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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.76.2001.tde-05012011-141847
Document
Author
Full name
Claudia Elisabeth Munte
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2001
Supervisor
Committee
Garratt, Richard Charles (President)
Almeida, Fabio Ceneviva Lacerda de
Colnago, Luiz Alberto
Oliva, Glaucius
Thiemann, Otavio Henrique
Title in Portuguese
Ressonância magnética nuclear na determinação de estrutura de proteínas: aplicação à mutante His15Ala de HPr de staphylococcus aureus.
Keywords in Portuguese
Estrutura de protéinas
HPr
RMN
Abstract in Portuguese
A técnica de espectroscopia por Ressonância Magnética Nuclear (NMR) de alta resolução foi utilizada para estudos estruturais em duas biomoléculas: a proteína HPr da bactéria Staphylococcus aureus, e o peptídeo C da insulina humana. Ambas estão relacionadas com a regulação da absorção de glicose pelas células, no primeiro caso em procariontes, e no segundo em organismos superiores. A proteína HPr ("Histidine-containing protein") de Staphylococcus aureus é uma das componentes centrais do sistema PTS (fosfoenolpiruvato:açúcar-fosfotransferase) de translocação grupal, responsável pelo transporte ativo de açúcar para o interior da célula bacterial. Nesse processo, a His15 do sítio ativo de HPr é fosforilada pela enzima EI, transferindo, a seguir, o grupo fosfato para a enzima EUA A mutação His15→Ala interrompe a transferência do grupo fosfato; apesar disso, a afinidade entre HPr(H15A) e as enzimas EI/EIlA se mostrou semelhante à da nativa. Utilizando técnicas de NMR bidimensionais (COSY, TOCSY, NOESY, HSQC) etridimensionais (HNCA, HNCO, NOESY-HSQC) foi determinada a estrutura da mutante His15→Ala de HPr de S. aureus. Sua estrutura consiste de um sanduíche-aberto, composto de 3 hélices-a paralelamente empacotadas contra uma folha formada por 4 fitas-β anti-paralelas. Esse padrão é encontrado em todas as proteínas HPr já determinadas em diversas espécies, divergindo, porém, significativamente da estrutura previamente publicada para a proteína nativa de S. aureus com relação à orientação relativa de alguns elementos de estrutura secundária. Através de uma análise detalhada dos espectros NOESY das proteínas HPr mutante e nativa puderam ser encontradas diferenças conformacionais na região em tomo do sítio-ativo. Uma comparação com as outras estruturas de HPr já publicadas revelou uma maior semelhança entre a proteína mutante de S. aureus e a proteína no complexo HPr/EI de E. coli, fornecendo evidências de que a estrutura encontrada para a mutante represente a conformação assumida pela proteína HPr no momento de sua interação com a enzima EI, assim explicando a sua afinidade inalterada. O peptídeo-C da proinsulina é importante para a biosíntese da insulina, tendo sido considerado, por muito tempo, biologicamente inerte. Estudos recentes em pacientes diabéticos retomaram a discussão quanto a sua possível atividade reguladora. Utilizando a técnica de espectroscopia de NMR bidimensional (COSY, TOCSY, NOESY), foram realizados estudos estruturais no peptídeo-C da proinsulina humana. Quando dissolvido em 50%/50% água e TFE, o peptídeo-C apresentou 3 regiões centrais (9-12, 15-18, 22-25) com tendência à formação de dobras, uma região N-terminal (2-5) com 2 conformações em voltas-β tipo I e I, e uma região Cterminal (26-31), de conformação extremamente bem definida, incluindo uma volta-β tipo III' (27-30). Em estudos descritos na literatura já foi demonstrada a atividade do pentapeptídeo C-terminal (EGSLQ), na forma de interações quirais com um receptor ainda desconhecido. Estudos anteriores por NMR prevêem a existência de uma estrutura na região C-terminal, a qual foi denominada de "CA-Knuckle". Nossa proposta é que a estrutura aqui obtida para o pentapeptídeo C-terminal seja justamente o "CA-Knuckle", representando o sítio-ativo do peptídeo-C da proinsulina humana.
Title in English
Structure determination of proteins by NMR: application to a His15Ala mutant of HPr from staphylococcus aureus.
Keywords in English
Hpr
NMR
Protein structure
Abstract in English
High resolution Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy has been used for structural studies on two biological macromolecules; the HPr protein from the bacterium Staphylococcus aureus, and the Cpeptide from human proinsulin. Both are related to the regulation of glucose absorption by celIs, the former case in prokaryotes and the latter in higher organisms. The HPr protein (Histidine Containing Protein) from S. aureus is one of the central components of the PTS (Phosphoenolpyruvate;sugar-phosphotransferase) system responsible for the active transport of sugars into the bacterial celI. During this process, His15 of the HPr active site is phosphorylated by enzyme I (EI), and then subsequently transfers this phosphate onto enzyme lIA (EIIA). The His15→Ala mutant of HPr, whilst unable to participate in phosphate transfer, nevertheless retains similar affinities for both EI and EIIA. Using two-dimensional (COSY, TOCSY, NOESY, HSQC) and three-dimensional (HNCA, HNCO, NOESY-HSQC) NMR techniques, the structure of the His15Ala mutant of the HPr protein from S. aureus was determined. Its structure consists of an open β-sandwich, composed of three α-helices packed against a four-stranded anti-parallel β-sheet. This pattern has been seen in all other HPr proteins from other species so far determined but is markedly different from the previously published native structure from S. aureus with respect to the relative orientations of some of the elements of secondary structure. A detailed comparison of the native and mutant structures revealed differences in the conformation of the active site loop. The latter assumes a conformation similar to that seen in the structure of the complex between E. coli HPr and EI. This may explain the normal affinities of the mutant protein for EI and EIIA despite the absence of the active site histidine. The C-peptide of proinsulin is important for the biosynthesis of insulin but has been considered for a long time to be biologically inert. Recent studies in diabetic patients have stimulated a new debate concerning its possible regulatory role. Structural studies of the C-peptide were performed using two dimensional NMR spectroscopy (COSY, TOCSY and NOESY). ln the presence of 50% TFE three central regions of the molecule (residues 9-12, 15-18 and 22-25) showed tendencies to form ~-bends. The N terminal region (residues 2 to 5) was present in the form of either a type I or I' β-turn, whilst the C terminal region (26-31) presented the most welI-defrnedstructure of the whole molecule which included a type III' β-turn. The C-terminal pentapeptide (EGSLQ) has been described in the literature as being responsible for chiral interactions with an as yet uncharacterized receptor. Previous NMR studies have predicted the existence of a well-defined structure at the C-terminus of the C-peptide, kwown as the CAknuckle. We propose that the structure described here for the C-terminal pentapeptide is the CA-knuckle and represents the active site of the C-peptide of human proinsulin.
 
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Publishing Date
2011-01-07
 
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