Analysis of curcumin interaction with human serum albumin using spectroscopic studies with molecular simulation

Abstract

BACKGROUND: Curcumin has emerged to be utilized as a superb beneficial agent, due to its naturally occurring anti-oxidant, anti-inflammatory and anti-carcinogenic property.

METHODS: The interaction of curcumin with human serum albumin, the main in vivo transporter of exogenous substances, was investigated using absorption spectroscopy, steady-state fluorescence, excited state life-time studies and circular dichroism spectroscopy.

RESULTS: Isothermal titration calorimetry techniques inferred one class of binding site with binding constant ～1.74×10⁵ M⁻¹ revealing a strong interaction. The binding profile was analyzed through the evaluation of the thermodynamic parameters, which indicated the involvement of hydrophobic interactions (burial of non-polar group). Fluorescence lifetime of tryptophan residue was observed to decrease to 1.94 ns from 2.84 ns in presence of Curcumin. Percentage of α helicity of human serum albumin was also reduced significantly upon binding with curcumin as evidenced by circular dichroism measurement leading to conformational modification of the protein molecule.

CONCLUSIONS: On the basis of such complementary results, it may be concluded that curcumin shows strong binding affinity for human serum albumin, probably at the hydrophobic cavities of the protein and at or around the tryptophan residue. Molecular Docking analysis of HSA and curcumin provided light on the number of binding sites at an atomic level, which were already determined at a molecular level in spectroscopic measurements. Our study unfolds the modes of interaction of curcumin with human serum albumin in the light of different biophysical techniques and molecular modeling analysis.

Key words： curcumin; human serum albumin; fluorescence quenching; conformational change; thermodynamic parameters

Acknowledgments

We acknowledge UGC-DAE for providing fellowship to Turban Kar. We are also grateful to DST (FIST), World Bank-ICZMP (54-ICZMP/3P), UGC-CAS, UGC-UPE, and DBT-IPLS, Government of India for providing the instrumental facility in the Department of Biochemistry, Calcutta University.

Compliance with ethics guidelines

The authors completely acknowledge the above mentioned funding agencies for grants. The authors Turban Kar, Pijush Basak, Srikanta Sen, Rittik Kumar Ghosh and Maitree Bhattacharyya declare no conflicts of interest.

References

1 Aggarwal B B, Kumar  A, Bharti A C  (2003). Anticancer potential of curcumin: preclinical and clinical studies. Anticancer Res, 23(1A): 363–398

PMID

2 Aggarwal M L, Chacko  K M, Kuruvilla  B T (2016). Systematic and comprehensive investigation of the toxicity of curcuminoidessential oil complex: A bioavailable turmeric formulation. Mol Med Rep, 13(1): 592–604

PMID

3 Airinei A, Tigoianu  R I, Rusu  E, Dorohoi D O  (2011). Fluorescence quenching of anthracene by nitroaromatic compounds. Dig J Nanomater Biostruct, 6(3): 1265–1272

4 Basak P, Debnath  T, Banerjee R ,  Bhattacharyya M  (2016). Selective binding of divalent cations towardheme proteins. Front Biol, 11(1): 32–42

5 Basak P, Pattanayak  R, Bhattacharyya M  (2015). Transition metal induced conformational change of heme proteins. Spectrosc Lett, 48(5): 324–330

6 Baskaran N, Manoharan  S, Balakrishnan S ,  Pugalendhi P  (2010). Chemopreventive potential of ferulic acid in 7,12-dimethylbenz[a]anthracene-induced mammary carcinogenesis in Sprague-Dawley rats. Eur J Pharmacol, 637(1-3): 22–29

PMID

7 Biovia D S (2016). Discovery Studio Modeling Environment, Release 2017.DassaultSystèmes, San Diego, CA

8 Brooks B R, Bruccoleri  R E, Olafson  B D, States  D J, Swaminathan  S, Karplus M  (1983). CHARMM: a program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations. J Comput Chem, 4(2): 187–217

9 Cheng Z J, Zhao  H M, Xu  Q Y, Liu  R (2013). Investigation of the interaction between indigotin and two serum albumins by spectroscopic approaches. JPA, 3(4): 257–269

10 Dickinson D A ,  Levonen A L ,  Moellering D R ,  Arnold E K ,  Zhang H ,  Darley-Usmar V M ,  Forman H J  (2004). Human glutamate cysteine ligase gene regulation through the electrophile response element. Free Radic Biol Med, 37(8): 1152–1159

PMID

11 Forli S, Huey  R, Pique M E ,  Sanner M F ,  Goodsell D S ,  Olson A J  (2016). Computational protein-ligand docking and virtual drug screening with the AutoDock suite. Nat Protoc, 11(5): 905–919

PMID

12 Gupta S C, Prasad  S, Kim J H ,  Patchva S ,  Webb L J ,  Priyadarsini I K ,  Aggarwal B B  (2011). Multitargeting by curcumin as revealed by molecular interaction studies. Nat Prod Rep, 28(12): 1937–1955

