Electrostatic-Determined Conformations – Exploring Binding Specificity of Selectins and Proton Gating in Cytochrome c Oxidase

Abstract

Electrostatic interactions play a major role in determining protein conformations. They can drive large conformational changes or protein complex formation as well as side chain rotations of amino acids and also the protonation or deprotonation of titratable groups, characterized as pKA values. In this work, electrostatic and pKA calculations are used to address biologically relevant questions in two different fields of research namely immunology and energy metabolism. The immunological study concerns the molecular basis for complex formation between selectins and their counter receptors (C-Rs). The first step when leukocytes are leaving the blood stream – a process called extravasation – is mediated via selectins. There exist three types of selectins, P-, L-, and E-selectin, which all have different binding affinities to their C R PSGL-1. PSGL-1 is composed of a peptidic part and a carbohydrate part, which includes the four-subunit motif Sialyl-Lewis-X (SLeX). In this study, the contribution of electrostatic interaction to binding affinity of the molecular components of the selectin-PSGL-1 complex was analysed systematically by calculating the electrostatic binding energy. The most important residues for binding were identified. The available crystal structures of P- and E selectin soaked with SLeX were shown to exhibit a geometry not appropriate for binding, in contrast to the co-crystallized structure of P-selectin with PSGL-1. E-selectin was found not to bind to the peptidic part of PSGL-1 in agreement with experimental findings. The most important calculations were verified in collaboration with experimentalists using the surface plasmon resonance technique. The study on energy metabolism addresses the proton gating mechanism of cytochrome c oxidase (CcO). CcO is the terminal enzyme of the respiratory chain catalysing the reaction of molecular oxygen to water and pumping protons across the membrane. A-type CcO has two different input channels for protons, the K-channel conducting two chemical protons being consumed in the reaction and the D-channel conducting the remaining two chemical protons and all four pumped protons. In contrast, B-type CcO has only one proton input channel, the K-channel analogue, for all chemical and pumped protons. In this study, the molecular components mediating the proton gating mechanism were identified and characterized for all three types of channels. In the D-channel of A-type CcO, the gating function of glutamate 286 (Glu286) was analysed. Glu286 supports unidirectional proton transport with its high pKA value, rapid down-flipping of the deprotonated Glu286 and stabilizing an important water chain above Glu286 only in the protonated case. However, Glu286 does not exclusively circumvent back- transport of protons as it may adapt conformations, where it bridges water molecules upstream and downstream of Glu286. In the K-channel of A-type CcO, its central residue lysine (Lys362) was identified as a gate for opening the K-channel. In one half of the CcO reaction cycle, Lys362 remains deprotonated pointing away from the reaction center, while in the other half Lys362 may protonate and conduct protons. From these results, a model was proposed explaining how CcO switches between channels to transport the chemical protons. The mechanism of proton-hole transport inside the K-channel analogue of B-type CcO was also analysed. Specific residues were found to fulfil a distinct function; glutamate 15B at the channel entrance serves as a proton reservoir, tyrosine 244 in the middle of the channel has a gating function supporting unidirectional proton transport and tyrosine 237 at the end of the channel is the branching point, where the routes of chemical and pumped protons diverge. Electrostatic energy calculations could demonstrate that the K-channel analogue exhibits only small energy barriers for proton-hole transfer supporting rapid transport.

