Title
Ispitivanje stabilnosti serin- I cistein-proteaza na niskim temperaturama
Creator
Rašković, Brankica G., 1988-
Copyright date
2016
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Committee report
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 21.09.2016.
Other responsibilities
mentor
Polović, Natalija, 1979-
član komisije
Gavrović-Jankulović, Marija, 1969-
član komisije
Vujčić, Zoran, 1960-
član komisije
Vajs, Vlatka, 1960-
član komisije
Ćelić, Anđelka
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Hemijski fakultet
Alternative title
Cold stability of serine and cysteine proteases
Publisher
[ B. Rašković]
Format
176 listova
description
Biohemija - Strukturna biohemija / Biochemistry - Structural biochemistry
Abstract (sr)
Denaturacija globularnih proteina na niskim temperaturama predstavlja
univerzalni fenomen. Narušavanje nativne strukture proteina usled izlaganja niskim
temperaturama dešava se primarno kao posledica kolapsa hidrofobnog efekta,
entropijskog faktora koji u najvećoj meri doprinosi stabilizaciji nativne strukture.
Sekundarno, denaturacija proteina na niskim temperaturama posledica je slabljenja
hidrofobnih interakcija u unutrašnjosti nativnog proteina. Ispitivanje stabilnosti proteina
na niskim temperaturama ima, pre svega, fundamentalni značaj koji se ogleda u
činjenici da bi detaljno razumevanje mehanizma denaturacije proteina na niskim
temperaturama moglo značajno da doprinese razjašnjavanju jednog od najvažnijih
problema savremene biohemije, problema uvijanja proteina.
Ispitivanje stabilnosti proteina na niskim temperaturama započeto je pre oko dve
decenije. Međutim, direktnu denaturaciju proteina, koja je posledica niske temperature
per se, teško je proučavati rutinski primenjivanim metodama, jer većina proteina ima
tačke denaturacije ispod temperature mržnjenja vode. Razvojem savremenih FT-IR
instrumenata, kao i primenom istih u određivanju promena sekundarnih struktura
proteina, došlo je do povećanog interesovanja za proučavanjem denaturacije proteina
izazvane niskim temperaturama.
Praktični značaj proučavanja ove problematike ogleda se u tome što
razumevanje mehanizama denaturacije može pomoći u pronalaženju optimalnih uslova
za skladištenje proteina pri kojima će se produžiti njihov vek trajanja. Poznavanje
stabilnosti enzima naročito je važno u slučaju enzima koji se koriste u biotehnologiji,
medicini ili nauci, kao što je slučaj sa sve četiri model proteaze koje su predmet
istraživanja u okviru ove doktorske disertacije.
Najvažniji cilj koji je postavljen u ovoj studiji jeste pronalaženje objašnjenja za
gubitak aktivnosti izazvan niskom temperaturom ispitivanih serin- i cistein-proteaza na
nivou detaljnih strukturnih promena proteina, odnosno, pokazati da su, zapravo,
denaturacija proteaza i strukturni rearanţmani koji prate denaturaciju odgovorni za
gubitak aktivnosti u mnogo većoj meri nego autoproteoliza. Dodatni cilj bilo je
optimizovanje uslova za skladištenje komercijalno vaţnih proteaza na niskim
temperaturama.
