Анализ структурно-функциональных механизмов взаимодействия каталаз и надфн 2 методами компьютерного моделирования
На правах рукописи
Егоров Дмитрий Александрович
АНАЛИЗ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАТАЛАЗ И НАДФН2 МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Специальность 03.03.01 - Физиология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Научный руководитель:
Доктор медицинских наук,
профессор С. В. Цвиренко
Екатеринбург — 2011
Работа выполнена на кафедре клинической лабораторной и микробиологической диагностики ГОУ ВПО «Уральская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации.
Научный руководитель Доктор медицинских наук, профессор
Цвиренко Сергей Васильевич
Официальные оппоненты Доктор биологических наук
Данилова Ирина Георгиевна
Доктор биологических наук, профессор
Цейликман Вадим Эдуардович
Ведущая организация – ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет» Министерства образования и науки Российской Федерации
Защита состоится «___» ______________2011 г. в _______ часов на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 004.027.01 при учреждении РАН Институте иммунологии и физиологии УрО РАН по адресу: 620049, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 106.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке УрО РАН (620041, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, д. 22/20), с авторефератом — на сайте учреждения РАН Института иммунологии и физиологии УрО РАН - http://www.iip.uran.ru
Автореферат разослан «___» ______________2011 г.
Ученый секретарь совета по защите кандидатских
и докторских диссертаций Д 004.027.01 при учреждении РАН
Институте иммунологии и физиологии УрО РАН,
доктор медицинских наук, профессор И. А. Тузанкина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Монофункциональные гем-содержащие каталазы – гетерогенная группа ферментов, проявляющих наибольшую активность в катализе реакции разложения пероксида водорода (Н2О2), токсичного продукта утилизации молекулярного кислорода. Исследования последних лет показали, что Н2О2 играет важную роль в передаче внутри- и межклеточных сигналов и задействован в регуляции фагоцитоза (Марквичева К. Н. и др., 2010), воспалительных процессов (Rahman I. et al., 2006), клеточной пролиферации (Peus D. et al., 1999) и апоптоза (Плетюшкина О. Ю. и др., 2006). Показано, что каталазы, устраняющие действие Н2О2, имеют важное значение в предотвращении апоптоза (Yabuki et al., 1999), регуляции воспалений (Rahman I. et al., 2006), развитии опухолей (Miyamoto et al., 1996). Каталазы участвуют в снижении токсического действия солей тяжелых металлов (Calderon I. L. et al., 2006). Получены данные об эволюционном приспособлении молекулярной структуры каталаз к участию в функционировании каскада арахидоновой кислоты (Oldham M. L. et al., 2005).
Относительно недавно обнаружено, что каталазы человека и животных, некоторых грибов и бактерий образуют устойчивые комплексы с НАДФН2 (Kirkman H. N. et al., 1984; Chelikani P. et al., 2004). Показано, что НАДФН2 модулирует физиологическую активность этих ферментов, предохраняя их от необратимого ингибирования пероксидом водорода (Kirkman H. N. et al., 1987, Andreoletti P. et al., 2009) или обеспечивая их участие в других реакциях (Heck D. E. et al., 2003; Calderon I. L. et al., 2006). Однако, структура комплексов не позволяет объяснить механизм этих эффектов (Hillar A. et al., 1994; Olson L. P. et al., 1995, Heck D. E. et al., 2010). Точно неизвестны также механизмы связывания каталаз и НАДФН2. Нерешенность этих вопросов обусловлена ограничениями экспериментальных методов. Компьютерный анализ и моделирование молекулярных взаимодействий позволяют преодолевать экспериментальные ограничения и получать надежно обоснованные выводы о структуре и свойствах молекулярных ассоциатов при сопоставлении результатов с экспериментальными данными. Поэтому применение компьютерного подхода актуально для выявления структурно-функциональных механизмов взаимодействия каталаз и НАДФН2, и, в первую очередь, механизмов связывания этих молекул друг с другом. Результаты такого исследования могут служить основой для определения механизмов участия НАДФН2 в проявлении физиологической активности этих ферментов, а также лучшему пониманию функциональной роли каталаз.
Цель исследования
Изучить структурно-функциональные механизмы связывания каталаз и НАДФН2 методами компьютерного анализа и моделирования.
Задачи исследования
- Определить существование общих структурных особенностей каталаз, способствующих или предотвращающих связывание НАДФН2.
- Построить модели комплексов каталаз с НАДФН2 и его фрагментами, провести их анализ.
- Оценить влияние строения сайтов связывания НАДФН2 в каталазах на геометрию комплексов.
- Выявить функциональные механизмы, определяющие способность каталаз к образованию комплексов с НАДФН2.
Научная новизна
Впервые выполнено выравнивание аминокислотных последовательностей 14 каталаз с учетом их трехмерной структуры на основании анализа которого показано отсутствие в каталазах общих структурных компонентов взаимодействия с НАДФН2. Модельные расчеты комплексов каталаз с неорганическими монофосфатами позволили впервые предложить структуру этих комплексов и продемонстрировать близость расположения неорганических фосфатов к 2'-фосфатной группе НАДФН2. Для каталазы «А» Saccharomyces cerevisiae предсказаны ранее экспериментально не установленные конфигурации комплексов с 2',5'-АДФ и НАДФН2. Впервые с применением моделирования подтверждена гипотеза о влиянии различий в строении сайтов связывания НАДФН2 на геометрические характеристики комплексов. Выявлены важные функциональные механизмы, определяющие способность каталаз к взаимодействию с НАДФН2.
