A generic rotamer model to explain the temperature dependence of BSA protein fluorescence

构象异构 化学 荧光 色氨酸 牛血清白蛋白 蛋白质结构 分子动力学 构象变化 化学物理 计算化学 立体化学 分子 氨基酸 生物化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Yun‐Chu Chou,Tong‐You Lin,Min‐Yeh Tsai
出处
期刊:Journal of The Chinese Chemical Society [Wiley]
卷期号:70 (3): 386-393
标识
DOI:10.1002/jccs.202200528
摘要

Abstract Protein fluorescence signals essential information about the conformational dynamics of proteins. Different types of intrinsic fluorophores reflect different protein local or global structural changes. Bovine Serum Albumin (BSA) is a transport protein that contains two intrinsic fluorophores: Tryptophan134 (Trp134) and Tryptophan213 (Trp213). This protein displays an interesting temperature dependence of the tryptophan fluorescence. However, the molecular mechanism of the temperature dependence is still unclear. In this work, we propose a generic rotamer model to explain this phenomenon. The model assumes the presence of rotamer‐specific fluorescence lifetimes. The fluorescence temperature dependence is caused by the population shifts between different rotamers due to thermal effects. As a proof of concept, we show that the tryptophan's two fluorescence lifetimes (𝜏 1 = 0.4–0.5 ns and 𝜏 2 = 2‐4 ns) are sufficient to qualitatively explain the fluorescence intensity change at different temperatures, both in buffer solution (water) and in the protein. To computationally verify our rotamer hypothesis, we use an all‐atom molecular dynamics simulation to study the effects of temperature on the two tryptophans' rotamer dynamics. The simulations show that Trp134 is more sensitive to temperature, consistent with experimental observations. Overall, the results support that the temperature dependence of fluorescence in the protein BSA is due to local conformational changes at the residue level. This work sheds light on the relationship between tryptophan's rotamer dynamics and its ability to fluorescence.
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