Molecular View of the Interaction between iota-Carrageenan and a Phospholipid Film and Its Role in Enzyme Immobilization

Proteins incorporated into phospholipid Langmuir-Blodgett (LB) films are a good model system for biomembranes and enzyme immobilization studies. The specific fluidity of biomembranes, an important requisite for enzymatic activity, is naturally controlled by varying phospholipid compositions. In a model system, instead, LB film fluidity may be varied by covering the top layer with different substances able to interact simultaneously with the phospholipid and the protein to be immobilized. In this study, we immobilized a carbohydrate rich Neurospora crassa alkaline phosphatase (NCAP) in monolayers of the sodium salt of dihexadecylphosphoric acid (DHP), a synthetic phospholipid that provides very condensed Langmuir films. The binding of NCAP to DHP Langmuir-Blodgett (LB) films was mediated by the anionic polysaccharide iota-carrageenan (iota-car). Combining results from surface isotherms and the quartz crystal microbalance technique, we concluded that the polysaccharide was essential to promote the interaction between DHP and NCAP and also to increase the fluidity of the film. An estimate of DHP:iota-car ratio within the film also revealed that the polysaccharide binds to DHP LB film in an extended conformation. Furthermore, the investigation of the polysaccharide conformation at molecular level, using sum-frequency vibrational spectroscopy (SFG), indicated a preferential conformation of the carrageenan molecules with the sulfate groups oriented toward the phospholipid monolayer, and both the hydroxyl and ether groups interacting preferentially with the protein. These results demonstrate how interfacial electric fields can reorient and induce conformational changes in macromolecules, which may significantly affect intermolecular interactions at interfaces. This detailed knowledge of the interaction mechanism between the enzyme and the LB film is relevant to design strategies for enzyme immobilization when orientation and fluidity properties of the film provided by the matrix are important to improve enzymatic activity.

Structure optimization combining soft-core interaction functions, the diffusion equation method, and molecular dynamics

Smoothing the potential energy surface for structure optimization is a general and commonly applied strategy. We propose a combination of soft-core potential energy functions and a variation of the diffusion equation method to smooth potential energy surfaces, which is applicable to complex systems such as protein structures; The performance of the method was demonstrated by comparison with simulated annealing using the refinement of the undecapeptide Cyclosporin A as a test case. Simulations were repeated many times using different initial conditions and structures since the methods are heuristic and results are only meaningful in a statistical sense.

Molecular characterization of the fibrinogen-erythrocyte interaction and its influence on cardiovascular pathologies by AFM-based force spectroscopy

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Protein interaction data curation: the International Molecular Exchange (IMEx) consortium.

The International Molecular Exchange (IMEx) consortium is an international collaboration between major public interaction data providers to share literature-curation efforts and make a nonredundant set of protein interactions available in a single search interface on a common website (http://www.imexconsortium.org/). Common curation rules have been developed, and a central registry is used to manage the selection of articles to enter into the dataset. We discuss the advantages of such a service to the user, our quality-control measures and our data-distribution practices.

Protein-protein interaction investigated by steered molecular dynamics: the TCR-pMHC complex.

We present a novel steered molecular dynamics scheme to induce the dissociation of large protein-protein complexes. We apply this scheme to study the interaction of a T cell receptor (TCR) with a major histocompatibility complex (MHC) presenting a peptide (p). Two TCR-pMHC complexes are considered, which only differ by the mutation of a single amino acid on the peptide; one is a strong agonist that produces T cell activation in vivo, while the other is an antagonist. We investigate the interaction mechanism from a large number of unbinding trajectories by analyzing van der Waals and electrostatic interactions and by computing energy changes in proteins and solvent. In addition, dissociation potentials of mean force are calculated with the Jarzynski identity, using an averaging method developed for our steering scheme. We analyze the convergence of the Jarzynski exponential average, which is hampered by the large amount of dissipative work involved and the complexity of the system. The resulting dissociation free energies largely underestimate experimental values, but the simulations are able to clearly differentiate between wild-type and mutated TCR-pMHC and give insights into the dissociation mechanism.

