrazuiver water. Reinig de ITC in overeenstemming met de aanwijzingen van de fabrikant door de monstercel te spoelen met ultrazuiver water. Verwijder eventueel restwater uit de monstercel en conditioneer de monstercel door ten minste driemaal met 450 microliter buffer te spoelen.Verwijder vervolgens de resterende buffer die de monstercel conditionert en laad de peptideoplossing in de monstercel met behulp van de oplaadspuit. Spoel vervolgens de titratiespuit met 200 microliter van de gebufferde oplossing door eerst de zuiger te verwijderen. Pipetteer met behulp van een micropipet de bufferoplossing door het gat aan de bovenkant van de glazen titratiespuit door de spuit en uit de naald eronder.Steek de zuiger later volledig in de titratiespuit. Dompel vervolgens de punt van de naald van de titratiespuit in de metalen oplossing en trek de zuiger langzaam omhoog, waardoor de metalen oplossing de spuit vult en resulteert in een leeg volume aan de bovenkant van het glazen deel van de titratiespuit. Om het leegtevolume te verwijderen, draait u de titratiespuit parallel aan de vloer.Verwijder vervolgens de zuiger en kantel het glazen deel iets naar de vloer. Schud de titratiespuit voorzichtig zodat de oplossing naar het glazen deel van de titratiespuit gaat en het grootste deel van het lege volume opvult. Maar zorg ervoor dat er twee tot drie microliter leeg volume overblijft.Terwijl u de spuit parallel aan de vloer houdt, plaatst u de zuiger opnieuw. Houd vervolgens de titratiespuit rechtop en dompel de punt van de naald terug in de metalen oplossing. Duw vervolgens de zuiger naar beneden totdat er geen lucht meer uit de naald komt en laad de titratiespuit door de zuiger langzaam omhoog te trekken tot net boven de 50 microlitermarkering terwijl de punt van de naald in de oplossing blijft.Steek voorzichtig het glazen deel van de titratiespuit in de buret en schroef tot de vinger strak zit. Absorbeer daarna met behulp van een lichte delicate ruitenwisser de oplossing die uit de titratiespuit komt als gevolg van compressie van de zuiger zonder de punt van de naald aan te raken. Steek vervolgens de buret met een titratiespuit in de monstercel en bevestig deze stevig.Als u de parameters van de ITC-software wilt instellen, selecteert u Instrument Control. Stel de roersnelheid en de temperatuur in. Voer vervolgens onder Experimentdetails de spuit- en celconcentraties in millimolaire eenheden in.Selecteer vervolgens in de sectie Experimentmethode de optie Incrementele titratie. Klik op Instellen en geef 20 injecties van 2,5 microliter op en als er meer resolutie nodig is om de bindingsgebeurtenis waar te nemen, verhoog dan het aantal injecties en verlaag het volume per injectie. Voer daarna de tijdsafstand tussen elke injectie in, zodat deze lang genoeg is om het signaal in evenwicht te brengen en terug te keren naar de basislijn, meestal 300 seconden.Klik vervolgens op de knop Uitvoeren om het experiment te starten en op te geven waar de gegevens worden opgeslagen. Titratie van Cu(II)werd uitgevoerd in C-Peptide waaruit bleek dat de toevoeging van 150 micromolaire Cu(II)een onmiddellijke toename veroorzaakte bij de band op 600 nanometer toegeschreven aan de d-d band van Cu(II) en bleef toenemen totdat 300 millimol Cu(II)werd toegevoegd. Verdere toevoeging boven 300 micromolaire Cu(II) verhoogde de absorptie van het d-d-verbod niet, wat wijst op verzadiging en dat Cu(II)bindt aan C-Peptide in een 1:1-complex met een log K-waarde van meer dan zes.C-Peptide werd getitreerd in ongeveer 10 micromolaire koper-fen complex en de absorptie van de ladingsoverdrachtsband op 265 nanometer nam af, wat aangeeft dat het C-Peptide cu (II) uit het fenanthroline ligand kon cheleren met een log K-waarde van 7,4 tot 7,8. Het ITC thermogram toont de titratie van 1,4 millimol Cu(II)in 154 micromolair C-Peptide in 15 millimol MOPS buffer. De bindingsaffiniteit bleek een log K-waarde van acht te hebben met verandering in enthalpie als 8 kilojoule per mol.Gibbs vrije energie als min 46 kilojoule per mol, en verandering in entropie als 120 joule per mol per kelvin. Een gecontroleerde titratie van 1,4 millimol Cu(II)in 15 millimol MOPS-buffer bij afwezigheid van C-Peptide vertoont geen binding in het thermogram. Ik zou zeggen zorg ervoor dat alles schoon is.Als er metaalionen of peptiden overblijven van eerdere experimenten, kan dit de stoichiometrie drastisch beïnvloeden en onbekende concurrentie bieden in de bindingsexperimenten. Circulair dichroïsme is een andere methode om metaalpeptide- of metaaleiwitinteracties te bestuderen omdat het kijkt naar chiraliteit. Massaspectrometrie kan deze complexen ook ondervragen door te kijken naar veranderingen in massa.Deze reeks technieken is gebruikt door veel laboratoria die metaalionen bestuderen die interageren met peptiden of eiwitten.

