ヘパリンとリゾチームの相互作用の熱力学的解析

Thermodynamic Analysis of the Interaction of Heparin with Lysozyme.

• Jacek Janusz Walkowiak
• Matthias Ballauff
• Ralf Zimmermann
• Uwe Freudenberg
• Carsten Werner

抄録

グリコサミノグリカン（GAG）タンパク質の結合は、生体内の重要なシグナル伝達イベントを支配している。本研究では、グリコサミノグリカンとリゾチームの相互作用の熱力学的研究を行い、その過程を定量的に解析することを目的としています。ヘパリンは電荷パラメータが2.9（37℃）の高電荷を持つ線状高分子電解質である。結合定数Kは、温度とイオン強度の関数としてITCによって決定され、添加された塩の濃度cによって調整された。塩濃度csへの依存性は、放出された対イオンの正味の数を決定するために使用されました。さらに、基準塩濃度1MのK(1M)における結合定数を外挿により決定した。Kの温度依存性は、結合自由エネルギーΔGを比熱ΔcとともにそれぞれのエンタルピーΔHとエントロピーΔSに分解するために使用された。強いエンタルピー-エントロピーキャンセルが他の多くの系の結果と同様に見出されました。結合自由エネルギー∆Gはさらに、対イオン放出による部分∆Gと残留部分∆Gに分割することができます。全体の分析は、ヘパリン-リゾチーム相互作用が主にカウンターイオン放出によって引き起こされることを示しています、つまり、約3個のカウンターイオンがリゾチーム分子1個と結合する際に放出されていることを示しています。グリコサミノグリカンとタンパク質間の相互作用を定量化する我々の報告されたアプローチは、一般的に適用可能であり、生体分子のシグナルの物理的な変調に新たな洞察を提供するのに適しています。

Glycosaminoglycan (GAG)-protein binding governs critically important signaling events in living matter. Aiming at a quantitative analysis of the involved processes, we herein present a thermodynamic study of the interaction of the model GAG heparin and lysozyme in aqueous solution. Heparin is a highly charged linear polyelectrolyte with a charge parameter of 2.9 (37°C). The binding constant K was determined by ITC as the function of temperature and ionic strength adjusted through the concentration c of added salt. The dependence on salt concentration cs was used to determine the net number of released counterions. Moreover, the binding constant at a reference salt concentration of 1M K(1M) was determined by extrapolation. The dependence on temperature of K was used to dissect the binding free energy ΔG into the respective enthalpies ΔH and entropies ΔS together with the specific heat Δc. A strong enthalpy-entropy cancellation was found similar to the results for many other systems. The binding free energy ∆G could furthermore be split up into a part ∆G due to counterion release and a residual part ∆G. The latter quantity reflects specific contributions as e.g. salt bridges, van der Waals interactions or hydrogen bonds. The entire analysis shows that heparin-lysozyme interactions are mainly caused by counterion release, that is, ca. three counterions are being released upon binding one lysozyme molecule. Our reported approach of quantifying interactions between glycosaminoglycans and proteins is generally applicable and suitable to provide new insights in the physical modulation of biomolecular signals.