PMID

13 Hou T, Zhang  W, Huang Q ,  Xu X (2005). An extended aqueous solvation model based on atom-weighted solvent accessible surface areas: SAWSA v2.0 model. J Mol Model, 11(1): 26–40

PMID

14 Lee H Y, Kim  S W, Lee  G H, Choi  M K, Jung  H W, Kim  Y J, Kwon  H J, Chae  H J (2016). Turmeric extract and its active compound, curcumin, protect against chronic CCl4-induced liver damage by enhancing antioxidation. BMC Complement Altern Med, 16(1): 316

PMID

15 Lehrer S S (1971). Solute perturbation of protein fluorescence. The quenching of the tryptophyl fluorescence of model compounds and of lysozyme by iodide ion. Biochemistry, 10(17): 3254–3263

PMID

16 Leung M H, Kee  T W (2009). Effective stabilization of curcumin by association to plasma proteins: human serum albumin and fibrinogen. Langmuir, 25(10): 5773–5777

PMID

17 Maciążek-Jurczyk M ,  Maliszewska M ,  Pożycka J ,  Równicka-Zubik J ,  Góra A ,  Sułkowska A  (2013). Tamoxifen and curcumin binding to serum albumin.Spectroscopic study. J Mol Struct, 1044: 194–200 

18 Masone D, Chanforan  C (2015). Study on the interaction of artificial and natural food colorants with human serum albumin: A computational point of view. Comput Biol Chem, 56: 152–158

PMID

19 Mazaheri M, Moosavi-Movahedi  A A, Saboury  A A, Rezaei  M H, Shourian  M, Farhadi M ,  Sheibani N  (2015). Curcumin mitigates the fibrillation of human serum albumin and diminishes the formation of reactive oxygen species. Protein Pept Lett, 22(4): 348–353

PMID

20 Mothi N, Muthu  S A, Kale  A, Ahmad B  (2015). Curcumin promotes fibril formation in F isomer of human serum albumin via amorphous aggregation. Biophys Chem, 207: 30–39

PMID

21 Pattanayak R, Basak  P, Sen S ,  Bhattacharyya M  (2016). Interaction of KRAS G-quadruplex with natural polyphenols: A spectroscopic analysis with molecular modeling. Int J Biol Macromol, 89: 228–237

PMID

22 Prasad P, Khan  I, Kondaiah P ,  Chakravarty A R  (2013). Mitochondria-targeting oxidovanadium(IV) complex as a near-IR light photocytotoxic agent. Chemistry, 19(51): 17445–17455

PMID

23 Sahoo B K, Ghosh  K S, Dasgupta  S (2009). Molecular interactions of isoxazolcurcumin with human serum albumin: spectroscopic and molecular modeling studies. Biopolymers, 91(2): 108–119

PMID

24 Salzano A M, Renzone  G, Scaloni A ,  Torreggiani A ,  Ferreri C ,  Chatgilialoglu C  (2011). Human serum albumin modifications associated with reductive radical stress. Mol Biosyst, 7(3): 889–898

PMID

25 Semiz G, Çelik  G, Gönen E ,  Semiz A  (2016). Essential oil composition, antioxidant activity and phenolic content of endemic Teucrium alyssifolium Staph. (Lamiaceae). Nat Prod Res, 30(19): 2225–2229

PMID

26 Siddiqi M K, Alam  P, Chaturvedi S K ,  Khan R H  (2016). Anti-amyloidogenic behavior and interaction of Diallylsulfide with Human Serum Albumin. Int J Biol Macromol, 92: 1220–1228

PMID

27 Siddiqi M K, Alam  P, Chaturvedi S K ,  Khan R H  (2016). Anti-amyloidogenic behavior and interaction of Diallylsulfide with Human Serum Albumin. Int J Biol Macromol, 92: 1220–1228

PMID

28 Singh D V, Bharti  S K, Agarwal  S, Roy R ,  Misra K  (2014). Study of interaction of human serum albumin with curcumin by NMR and docking. J Mol Model, 20(8): 2365

PMID

29 Stocker R (2016). Antioxidant defenses in human blood plasma and extra-cellular fluids. Arch Biochem Biophys, 595: 136–139

PMID

30 Stocker R (2016). Antioxidant defenses in human blood plasma and extra-cellular fluids. Arch Biochem Biophys, 595: 136–139

PMID

31 Sudlow G, Birkett  D J, Wade  D N (1975). The characterization of two specific drug binding sites on human serum albumin. Mol Pharmacol, 11(6): 824–832

PMID

32 Zaidi N, Ajmal  M R, Rabbani  G, Ahmad E ,  Khan R H  (2013). A comprehensive insight into binding of hippuric acid to human serum albumin: a study to uncover its impaired elimination through hemodialysis. PLoS One, 8(8): e71422

PMID

33 Zhang Y, Golub  L M, Johnson  F, Wishnia A  (2012). pKa, zinc- and serum albumin-binding of curcumin and two novel biologically-active chemically-modified curcumins. Curr Med Chem, 19(25): 4367–4375

PMID