Молекулярная динамика и экспериментальное изучение структурного поведения фермента алкогольдегидрогеназы на графитических сорбентных поверхностях: ориентационные особенности титрируемых аминокислотных остатков

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выявления характерных структурных конформаций ферментов и белков, в особенности ключевых титруемых аминокислот, могут стать необходимым этапом дальнейших исследований в реализации натурных и вычислительных экспериментов, которые проводятся путем варьирования значений рН, зарядов и концентраций водно-солевого окружения. В настоящей работе проведены компьютерные молекулярно-динамические (МД) и экспериментальные исследования фермента алкогольдегидрогеназы и ее кофактора (АДГ+НАД), сольватированных водой на графитовой углеродной поверхности. Получены картины процесса адсорбции АДГ + НАД на поверхности графитовой углеродной поверхности в течение длительных 100 наносекундных динамических конформационных и вращательных изменений. МД-анализ обеспечивает картирование ориентационной адсорбции фермента АДГ+НАД, тем самым позволяя детально наблюдать изменение конформации белка в области титруемых аминокислотных остатков АДГ. Далее, на основе расширения реализации МД-моделей, рассматриваются механизмы конформационных изменений во всей системе (АДГ + НАД + вода / графитовая углеродная поверхность), а также ориентационных аспектов всей белковой системы вместе с ключевыми титруемыми аминокислотами, и данные МД-моделирования сопоставляются с экспериментальными наблюдениями.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. А. Байгунов

Государственный университет “Дубна”

Email: kholmirzo@gmail.com

кафедра химии, новых технологий и материалов

Россия, 141980, Дубна, Московская область

П. П. Гладышев

Государственный университет “Дубна”

Email: kholmirzo@gmail.com

кафедра химии, новых технологий и материалов

Россия, 141980, Дубна, Московская область

Х. Т. Холмуродов

Государственный университет “Дубна”; Объединенный институт ядерных исследований; Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова; Физико-технический институт (ФТИ) им. С. У. Умарова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kholmirzo@gmail.com

кафедра химии, новых технологий и материалов, Лаборатория нейтронной физики им. Франка, физический факультет, кафедра фундаментальных ядерных взаимодействий физического факультета

Россия, 141980, Дубна, Московская область; 141980, Дубна, Московская область; 119991, Москва; 734063, Душанбе, Республика Таджикистан

Х. Эльхаес

Университет Айн-Шамс

Email: kholmirzo@gmail.com

кафедра физики

Египет, Каир, 11757

М. Ибрагим

Национальный исследовательский центр

Email: kholmirzo@gmail.com

Отделение молекулярной спектроскопии и моделирования, кафедра спектроскопии

Египет, Докки, Гиза, 12622

Список литературы

  1. Foresman J., Frish E. Exploring chemistry. Gaussian Inc., Pittsburg, USA. 1996. V. 21.
  2. Leach A.R. Molecular Modelling: Principles and Applications. Pearson education, 2001.
  3. Case D.A., Cheatham, T. E. III, Darden T., Gohlke H., et al. // J. of Computational Chemistry. 2005. V. 26. № 16. P. 1668.
  4. Kholmurodov Kh.T. Models in Bioscience and Materials Research: Molecular Dynamics and Related Techniques. 2013. P. 1. ISBN: 978-1-62808-052-0.
  5. Kholmurodov Kh. T. // Computational Materials and Biological Sciences. 2015. С. 1. ISBN: 978-1-63482-541-2.
  6. Ye H., Huang L., Li W., Zhang Y., et al. // RSC Advances. 2017. V. 7. № 35. P. 21398. DOI: https://doi.org/10.1039/c7ra03206d
  7. Höhn S., Zheng K., Romeis S., Brehl M., et al. // Advanced Materials Interfaces. 2020. V. 7. № 15. P. 2000420. DOI https://doi.org/10.1002/admi.202000420
  8. Benavidez T.E., Torrente D., Marucho M., Garcia C.D. // J. of Colloid and Interface Science. 2014. V. 435. P. 164. ISSN0021-9797, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.08.012.
  9. Wang F., Zhang Y.Q. // Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. 2015. V. 98. P. 263. DOI: https://doi.org/10.1016/bs.apcsb.2014.11.005
  10. Welborn V.V. // Chem Catalysis. 2022. V. 2. № 1. P. 19. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b0039
  11. Norde W., Lyklema J. // J. of Biomaterials Science, Polymer Edition. 1991. V. 2. № 3. P. 183. DOI: https://doi.org/10.1080/09205063.1991.9756659
  12. Andrade J.D. (ed.). Surface and Interfacial Aspects of Biomedical Polymers: V. 1. Surface Chemistry and Physics. Springer Science & Business Media, 2012. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4684-8610-0
  13. Gladyshev P.P., Shapovalov Yu.A., Kvasova V.P. Reconstructed Oxidoreductase Systems. NAUKA (The science). KazSSR, 1987.
  14. Gladyshev P.P., Goryaev M.I., Shpilberg I.G., Shapovalov Yu.A. / /Molecular Biology. 1982. V. 16. № 5. P. 938.
  15. Gladyshev P.P., Goryaev M.I., Shpilberg I.G. // Molecular Biology. 1982. V. 16. № 5. P. 943.
  16. Case D.A., Aktulga H.M., Belfon K., Cerutti D.S., et al. // J. of Chemical Information and Modeling. 2023. V. 63. № 20. P. 6183. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jcim.3c01153
  17. Lee T.S., Mermelstein D., Lin C., LeGrand S., et al. // Ibid. 2018. V. 58. № 10. P. 2043. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jcim.8b00462
  18. Cruzeiro V.W.D., Amaral M.S., Roitberg A.E. // The J. of Chemical Physics. 2018. V. 149. № 7. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5027379
  19. Kavanagh K.L., Shafqat N., Yue W., von Delft F., et al. // Structural Genomics Consortium (SGC). DOI: https://doi.org/10.2210/pdb3COS/pdb (PDB ID: 3COS) (to be published).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис 1. Методы иммобилизации фермент-кофакторных систем на электропроводящих носителях.

