Styrkan hos vätebindningar mellan proteiner kvantifierad

En grundläggande kemisk bindning inom biologin är vätebindningen. Det är den som gör att vatten existerar i flytande form mellan 0 och 100 grader och därmed gör liv möjligt. Även inom och mellan livets byggstenar, proteiner, DNA, RNA, lipider, och mellan dessa molekyler och vatten, finns vätebindningar. Den exakta kopieringen av en DNA-sträng från en generation till nästa baseras på vätebindningar. Vätebindningen är alltså en av grundpelarna som livet vilar på.

Proteiner består av en lång sträng av sammanlänkade aminosyror som oftast veckar sig till en väldefinierad struktur. Aminosyrornas sidokedjor sticker ut från proteinets "ryggrad" och ger proteinet dess speciella funktion. Nya vätebindningar bildas dels när proteinet veckar sig och dels när det interagerar med andra molekyler. Vätebindningar anses speciellt viktiga när proteiner ska skilja en viss molekyl från en annan som är snarlik (det gäller till exempel de fyra baserna i DNA).

Men det är ofta väldigt svårt att mäta hur mycket en viss vätebindning bidrar till en interaktion när proteinets ryggrad är inblandad. I ett samarbete mellan Uppsala och Köpenhamns universitet har forskare gjort just detta och mätt bidraget av vätebindningar i protein-proteininteraktioner som inbegriper vätebindningar till proteinets ryggrad.

- Forskare har sedan mitten på 80-talet modifierat proteiners sidokedjor för att i detalj undersöka hur proteiner fungerar. Problemet med att undersöka vätebindningar är att de ofta involverar proteinets ryggrad och denna är mycket svårare att modifiera än proteinets sidokedjor, säger Kristian Strømgaard, professor i kemisk biologi vid Köpenhamns Universitet.

- Vi har använt en kombination av molekylärbiologi och organisk syntes för att tillverka proteiner med modifierad ryggrad. Denna teknik har dramatiskt förbättrat våra möjligheter att studera proteiner, det är verkligen spännande säger han.

I projektet, använder forskarna de modifierade proteinerna i experiment där bidrag från enskilda vätebindningar kan kvantifieras genom biofysikaliska experiment.

- Liknande metoder har i några få fall tidigare använts för att studera veckning av proteiner, där många vätebindningar bildas, men väldigt lite har gjorts på protein-proteininteraktioner, säger Per Jemth, docent i biokemi, som leder den biofysikaliska delen av projektet från Uppsala.

Studierna visar dels vad forskare förutsatt hela tiden, de flesta av vätebindningarna behövs för att proteinet ska kunna binda sin partner. Men det finns tydliga skillnader i betydelsen av de olika vätebindningarna.

- De proteiner vi undersöker finns i några hundra liknande varianter i våra celler. Forskare har under lång tid försökt att förklara hur de kan skilja mellan sina olika cellulära bindningspartners när de är så lika. Vi ser att vätebindningar till ryggraden kan bidra till denna "specificitet", alltså förmåga att särskilja molekyler med snarlikt utseende, fortsätter Per Jemth.

- Dessa resultat är ren grundforskning, men i det långa loppet är vi intresserade av att designa inhibitorer för protein-proteininteraktioner och vi kommer att använda kunskapen från detta projekt i utvecklingen av nya så kallade peptidomimetika, molekyler som liknar proteiner men inte bryts ner lika snabbt i kroppen och därför kan användas som läkemedel. De proteiner vi tittar på är möjliga läkemedelsmål får behandling av till exempel stroke, avslutar Kristian Strømgaard.

Eildal, J. N. N.,  Hultqvist, G., Balle, T., Stuhr-Hansen, N., Padrah, S., Gianni, S., Strømgaard, K., and Jemth, P. (2013) Probing the role of backbone interactions in protein-ligand interactions by amide-to-ester mutations. J. Am. Chem. Soc. 135, 12998-13007.

Pedersen, S. W., Pedersen, S. B., Anker, L., Hultqvist, G., Stuhr-Hansen, N., Kristensen, A.S., Jemth, P., Strømgaard, K. (2014) Backbone hydrogen bonding in protein-protein interactions: Analysis of ligand/PDZ interaction by protein amide-to-ester mutations. Nat. Comm. In press.