Практическая значимость работы
Результаты анализа механизмов связывания каталаз с НАДФН2 создают предпосылки для более глубокого понимания физиологической роли этих ферментов, их участия в воспалительных реакциях, регуляции клеточной пролиферации и опухолевого роста. Уточнение функциональной роли каталаз будет способствовать разработке более эффективных методов лечения заболеваний, обусловленных дисрегуляцией этих фундаментальных физиологических процессов. Примененная методика построения и оценки моделей комплексов каталаз с НАДФН2 и его фрагментами может быть полезна при исследовании других лиганд-рецепторных комплексов.
Основные положения, выносимые на защиту
- В каталазах различие аминокислотных последовательностей сайтов связывания НАДФН2 определяет не только прочность комплексов, но и геометрию связанного лиганда.
- Примененная методика моделирования позволяет получать важные сведения о структуре и механизмах формирования комплексов каталаз и НАДФН2.
- Связывание 2'-фосфата НАДФН2 является важным функциональным механизмом, определяющим способность каталаз к образованию устойчивого комплекса с динуклеотидом, — в несвязывающих НАДФН2 каталазах отсутствует специализированный сайт для этого фрагмента.
Внедрение результатов исследования
Результаты диссертационной работы использованы в лекциях и практических занятиях по теме «Современные подходы к компьютерному моделированию биохимических процессов» кафедры биохимии и по теме «Энзимология» кафедры клинической лабораторной и микробиологической диагностики ГОУ ВПО «Уральская государственная медицинская академия» Минздравсоцразвития России.
Апробация работы
Результаты работы доложены на V Симпозиуме «Биологические основы терапии онкологических заболеваний» (Москва, 2007), на семинаре по проблемам компьютерного моделирования лаборатории квантовой химии и спектроскопии Института квантовой химии твердого тела УрО РАН (Екатеринбург, 2008), на научной конференции «Физиология и патология нейтрофилов», посвященной 165-летию со дня рождения И. И. Мечникова и 65-летию Победы в ВОВ, отдела общей патологии ЦНИЛ Уральской Государственной Медицинской Академии (Екатеринбург, 2010) и на Российской конференции с международным участием «Фундаментальные вопросы гематологии. Достижения и перспективы» (Екатеринбург, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 4 работы. Из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка печатных работ и приложений. Она изложена на 217 страницах, содержит 39 рисунков, 21 таблицу. Указатель литературы включает 220 работ, в том числе 211 — в зарубежных изданиях.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Материалы и методы
Выравнивание каталаз
Выравнивание аминокислотных последовательностей 14 каталаз (таблица 1) с учетом их пространственной структуры проведено в программе «Chimera» (Meng E. C. et al., 2006). Все координаты получены из Белковой Базы Данных (Protein Data Base, PDB, Bernstein F. et al., 1977; Berman H. M. et al., 2003).
Таблица 1 - Каталазы для выравнивания аминокислотных последовательностей
| № | Каталаза (аббревиатура) | Код PDB | Комплекс НАДФН2 | Ссылка |
| 1 | Каталаза эритроцитов человека (ЧЭК) | 1DGB | прочный | Putnam C. D. et al., 1995 |
| 2 | Бычья печеночная каталаза (БПК) | 7CAT | прочный | Fita I. et al., 1985 |
| 3 | Каталаза Proteus mirabilis (ПМК) | 2CAH | прочный | Gouet P. et al., 1995 |
| 4 | Каталаза Micrococcus luteus (МЛК) | 1GWH | слабый | Murshudov G. N. et al., 2002 |
| 5 | Каталаза «А» Saccharomyces cerevisiae (КАТА) | 1A4E | слабый | Mate M. J. et al., 2004 |
| 6 | Каталаза Enterococcus faecalsis (ЭФК) | 1SI8 | да | Hakansson K. O. et al., 2004 |
| 7 | Каталаза Vibrio salmonicida (ВСК) | 2ISA | да | Riise E. K. et al., 2007 |
| 8 | Каталаза Helicobacter pylori (ГПК) | 1QWL | нет | Loewen P. C. et al., 2004 |
| 9 | Каталаза «Ф» Pseudomonas syringae (КАТФ) | 1M7S | нет | Carpena X. et al., 2003 |
| 10 | Каталаза Exiguobacterium oxidotolerans (ЕКТА) | 2J2M | нет | Hara I. et al., 2007 |
| 11 | Гидропероксидаза II Escherichia coli (ГПII) | 1GGE | нет | Bravo J. et al., 1999 |
| 12 | Каталаза Penicillium vitale (ПВК) | 2IUF | нет | Murshudov G. N. et al., 2002 |
| 13 | Каталаза-1 Neurospora crassa (НКК-1) | 1SY7 | нет | Diaz A. et al., 2004 |
| 14 | Каталаза-3 Neurospora crassa (НКК-3) | 3EJ6 | нет | Diaz A. et al., 2009 |
Моделирование комплексов
Построение моделей комплексов проводили для трех каталаз – ЧЭК, КАТА и ГПК. Поскольку среди прочно связывающих НАДФН2 каталаз структура ЧЭК определена наиболее точно, моделирование этого комплекса позволяет детально отследить влияние вариаций структуры лиганда и рецептора на формирование комплекса. В слабом комплексе КАТА и НАДФН2 конфигурация лиганда неизвестна, однако для него получена электронная плотность. Вследствие особенностей первичной структуры в КАТА динуклеотид может располагаться иначе, чем в прочно связывающих каталазах. Поэтому определение конфигурации этого комплекса представляет несомненный интерес, а интерпретация результатов может быть обоснована экспериментальными данными. ГПК не связывает НАДФН2, однако в соответствующем сайте этого фермента нет очевидных препятствий для размещения лиганда и анализ взаимодействий ГПК с ним может способствовать выявлению важных функциональных механизмов молекулярной ассоциации каталаз и НАДФН2.
