Electrochemical Analysis of Polyamino Acids and Proteins

Mgr. Marko Živanović, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cílem této disertační práce je výzkum bazických polyamino kyselin, jako jsou polylysin, polyarginin a polyhistidin, jako modelové systémy složitějších proteinů. Zvláštní důraz je kladen na elektrochemický podíl jednotlivých aminokyselin v katalytické reakci vylučování vodíku (CHER), stejně jako vyšetřování CHER bílkovin a polysacharidů. Při zkoumání polyaminokyselin, dospěli jsme k závěru, že jsou dostatečně dobré modelové systémy pro lepší pochopení CHER proteinů. Elektrochemická měření byla provedena na rtuťových elektrodách. Ukázalo se, že bazické polyaminokyseliny polylysin, polyarginin a polyhistidin produkují chronopotenciometrický pík H, zatímco polyglutamová kyselina neukázala žádnou katalytickou reakci. V této práci elektrochemie DNA, bílkovin a komplexy osmia označené polysacharidy a 3'-konec ribosy RNA jsou krátce zmíněny. Chronopotenciometrická analýza umožňuje přesné stanovení zmíněných biomakromolekul na úrovni nano-a pikomolů. Poprvé byly elektrochemicky měřeny histony. Šetření bylo provedeno na visící rtuťové kapkové elektrody a na sklovité uhlíkové elektrodě. Ukázalo se, že za použití chronopotenciometrické rozpouštěcí analýzy s konstantním proudem (CPSA) a cyklické voltametrie, je možné detekovat histony na subnanomolární úrovni. Také se poprvé elektrochemie používá ke zkoumání interakce histonů s DNA. Výše uvedené výsledky ukazují, že elektrochemie je užitečným nástrojem pro přesné stanovení polyaminokyselin, bílkovin, nukleových kyselin, polysacharidů a histonů. Jedná se o malý příspěvek k lepšímu pochopení úlohy jednotlivých aminokyselin v CHER na rtuťových elektrodách. Velmi důležitou součástí dosud nepublikovaných výsledků je zjištění, že CPSA může být použita při výzkumu interakce bazických histonů s DNA, což by mohlo přispět k lepšímu poznání uspořádání DNA a bílkovin v chromatinu. Výsledky této práce mohou být také použity pro testování jiných jaderných ne-histonů a histonům podobajících se proteinů, jako jsou transkripční faktory a protaminy.

Abstract:

The aim of this Thesis is the research of basic polyamino acids, such as polylysine, polyarginine, and polyhistidine as model systems of more complex proteins. The special emphasis is given to electrochemical contribution of individual amino acids in catalytic hydrogen evolution reaction (CHER), as well as investigation of CHER of proteins and carbohydrates. In examining of polyamino acids, we concluded that they are satisfactorily good model systems to better understand the protein CHER. The electrochemical measurements were performed on mercury electrodes. It was shown that basic polylysine, polyarginine and polyhistidine produce chronopotentiometric peak H, while acidic polyglutamic acid gave no catalytic response. In this Thesis electrochemistry of DNA, proteins and osmium complex labeled polysaccharides and 3’-end ribose of RNA was shortly reviewed. Chronopotentiometric analyses enable precise determination of abovementioned biomacromolecules at nano- and picomole level. For the first time histones were electrochemically measured. Investigation was performed at hanging mercury drop electrode and on glassy carbon electrode. It was shown that using constant current chronopotentiometric stripping analysis (CPSA) and cyclic voltammetry it is possible to detect histones at subnanomolar level. Also, for the first time electrochemistry has been used to investigate the interaction of histones with DNA. Above mentioned results show that electrochemistry is useful tool for precise determination of polyamino acids, proteins, nucleic acids, polysaccharides and histone proteins. This is a small contribution to a better understanding of role of individual amino acid in CHER at mercury electrodes. A very important part of so far unpublished results tell us that the CPSA can be used in research of interaction of basic histones with DNA in order to study of DNA packaging in chromatin. Findings from this Thesis can also be used for testing of other nuclear non-histone and histone-like proteins, such as protamines and transcription factors.

Keywords

Polyamino acids, Proteins, Nucleic acids, Polysaccharides, Histones, Catalytic Hydrogen Evolution Reaction, Mercury electrodes

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 10. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 6. 12. 2013
• Supervisor: prof. RNDr. Emil Paleček, DrSc.
• Reader: Ing. František Foret, CSc., doc. Ing. Jan Vacek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Molecular and Cellular Biology