Praćenje stabilnosti proteina na niskim temperaturama nailazi na metodološka
ograničenja kada je reč o primeni uobičajeno korišćenih metoda za ispitivanje
stabilnosti proteina, kao što su spektroskopske metode i diferencijalna skenirajuća
kalorimetrija. Stoga je u ovoj studiji pribegnuto pristupu izlaganja proteaza uzastopnim
ciklusima zamrzavanja/odmrzavanja u cilju praćenja uticaja temperatura ispod nule na
strukturu proteaza. Rezultati praćenja promena primarne strukture model proteaza koji
su dobijeni kao deo ove disertacije, ukazuju da autoproteoliza ne može biti odgovorna
za visoke procente gubitka aktivnosti, (čak do 75% u slučaju papaina, preko 40% u
slučaju ficina i oko 60% u slučaju tripsina u kiselim uslovima) nakon šest ciklusa
zamrzavanja/odmrzavanja. Praćenje strukturnih perturbacija na nivou sekundarne i
tercijarne strukture pokazalo je da nakon šest do sedam uzastopnih ciklusa
zamrzavanja/odmrzavanja proteaze gube elemente nativne sekundarne strukture (α-
heliks i neuređene strukture) u korist β-pločica (intramolekulskih u slučaju tripsina u
kiselim uslovima). Naročito je izražen porast sadržaja intermolekulskih β-pločica (u
slučaju papaina i ficina) koje predstavljaju strukturne elemente neophodne za
agregiranje. Agregiranje je potvrđeno gel-filtracijom. Opisani trendovi promena
sekundarnih struktura detektovani su u literaturi i za druge proteine denaturisane niskim
temperaturama, odnosno niskom pH vrednošću, indicirajući da je inaktiviranje papaina,
ficina i tripsina (u kiselim uslovima) na niskoj temperaturi posledica denaturacije.
U slučaju tripsina za sekvenciranje, proteaze od najvećeg komercijalnog značaja
u ovoj studiji, predložen je alternativni način skladištenja na niskoj temperaturi u
rastvornom obliku kojim se izbegava denaturacija i ograničava autoproteoliza. Blago
alkalna pH vrednost (u blizini optimalne vrednosti za aktivnost tripsina) uz dodatak
krioprotektivnih agenasa (glicerola i lizina) za koje je poznato da stabilizuju proteine
(mehanizmom preferencijalne potisnutosti sa površine proteina favorizujući nativnu
konformaciju), dovela je do efikasnog očuvanja nativne strukture tripsina. Takođe,
inhibicijom autoproteolitičke aktivnosti u prisustvu lizina koji okupira vezujuće mesto
tripsina, ograničena je i autoproteoliza. Tripsin skladišten na niskoj temperaturi na pH
vrednosti od 8,0 uz dodatak glicerola ili lizina, pokazao je efikasnost identičnu
netretiranom nativnom tripsinu u metodi identifikovanja BSA peptidnim mapiranjem,
što sugeriše da skladištenje tripsina u blago alkalnim uslovima uz dodatak
krioprotektanata može da produži njegov vek trajanja.
Abstract (en)
Cold denaturation of globular proteins represents a universal phenomenon.
Disruption of native structure at low temperatures primarily happens as a consequence
of the collapse of the hydrophobic effect, an entropy parameter which represents a main
driving force for protein folding. Secondarily, protein denaturation at low temperatures
is a consequence of the weakening of hydrophobic interactions in the interior of a
protein's three dimensional structure. Investigation of the cold denaturation of proteins
has fundamental importance, because detailed understanding of the mechanism of cold
denaturation could contribute to a great extent toward elucidationg one of the most
challenging problems of contemporary structural biochemistry: the protein folding
problem. Investigation of the cold stability of proteins began two decades ago. Direct
cold denaturation, which is a consequence of low temperature per se, is difficult to
investigate using routine methods since the majority of proteins have cold denaturation
points well below 0 °C. However, the development of modern FT-IR instruments and
their application in secondary structure determination has lead to increased interest in
the investigation of the cold stability of proteins.
The practical importance of this topic reflects the fact that understanding
structural rearrangements induced by cold denaturation could help define optimal
conditions for protein storage in order to prolong their shelf lives. The cold stability of
proteins is especially important for enzymes used in biotechnology, medicine or
research: which is the case for all four model proteases investigated in this dissertation.
The overall goal of this study was to explain the dramatic loss of serine and
cysteine proteases activity induced by low temperature, by showing that cold
denaturation and subsequent massive structural rearrangements are responsible for this
loss, rather than autoproteolysis. In addition, optimal cold storage conditions were
defined for commercially important proteases.
