A SZUBSZTRÁTKÖTŐDÉS ÉS SZUBSZTRÁTKIRALITÁS SZEREPE A HUMÁN 3-FOSZFOGLICERÁT KINÁZ DINAMIKÁJÁBAN. Pálmai Zoltán

Hasonló dokumentumok
A 3-FOSZFOGLICERÁT KINÁZ ENZIM DOMÉNZÁRÓDÁSÁNAK VIZSGÁLATA: SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS MEGKÖZELÍTÉSEK. dr. Perbiróné Szabó Judit okleveles biológus

Kutatási eredmények összefoglalása

A szubsztrátkötődés és szubsztrátkiralitás szerepe a humán 3-foszfoglicerát kináz dinamikájában

dr. Perbiróné Szabó Judit okleveles biológus

Összefoglalók Kémia BSc 2012/2013 I. félév

TDK lehetőségek az MTA TTK Enzimológiai Intézetben

Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások Definíciók

A fehérjék hierarchikus szerkezete

A Moduláris Szerveződés Szerepe a Fehérjék Térszerkezetének Kialakulásában és a Katalitikus Funkció Megvalósításában

A glükóz reszintézise.

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis

Matkovicsné Varga Andrea okleveles vegyész

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

folsav, (a pteroil-glutaminsav vagy B 10 vitamin) dihidrofolsav tetrahidrofolsav N CH 2 N H H 2 N COOH

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

Hemoglobin - myoglobin. Konzultációs e-tananyag Szikla Károly

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

A Genomikától a proteomikáig és a molekuláris dinamikáig

[S] v' [I] [1] Kompetitív gátlás

A fehérjék hierarchikus szerkezete

Gázfázisú biokatalízis

Célkitűzés/témák Fehérje-ligandum kölcsönhatások és a kötődés termodinamikai jellemzése

? ligandum kötés konformációs változás aktiválási energia számítás pka számítás kötési energiák

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Erőterek. Erőterek. Erőterek. Erőterek. Erőterek. Erőterek. Probléma: fehérjéknél nagy dimenziók értelmetlen QM eredmények.

Több szubsztrátos enzim-reakciókról beszélve két teljesen különbözõ rekció típust kell megismernünk.

FEHÉRJÉK A MÁGNESEKBEN. Bodor Andrea ELTE, Szerkezeti Kémiai és Biológiai Laboratórium. Alkímia Ma, Budapest,

Nukleinsavak építőkövei

1. Összefoglalás A doktori munka alapvető kérdése az általunk molekuladinamikai szimulációval vizsgált mindkét fehérjekomplex rendszer esetén az

Receptorok és szignalizációs mechanizmusok

Dózis-válasz görbe A dózis válasz kapcsolat ábrázolása a legáltalánosabb módja annak, hogy bemutassunk eredményeket a tudományban vagy a klinikai

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

Dr. Csanády László: Az ioncsatorna-enzim határmezsgye: egyedi CFTR és TRPM2 csatornák szerkezete, működése c. MTA doktori értekezésének bírálata

Biológiai molekulák számítógépes szimulációja Balog Erika

Doktori Tézisek. dr. Osman Fares

Kutatási eredményeim a 2014 február 1- augusztus 31. a Varga József Alapítvány Pungor Ernő doktorjelölti ösztöndíjas időszak során

Fehérjeszerkezet, és tekeredés


A racionális gyógyszertervezés lehetőségei. A racionális gyógyszertervezés lehetőségei. A racionális gyógyszertervezés lehetőségei

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

Az enzimműködés termodinamikai és szerkezeti alapjai

Új terápiás lehetőségek helyzete. Dr. Varga Norbert Heim Pál Gyermekkórház Toxikológia és Anyagcsere Osztály

Bioinformatika előad

I. BESZÁLLÍTÓI TELJESÍTMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE

Cikloalkánok és származékaik konformációja

AZ AEROSZOL RÉSZECSKÉK HIGROSZKÓPOS TULAJDONSÁGA. Imre Kornélia Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskola

Elektronegativitás. Elektronegativitás

A fehérjék szerkezeti hierarchiája. Fehérje-szerkezetek! Klasszikus szerkezet-funkció paradigma. szekvencia. funkció. szerkezet! Myoglobin.

