ABSTRACT The biological functions of natural polyelectrolytes are strongly influenced by the presence of ions, which bind to the polymer chains and thereby modify their properties. Although the biological impact of such modifications is well-recognized, a detailed molecular picture of the binding process and of the mechanisms that drive the subsequent structural changes in the polymer is lacking. Here, we study the molecular mechanism of the condensation of calcium, a divalent cation, on hyaluronan, a ubiquitous polymer in human tissues. By combining two-dimensional infrared spectroscopy experiments with molecular dynamics simulations, we find that calcium specifically binds to hyaluronan at millimolar concentrations. Because of its large size and charge, the calcium cation can bind simultaneously to the negatively charged carboxylate group and the amide group of adjacent saccharide units. Molecular dynamics simulations and single-chain force spectroscopy measurements provide evidence that the binding of the calcium ions weakens the intra-molecular hydrogen-bond network of hyaluronan, increasing the flexibility of the polymer chain. We also observe that the binding of calcium to hyaluronan saturates at a maximum binding fraction of ~10-15 mol %. This saturation indicates that the binding of Ca 2+ strongly reduces the probability of subsequent binding of Ca 2+ at neighboring binding sites, possibly as a result of enhanced conformational fluctuations and/or electrostatic repulsion effects. Our findings provide a detailed molecular picture of ion condensation, and reveal the severe effect of a few, selective and localized electrostatic interactions on the rigidity of a polyelectrolyte chain. TOC

Abstract Hyaluronan (HA) is a major component of peri- and extra-cellular matrices and plays important roles in many biological processes such as cell adhesion, proliferation and migration. The abundance, size distribution and presentation of HA dictate its biological effects and are also useful indicators of pathologies and disease progression. Methods to assess the molecular mass of free-floating HA and other glycosaminoglycans (GAGs) are well established. In many biological and technological settings, however, GAGs are displayed on surfaces, and methods to obtain the size of surface-attached GAGs are lacking. Here, we present a method to size HA that is end-attached to surfaces. The method is based on the quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) and exploits that the softness and thickness of films of grafted HA increase with HA size. These two quantities are sensitively reflected by the ratio of the dissipation shift (Δ D ) and the negative frequency shift (-Δ f ) measured by QCM-D upon the formation of HA films. Using a series of size-defined HA preparations, ranging in size from ∼2 kDa tetrasaccharides to ∼1 MDa polysaccharides, we establish a monotonic yet non-linear standard curve of the Δ D /-Δ f ratio as a function of HA size, which reflects the distinct conformations adopted by grafted HA chains depending on their size and surface coverage. We demonstrate that the standard curve can be used to determine the mean size of HA, as well as other GAGs, such as chondroitin sulfate and heparan sulfate, of preparations of previously unknown size in the range from 1 to 500 kDa, with a resolution of better than 10%. For polydisperse samples, our analysis shows that the process of surface-grafting preferentially selects smaller GAG chains, and thus reduces the average size of GAGs that are immobilised on surfaces comparative to the original solution sample. Our results establish a quantitative method to size HA and other GAGs grafted on surfaces, and also highlight the importance of sizing GAGs directly on surfaces. The method should be useful for the development and quality control of GAG-based surface coatings in a wide range of research areas, from molecular interaction analysis to biomaterials coatings.