Elektrostatische Interaktionen bestimmen zu einem Großteil die Geometrie von Protein Konformationen. Sie können sowohl große Protein- Konformationsänderungen und Komplexbildung hervorrufen als auch das Drehen von Aminosäureseitenketten initiieren oder eine Protonierung/Deprotonierung verursachen, ausgedrückt als pKA Wert. In dieser Arbeit werden elektrostatische und pKA Rechnungen verwendet um zwei wissenschaftliche Fragestellungen zu bearbeiten aus den Bereichen Immunologie und Energiestoffwechsel. Die immunologische Fragestellung betrifft die Binding von Selektinen und ihren Gegenrezeptoren. Der erste Schritt in der Extravasations- Kaskade, bei der Leukozyten die Blutbahn verlassen und ins Gewebe wandern, wird durch Selektine bewerkstelligt. Es gibt drei Klassen von Selektinen, die P-, L- und E-Selektine, die alle mit unterschiedlicher Affinität an ihren Gegenrezeptor PSGL-1 binden. PSGL-1 besteht aus einem peptidischen Anteil mit sulfatierten Tyrosinen und aus einem Kohlenhydrat-Anteil, der das Sialyl- Lewis-X (SLeX) Motif enthält. In der vorliegenden Arbeit wurden die einzelnen molekularen Komponenten der Selektin-PSGL-1-Binding systematisch analysiert mithilfe elektrostatischer Berechnung der Bindungsenergie. Die wichtigsten molekularen Gruppen für die Bindung konnten identifiziert werden. Es zeigte sich, dass die Kristallstrukturen von E-Selektin und P-Selektin, die nachträglich mit SLeX getränkt wurden, eine für die SLeX-Bindung ungeeignete Konformation aufweisen, im Gegensatz zur kokristallisierten Struktur von P-Selektin mit PSGL 1. Außerdem konnte gezeigt werden, dass E-Selektin nicht an den peptidischen Teil von PSGL-1 bindet. Die wichtigsten Ergebnisse der Elektrostatik-Rechnungen wurden in Kollaboration mit Experimentatoren mithilfe der Surface Plasmon Resonance Technik überprüft. Die wissenschaftliche Fragestellung zum Energiestoffwechsel befasst sich mit dem Schleusenmechanismus der Protonenleitung in der Cytochrom c Oxidase (CcO). Die CcO ist das terminale Enzym der Atmungskette, welches molekularen Sauerstoff zu Wasser umwandelt und dabei Protonen über die Membran pumpt. Die CcO des Typs A hat zwei Eingangskanäle für Protonen: den K-Kanal, durch den zwei der chemischen, in der Reaktion verbrauchten Protonen geleitet werden, und den D-Kanal, der die verbleibenden zwei chemischen Protonen und alle vier gepumpten Protonen transportiert. Die CcO des Typs B hat im Gegensatz dazu nur einen Protonen-Eingangskanal, den K-Analog-Kanal, der alle chemischen und gepumpten Protonen leitet. Im D-Kanal der A-Typ CcO wurde die Schleusenfunktion des Glutamats 286 (Glu286) analysiert. Glu286 trägt dazu bei, dass der Protonentransport unidirektional erfolgt, mit seinem hohen pKA Wert, einem schnellen Umflippen des deprotonierten Glu286 und der Stabilisierung einer wichtigen Wasserkette durch das protonierte Glu286. Jedoch kann Glu286 allein keine vollständige Schleusenfunktion übernehmen, da es sich auch teilweise in Konformationen befinden kann, in denen es die Wassermoleküle davor und dahinter miteinander verbindet und einen Protonen- Rücktransport nicht verhindern kann. Für den K-Kanal der A-Typ CcO wurde das zentrale Lysin 362 (Lys362) als Schaltelement identifiziert, welches das Öffnen und Schließen des K-Kanals reguliert. In der einen Hälfte des Reaktionszyklus von CcO bleibt Lys362 durchgängig deprotoniert und zeigt in Richtung des Kanal-Eingangs. In der anderen Hälfte des Reaktionszyklus dagegen kann Lys362 protonieren und damit Protonen leiten. Aus diesen Ergebnissen wurde ein Model entwickelt, das erklären kann, wie CcO im Laufe des Reaktionszyklus zwischen den beiden Protonen-Kanälen wechselt. Für den K -Analog-Kanal der CcO Typ B wurde der Protonen-Loch-Transport analysiert. Einige Aminosäuren des Kanals haben eine spezialisierte Funktion: Glutamat 15B am Kanaleingang wirkt als Protonen-Reservoir, Tyrosin 244 in der Kanalmitte sorgt als Schleuse für einen unidirektionalen Protonentransport und Tyrosin 237 am Kanalende ist die Verzweigung, an der sich die Wege der chemischen und der gepumpten Protonen trennen. Mit elektrostatischen Rechnungen konnte zudem gezeigt werden, dass der K-Analog-Kanal keine hohen Energiebarrieren aufweist und somit eine schnelle Protonenlochleitung fördert.