В ЧЭК, КАТА и ГПК с помощью программы «AutoDock-3.05» (Morris G. M. et al., 1998) встраивали неорганические монофосфаты (H2PO4-, HPO42-, PO43-) и 2',5'-АДФ4-, наиболее важные для связывания фрагменты НАДФН2, и собственно НАДФН24-. С помощью собственной реализации набора параметров и функций «MMFF94s» (Halgren T. A., 1996) рассчитали энергии образования комплексов в кристаллографических и модельных конфигурациях. Провели кластерный анализ лигандов (средне-квадратическое отклонение, с.к.о., между минимальной по энергии моделью и всеми остальными моделями в кластере < 0,5 ). Анализ результатов проводили также с помощью диаграмм «с.к.о. от минимальной модели – энергия», построенных в программе «OpenOffice Сalc». С помощью программы «Chimera» провели визуальный анализ геометрии комплексов и подготовку иллюстраций.
Результаты и их обсуждение
Выравнивание каталаз
При анализе результатов выравнивания 14 каталаз с учетом их пространственной структуры выявлено значительное разнообразие аминокислотных последовательностей в сайтах связывания НАДФН2 или соответствующих им сайтах в несвязывающих это лиганд ферментах.
В каталазных комплексах НАДФН2 наибольшее количество контактов с белком образуют аденин, 2'-фосфат, пирофосфат, никотинамидрибозид, а адениновая рибоза меньше вовлечена в межмолекулярные взаимодействия.
В образующих наиболее прочные комплексы с НАДФН2 ЧЭК и БПК важную роль в связывании аденинового гетероцикла играют (в нумерации ЧЭК) фенилаланин-198, аргинин-203, фенилаланин-446, валин-450 и лейцин-451 и серин-201, гидроксил боковой цепи которого образует водородную связь с NH26-экзоциклической группой аденина.
Фенилаланин-198 в ЧЭК и фенилаланин-197 в БПК стерически препятствуют размещению аденина, однако смещение боковых цепей этих аминокислот при связывании лиганда устраняет препятствие для аденина (Putnam C. D. et al., 1995). Соответствующие им изолейцины в ПМК, КАТА, ВСК и ЭФК имеют менее объемные боковые цепи и не препятствуют связыванию аденина, так же как и зафиксированный водородной связью в оптимальном положении тирозин-183 в МЛК. В несвязывающих НАДФН2 каталазах в этой позиции расположены остатки с более объемными и малоподвижными боковыми цепями – триптофан или лейцин, препятствующие правильной ориентации аденина. Однако, в ЕКТА соответствующее положение занимает гистидин-179, не конфликтующий с аденином. Серин, соответствующий серину-201 в ЧЭК, найден в 11 каталазах. В МЛК здесь находится глицин, в – треонин, а в ПВК - аланин. Фенилаланину-446 в ЧЭК и -445 в БПК соответствует лейцин в остальных 5 связывающих динуклеотид каталазах и в несвязывающей его КАТФ, фенилаланин в БПК, ГПII, ПВК, НКК-1 и НКК-3, валин-427 в ЕКТА, мешающий никотинамидной рибозе, и тирозин-432 в ГПК, препятствующий связыванию аденина. Валину-450 в ЧЭК соответствует валин еще в 3 НАДФН2-связывающих каталазах (БПК, КАТА и МЛК), а в 3 других - лейцин. В 6 из 7 не связывающих НАДФН2 каталазах эту позицию занимает серин, а в седьмой - – аргинин-430. Большое разнообразие остатков обнаружено в каталазах в позиции, соответствующей лейцину-451 ЧЭК, без явной связи с образованием комплекса с НАДФН2. Лейцин здесь обнаружен в БПК, ПМК, КАТА, ЭФК, ГПК, НКК-3 и ПВК. Соответствующие метионин-474 в НКК-1, глутамин-515 в ГПII и тирозин-448 в КАТФ конфликтуют с аденином, а метионин-429 в ВСК, метионин-431 в ЕКТА и фенилаланин-438 в МЛК размещению аденина не препятствуют.
Во всех изученных НАДФН2-связывающих каталазах в позиции, соответствующей аргинину-203 в ЧЭК, также обнаружен аргинин. Гуанидиновая группа этого аргинина связывает 2'-фосфат, а вдоль его протяженной углеводородной боковой цепи расположен аденин. Вероятно, присутствие этого остатка является необходимым, но недостаточным условием для связывания НАДФН2, поскольку этот аргинин также присутствует в 3 (ГПК, НКК-1 и ГПII) из 7 каталаз, не образующих устойчивый комплекс с динуклеотидом. В 2 других ферментах (КАТФ, ЕКТА) в соответствующей позиции расположены глутаматы, электростатически отталкивающие 2'-фосфат, а еще в 2 – гистидин (-196, ПВК) и аспарагин (-234, НКК-3), короткие боковые цепи которых не способны к оптимальному связыванию 2'-фосфата и аденина. В большинстве НАДФН2-связывающих каталаз с 2'-фосфатом взаимодействует еще одна аминокислота с катионной боковой цепью. В ЧЭК, БПК, КАТА и ЭФК это лизин, а в ПМК – аргинин. В МЛК реализован иной структурный механизм и в соответствующей позиции в ней находится изолейцин-222, а функциональный аргинин-295 расположен там, где в других НАДФН2-связывающих каталазах лежит лейцин. В ВСК изолейцину-222 в МЛК соответствует валин-216, а роль второй катионной аминокислоты играет, возможно, лизин-433, которому в других изученных каталазах соответствуют глутамат или глутамин. В 4 несвязывающих НАДФН2 каталазах в соответствующих позициях находится лизин (КАТФ, ГПII, ПВК и НКК-3). Гистидин-218 в ГПК, валин-218 в ЕКТА и треонин-258 в НКК-3 имеют слишком короткие боковые цепи и, вероятно, не могут обеспечить связывание 2'-фосфата. В КАТФ глутамат-310 занимает позицию, аналогичную аргинину-295 в МЛК, и может препятствовать размещению 2'-фосфата вследствие электростатического отталкивания.
