Investigation of second coordination sphere interactions between biotinylated coordination complexes and (strept)avidin: CD spectroscopy as a powerful tool for stability constant determinations

Une grande variété des processus physiologiques dans la nature est le reflet des interactions de ligands avec des macromolécules, particulièrement avec des protéines. Parmi de telles interactions, les plus connues sont celles entre les enzymes et leurs substrats et avec d'autres molécules qui influencent l'activité (par ex. coenzymes). Ce travail met l'accent sur les interactions entre des protéines et des petites molécules. Les macromolécules (par ex. les protéines) peuvent interagir avec une série hétérogène d'espèces environnantes. Leurs affinités s'étendent des interactions faibles avec divers solutés jusqu'à des liaisons extrêmement fortes avec des ligands spécifiques. Une des plus fortes affinités connues entre un ligand et une protéine est l'interaction entre la biotine et la (strept)avidine (dès maintenant biotineÌ(strept)avidine où (strept)avidine se réfère à l'avidine ou à la streptavidine). Cette interaction non-covalente est la plus forte connue dans la nature. Basé sur la technologie de biotine-(strept)avidine, différents systèmes biotineÌ(strept)avidine modifiés ont été développés dans notre groupe de recherche, soit pour la catalyse énantiosélective d'hydrogénation (métalloenzymes artificielles), soit pour des analogues de photosystèmes II (complexes de coordination prototypiques). Le présent travail éclaircit d'une part les aspects thermodynamiques, qui jettent la base pour le travail avec des métalloenzymes artificielles. D'autre part, des études sur la thermodynamique et sur la cinétique des complexes de coordination prototypiques ont été effectuées, incluant les propriétés de discrimination chirale (de la (strept)avidine vers un échantillon biotinylé énantiopur) et la cooperativité résultante. Dans les deux cas, la spectroscopie UV/CD a été appliquée pour obtenir des informations sur la thermodynamique et sur la cinétique des systèmes analysés., A wide variety of physiological processes in nature is the reflection of ligand interactions with macromolecules, especially with proteins. Among such interactions, the most common are those between enzymes and their substrates and with other molecules that influence activity (e.g. coenzymes). The present work focuses on the interaction between proteins and small molecules. Macromolecules (e.g. proteins) can interact with an heterogenous array of surrounding species. Their affinities range from weak interactions with different solutes to extremely tight binding of specific ligands. One of the strongest binding affinity known between a ligand and a protein is the interaction between biotin and (strept)avidin (hereafter biotinÌ(strept)avidin where (strept)avidin refers to either avidin or streptavidin). This is the strongest non-covalent interaction known in nature. Based on the biotin-(strept)avidin technology, different modified biotinÌ(strept)avidin systems were developed in our research group, either for enantioselective hydrogenation catalysis (artificial metalloenzymes) or photosystem II analogues (prototypical coordination complexes). The work herein focuses on one hand on the thermodynamic data (between a biotinylated achiral transition metal catalyst and (strept)avidin), which lays the basis for the work on artificial metalloenzymes. On the other hand, the thermodynamic and the kinetic data of prototypical coordination complexes were studied, including the chiral discrimination properties (of (strept)avidin towards a biotinylated enantiopure probe) and the resulting cooperativity. In both cases, UV/CD spectroscopy was applied to get thermodynamic and kinetic information of the investigated systems.

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2004 ; 1787