Phospholamban (PLB) is a transmembrane micropeptide that regulates the Ca2+ pump SERCA in cardiac muscle, but the physical mechanism of this regulation remains poorly understood. PLB reduces the Ca2+ sensitivity of active SERCA, increasing the Ca2+ concentration required for pump cycling. However, PLB does not decrease Ca2+ binding to SERCA when ATP is absent, suggesting PLB does not inhibit SERCA Ca2+ affinity. The prevailing explanation for these seemingly conflicting results is that PLB slows the Ca2+-binding step in the SERCA enzymatic cycle, altering the Ca2+ dependence of cycling without affecting the true affinity of the Ca2+ binding sites. Here, we consider another hypothesis, that measurements of Ca2+ binding in the absence of ATP overlook important allosteric effects of nucleotide binding that increase SERCA Ca2+ binding affinity. We speculated that PLB inhibits SERCA by reversing this allostery. To test this, we used a fluorescent SERCA biosensor to quantify the Ca2+ affinity of non-cycling SERCA in the presence and absence of a non-hydrolyzable ATP-analog, AMPPCP. Nucleotide activation increased SERCA Ca2+ affinity, and this effect was reversed by co-expression of PLB. Interestingly, PLB had no effect on Ca2+ affinity in the absence of nucleotide. These results reconcile the previous conflicting observations from ATPase assays versus Ca2+ binding assays. Moreover, structural analysis of SERCA revealed a novel allosteric pathway connecting the ATP- and Ca2+-binding sites. We propose this pathway is interrupted by PLB binding. Thus, PLB reduces the true Ca2+ affinity of SERCA by reversing allosteric activation of the pump by ATP.

The plasma membrane of eukaryotic cells consists of a crowded environment comprised of a high diversity of proteins in a complex lipid matrix. The lateral organization of membrane proteins in the plasma membrane (PM) is closely correlated with biological functions such as endocytosis, membrane budding and other processes which involve protein mediated shaping of the membrane into highly curved structures. Annexin A4 (ANXA4) is a prominent player in a number of biological functions including plasma membrane repair. Its binding to membranes is activated by Ca2+ influx and it is therefore rapidly recruited to the cell surface near rupture sites where Ca2+ influx takes place. However, the free edges near rupture sites can easily bend into complex curvatures and hence may accelerate recruitment of curvature sensing proteins to facilitate rapid membrane repair. To analyze the curvature sensing behavior of curvature inducing proteins in crowded membranes, we quantifify the affinity of ANXA4 monomers and trimers for high membrane curvatures by extracting membrane nanotubes from giant plasma membrane vesicles (GPMVs). ANXA4 is found to be a sensor of negative membrane curvatures. Multiscale simulations furthermore predicted that ANXA4 trimers generate membrane curvature upon binding and have an affinity for highly curved membrane regions only within a well defined membrane curvature window. Our results indicate that curvature sensing and mobility of ANXA4 depend on the trimer structure of ANXA4 which could provide new biophysical insight into the role of ANXA4 in membrane repair and other biological processes.

Binding of small molecules to proteins often involves large conformational changes in the latter, which open up pathways to the binding site. Observing and pinpointing these rare events in large scale, all-atom, computations of specific protein-ligand complexes, is expensive and to a great extent serendipitous. Further, relevant collective variables which characterise specific binding or un-binding scenarios are still difficult to identify despite the large body of work on the subject. Here, we show that possible primary and secondary binding pathways can be discovered from short simulations of the apo-protein without waiting for an actual binding event to occur. We use a projection formalism, introduced earlier to study deformation in solids, to analyse local atomic displacements into two mutually orthogonal subspaces --- those which are "affine" i.e. expressible as a homogeneous deformation of the native structure, and those which are not. The susceptibility to non-affine displacements among the various residues in the apo-protein is then shown to correlate with typical binding pathways and sites crucial for allosteric modifications. We validate our observation with all-atom computations of three proteins, T4-Lysozyme, Src kinase and Cytochrome P450.

The gastric proton pump (H+,K+-ATPase), a P-type ATPase responsible for gastric acidification, mediates electro-neutral exchange of H+ and K+ coupled with ATP hydrolysis, but with an as yet undetermined transport stoichiometry. Here we show crystal structures at a resolution of 2.5 Å of the pump in the E2-P transition state, in which the counter-transporting cation is occluded. We found a single K+ bound to the cation-binding site of H+,K+-ATPase, indicating an exchange of 1H+/1K+ per hydrolysis of one ATP molecule. This fulfils the energy requirement for the generation of a six pH unit gradient across the membrane. The structural basis of K+ recognition is resolved, supported by molecular dynamics simulations, and this establishes how H+,K+-ATPase overcomes the energetic challenge to generate an H+ gradient of more than a million-fold - the highest cation gradient known in any mammalian tissue - across the membrane.