В прочно связывающих НАДФН2 каталазах пирофосфат интенсивно взаимодействует с гистидином-305, -304 и -284 (в ЧЭК, БПК и ПМК соответственно). Еще только в ВСК в этой позиции также находится гистидин. В образующих слабые комплексы с НАДФН2 МЛК, КАТА и ЭФК соответствующую позицию занимает глутамин, конфигурация которого препятствует связыванию по крайней мере, 5'-аденинового фосфата. Однако в КАТА обнаружена вставка из 2 аминокислот, отсутствующих в 13 других каталазах – лизин-455 и глутамин-456. В занимаемом положении лизин-455 может продуктивно взаимодействовать с пирофосфатом, а глутамин-456, возможно, вовлечен в дополнительные взаимодействия с аденином. В каталазах, не связывающих динуклеотид, гистидину-305 ЧЭК соответствуют глутаматы (ЕКТА, ПВК, ГПII, НКК-1, НКК-3), треонин (ГПК), либо делеция в КАТФ. Примечательно, что в следующей позиции в ЕКТА, ПВК, ГПII, НКК-1, НКК-3 также находятся аминокислоты с отрицательно заряженной боковой группой, вызывающей электростатическое отталкивание пирофосфата. В КАТФ здесь также находится делеция, в ГПК – глутамин, а в других каталазах - не препятствующие связыванию пирофосфата остатки – лизин, глицин, аланин.
В ЧЭК гистидин-194 образует с 2'-гидроксилом никотинамидной рибозы водородную связь. В других связывающих НАДФН2 и в 4 (ГПII, ПВК, НКК-1 и НКК-3) не образующих устойчивый комплекс с динуклеотидом каталазах аналогичную позицию также занимает гистидин. Соответствующее положение в ЕКТА занимает аспарагин-175, в ГПК – тирозин-175, а в КАТФ - аргинин-196. В двух последних случаях возникает стерический конфликт с никотинамидной рибозой. В ЧЭК карбонильный кислород главной цепи глутамина-442 связан водородной связью с 3'-гидроксилом рибозы. Глутамин в соответствующей позиции найден еще в 12 каталазах, а в ГПII здесь находится гистидин-507. Консервативность аминокислот в этой позиции и использование их главной цепи в межмолекулярных контактах свидетельствуют о неспецифичном связывании никотинамидной рибозы.
Связывание никотинамида НАДФН2 каталазами также в большой степени неспецифично и обусловлено вовлечением консервативных остатков или взаимодействием с главными цепями аминокислот. Так, во всех 14 каталазах к каталитическому атому С4 никотинамида обращен пролин. В 13 из 14 каталаз рядом с амидным кислородом никотинамида находится атом CE1 имидазольного кольца гистидина (-235 в ЧЭК), и только в ЕКТА в такой позиции находится аргинин-216, стерически препятствующий размещению никотинамида. В 5 связывающих НАДФН2 каталазах карбонильный кислород главной цепи триптофана находится на расстоянии образования водородной связи с NH2-группой никотинамида. В МЛК это положение занимает изолейцин-288, а в ЭФК – валин-282. В несвязывающих динуклеотид ГПК, ЕКТА, КАТФ и НКК-1 в соответствующей позиции также расположен триптофан, в ГПII – изолейцин-360, в ПВК - валин-296 и в НКК-3 - лейцин-334. Важную роль в формировании окружения никотинамида играет валин-302 в ЧЭК и соответствующие ему остатки валина в БПК, ПМК, КАТА, ВСК или треонина в МЛК и ЭФК. В несвязывающих НАДФН2 каталазах здесь расположены лейцин, изолейцин, аспартат или фенилаланин, стерически препятствующие размещению никотинамида и связанной с ним рибозы.
Полученные данные свидетельствуют о том, что каталазы используют индивидуальные механизмы взаимодействия с динуклеотидом, а общие элементы первичной структуры, определяющие их способность к такому взаимодействию, отсутствуют. В связывании адениновой половины молекулы лиганда каталазы используют специфические аминокислоты, а в ассоциации с никотинамидом задействованы также общие как для связывающих, так и для несвязывающих НАДФН2 каталаз остатки. В высокомолекулярных ферментах соединительная петля между общей для всех каталаз коровой структурой и флаводоксин-подобным доменом создает дополнительное препятствие для связывания НАДФН2. Эти результаты соответствуют полученным ранее данным по выравниванию аминокислотных последовательностей некоторых каталаз с учетом пространственной структуры (Mate M. J. et al., 1999, Chelikani P. et al., 2004) и существенно расширяют их за счет исследования большего числа ферментов и использования более совершенного инструментария.
Моделирование НАДФН2 и его фрагментов в ЧЭК
В кристаллографическом комплексе ЧЭК и НАДФН2 только две субъединицы - «А» и «С» связаны с лигандом, а две другие - «B» и «D» находятся в свободной состоянии. Предполагается, что структура свободных субъединиц в кристалле соответствует их структуре в растворе. Кроме того, положение боковых цепей аминокислот в сайтах связывания НАДФН2 в свободных субъединицах несколько отличается от их положения в комплексе с лигандом. Особенно этот эффект выражен в субъединице «D» (Putnam C. D. et al., 1995).
