The role of molecular crowding in long-range metalloprotein electron transfer: Dissection into site- and scaffold-specific contributions

Here we report the effect of molecular crowding on long-range protein electron transfer (ET) and disentangle the specific responses of the redox site and the protein milieu. To this end, we studied two different one-electron redox proteins that share the cupredoxin fold but differ in the metal center, T1 mononuclear blue copper and binuclear CuA, and generated chimeras with hybrid properties by incorporating different T1 centers within the CuA scaffold or by swapping loops between orthologous proteins from different organisms to perturb the CuA site. The heterogeneous ET kinetics of the different proteins was studied by protein film electrochemistry at variable electronic couplings and in the presence of two different crowding agents. The results reveal a strong frictional control of the ET reactions, which for 10 Å tunnelling distances results in a 90% drop of the ET rate when viscosity is matched to that of the mitochondrial interior (ca. 55 cP) by addition of either crowding agent. The effect is ascribed to the dynamical coupling of the metal site and the milieu, which for T1 is found to be twice stronger than for CuA, and the activation energy of protein-solvent motion that is dictated by the overall scaffold. This work highlights the need of explicitly considering molecular crowding effects in protein ET.Fil: Zitare, Ulises Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Szuster, Jonathan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Scocozza, Magali Franca. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Espinoza Cara, Andrés Matías. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Leguto, Alcides José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Morgada, Marcos Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Vila, Alejandro Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Electrochemical characterization of an engineered red copper protein featuring an unprecedented entropic control of the reduction potential

Copper is a ubiquitous metal in biology that, among other functions, is implicated in enzymatic redox catalysis and in protein electron transfer (ET). When it comes to ET, copper sites are found in two main forms, mononuclear type 1 (T1) and binuclear CuA sites, which share a common cupredoxin fold. Other relevant copper sites are the so-called type 2 (T2), which are more resilient to undergo direct electrochemistry and are usually involved in catalysis. Here we report the electrochemical and spectroscopic characterization of a novel T2-like copper site engineered following the loop swapping strategy. The ligand loop sequence of the newly discovered T1 copper site from Nitrosopumilus maritimus was introduced into the CuA scaffold from Thermus thermophilus yielding a chimeric protein that shows spectroscopic features different from both parental proteins, and resemble those of red T2 copper sites, albeit with a shorter Cu-S(Cys) bond length. The novel T2 site undergoes efficient direct electrochemistry, which allows performing temperature-dependent cyclic voltammetry studies. The obtained results reveal that this chimera constitutes the first example of a copper protein with entropically controlled reduction potential, thereby contrasting the enthalpic supremacy observed for all other copper sites reported so far. The underlying bases for this entropic control are critically discussed.Fil: Szuster, Jonathan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Leguto, Alcides José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Zitare, Ulises Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Rebechi, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Vila, Alejandro Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Dynamical effects in metalloprotein heterogeneous electron transfer

In this work we assess the influence of physiological viscosities on metalloprotein electron transfer reactions. To that end we investigated the direct electrochemistry of the copper proteins azurin and CuA adsorbed on SAM-coated electrodes. The experimental results show a change of ET regime from nonadiabatic to friction control upon shortening tunneling distances, which is paralleled by a sigmoidal increase of the apparent ET reorganization energies. These data could be accurately described using novel Matyushov?s model, thereby validating this recent theoretical development, which however did not describe viscosity effects in its original formulation. We demonstrate that ET rate constants and effective relaxation times vary with viscosity following power laws. Moreover, the crossover parameter g that determines the ET regime could be redefined in terms of the exponents of these power laws. The magnitude of g, i.e. the extent of frictional control, was found to be protein specific as it is determined by the dynamical features of the protein milieu. Interestingly, Stokes shift and diffusional relaxation times were found to be of similar magnitude, thus resulting in non-negligible frictional control even at tunneling distances as long as 19 Å, and this effect is amplified by physiologically high viscosities, thus highlighting the influence of intracellular macromolecular crowding in modulating protein ET reactions.Fil: Zitare, Ulises Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Szuster, Jonathan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Santalla, María C.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Morgada, Marcos Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Vila, Alejandro Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

CuA-based chimeric T1 copper sites allow for independent modulation of reorganization energy and reduction potential

Attaining rational modulation of thermodynamic and kinetic redox parameters of metalloproteins is a key milestone towards the (re)design of proteins with new or improved redox functions. Here we report that implantation of ligand loops from natural T1 proteins into the scaffold of a CuA protein leads to a series of distorted T1-like sites that allow for independent modulation of reduction potentials (E°´) and electron transfer reorganization energies (l). On the one hand E°´ values could be fine-tuned over 120 mV without affecting l. On the other, l values could be modulated by more than a factor of two while affecting E°´ only by a few millivolts. These results are in sharp contrast to previous studies that used T1 cupredoxin folds, thus highlighting the importance of the protein scaffold in determining such parametersPara citar este articulo: Chem. Sci., 2020, 11, 6193Fil: Szuster, Jonathan. Universidad de Buenos Aires. Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE -CONICET); Argentina.Fil: Szuster, Jonathan. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina.Fil: Zitare, Ulises A. Universidad de Buenos Aires. Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE -CONICET); Argentina.Fil: Zitare, Ulises A. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina.Fil: Castro, María A. Universidad de Buenos Aires. Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE -CONICET); Argentina.Fil: Castro, María A. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina.Fil: Leguto, Alcides J. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Leguto, Alcides J. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Química Biológica; Argentina.Fil: Morgada, Marcos N. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Morgada, Marcos N. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Química Biológica; Argentina.Fil: Vila, Alejandro J. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR -CONICET); Argentina.Fil: Vila, Alejandro J. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Química Biológica; Argentina.Fil: Murgida, Daniel H. Universidad de Buenos Aires. Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE -CONICET); Argentina.Fil: Murgida, Daniel H. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina

Tuning of Enthalpic/Entropic Parameters of a Protein Redox Center through Manipulation of the Electronic Partition Function

Manipulation of the partition function (Q) of the redox center CuA from cytochrome c oxidase is attained by tuning the accessibility of a low lying alternative electronic ground state and by perturbation of the electrostatic potential through point mutations, loop engineering and pH variation. We report clear correlations of the entropic and enthalpic contributions to redox potentials with Q and with the identity and hydrophobicity of the weak axial ligand, respectively.Fil: Álvarez Paggi, Damián Jorge. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Zitare, Ulises Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Szuster, Jonathan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Morgada, Marcos Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Leguto, Alcides José. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Vila, Alejandro Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin