Воскресенье, 11.12.2016, 16:49
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту


Главная » Статьи » Естественные науки

СТРУКТУРА ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО КОМПЛЕКСА КАТАЛИТИЧЕСКОГО ДОМЕНА ФОСФОДИЭСТЕРАЗ С ЦИКЛИЧЕСКИМ ДИГУАНОЗИНМОНОФОСФАТОМ

По результатам расчетов комбинированным методом квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) построена полноатомная трехмерная структура фермент-субстратного комплекса каталитического домена фосфодиэстераз с циклическим дигуанозинмонофосфатом.

СТРУКТУРА ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО КОМПЛЕКСА КАТАЛИТИЧЕСКОГО ДОМЕНА ФОСФОДИЭСТЕРАЗ С ЦИКЛИЧЕСКИМ ДИГУАНОЗИНМОНОФОСФАТОМ

Реакции гидролиза, приводящие к преобразованию циклических форм гуанозинмонофосфата (ц-ГМФ) и дигуанозинмонофосфата (ц-ди-ГМФ) в соответствующие нециклические формы ГМФ и ди-ГМФ, осуществляются ферментами семейства фосфодиэстераз, регулирующих концентрацию вторичных посредников ц-ГМФ и ц-ди-ГМФ при передачах сигналов в клетках. Механизмы химических реакций в активных центрах фосфодиэстераз являются предметом текущих исследований, причем на сегодняшний день основные предположения сформулированы по результатам рентгеноструктурного анализа соответствующих белков [1-4]. В настоящей работе применяются современные приемы молекулярного моделирования на основе метода квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) [5] для построения полноатомной трехмерной структуры фермент-субстратного комплекса каталитического домена (EAL-домена) фосфодиэстераз с ц-ди-ГМФ. Знание этой структуры позволяет предсказать направления отдельных стадий реакции гидролиза ц-ди-ГМФ в белковой матрице.

Следуя выводам недавней работы [4], мы выделили две кристаллографические структуры EAL домена, относящиеся к фосфодиэстеразам с высокой ферментативной активностью, доступные в базе данных белковых структур (PDB), а именно, PDBid:3GG0 [1] и PDBid:3N3T [2]. Первая относится к многодоменному белку BlrP1 из Klebsiella pneumoniae; вторая - к димерному белку Tbd1265 из Thiobacillus denitrificans. EAL домен содержит два иона металла в активном центре; известно, что каталитической активностью обладают белки с ионами магния или марганца. В структуре PDBid:3GG0 координаты ионов металла отнесены к марганцу, в структуре PDBid:3N3T - к магнию. В нашей модельной системе мы рассматривали только ионы Mg2+.

При построении модели за основу были взяты координаты тяжелых атомов структуры PDBid:3GG0. После добавления атомов водорода в предположении общепринятого состояния протонирования полярных аминокислотных остатков, приводящего к возникновению отрицательно (Asp, Glu) и положительно (Lys, Arg) заряженных боковых цепей, и предварительной оптимизации координат методом молекулярной механики, система была подразделена на КМ- и ММ- части. В КМ-подсистему были включены все атомы субстрата ц-ди-ГМФ, боковые цепи Asp302, Asp303, Glu359 (по нумерации PDBid:3GG0) и 12 молекул воды. Модельная система представлена на рис. 1.

Здесь явно показана только одна молекула воды, которой по результатам моделирования отведена роль нуклеофильного агента в реакции гидролиза.

Вычисления значений энергии и силы в КМ- части проводили в приближении теории функционала электронной плотности в варианте PBE0/6-31G*. Для описания ММ-части применяли силовое поле AMBER.

Использовали вариант метода КМ/ММ с конформационно-подвижными эффективными фрагментами [6, 7], позволяющий получать результаты, достаточно близкие к полному квантовому описанию всей системы. Проведена полная оптимизация равновесных геометрических параметров по минимуму полной энергии.

На рис. 2 результаты расчетов для ряда расстояний между тяжелыми атомами в активном центре сопоставлены с экспериментальными данными.

Можно заключить, что рассчитанная структура модельной системы в целом хорошо согласуется с кристаллографическими данными из двух независимых источников [1, 2]. Четко воспроизведено окружение ионов магния кислородными атомами боковых цепей Asp и Glu, причем вне зависимости от того, были ли включены эти группы в КМ- или ММ-части системы при вычислениях.