Проведенное моделирование неорганических монофосфатов в ЧЭК позволило надежно определить сайт связывания монофосфатной группы во всех 4 субъединицах фермента (таблица 1). Модели наиболее близких к 2'-фосфату по физико-химическим свойствам HPO42- и PO43- находятся в непосредственной близости от кристаллографического положения этого фрагмента, однако слегка отклоняются от него.
В субъединицах «A»-«C» H2PO4- также близок к положению 2'-фосфата НАДФН2, однако смещен от него несколько больше, чем HPO42- и PO43-. Большее отклонение H2PO4- согласуется с меньшим соответствием свойств этой формы монофосфата и 2'-фосфата НАДФН2 в условиях моделирования (pH 7,0) или выделения комплекса (pH 8,5). В субъединице «D» финальная модель H2PO4- (с минимальной энергией) находится между гемовыми карбоксилатами, а ближайшая к 2'-фосфату модель значительно отклонена от него и характеризуется более высокой энергией (таблица 2). Измененная структура субъединицы «D» в сайте размещения НАДФН2 может препятствовать связыванию H2PO4-, но, согласно результатам моделирования, не HPO42- и PO43-.
В ЧЭК может существовать специализированная область, а не отдельный сайт связывания монофосфатных групп. Так, энергии 2'-фосфата в формах HPO42- и PO43- (-283,710 и -442,422 ккал/моль соответственно) в субъединице «A» из экспериментальной структуры близки к энергиям смещенных от этого фрагмента моделей HPO42- и PO43- (таблица 2). Существование такой зоны в каталазах может способствовать более продуктивному захвату лиганда, а также облегчать подгонку других фрагментов НАДФН2 к наиболее оптимальному их положению в сайте связывания. Результаты моделирования неорганических фосфатов в ЧЭК подтверждаются экспериментальными данными. Структуры комплексов каталаз и неорганических монофосфатов неизвестны. Однако смещение моделей от HPO42- и PO43- от экспериментального положения 2'-фосфата в ЧЭК близко к смещению SO42- от 2'-фосфата НАДФН2 в ПМК. Кроме того, в НАДФ(Н2)-связывающих ферредоксинредуктазе из шпината (ФРШ, Bruns C. M. et al., 1995) и человеческой эритроцитарной глутатион-редуктазе (ЧЭГР, Pai E. F. et al., 1988) экспериментальное положение неорганического монофосфата также близко, но не совпадает с положением 2'-фосфата НАДФ(Н2). В двух последних ферментах неорганический фосфат не обнаружен в области расположения пирофосфатной группы, также, как и при моделировании, хотя в ПМК одна из молекул SO42- близка к положению 5'-никотинамидного фосфата. Вероятно, область у 2'-фосфата обладает наибольшей аффинностью к монофосфатной группе, а сайт связывания пирофосфата – к дифосфату. Связывание же сульфата, вследствие различий в физико-химических свойствах с монофосфатом, может быть менее специфичным.
Таблица 2 - Результаты моделирования неорганических фосфатов в ЧЭК
| Фосфат (формула) | Цепь | Комплекс с НАДФН2 | с.к.о. от 2'-фосфата | «MMFF94s»-энергия, ккал/моль | Минимум энергии |
| «A» | + | 1,095 | -146,019 | + | |
| H2PO4- | «B» | - | 1,142 | -154,535 | + |
| «C» | + | 1,185 | -148,657 | + | |
| «D» | - | 3,642 | -79,445 | - | |
| «A» | + | 1,149 | -299,136 | + | |
| HPO42- | «B» | - | 1,193 | -281,524 | + |
| «C» | + | 1,063 | -296,110 | + | |
| Продолжение таблицы 2 | |||||
| «D» | - | 2,191 | -255,309 | + | |
| «A» | + | 1,094 | -444,926 | + | |
| PO43- | «B» | - | 1,343 | -428,026 | + |
| «C» | + | 1,089 | -463,160 | + | |
| «D» | - | 2,242 | -415,490 | + | |
Каталазы, образующие устойчивый комплекс с НАДФН2, связывают также и 2',5'-АДФ. Однако структура комплексов с дифосфатом неизвестна (Hillar А. et al., 1994). Финальная модель 2',5'-АДФ в конформации, которую он имеет в НАДФН2 из кристаллографического комплекса с ЧЭК, значительно отклонена от экспериментального положения (с.к.о. 3,880 ), что главным образом связано с расположением 5'-фосфата в сайте никотинамидного амида. Финальная модель 2',5'-АДФ, полученная при варьировании конформации, также существенно отклонена от кристаллографической конфигурации (с.к.о. 4,225 ). Она некорректна (2'-фосфат расположен у гуанидина аргинина-203, 5'-фосфат – вблизи 2'-фосфата в кристалле, аденин и рибоза выведены из своих сайтов) и отличается от ригидной модели (с.к.о. 4,619 ). Однако энергия 2',5'-АДФ из экспериментальной структуры НАДФН2 в ЧЭК (-363,653 ккал/моль) значительно ниже минимальной энергии моделей (-326,778 ккал/моль). Очевидно, ошибка связана с позиционированием 5'-фосфатного фрагмента при построении моделей в «AutoDock». Свободный 2',5'-АДФ в ФРШ и ЧЭГР связывается в очень близкой конфигурации к той, в которой он находится в этих ферментах в составе НАДФ(Н2) (Bruns C. M. et al., 1995, Pai E. F. et al., 1988). При этом, вероятно, 5'-адениновый фосфат связывается в положении пирофосфатной группы, только если другие фрагменты 2',5'-АДФ расположены корректно. Применение «MMFF94s» позволяет отобрать корректную конфигурацию комплекса, если учитывать экспериментальные данные.