Molecular basis of interaction between Na,K-ATPase and FXYD proteins.

Résumé au large public Notre corps est constitué de différents types de cellules. La condition minimale ou primordiale pour la survie des cellules est d'avoir de l'énergie. Cette tâche est assumée en partie par une protéine qui se situe dans la membrane de chaque cellule. Nommé Na, K¬ATPase ou pompe à sodium, c'est une protéine pressente dans toutes les cellules chez les mammifères est composée de deux sous-unités, α et β. En transportant 3 ions de sodium hors de la cellule et 2 ions de potassium à l'intérieur de la cellule, elle transforme l'énergie chimique sous forme de l'ATP en énergie motrice, qui permet aux cellules par la suite d'échanger des matériaux entre l'espace intracellulaire et extracellulaire ainsi que d'ingérer des nutriments provenant de son environnement. Le manque de cette protéine chez la souris entraîne la mort de l'embryon. Des défauts fonctionnels de cette protéine sont responsables de plusieurs maladies humaines comme par exemple, un type de migraine. En dehors de sa fonction vitale, cette protéine est également engagée dans diverses activités physiologiques comme la contractilité musculaire, l'activité nerveuse et la régulation du volume sanguin. Vue l'importance de cette protéine, sa découverte par Jens C. Skou en 1957 a été honorée d'un Prix Noble de chimie quarante ans plus tard. Depuis lors, nous connaissons de mieux en mieux les mécanismes de fonctionnement de la Na, K-ATPase. Entre autre, sa régulation par une famille de protéines appelées protéines FXYD. Cette famille contient 7 membres (FXYD 1-7). L'un d'entre eux nommé FXYD 2 est lié à une maladie héréditaire connue sous le nom de hypomagnesemia. Nous disposons actuellement d'informations concernant les conséquences de la régulation par les protéines FXYD sur activité de la Na, K-ATPase, mais nous savons très peu sur le mode d'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans ce travail de thèse, nous avons réussi à localiser des zones d'interaction dans la sous- unité a de la Na, K-ATPase et dans FXYD 7. En même temps, nous avons déterminé un 3ème site de liaison spécifique au sodium de la Na, K-ATPase. Une partie de ce site se situe à l'intérieur d'un domaine protéique qui interagit avec les protéines FXYD. De plus, ce site a été démontré comme responsable d'un mécanisme de transport de la Na, K-ATPase caractérisé par un influx ionique. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse fournissent de nouvelles preuves sur les régions d'interaction entre la Na, K-ATPase et les protéines FXYD. La détermination d'un 3ème site spécifique au sodium et sa relation avec un influx ionique offrent la possibilité 1) d'explorer les mécanismes avec lesquels les protéines FXYD régulent l'activité de la Na, ATPase et 2) de localiser un site à sodium qui est essentielle pour mieux comprendre l'organisation et le fonctionnement de la Na, K-ATPase. Résumé Les gradients de concentration de Na+ et de K+ à travers la membrane plasmatique des cellules animales sont cruciaux pour la survie et l'homéostasie de cellules. De plus, des fonctions cellulaires spécifiques telles que la reabsorption de Na dans le rein et le côlon, la contraction musculaire et l'excitabilité nerveuse dépendent de ces gradients. La Na, K¬ATPase ou pompe à sodium est une protéine membranaire ubiquitaire. Elle crée et maintient ces gradients en utilisant l'énergie obtenu par l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate. L'unité fonctionnelle minimale de cette protéine se compose d'une sous-unité catalytique α et d'une sous-unité régulatrice β. Récemment, il a été montré que des membres de la famille FXYD, sont des régulateurs tissu-spécifiques de