Одно различие между теоретическими и экспериментальными результатами имеет большое значение. Обе экспериментальные структуры идентифицируют одну из молекул воды вблизи боковой цепи Asp303/647 и недалеко от фосфатной группы субстрата, показанной на рис. 2. Однако авторы исследований [1, 2, 4] не приписывают ей роль реакционного агента. Вместо этого предполагается, что оба иона металла вовлечены в активацию (другой) каталитической молекулы воды, из которой образуется нуклеофильный гидроксиланион OH-. По нашим расчетным данным, сценарий химических преобразований должен быть иным.

На рис. 3 показано расположение частиц в активном центре. Реакционная молекула воды (рис. 2, 3) ориентирована одним ионом металла (Mg2), боковой цепью Glu359/703 и другими молекулами воды (не показанными на рисунках), образующими сетку водородных связей.

Расположение молекулярных групп в активном центре фермент-субстратного комплекса EAL-домена с ц-ди-ГМФ

Рис. 3. Расположение молекулярных групп в активном центре фермент-субстратного комплекса EAL-домена с ц-ди-ГМФ. Расстояния приведены в А.

 

Конфигурация O(Wat)-P-O-N(Asn239/584) достаточно характерна для реакций гидролиза нуклео- зидфосфатов [8, 9]. Можно ожидать, что качественно механизм реакции раскрытия цикла будет похож на механизм гидролиза ц-ГМФ и ц-ди-ГМФ в водном растворе [10, 11]. При приближении молекулы воды к фосфатному центру будет образовываться интермедиат с пентакоординированным фосфором с передачей протона от воды на акцептор по сетке водородных связей. Последующее перераспределение протонов по цепи обеспечит разрыв связи P-O и формирование продуктов реакции гидролиза. Следует отметить, что расстояние O(Wat)-P в белковой матрице (2.89 А) заметно меньше, чем в кластере молекул воды [10] (3,20 А), что должно коррелировать с каталитическим эффектом фермента по отношению к водному раствору.

Таким образом, по результатам расчетов методом КМ/ММ построена модель фермент-субстратного комплекса EAL-домена фосфодиэстеразы с ц-ди- ГМФ, хорошо согласующаяся с кристаллическими структурами фосфодиэстераз белков BlrP1 [1] и Tbd1265 [2] с высокой ферментативной активностью. Анализ расположения молекулярных групп в равновесной геометрической конфигурации модельной системы подсказывает перспективный механизм реакции гидролиза.

При написании данной статьи использованы работы, поддержанные РФФИ (проект 13-03-00210-а).
Авторы выражают благодарность суперкомпьютерным центрам МГУ имени М.В. Ломоносова и РАН за возможность использовать вычислительные ресурсы.

 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Barends T. R., Hartmann E., Griese J. J., et al. // Nature (London). 2009. 459. P. 1015.
2. Tchigvintsev A., Xu X., Singer A., et al. // Mol. Biol. 2010. 402. P. 524.
3. Ko-Hsin C., Wei-Ting K., Yu-Jen Yu et al. // Acta Cryst. 2012. D68. P. 1380.
4. Tarnawski M., Barends T.R.M., Hartmann E., et al. // Acta Cryst. 2013. D69. P. 1045.
5. WarshelA., LevittM. // J. Mol. Biol. 1976. 103. P. 227.
6. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V, Topol I.A., et al. // J. Phys. Chem. A. 2002. 106. P. 10663.
7. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Topol I.A., et al. // J. Com- put. Chem. 2003. 24. P. 1410.
8. Grigorenko B.L., Rogov A.V., Topol I.A. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007. 104. P.7057.
9.  Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Лущекина С.В., и др. // Усп. хим. 2012. 81. С. 1011.
10.  Андрийченко Н.Н., Хренова М.Г., А.В.Немухин, и др. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2011. 52. С. 277.
11. Morozov D., Khrenova M., Andrijchenko N., et al. // Com- put. Theor. Chem. 2012. 983. P. 88.

__________________

Б.Л. Григоренко, А.В. Немухин, М.Г. Хренова, Д.А. Новичкова
(кафедра физической химии)

Ключевые слова: циклический дигуанозинмонофосфат, фосфодиээстеразы, метод КМ/ММ.

Категория: Естественные науки | Добавил: x5443 (02.03.2015)
Просмотров: 339 | Теги: КМ/ММ, фосфодиээстеразы, дигуанозинмонофосфат, циклический | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2016