Модель НАДФН2, полученная при встраивании его в ЧЭК (в кристаллографической конформации), незначительно отклоняется от экспериментального положения (максимальное с.к.о. 0,341 ). Хотя различия малы, экспериментальная геометрия имеет более низкую энергию (-314,791 против -308,679...-304,233 ккал/моль у моделей). Кроме того, 2',5'-АДФ из этих моделей НАДФН2 обладает меньшими энергиями, чем из экспериментальной конфигурации НАДФН2 (-372,970...-371,947 ккал/моль). Эти результаты, при их сопоставлении с экспериментальными данными для ФРШ и ЧЭГР, свидетельствуют о том, что в ЧЭК свободный 2',5'-АДФ занимает положение, близкое, но не совпадающее с положением в составе НАДФН2. Таким образом, эта конфигурация 2',5'-АДФ может соответствовать реальному положению свободного дифосфата в ЧЭК.
При варьировании конформации НАДФН2 получены три модели с минимальными энергиями (-206,008, -202,199 и -195,302 ккал/моль). В 2 минимальных моделях отсутствуют критические ошибки размещения фрагментов и значительные препятствия для их правильной реориентации. В первой модели большая часть молекулы близка к экспериментальному положению (с.к.о. 2',5'-АДФ - 1,144, 5'-аденинового фосфата - 0,485, 5'-никотинамидного — 0,561 ), а никотинамидрибозид отклонен к амиду боковой цепи аспарагина-449 на открытом участке поверхности белка (с.к.о. 6,919 ). Во второй модели 2'-фосфат лежит около своей позиции в кристалле (с.к.о. 1,754 ), аденин и 5'-адениновый фосфат – в центре сайта без контактов с белком, адениновая рибоза смещена к аммонию боковой цепи лизина-237, 5'-никотинамидный фосфат близок к 5'-адениновому в кристалле (с.к.о. 1,546 ), никотинамидрибозид расположен на открытом участке у пролина-304. Таким образом, эти модели могут отражать промежуточные этапы образования комплекса. Отклонение третьей модели от экспериментального положения (СКО 2,153 ) обусловлено поворотом никотинамидного кольца на 180 вокруг оси, соединяющей атомы С1-С4. Поскольку остальные фрагменты молекулы прочно связаны, а никотинамид лежит в узком сайте, реориентация никотинамида значительно осложнена. Хотя существование этой конфигурации маловероятно, оно возможно (при низком заселении). Так, схожее обращение положения никотинамидного кольца (с непродуктивным связыванием) предполагается в комплексе НАД+ и лактатдегидрогеназы из мышц морской собаки Scualus acanthias (Vincent S. J. F. et al., 1997).
Моделирование НАДФН2 и его фрагментов в КАТА
В КАТА обнаружена вставка лизина-455, отсутствующая в других выровненных каталазах. 5'-фосфат НАДФН2 из ЧЭК находится в КАТА ближе к аммонийной группе лизина-455 (4,534 ), чем к амиду боковой цепи глутамина-302 (5,359 ), соответствующего гистидину-305 ЧЭК, а положение амида глутамина-302 препятствует его продуктивному взаимодействию с 5'-фосфатом. Поскольку электронная плотность для 5'-фосфата НАДФН2 из БПК (и ЧЭК) в КАТА не видна (Mate M. J. et al., 1999), можно предполагать, что 5'-фосфат в КАТА связывается лизином-455.
В КАТА модели неорганических монофосфатов найдены в двух сайтах. H2PO4- расположен вне сайта связывания НАДФН2 между гистидином-191, лизином-298, аспартатом-442, глутамином-445 и аланином-446. Модели PO43- и HPO42- находятся около 2'-фосфата НАДФН2 из ЧЭК (максимальные с.к.о. 1,546 и 1,618 соответственно). Так как в КАТА 2'-фосфату НАДФН2 из ЧЭК соответствует четкая электронная плотность (Mate M. J. et al., 1999), модельное положение HPO42- и PO43- корректно. Поскольку энергия 2'-фосфата НАДФН2 из ЧЭК в формах PO43- и HPO42- (-488,221 и -316,805 ккал/моль соответственно) существенно выше энергии моделей PO43- и HPO42- (максимальные значения -559,386 и -386,555 ккал/моль соответственно), модельный сайт HPO42- и PO43- близок или совпадает с реальным сайтом связывания 2'-фосфата в КАТА.
В КАТА модели 2',5'-АДФ отклонены от 2',5'-АДФ в НАДФН2 из ЧЭК (минимальное с.к.о. 2,163 ). При этом 5'-адениновый фосфат удален от его позиции в НАДФН2 из ЧЭК (минимальное с.к.о. 2,358 ), что согласуется с отсутствием электронной плотности в этом сайте (Mate M. J. et al., 1999). В моделях 2',5'-АДФ в КАТА с минимальной энергией образования комплекса 2'-АМФ лежит около 2'-АМФ НАДФН2 из ЧЭК, которому соответствует четкая электронная плотность (Mate M. J. et al., 1999), а 5'-фосфат находится у аммония боковой цепи лизина-455. В ЧЭК и КАТА сайты размещения 2'-АМФ имеют сходное строение, однако энергия 2',5'-АДФ из ЧЭК в КАТА (-434,404 ккал/моль) намного выше минимальных модельных значений (-591,030... -546,265 ккал/моль), и, согласно результатам расчетов и экспериментальным данным по распределению электронной плотности, если и реализуется, то с низкой вероятностью. Таким образом, в настоящей работе впервые получена обоснованная структура комплекса 2',5'-АДФ и КАТА.
