Molecular modeling of the complexation of proteins with strong anionic polyelectrolytes

Abstract

In dieser Arbeit untersuchen wir die elektrostatische Komplexierung zwischen Proteinen und anionischen, linearen bzw. dendritischen Polyelektrolyten mittels Molekulardynamik Simulationen in implizitem Lösungsmittel und mit expliziten Salzen. Die Proteine und Polyelektrolyte werden mit vergröberten Details simuliert. Jedes vergröberte Segment repräsentiert eine Aminosäure oder eine sich wiederholende chemische Untereinheit des Polyelektrolyten. Die Vergöberung ermöglicht Simulationen von großen Proteinen wie Humanalbumin oder dendritischen Polyelektrolyten, ohne dabei die essentiellen elektrostatischen Eigenschaften der Moleküle zu vernachlässigen. Wir validieren unsere Simulationen durch Kalorimetrieexperimente. Zur Interpretation der resultierenden Bindungs-freien Energien schlagen wir Theorien vor, die auf Gegenionen-Kondensation und Ladungs-Renormalisierung basieren. Die Arbeit zeigt die äußerst wichtige Bedeutung der kondensierten Gegenionen auf, die in allen untersuchten Systemen an der elektrostatischen Komplexierung teilhaben. Sowohl bei linearen als auch dendritischen Polyelektrolyten bewirken die kondensierten Gegenionen Ladungsrenormalisierung, die die elektrostatischen Wechselwirkungen in den Systemen abschwächt. Die Bindung wird durch die Freisetzung von Gegenionen bewirkt, was mit einem massiven Anstieg der Entropie einhergeht. Aufgrund der multivalenten Bindung können unsere Ergebnisse nicht mithilfe des konventionellen Langmuir-Adsorptionsisothermen interpretiert werden. Daher schlagen wir eine neuartige Interpretation der Langmuir-Adsorptionsisothermen vor, die einen sinnvollen Vergleich zwischen Simulationen und Experimenten ermöglicht.

In this thesis, we conducted a comprehensive study of the electrostatic complexation between proteins and anionic linear/dendritic polyelectrolytes, by means of molecular dynamics simulations with implicit solvent and explicit salt. The proteins and polyelectrolytes are both represented in a coarse-grained fashion. Each coarse-gained segment represents either an amino acid residue or the repeating chemical subunit of the polyelectrolyte. This modeling strategy allows for simulations of big proteins such as human serum albumin and dendritic polyelectrolytes of large generations, while the crucial molecular electrostatic properties are still well retained. Our simulations are validated further by calorimetry experiments. Finally, we propose theories based on counterion condensation and charge renormalization for interpreting the system binding free energies. Regarding all systems investigated here, the thesis demonstrates the crucial and ubiquitous role of condensed counterions which participates in the electrostatic complexation. For both linear and dendritic polyelectrolytes, we find a strong charge renormalization induced by the condensed counterions, which consequently suppresses electrostatic interactions to an appreciable extent. The resultant binding is governed by the release of those condensed counterions, resulting in a massive entropy gain. Due to the presence of the multivalent binding, we propose a new interpretation of the conventional Langmuir adsorption isotherm, which ensures a meaningful comparison between simulations and experiments.