Theoretical study of conformational changes in albumins by binding of bioactive food ligands

Humani serum albumin (HSA), usled velikog kapaciteta vezivanja različitih liganada, ima primenu u medicini i biotehnologiji. Protein mleka, -laktalbumin (ALA), takođe pokazuje visok afinitet vezivanja za bioaktivne ligande i privlači veliku pažnju kao model-protein za ispitivanje struktura sličnih konformaciji “stopljene globule”. Bioaktivne komponente hrane su neesencijalni molekuli, koji imaju blagotvorne efekte po zdravlje. Stoga su interakcije albumina sa bioaktivnim molekulima hrane poslednjih godina u fokusu istraživanja. U ovoj disertaciji teorijskim pristupom su izučavani efekti vezivanja bioaktivnih liganada iz hrane, fikocijanobilina (PCB) iz alge Spiruline i epigalokatehin-3-galata (EGCG), iz zelenog čaja, na konformaciju i stabilnost HSA i ALA. Molekulsko-dinamičkim (MD) simulacijama pokazano je da vezivanje PCB za bilo koje od dva vezujuća mesta na HSA, povećava njegovu stabilnost, čineći strukturu HSA manje fleksibilnom, kao i da vezivanje PCB za HSA utiče i na vezivanje drugih fiziološki relevantnih liganada/lekova. Molekulskim dokingom je pokazano da se EGCG vezuje za apo ALA na istom mestu kao i za holo formu. MD simulacijom je pokazano da uklanjanje Ca2+-jona smanjuje konformacionu stabilnost ALA. Međutim, vezivanje EGCG povećava stabilnost ALA vraćanjem njene konformacije u konformaciju sličnu kao kod holo forme i na taj način može odložiti prelaz nativnog apo ALA u konformaciju ‘’stopljene globule’’. Obe forme ALA mogu služiti kao nosači EGCG. Temeljnim teorijskim pristupom dobijeni su rezultati od značaja za biodostupnost i transport bioaktivnih liganada, kao i povećanu stabilnost albumina pri vezivanju ovih liganada. Objašnjeni su i mehanizmi bazirani na konformacionim promenama proteina, koji se samo eksperimentalnim pristupom teško mogu uočiti.Human serum albumin (HSA) is widely used in medical applications and biotechnology due to its extraordinary ligand binding properties. Small milk protein α-lactalbumin (ALA), used as a model-protein for the investigation of molten globule-like states, is known to bind bioactive ligands with high affinity. Bioactive food components are nonessential molecules with a variety of benefits for human health. Recently, there is a growing interest in investigating interactions of albumins and bioactive food molecules. The aim of this thesis was to investigate the effects of bioactive food ligands binding, phycocyanobilin (PCB), from algae Spirulina and green tea catechin, epigallocatechin-3- gallate, on stability and conformation of HSA and ALA, by theoretical methods. Molecular dynamics (MD) simulations revealed that binding of PCB at either subdomain IB or IIA, results in higher HSA stability, making its structure more rigid. Also, the binding of PCB may affect the binding of other physiologically relevant ligands/drugs of HSA. The docking simulation indicated the same binding site for EGCG to both ALA forms. MD results demonstrated that removal of Ca2+ resulted in higher flexibility of ALA. However, EGCG binding improves ALA stability by reverting its conformation similar to that of holoALA and delaying the transition of the native apoALA in molten-globule conformation. These results demonstrate that both ALA forms can be used as a vehicle for the delivery of EGCG. A thorough theoretical approach provides insight into the bioavailability and transport of bioactive ligands, as well as the influence of PCB and EGCG binding on the higher stability of albumins. The mechanisms based on the protein conformational changes that are difficult to observe only experimentally are explained