Финальная модель НАДФН2 в КАТА удалена от НАДФН2 из ЧЭК (с.к.о. 4,035 ) и имеет заметно более низкую энергию (-441,418 против -364,679 ккал/моль). В этой модели 2',5'-АДФ близок к минимальной по энергии модели свободной 2',5'-АДФ (с.к.о. 1,672 ), пирофосфат расположен у аммония боковой цепи лизина-455, никотинамидная рибоза замещает 5'-никотинамидный фосфат НАДФН2 из ЧЭК, а никотинамид – никотинамидную рибозу. Таким образом, отбор моделей НАДФН2 определяется схожим с другими каталазами размещением 2'-АМФ и локализацией пирофосфата у аммония боковой цепи лизина-455. Полученные результаты согласуются с данными рентгеноструктурного анализа и отбором моделей комплексов КАТА с неорганическими фосфатами и 2',5'-АДФ. Однако никотинамидная половина молекулы лиганда в отобранной модели расположена в КАТА иначе, чем в ЧЭК, что определяется альтернативным размещением пирофосфата. Таким образом, результаты расчетов и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что отобранная модель комплекса НАДФН2 в КАТА соответствует его реально существующей и ранее не установленной конфигурации, а отклонение пирофосфатной группы НАДФН2 в КАТА от глутамина-302 к лизину-455 подтверждает сформулированную для комплекса МЛК и НАДФН2 гипотезу о различных вариантах размещения этого лиганда в разных каталазах (Murshudov G. N. et al., 2002).
Моделирование НАДФН2 и его фрагментов в ГПК
В ГПК финальные модели неорганических фосфатов расположены между гемовыми карбоксилатами каждой из субъединиц. В отличие от ЧЭК, в ГПК различия в положении аминокислот между субъединицами незначительны. Гем связывается каталазными мономерами (Zamocky M. et al., 1999), поэтому конкуренция со стороны многочисленных фосфорилированных соединений за этот сайт связывания маловероятна или незначительна. Таким образом, действительная способность монофосфатных групп к связыванию с этим участком фермента весьма незначительна и недостаточна для образования устойчивого комплекса. Результаты моделирования в ЧЭК и КАТА свидетельствуют о том, что в НАДФН2-связывающих каталазах наибольшей аффинностью к монофосфатным группам обладает участок вблизи 2'-фосфата НАДФН2. Поскольку корректность расчетов в ЧЭК (в свободных и связанных с НАДФН2 субъединицах) и КАТА (для комплексной формы) подтверждена экспериментальными данными, очевидное несоответствие результатов моделирования неорганических фосфатов в ГПК экспериментальным данным свидетельствует об отсутствии в этой каталазе специализированного сайта связывания 2'-фосфата НАДФН2.
В ГПК найдены две модели 2',5'-АДФ с минимальными энергиями (-360,617 и -359,331 ккал/моль). Однако, они удалены друг от друга (с.к.о. 13,460 ). Одна модель находится между лизинами-224 и -259 и гистидином-218, а другая лежит в сайте, образованном метионином-292, лизинами-70 и -259, гистидином-218 и серином-261. Существование двух равноценных и граничащих друг с другом сайтов связывания 2',5'-АДФ в ГПК должно препятствовать корректному размещению НАДФН2. Размещение фосфатных фрагментов этого лиганда в слабо аффинных сайтах также указывает на нереалистичность этих моделей. Кроме того, энергия образования комплекса между ГПК и 2',5'-АДФ НАДФН2 из ЧЭК имеет сильно положительное значение (670,276 ккал/моль), что свидетельствует о невозможности формирования комплекса с такой геометрией.
В финальной модели комплекса НАДФН2 и ГПК лиганд удален от НАДФН2 из ЧЭК (с.к.о. 13,688 ), а 2',5'-АДФ в ней удален от финальной модели 2',5'-АДФ и от 2',5'-АДФ НАДФН2 из ЧЭК (с.к.о. 6,701 и 14,316 соответственно). В этой модели комплекса 2'-фосфат не принимает участия во взаимодействии с ферментом, что согласуется с отсутствием в ГПК специализированного сайта связывания этого фрагмента. Комплекс с такой геометрией, вероятно, не может существовать в водном растворе, поскольку в нем потеря благоприятных контактов 2'-фосфата с ГПК способствует интенсивной гидратации 2'-фосфата, что, в свою очередь, должно вызывать еще большее ослабление взаимодействий между лигандом и рецептором. Кроме того, в этой модели значительно затруднено связывание пирофосфата. Если 5'-никотинамидный фосфат образует интенсивные взаимодействия с аммонием боковой цепи лизина-259, то 5'-адениновый фосфат взаимодействует только с гидрофобной боковой цепью метионина-220. В этой конфигурации проявляются такие же эффекты в отношении 5'-аденинового фосфата, которые описаны выше для 2'-фосфата. Расположение этой модели противоречит также экспериментальным данным по связыванию НАДФН2 каталазами, в осуществлении которого ведущую роль играет адениновая половина лиганда.
Очень высокое положительное значение энергии образования комплекса между ГПК и НАДФН2 из ЧЭК (2471,694 ккал/моль) свидетельствует о невозможности существования этой конфигурации. Таким образом, результаты расчетов свидетельствуют о том, что основными причинами неспособности ГПК к связыванию НАДФН2 являются отсутствие специализированного сайта связывания 2'-фосфата, невозможность сбалансированного размещения пирофосфата и стерические препятствия для расположения аденина и никотинамидной половины лиганда.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты выравнивания аминокислотных последовательностей каталаз с учетом их пространственной структуры указывают на отсутствие в этих ферментах общих мотивов первичной структуры, ответственных за образование комплексов с НАДФН2. Напротив, каталазы связывают НАДФН2 с использованием специфического для каждого фермента набора аминокислот. В несвязывающих динуклеотид каталазах также нет единых структурных механизмов, препятствующих образованию устойчивого комплекса. Таким образом, в настоящей работе дан обоснованный отрицательный ответ на дискутировавшийся длительное время в литературе вопрос о существовании маркерного для связывания НАДФН2 мотиве в первичной структуре каталаз (Chelikani P. et al., 2004).