Reakciókinetika. aktiválási energia. felszabaduló energia. kiindulási állapot. energia nyereség. végállapot

Gabonacsíra- és amarant fehérjék funkcionális jellemzése modell és komplex rendszerekben

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

Kutatási programunk fő célkitűzése, az 2 -plazmin inhibitornak ( 2. PI) és az aktivált. XIII-as faktor (FXIIIa) közötti interakció felderítése az 2

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Több oxigéntartalmú funkciós csoportot tartalmazó vegyületek

A módszerek jelentősége. Gyors-kinetika módszerek. A módszerek közös tulajdonsága. Milyen módszerekről tanulunk?

Ph. D. ÉRTEKEZÉS TÉZISEI. Varga Balázs DUTPÁZOK SZERKEZET-FUNKCIÓ VIZSGÁLATA A KATALÍTIKUS MECHANIZMUS LEÍRÁSÁRA ÉS INHIBITOROK TESZTELÉSÉRE

Kvalitatív elemzésen alapuló reakciómechanizmus meghatározás

Az enzimreakciók nemarrheniusi viselkedésének térszerkezeti háttere a konformációs flexibilitás szerepe a fehérjék hımérsékleti adaptációjában

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

Bevezetés a bioinformatikába. Harangi János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

FÖLDTULAJDON ÉS FÖLDBIRTOKVISZONYOK ALAKULÁSA AZ EU TAGORSZÁGOKBAN

Pelletek ablációjának dinamikai vizsgálata

A fehérjék harmadlagos vagy térszerkezete. Még a globuláris fehérjék térszerkezete is sokféle lehet.

Számítógépek és modellezés a kémiai kutatásokban

MedInProt Szinergia IV. program. Szerkezetvizsgáló módszer a rendezetlen fehérjék szerkezetének és kölcsönhatásainak jellemzésére

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

Dér András MTA SZBK Biofizikai Intézet

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

A magyarországi bankközi klíringrendszer működésének vizsgálata az elszámolás modernizációjának tükrében PhD értekezés tézisei

Elválasztástechnikai és bioinformatikai kutatások. Dr. Harangi János DE, TTK, Biokémiai Tanszék

A sztereoizoméria hatása peptidek térszerkezetére és bioaktivitására OTKA PD Szakmai zárójelentés. Dr. Leitgeb Balázs

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen

Biokatalitikus Baeyer-Villiger oxidációk Doktori (PhD) értekezés tézisei. Muskotál Adél. Dr. Vonderviszt Ferenc

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

Szakértesítő 1 Interkerám szakmai füzetek A folyósító szerek viselkedése a kerámia anyagokban

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

Hajder Levente 2017/2018. II. félév

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

EGY ABLAK - GEOMETRIAI PROBLÉMA

Kötések kialakítása - oktett elmélet

ERD14: egy funkcionálisan rendezetlen dehidrin fehérje szerkezeti és funkcionális jellemzése

A diplomaterv keretében megvalósítandó feladatok összefoglalása

Kémiai kötés. Általános Kémia, szerkezet Dia 1 /39

5. A talaj szerves anyagai. Dr. Varga Csaba

ÖSSZ-TARTALOM 1. Az alapok - 1. előadás 2. A jelutak komponensei 1. előadás 3. Főbb jelutak 2. előadás

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

DNS, RNS, Fehérjék. makromolekulák biofizikája. Biológiai makromolekulák. A makromolekulák TÖMEG szerinti mennyisége a sejtben NAGY

A kovalens kötés elmélete. Kovalens kötésű molekulák geometriája. Molekula geometria. Vegyértékelektronpár taszítási elmélet (VSEPR)

Jelutak ÖSSZ TARTALOM. Jelutak. 1. a sejtkommunikáció alapjai

Bioinformatika 2 6. előadás

17. előadás: Vektorok a térben

A bioenergetika a biokémiai folyamatok során lezajló energiaváltozásokkal foglalkozik.