la Na, K-ATPase qui influencent ses propriétés de transport. Cependant, on connaît peu de chose au sujet de la nature moléculaire de l'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans cette étude, nous fournissons, pour la première fois, l'évidence directe que des résidus du domaine transmembranaire (TM) 9 de la sous-unité α de la Na, K-ATPase sont impliqués dans l'interaction fonctionnelle et structurale avec les protéines FXYD. De plus nous avons identifié des régions dans le domaine transmembranaire de FXYD 7 qui sont importantes pour l'association stable avec la Na, K-ATPase et une série de résidus responsables des régulations fonctionnelles. Nous avons aussi montré les contributions fonctionnelles du TM 9 de la Na, K-ATPase à la translocation de Na + en déterminant un 3ème site spécifique au Na+. Ce site se situe probablement dans un espace entre TM 9, TM 6 et TM 5 de la sous-unité α de la pompe à sodium. De plus, nous avons constaté que le 3ème site de Na + est fonctionnellement lié à un courant entrant de la pompe sensible à l'ouabaïne et activé par le pH acide. En conclusion, ce travail donne de nouvelles perspectives de l'interaction structurale et fonctionnelle entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. En outre, les contributions fonctionnelles de TM 9 offrent de nouvelles possibilités pour explorer le mécanisme par lequel les protéines FXYD régulent les propriétés fonctionnelles de la Na, K-ATPase. La détermination du 3ème site au Na + fournit une compréhension avancée du site spécifique au Na + de la Na, K-ATPase et du mécanisme de transport de la Na, K-ATPase. Summary The Na+ and K+ gradients across the plasma membrane of animal cells are crucial for cell survival and homeostasis. Moreover, specific tissue functions such as Na+ reabsorption in kidney and colon, muscle contraction and nerve excitability depend on the maintenance of these gradients. Na, K-ATPase or sodium pump, an ubiquitous membrane protein, creates and maintains these gradients by using the energy from the hydrolysis of ATP. The minimal functional unit of this protein is composed of a catalytic α subunit and a regulatory β subunit. Recently, members of the FXYD family, have been reported to be tissue-specific regulators of Na, K-ATPase by influencing its transport properties. However, little is known about the molecular nature of the interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. In this study, we provide, for the first time, direct evidence that residues from the transmembrane (TM) domain 9 of the α subunit of Na, K-ATPase are implicated in the functional and structural interaction with FXYD proteins. Moreover, we have identified regions in the TM domain of FXYD 7 important for the stable association with Na, K-ATPase and a stretch of residues responsible for the functional regulations. We have further revealed the functional contributions of TM 9 of the Na, K-ATPase α subunit to the Na+ translocation by determining a 3rd Na+-specific cation binding site. This site is likely in a space between TM 9, TM 6 and TM 5 of the a subunit of the sodium pump. Moreover, we have found that the 3rd Na+ binding site is functionally linked to an acidic pH- activated ouabain-sensitive inward pump current. In conclusion, this work gives new insights into the structural and functional interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. Functional contributions of TM 9 offer new possibilities to explore the mechanism by which FXYD proteins regulate functional properties of Na, K-ATPase. The determination of the 3rd Na+ binding site provides an advanced understanding concerning the Na+ -specific binding site of Na, K-ATPase and the 3rd Na+ site related transport mechanism.