Механизм взаимодействия НАДФН2 с активным центром каталаз неизвестен. Предложенные ранее модели по переносу пары электронов на большие расстояния через белок сталкиваются с фундаментальными трудностями и не имеют экспериментального подтверждения (Andreoletti P. et al., 2001). Вместе с тем, накапливается все больше данных о том, что конформационные перестройки существенно необходимы для функционирования каталаз (Gouet P. et al., 1996; Kalko S. G. et al., 2001; Riise E. K. et al., 2007). Они могут изменять геометрию комплекса и способствовать оптимальному взаимному расположению НАДФН2 и содержащего гем активного центра. Проведенное моделирование позволило установить ряд функциональных механизмов, определяющих взаимодействие каталаз и НАДФН2, а также выявить закономерности между структурой сайта связывания и геометрией комплекса. Учет полученных результатов при проверке конформационной гипотезы будет способствовать прояснению функциональных механизмов взаимодействия НАДФН2 и каталаз и уточнению физиологической роли этих ферментов.
ВЫВОДЫ
- Каталазы существенно различаются по первичной структуре сайта, ассоциированного со связыванием НАДФН2, при этом в каталазах отсутствуют общие мотивы аминокислотной последовательности, определяющие связывание НАДФН2.
- Неорганические монофосфаты связываются в каталазах вблизи 2'-фосфата НАДФН2; в комплексе с каталазами 2',5'-АДФ имеет близкое расположение к его позиции в составе НАДФН2; модели комплексов НАДФН2 с КАТА и ЧЭК могут отражать промежуточные этапы формирования комплекса или альтернативные варианты его структуры.
- Геометрия НАДФН2 в комплексах с разными каталазами варьирует и определяется особенностями строения сайта связывания.
- Связывание 2'-фосфата в специализированном сайте и сбалансированное размещение фосфатов НАДФН2 являются важными функциональными механизмами, определяющими способность каталаз к образованию устойчивого комплекса с НАДФН2.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Полученные результаты могут быть использованы для изучения функциональных механизмов взаимодействия НАДФН2 и каталаз и проверки гипотезы об определяющем значении конформационных перестроек рецептора в этих процессах.
Опробованную методику моделирования можно применять при анализе лиганд-рецепторных взаимодействий в других комплексах.
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
- Егоров Д.А. Компьютерное моделирование сложных лиганд-рецепторных взаимодействий / Д.А. Егоров, Л.И. Савельев, С.В. Цвиренко // Вест. мед. акад. науки. - 2006. - №2. - С. 9-14.
- Егоров Д.А. Применение силового поля «MMFF94s» для оценки моделей комплексов человеческой эритроцитарной каталазы с НАДФН2 и его фрагментами, построенных «AUTODOCK» / Д.А. Егоров, Л. И. Савельев, С.В. Цвиренко // Вест. мед. акад. науки. – 2010. - №2. - С. 90-95.
- Егоров Д.А. Моделирование комплекса каталазы «А» Saccharomyces cerevisiae и НАДФН2 для предсказания его геометрии / Д.А. Егоров, Л.И. Савельев, С. В. Цвиренко, Л. Г. Фечина // Уральский медицинский журнал. – 2010. - №6 (71). - С. 71-77.
Публикации в других изданиях
- Егоров Д. А. Проблемы компьютерного моделирования лиганд-рецепторных взаимодействий в опухолевых клетках / Д.А. Егоров, Л.И. Савельев, С. В. Цвиренко, Л. Г. Фечина // Вопросы гематологии/ онкологии и иммунологии в педиатрии. – 2006. - Т. 5, № 4. - С. 10-11.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
2'-АМФ – аденозин-2'-монофосфат.
2',5'-АДФ – аденозин-2',5'-дифосфат.
БПК – Бычья печеночная каталаза.
ВСК – каталаза из Vibrio salmonicida.
ГПК – каталаза из Helicobacter pylori.
ГПII – гидропероксидаза II (каталаза) Escherichia coli.
ЕКТА – каталаза из Exiguobacterium oxidotolerans.
КАТА – дрожжевая каталаза «А».
КАТФ – каталаза «Ф» Pseudomonas syringae.
МЛК – каталаза из Micrococcus lysodeikticus.
НАД+ — окисленный никотинамидадениндинуклеотид.
НАДН2 — восстановленный никотинамидадениндинуклеотид.
НАДФ+ — окисленный никотинамидадениндинуклеотид-фосфат.
НАДФН2 — восстановленный никотинамидадениндинуклеотид-фосфат.
НКК-1– каталаза-1 из Neurospora crassa.
НКК-3 – каталаза-3 из Neurospora crassa.
ПВК – каталаза из Penicillium vitale.
ПМК – каталаза из Proteus mirabilis.
с. к. о. – средне-квадратическое отклонение.
ФРШ – ферредоксин-редуктаза шпината.
ЧЭГР – человеческая эритроцитарная глутатион-редуктаза.
ЧЭК – Человеческая эритроцитарная каталаза.
ЭФК – каталаза из Enterococcus faecalis.
MMFF94s – Merck Molecular Force Field, static version, – статическая версия набора параметров и функций, разработанных в компании «Merck» для оценки молекулярных взаимодейcтвий.
PDB – Protein Data Base, Белковая База Данных
Егоров Дмитрий Александрович
АНАЛИЗ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАТАЛАЗ И НАДФН2 МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Специальность 03.03.01 - Физиология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