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Quantifying the Binding Interactions Between Cu(II) and Peptide Residues in the Presence and Absence of Chromophores

Automated Acoustic Dispensing for the Serial Dilution of Peptide Agonists in Potency Determination Assays

Geautomatiseerde Acoustic Afgifte voor de seriële verdunning van Peptide agonisten in potentie Bepaling Testen

As with small molecule drug discovery, screening for peptide agonists requires the serial dilution of peptides to produce concentration-response curves. ...

Using Scaffold Liposomes to Reconstitute Lipid-proximal Protein-protein Interactions In Vitro

Using Scaffold Liposomes to Reconstitute Lipid-proximal Protein-protein Interactions In Vitro

Gebruik Steiger Liposomen lipide-proximale eiwit-eiwit interacties reconstitueren<em&gt; In Vitro</em

Studies of integral membrane proteins in vitro are frequently complicated by the presence of a hydrophobic transmembrane domain. Further complicating ...

Time-resolved ElectroSpray Ionization Hydrogen-deuterium Exchange Mass Spectrometry for Studying Protein Structure and Dynamics

Tijdsgeresolveerde elektrosprayionisatie waterstof-deuterium Exchange Massaspectrometrie voor het bestuderen van Protein Structure en Dynamics

Intrinsically disordered proteins (IDPs) have long been a challenge to structural biologists due to their lack of stable secondary structure elements. ...

Determination of High-affinity Antibody-antigen Binding Kinetics Using Four Biosensor Platforms

Bepaling van antilichaam met hoge affiniteit antigeen-bindend Kinetics met behulp van vier Biosensor Platforms

Label-free optical biosensors are powerful tools in drug discovery for the characterization of biomolecular interactions. In this study, we describe the ...

Personalized Peptide Arrays for Detection of HLA Alloantibodies in Organ Transplantation

Gepersonaliseerd Peptide Arrays voor detectie van HLA Alloantibodies in orgaantransplantatie

In organ transplantation, the function and longevity of the graft critically rely on the success of controlling immunological rejection reactivity against ...

Rab10 Phosphorylation Detection by LRRK2 Activity Using SDS-PAGE with a Phosphate-binding Tag

Rab10 fosforylering detectie door LRRK2 activiteit met behulp van SDS-pagina met een fosfaat-bindende-Tag

Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) have been shown to be linked with familial Parkinson&#39;s disease (FPD). Since abnormal activation of ...

Detection of Detergent-sensitive Interactions Between Membrane Proteins

Detectie van wasmiddel-gevoelige interacties tussen membraaneiwitten

Our ability to explore protein-protein interactions is the key to understanding regulatory connections in the cell. However, detection of protein-protein ...

A Direct Force Probe for Measuring Mechanical Integration Between the Nucleus and the Cytoskeleton

Een directe kracht sonde voor het meten van de mechanische integratie tussen de kern en het cytoskelet

The mechanical properties of the nucleus determine its response to mechanical forces generated in cells. Because the nucleus is molecularly continuous ...

Dissipative Microgravimetry to Study the Binding Dynamics of the Phospholipid Binding Protein Annexin A2 to Solid-supported Lipid Bilayers Using a Quartz Resonator

Dissipatief Microgravimetry te bestuderen van de dynamiek van de Binding van de fosfolipide bindend proteïne Annexine A2 aan lipide Solid-ondersteund Bilayers met behulp van een Resonator Quartz

The dissipative quartz crystal microbalance technique is a simple and label-free approach to measure simultaneously the mass uptake and viscoelastic ...

Cell Fractionation of U937 Cells in the Absence of High-speed Centrifugation

Cel fractionering van U937 cellen in het ontbreken van snelle centrifugeren

In this protocol we detail a method to obtain subcellular fractions of U937 cells without the use of ultracentrifugation or indiscriminate detergents. ...