Collective Dynamics Underlying Allosteric Transitions: A Molecular Dynamics Study

Abstract

In Zellen übernehmen Proteine die vielfältigsten Funktionen. Diese Funktionen sind oftmals durch einen speziellen Mechanismus kontrolliert: die allosterische Regulation. Bei dieser hängen die Bindungsaffinitäten in einer Bindungstasche von anderen, entfernten Bindungstaschen ab. Die vorliegende Arbeit beschäftigt mit den Proteindynamiken, die der allosterischen Regulation zu Grunde liegen, im Falle der kooperativen Sauerstoffbindung in Hämoglobin und der allosterischen Wechselwirkung zwischen den katalytischen Zentren in ABCE1. Um den Mechanismus der Kooperativität von Hämoglobin auf atomarem Niveau zu beleuchten, wurde eine neue computergestützte Methode entwickelt, die die Kopplung zwischen Tertiär- und Quartärbewegungen analysiert. Ausgehend von Molekulardynamiksimulationen, die spontane Quartärübergänge zeigen, wurden die Übergangstrajektorien in zwei orthogonale Bewegungsräume zerlegt: Der eine beschreibt die lokalen Bewegungen innerhalb der Proteinketten und der andere beschreibt die globalen Bewegungen zwischen den Proteinketten. Mit Hilfe von Functional Mode Analysis wurde eine kollektive Kopplungsbewegung gefunden. Wasserstoffbrücken und sterische Wechselwirkungen tragen in gleichem Maße zu dieser Bewegung bei. Zusätzlich konnten wir die Übergangsraten vom T- zum R-Zustand durch die Wahl anderer Histidinprotonierungen beeinflussen und dadurch eine mögliche atomare Erklärung für den Bohr-Effekt geben. ABCE1 ist ein nicht-transportierendes Mitglied der Proteinfamilie der "ATP binding cassettes" (ABC). Die ATP-Hydrolyse in den beiden Nucleotidbindungsdomänen (NBD) hängt mit dem Übergang von einer geschlossenen zu einer offenen Struktur zusammen. Die zwei NBD in ABCE1 erscheinen strukturell symmetrisch, zeigen jedoch eine interessante Asymmetrie: Während die Mutation eines katalytischen Glutamats in der ersten NBD die gesamte Aktivität verringert, erhöht die gleiche Mutation in der zweiten NBD die Aktivität. Als erster Schritt zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Konformationsänderung und der allosterischen Wechselwirkung wurden Molekulardynamiksimulationen und "Essential Dynamics" Simulationen durchgeführt, um so ein Strukturmodell des bisher fehlenden geschlossenen Zustandes zu erhalten. Mutationen, die den geschlossenen Zustand stabilisieren, wurden vorgeschlagen, um so möglicherweise eine geschlossene Röntgenkristallographiestruktur zu erhalten, die einen wichtigen Schritt zur Charakterisierung des allosterischen Mechanismus der funktionellen Asymmetrie darstellen würde.