An Atomic and Molecular Insight into How PFOA Reduces α-Helicity, Compromises Substrate Binding, and Creates Binding Pockets in a Model Globular Protein

化学 球状星团 基质(水族馆) 球状蛋白 螺旋度 生物物理学 化学物理 计算化学 结晶学 物理 生态学 量子力学 生物 银河系
作者
Anju Yadav,Lela Vuković,Mahesh Narayan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (18): 12766-12777
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02934
摘要

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) pose significant health risks due to their widespread presence in various environmental and biological matrices. However, the molecular-level mechanisms underlying the interactions between PFAS and biological constituents, including proteins, carbohydrates, lipids, and DNA, remain poorly understood. Here, we investigate the interactions between a legacy PFAS, viz. perfluorooctanoic acid (PFOA), and the milk protein β-lactoglobulin (BLG) obtained using a combination of experimental and computational techniques. Circular dichroism studies reveal that PFOA perturbs the secondary structure of BLG, by driving a dose-dependent loss of α-helicity and alterations in its β-sheet content. Furthermore, exposure of the protein to PFOA attenuates the on-rate constant for the binding of the hydrophobic probe 8-anilino-1-naphthalene sulfonic acid (ANS), suggesting potential functional impairment of BLG by PFOA. Steered molecular dynamics and umbrella sampling calculations reveal that PFOA binding leads to the formation of an energetically favorable novel binding pocket within the protein, when residues 129–142 are steered to unfold from their initial α-helical structure, wherein a host of intermolecular interactions between PFOA and BLG's residues serve to insert the PFOA into the region between the unfolded helix and beta-sheets. Together, the data provide a novel understanding of the atomic and molecular mechanism(s) by which PFAS modulates structure and function in a globular protein, leading to a beginning of our understanding of altered biological outcomes.
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