In this work, repeated freeze-thaw cycles were used to analyse the influence of
sub-zero temperatures on protease structures, due to methodological limitations in
monitoring protein stability at sub-zero temperatures by commonly used techniques
such as spectroscopy and differential scanning calorimetry. Results from monitoring the
primary structure stability of model proteases obtained as a part of this dissertation
suggest that autoproteolysis cannot be the cause for the dramatic activity losses (as large
as 75% in the case of papain, above 40% in the case of ficin and around 60% in the case
of trypsin in acidic conditions) observed after six freeze-thaw cycles. Secondary/tertiary
structure perturbations after six-to-seven freeze-thaw cycles suggest that these model
proteases lose part of their native secondary structure elements (mainly α-helices and
random coils) in favor of a β-sheet conformation (intramolecular in the case of trypsin
in acidic conditions). An especially large increase was detected for intermolecular β-
sheets (in the case of papain and ficin) which represents a structural element necessary
for aggregation. Aggregation of cold denatured cysteine proteases was shown by sizeexclusion
chromatography. Similar trends in secondary structure changes were detected
in the literature for other proteins denatured by low temperature and/or low pH values,
indicating that inactivation of papain, ficin and trypsin (in acidic conditions) was a
consequence of cold denaturation.
Sequencing grade trypsin, being the most important commercial protease of this
study, was chosen for optimization of cold storage conditions. An alternative protocol
for cold storage of trypsin in solution is proposed which circumvents cold denaturation
and limits autoproteolysis. Slightly alkaline conditions (close to the optimum pH value
of trypsin, pH around 8) with the addition of cryoprotectants (glycerol or lysine which
are known to stabilise proteins in solution by preferential exclusion from the protein
surface favoring the native state) led to complete preservation of native structure. In the
case of lysine as a cryoprotectant, autoproteolysis was inhibited as well. After seven
cycles of cold storage at pH around 8 with the addition of cryoprotectants, trypsin was
as efficient as untreated trypsin in trypsin mass fingerprinting of BSA, suggesting that
proposed conditions could prolong its shelf life.
Authors Key words
proteaze, stabilnost na niskim temperaturama, denaturacija,
agregiranje, enzimska aktivnost, autoproteoliza, FT-IR spektroskopija, tripsin za
sekvenciranje
Authors Key words
protease, cold stability, denaturation, aggregation, enzyme activity,
autoproteolysis, FT-IR spectroscopy, sequencing grade trypsin
Classification
577.112(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
Denaturacija globularnih proteina na niskim temperaturama predstavlja
univerzalni fenomen. Narušavanje nativne strukture proteina usled izlaganja niskim
temperaturama dešava se primarno kao posledica kolapsa hidrofobnog efekta,
entropijskog faktora koji u najvećoj meri doprinosi stabilizaciji nativne strukture.
Sekundarno, denaturacija proteina na niskim temperaturama posledica je slabljenja
hidrofobnih interakcija u unutrašnjosti nativnog proteina. Ispitivanje stabilnosti proteina
na niskim temperaturama ima, pre svega, fundamentalni značaj koji se ogleda u
činjenici da bi detaljno razumevanje mehanizma denaturacije proteina na niskim
temperaturama moglo značajno da doprinese razjašnjavanju jednog od najvažnijih
problema savremene biohemije, problema uvijanja proteina.
Ispitivanje stabilnosti proteina na niskim temperaturama započeto je pre oko dve
decenije. Međutim, direktnu denaturaciju proteina, koja je posledica niske temperature
per se, teško je proučavati rutinski primenjivanim metodama, jer većina proteina ima
tačke denaturacije ispod temperature mržnjenja vode. Razvojem savremenih FT-IR
instrumenata, kao i primenom istih u određivanju promena sekundarnih struktura
proteina, došlo je do povećanog interesovanja za proučavanjem denaturacije proteina
izazvane niskim temperaturama.
Praktični značaj proučavanja ove problematike ogleda se u tome što
razumevanje mehanizama denaturacije može pomoći u pronalaženju optimalnih uslova
za skladištenje proteina pri kojima će se produžiti njihov vek trajanja. Poznavanje
stabilnosti enzima naročito je važno u slučaju enzima koji se koriste u biotehnologiji,
medicini ili nauci, kao što je slučaj sa sve četiri model proteaze koje su predmet
istraživanja u okviru ove doktorske disertacije.
Najvažniji cilj koji je postavljen u ovoj studiji jeste pronalaženje objašnjenja za
gubitak aktivnosti izazvan niskom temperaturom ispitivanih serin- i cistein-proteaza na
nivou detaljnih strukturnih promena proteina, odnosno, pokazati da su, zapravo,
denaturacija proteaza i strukturni rearanţmani koji prate denaturaciju odgovorni za
gubitak aktivnosti u mnogo većoj meri nego autoproteoliza. Dodatni cilj bilo je
optimizovanje uslova za skladištenje komercijalno vaţnih proteaza na niskim
temperaturama.
Praćenje stabilnosti proteina na niskim temperaturama nailazi na metodološka
ograničenja kada je reč o primeni uobičajeno korišćenih metoda za ispitivanje
stabilnosti proteina, kao što su spektroskopske metode i diferencijalna skenirajuća
kalorimetrija. Stoga je u ovoj studiji pribegnuto pristupu izlaganja proteaza uzastopnim
ciklusima zamrzavanja/odmrzavanja u cilju praćenja uticaja temperatura ispod nule na
strukturu proteaza. Rezultati praćenja promena primarne strukture model proteaza koji
su dobijeni kao deo ove disertacije, ukazuju da autoproteoliza ne može biti odgovorna
za visoke procente gubitka aktivnosti, (čak do 75% u slučaju papaina, preko 40% u
slučaju ficina i oko 60% u slučaju tripsina u kiselim uslovima) nakon šest ciklusa
zamrzavanja/odmrzavanja. Praćenje strukturnih perturbacija na nivou sekundarne i
tercijarne strukture pokazalo je da nakon šest do sedam uzastopnih ciklusa
zamrzavanja/odmrzavanja proteaze gube elemente nativne sekundarne strukture (α-
heliks i neuređene strukture) u korist β-pločica (intramolekulskih u slučaju tripsina u
kiselim uslovima). Naročito je izražen porast sadržaja intermolekulskih β-pločica (u
slučaju papaina i ficina) koje predstavljaju strukturne elemente neophodne za
agregiranje. Agregiranje je potvrđeno gel-filtracijom. Opisani trendovi promena
sekundarnih struktura detektovani su u literaturi i za druge proteine denaturisane niskim
temperaturama, odnosno niskom pH vrednošću, indicirajući da je inaktiviranje papaina,
ficina i tripsina (u kiselim uslovima) na niskoj temperaturi posledica denaturacije.
U slučaju tripsina za sekvenciranje, proteaze od najvećeg komercijalnog značaja
u ovoj studiji, predložen je alternativni način skladištenja na niskoj temperaturi u
rastvornom obliku kojim se izbegava denaturacija i ograničava autoproteoliza. Blago
alkalna pH vrednost (u blizini optimalne vrednosti za aktivnost tripsina) uz dodatak
krioprotektivnih agenasa (glicerola i lizina) za koje je poznato da stabilizuju proteine
(mehanizmom preferencijalne potisnutosti sa površine proteina favorizujući nativnu
konformaciju), dovela je do efikasnog očuvanja nativne strukture tripsina. Takođe,
inhibicijom autoproteolitičke aktivnosti u prisustvu lizina koji okupira vezujuće mesto
tripsina, ograničena je i autoproteoliza. Tripsin skladišten na niskoj temperaturi na pH
vrednosti od 8,0 uz dodatak glicerola ili lizina, pokazao je efikasnost identičnu
netretiranom nativnom tripsinu u metodi identifikovanja BSA peptidnim mapiranjem,
što sugeriše da skladištenje tripsina u blago alkalnim uslovima uz dodatak
krioprotektanata može da produži njegov vek trajanja.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.