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Different pKa Shifts of Internal GLU8 in Human β-Endorphin Amyloid Revealing a Coupling of Internal Ionization and Stepwise Fibril Disassembly

化学 纤维 质子化 生物物理学 脱质子化 淀粉样纤维 淀粉样蛋白(真菌学) 淀粉样疾病 结晶学 生物化学 淀粉样β 有机化学 离子 无机化学 疾病 病理 生物 医学
作者
Yiwei Liu,Jinfeng Liu,Xiao He
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (5): 1089-1096 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c06706
摘要

As a functional amyloid, human β-endorphin amyloid fibril features a β-solenoid conformation and store peptide hormones within acidic secretory granules, which would be released into the blood through fibril disassembly when the cellular milieu pH increases from acidic to neutral level on exocytosis. To gain detailed atomic mechanism of β-endorphin amyloid fibrils' pH-responsive disassembly, we conduct constant pH molecular dynamics simulations to investigate the structural and dynamical properties of β-endorphin amyloid fibrils in experiencing the environmental pH changes. Our results demonstrate a clear pKa shift of the internal ionizable residue of GLU8, and this shift becomes even more pronounced when it is buried more deeply in the amyloid fibrils. The unusual pKa of GLU8 reveals that its protonation state changes from the protonated state in the acidic secretory granule to the deprotonated state in the neutral pH conditions in the blood, where the deprotonation of GLU8 leads to unfavorable interactions within the hydrophobic core of the amyloid and subsequent fibril disassembly. The different pKa shifts of GLU8 relative to its positions in the amyloid fibril indicate that the β-endorphin amyloid fibril disassembly is a stepwise process, accounting for the experimental observation that the disassembly always initiates from the outermost layer. This study reveals the critical role of the protonation state of GLU8 in amyloid fibrils' pH-responsive disassembly, and provides clear insights for understanding the structural transitions of amyloids in hormone secretion. This study also provides theoretical basis for designing pH-sensitive biological tools for specific use with precise positioning of ionizable residues into the hydrophobic interior of proteins.
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