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 Доступ платный или 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