Thermodynamic study of dendritic polyglycerol sulfate interacting with proteins

Abstract

Here we investigate the interaction between proteins and dendritic polyglycerol sulfate by calorimetry. The thermodynamic parameters of the complexation were measured to reveal the driving forces by varying temperature, ionic strength, and polymer size. Firstly, the binding enthalpy and entropy between human serum albumin and dPGS changed drastically with temperature without evident disturbance of the secondary structure. ITC experiments and MD simulations with implicit water agreed on the binding affinity, which demonstrated that the binding was totally governed by electrostatics, mainly, counterion-release. Thus the binding affinity was stable with temperature accompanied by strong enthalpy-entropy compensation. Secondly, lysozyme with positive net charge showed high binding affinity to dPGS at low salt concentration. The binding number increased with the polymer size, whereas the binding affinity showed only a weak dependence due to similar effective charge densities of different dPGS renormalized by counterion condensation. Here again the binding was driven by electrostatics, mainly by counterion-release and the number of released ions determined by the interface at the protein binding site increased very slightly with the polymer size. The number of released counterions was temperature-independent, thus the corresponding entropy gain increased slightly with temperature. The binding enthalpy was found largely different from the calorimetric enthalpy due to linked equilibria, i.e. buffer ionization and protein protonation, which contributed to the observed overall enthalpy and heat capacity change.

In dieser Arbeit wurde die Interaktion zwischen Proteinen und dendritischem poly glycerinsulfat mittels Kalorimetrie untersucht. Die thermodynamischen Eigenschaften der Bindungskomplexe wurden durch Variation der Temperatur, Ionenstärke und Polymergröße bestimmt, um die Triebkräfte zu identifizieren. Dabei ändern sich zunächst Bindungsenthalpie und -entropie von dPGS zu Humanalbumin sehr stark mit der Temperatur ohne sichtbare Störung der Sekundärstruktur. Die mittels ITC bestimmte freie Bindungsenergie stimmt hierbei mit der durch MD Simulation unter Einbezug von Wasser ermittelten öberein. Dies zeigt, dass die Bindung von elektrostatischen Effekten, hauptsächlich von der Freisetzung von Gegenionen, bestimmt wird. Folglich ist die freie Bindungsenergie gegen die Temperatur konstant, begleitet von starken Enthalpie-Entropie Kompensation. Des Weiteren zeigt Lysozym mit positiver Nettoladung eine hohe Bindungsaffinität zu dPGS bei niedrigen Salzkonzentrationen. Die Koordinationszahl steigt mit der Polymergröße, während die freie Bindungsenergie nur eine schwache Abhängigkeit zeigt. Grund hierfür ist die Kondensation der Gegenionen auf den dPGS-Molekülen, die zu eine vergleichbaren Oberflächenladungsdichte bei allen Generationen führt. Auch hier wurde die Bindung durch Elektrostatik dominiert, hauptsächlich durch Freisetzung von Gegenionen und weil die Anzahl freigesetzter Ionen, die durch die Grenzfläche an der Bindungsstelle des Proteins bestimmt wird, sich mit der Polymergröße leicht erhöht. Die Anzahl freigesetzter Gegenionen ist nicht temperaturabhängig, wodurch sich der zugehörige Entropiegewinn mit der Temperatur leicht erhöht. Wegen der gekoppelten Gleichgewichte, d.h. wegen der Ionisierung des Puffers und der Protonierung des Proteins, welche zur beobachteten Gesamtenthalpie und zur Änderung der Wärmekapazität beitragen, weicht die Bindungsenthalpie stark von der kalorimetrischen Enthalpie ab.