Interaction of alpha-melanotropin with central dopamine systems: role of hormonal state and molecular structure

The tubero-infundibular and nigrostriatal DA neurone systems of rats respond to systemic (i.p.) injection of alpha-MSH (2-100 microgram/kg). The response of the tubero-infundibular (arcuate) DA neurones, an increase in cellular fluorescence intensity which can be interpreted as a sign of increased neuronal activity, is essentially the same in males, estrogen-progesterone-pretreated ovariectomized females and hypophysectomized males, whereas the type of response elicited by alpha-MSH in the nigral DA neurones depends upon the hormonal state of the animal. Differences between the two DA neurone groups exist also with regard to the effects of peptide fragments containing the two active sites of the alpha-MSH molecule. Results of lesion experiments in the lower brainstem (area postrema) and of blockade of muscarinic mechanisms by atropine further point to differences in the mechanisms underlying the peptide effects on the two neurone systems. The reaction of the tubero-infundibular DA system (which controls the pars intermedia of the pituitary) can be considered to reflect the activation of a feedback mechanism on MSH secretion, while the functional counterpart of the changes observed in the nigral system remains unknown at the present time.

Exploring Rac GTPase regulation : the molecular mechanisms governing the DOCK180 and ELMO interaction and the role of this complex in Rac-mediated cell migration

Les protéines DOCK180 et ELMO coopèrent ensemble biochimiquement et génétiquement afin d’activer la GTPase Rac1 lors de plusieurs évènements biologiques. Toutefois, le rôle que jouent ces protéines dans la signalisation par Rac est encore mal compris. Nous émettons l’hypothèse que Dock180 agit comme activateur de Rac, alors que ELMO est requis pour l’intégration de la signalisation de Rac plutôt que son activation per se. Nous postulons que ELMO agit comme signal de localisation intracellulaire afin de restreindre de façon spatio-temporelle la signalisation de Rac en aval de Dock180, et/ou que ELMO agit comme protéine d’échafaudage entre Rac et ses effecteurs pour amplifier la migration cellulaire. Dans l’objectif nº 1, nous démontrons que le domaine PH atypique de ELMO1 est le site d’interaction principal entre cette protéine et DOCK180. De plus, nous démontrons que la liaison entre ELMO et DOCK180 n’est pas nécessaire pour l’activation de Rac, mais est plutôt essentielle pour faciliter la réorganisation du cytosquelette induite par l’activation de Rac en aval de Dock180. Ces résultats impliquent que ELMO pourrait jouer des rôles additionnels dans la signalisation par Rac. Dans l’objectif nº 2, nous avons découvert l’existence d’une homologie structurelle entre ELMO et un module d’autorégulation de la formine Dia1, et avons identifié trois nouveaux domaines dans la protéine ELMO : les domaines RBD, EID et EAD. De façon analogue à Dia1, nous avons découvert que ELMO à l’état basal est autoinhibé grâce à des intéractions intramoléculaires. Nous proposons que l’état d’activation des protéines ELMO est régulé de façon similaire aux formines de la famille Dia, c’est-à-dire grâce à des interactions avec d’autres protéines. Dans l’objectif nº 3, nous identifions un domaine RBD polyvalent chez ELMO. Ce domaine possède une double spécificité pour les GTPases de la famille Rho et Arf. Nous avons découvert que Arl4A agit comme signal de recrutement membranaire pour le module ELMO/DOCK180/Rac. Nos résultats nous permettent de supposer que d’autres GTPases pourraient être impliquées dans l’activation et la localisation de cette voie de signalisation. Nous concluons qu’à l’état basal, ELMO et DOCK180 forment un complexe dans lequel ELMO est dans sa conformation autoinhibée. Bien que le mécanisme d’activation de ELMO ne soit pas encore bien compris, nous avons découvert que, lorsqu’il y a stimulation cellulaire, certaines GTPases liées au GTP peuvent intéragir avec le domaine RBD de ELMO pour relâcher les contacts intramoléculaires et/ou localiser le complexe à la membrane. Ainsi, les GTPases peuvent servir d’ancrage au complexe ELMO/DOCK180 pour assurer une regulation spatiotemporelle adequate de l’activation et de la signalisation de Rac.

4,4 '-Dipyridyl-N,N '-dioxide complexes of metal-thiocyanate/selenocyanate: pi-stacked molecular rods as three-dimensional support for two-dimensional polymeric sheets and intra/interchain S center dot center dot center dot S interaction dependent architecture of the R-2(2)(8) synthon driven assembly of one-dimensional polymeric chains