Скачать (189KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кристаллическая структура комплекса алкогольдегидрогеназы (АДГ). Система координат (синие, красные и зеленые стрелки) введена с последующей целью изучения молекулярно-динамических процессов взаимодействия молекулы АДГ с поверхностью сорбента, определения наиболее вероятного направления ориентации и места адсорбции АДГ на поверхности (см. ниже). Стрелки направлены от центра АДГ к области, содержащей титруемые аминокислоты, чувствительные к изменению значений рН раствора, в сторону каталитических пробелов и центров субстрата.

Скачать (250KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости степени протонирования (F) от pH раствора.

Скачать (134KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости энергии электростатического взаимодействия АДГ (алкогольдегидрогеназы) с положительно заряженной поверхностью от угла поворота глобулы вокруг своей оси, проходящей через центр масс по максимальному размеру глобулы, и pH раствора (Z – общий заряд глобулы).

Скачать (252KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Общий молекулярный дизайн системы АДГ + НАД + вода + графитовая поверхность углерода: а – атомно-молекулярная структура фермента АДГ + поверхность; б – листовая “ribbon” структура АДГ + поверхность; в – атомно-молекулярная структура системы АДГ + поверхность + вода.

Скачать (478KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Общий молекулярный дизайн системы АДГ + НАД + вода + графитовая поверхность углерода: а – атомно-молекулярная структура системы АДГ + поверхность + вода; б – разрез структуры АДГ + поверхность + вода; в – структура системы АДГ + поверхность + вода.

Скачать (781KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение ориентации АДГ с титруемыми аминокислотными остатками ASP54, HIS252, ASP268 в исходном (а) состоянии молекулы ADH (t = 0), t = 10 (б) и 20 нс (в) в релаксированных состояниях.

Скачать (831KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение ориентации АДГ с титруемыми аминокислотными остатками ASP54 (а), HIS252(б), ASP268 (в) при t = 0, 10 и 20 нс в релаксированном состоянии.

Скачать (1MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Детали ориентации титруемого аминокислотного остатка HIS252 показаны при t = 0, 10 и 20 нс в релаксированных состояниях; виды сбоку (а) и сверху (б) показаны слева направо.

Скачать (66KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Адсорбция АДГ + НАД на графитовом углероде (C-поверхность) в течение 100 нс, динамические и конформационные изменения: а – исходно релаксированное состояние; б – промежуточные и в – конечные состояния равновесия.

Скачать (889KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Результаты МД-расчетов для зависимости от расстояния АДГ + НАД / C-поверхности трех вышеуказанных титруемых аминокислотных остатков – ASP54 (а), HIS252 (б) и ASP268 (в) в исходном релаксированном состоянии.

Скачать (204KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Начальное и результирующее положение АДГ + НАД + вода на С-поверхности в течение 100 нс меняется динамически и ориентационно. Пространственные положения АДГ + НАД на C-поверхности показаны для первоначально релаксированного состояния (a) и конечного адсорбирующего положения молекулы в конечном состоянии t = 100 нс (б).

Скачать (2MB)
Метаданные
14. Рис. 13. Результаты расчета МД для зависимости от расстояния АДГ + НАД / C-поверхности трех вышеуказанных титруемых аминокислотных остатков – ASP54 (а), HIS252 (б) и ASP268 (в) в конечном состоянии (t = 100 нс).

Скачать (253KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Поведение каталитических петель фермента при адсорбции АДГ + НАД на графитовой поверхности углерода для исходного релаксированного состояния (а), промежуточного (б) и конечного состояния равновесия в течение 100 нс (в); слева – вид сбоку, справа – вид сверху.

Скачать (3MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025