Three supramolecular complexes of Co(II) using SCN-/SeCN- in combination with 4,4'-dipyridyl-N,N'-dioxide (dpyo), i.e., {[Co(SCN)(2)(dpyo)(2)].(dpyo)}(n) ( 1), {[Co(SCN)(2)(dpyo)(H2O)(2)].(H2O)}(n) ( 2), {[Co(SeCN)(2)(dpyo)(H2O)(2)]center dot(H2O)}(n) ( 3), have been synthesized and characterized by single-crystal X-ray analysis. Complex 1 is a rare example of a dpyo bridged two-dimensional (2D) coordination polymer, and pi-stacked dpyo supramolecular rods are generated by the lattice dpyo, passing through the rhombic grid of stacked layers, resulting in a three-dimensional (3D) superstructure. Complexes 2 and 3 are isomorphous one-dimensional (1D) coordination polymers [-Co-dpyo-Co-] that undergo self-assembly leading to a bilayer architecture derived through an R-2(2)(8) H-bonding synthon between coordinated water and dpyo oxygen. A reinvestigation of coordination polymers [Mn(SCN)(2)(dpyo)( H2O)(MeOH)](n) ( 4) and {[Fe(SCN)(2)(dpyo)(H2O)(2)]center dot(H2O)}(n) ( 5) reported recently by our group [ Manna et al. Indian J. Chem. 2006, 45A, 1813] reveals brick wall topology rather than bilayer architecture is due to the decisive role of S center dot center dot center dot S/Se center dot center dot center dot Se interactions in determining the helical nature in 4 and 5 as compared to zigzag polymeric chains in 2 and 3, although the same R-2(2)(8) synthon is responsible for supramolecular assembly in these complexes.

Interaction of pathogenic fungi with host cells: Molecular and cellular approaches

This review provides an overview of several molecular and cellular approaches that are likely to supply insights into the host-fungus interaction. Fungi present intra- and/or extracellular host-parasite interfaces, the parasitism phenomenon being dependent on complementary surface molecules. The entry of the pathogen into the host cell is initiated by the fungus adhering to the cell surface, which generates an uptake signal that may induce its cytoplasmatic internalization. Furthermore, microbial pathogens use a variety of their surface molecules to bind to host extracellular matrix (ECM) components to establish an effective infection. on the other hand, integrins mediate the tight adhesion of cells to the ECM at sites referred to as focal adhesions and also play a role in cell signaling. The phosphorylation process is an important mechanism of cell signaling and regulation; it has been implicated recently in defense strategies against a variety of pathogens that alter host-signaling pathways in order to facilitate their invasion and survival within host cells. The study of signal transduction pathways in virulent fungi is especially important in view of their putative role in the regulation of pathogenicity. This review discusses fungal adherence, changes in cytoskeletal organization and signal transduction in relation to host-fungus interaction. (c) 2005 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Interaction between rheumatoid arthritis and pregnancy: correlation of molecular data with clinical disease activity measures

OBJECTIVE: The factors that induce remission of RA during pregnancy and the relapse occurring after delivery remain an enigma. In a previous study, we investigated gene-expression profiles of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) in patients with RA and healthy women in late pregnancy and postpartum. Profiles of samples from both groups were similar in late pregnancy with elevated monocyte and decreased lymphocyte signatures. Postpartum, in RA PBMC the high level of monocyte transcripts persisted. Further increase was observed in adhesion, migration and signalling processes related to monocytes but also in lymphocytes despite similar clinical activity due to intensified drug treatment. This prompted us to investigate correlations between clinical parameters of disease activity and gene profiles. METHODS: Transcriptome data were correlated with RADAI, CRP, monocyte and lymphocyte counts. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway annotations, monocytes and lymphocytes signatures were used as reference information. RESULTS: Comparative analysis of PBMC expression profiles from RA patients during and after pregnancy with RADAI and CRP revealed a correlation of these disease activity parameters predominantly with monocyte transcripts. Genes related to cellular programs of adhesion, migration and response to infections were upregulated. Comparing clinically active and not-active RA patients postpartum revealed a cluster of 19 genes that could also identify active disease during pregnancy. CONCLUSION: The data suggest that an increase of the RADAI and an elevation of CRP is a consequence of molecular activation of monocytes. Furthermore, they indicate that molecular activation of T lymphocytes may remain clinically unrecognized postpartum. It is conceivable that a set of 19 genes may qualify as molecular disease activity marker.