Műholdas és modell által szimulált globális ózon idősorok korrelációs tulajdonságai

HUMÁN GAMMA-AMINOVAJSAV TRANSZPORTER SZERKEZET ÉS FUNKCIÓ MODELLEZÉSE

Bevezetés a biokémiába fogorvostan hallgatóknak

A fehérjék szerkezete és az azt meghatározó kölcsönhatások

Átírás:

A SZUBSZTRÁTKÖTŐDÉS ÉS SZUBSZTRÁTKIRALITÁS SZEREPE A HUMÁN 3-FOSZFOGLICERÁT KINÁZ DINAMIKÁJÁBAN Doktori tézisek Pálmai Zoltán Semmelweis Egyetem Gyógyszertudományok Doktori Iskola Témavezető: Dr. Balog Erika, egyetemi adjunktus, Ph.D. Hivatalos bírálók: Dr. Dosztányi Zsuzsanna, tudományos főmunkatárs, Ph.D. Dr. Béni Szabolcs, egyetemi adjunktus, Ph.D. Szigorlati bizottság elnöke: Dr. Mátyus Péter, egyetemi tanár, az MTA doktora Szigorlati bizottság tagjai: Dr. Czirók András, egyetemi adjunktus, Ph.D. Dr. Ambrus Attila, egyetemi adjunktus, Ph.D. Budapest, 2012

1. BEVEZETÉS A 3-foszfoglicerát kináz (PGK) enzim szerepe nélkülözhetetlen a legtöbb élő szervezetben. Aerob élőlényekben a glikolízis egyik lépéseként a foszfát csoport reverzibilis átadását katalizálja az 1,3- biszfoszfoglicerát (1,3-BPG) és magnézium-adenozin-difoszfát (MgADP) között. A reakció során 3- foszfoglicerát (3-PG) és magnézium-adenozin-trifoszfát (MgATP) keletkezik. Az utóbbi egy évtizedben fény derült a humán PGK (hpgk) egy igen fontos tulajdonságára, miszerint D- és L- nukleotid-analógok széles spektrumát képes foszforilálni. Az L-nukleotidanalógok a természetben előforduló D-nukleotid-analógok tükörképi párjai, tehát enantiomerek. A PGK ezen tulajdonsága azért figyelemre méltó, mert mind a D- mind az L-nukleotid-analógok rákés vírusellenes gyógyszerek egy fontos csoportját alkotják. Az analógokat nukleozid formában kell bevinni az élő szervezetbe, hogy a sejtmembránon át tudjanak jutni. Ahhoz, hogy farmakológiailag aktív gyógyszer hatóanyag váljon belőlük, nukleozid-trifoszfáttá kell őket foszforilálni. A foszforilációt a szervezet kináz enzimei végzik, több lépésben. A foszforiláció utolsó lépését a hpgk katalizálja, ennek során a nukleozid-difoszfátból nukleozid-trifoszfát keletkezik. A hpgk tehát rendkívül fontos szereppel bír ezen gyógyszermolekulák aktiválásában. Fontos megjegyezni, hogy a foszforilációs kaszkád utolsó lépése a folyamat sebesség limitáló része, ugyanis sok esetben kimutatták a farmakológiailag hatástalan mono-, vagy difoszfátok sejten belüli felhalmozódását. Gyakran nagy dózisokat (több száz mg) kell beadni a betegnek egy-egy nukleozid-analógból (pl.: Cidofovir, Valtorcitabine, Pentacept stb.), hogy terápiásan elegendő dózisú aktív gyógyszer váljék belőle a szervezetben. Ennek oka, hogy a hpgk bizonyos nukleozid-analógokat kevésbé hatékonyan foszforilál. Ahhoz, hogy növeljük a foszforilációs hatékonyságot, és minél könnyebben aktiválható gyógyszerjelölteket tervezhessünk, fontos, hogy atomi szinten tisztában legyünk a hpgk működésével és a hatékony foszforiláció szerkezeti-dinamikai körülményeivel. A PGK két hasonló nagyságú doménből felépülő monomer enzim. A nukleotidok (ADP/ATP) a C- terminális doménen (C-domén), a 3-PG és az 1,3-BPG pedig az N-terminális doménen (N-domén) kötődnek. A korai szerkezetmeghatározások során az enzim minden esetben egyértelműen nyitott konformációban kristályosodott, azaz a domének között széles árok mutatkozott. Ezen szerkezetekben a kötött szubsztrátok túlságosan távol (12-15 Å) vannak egymástól ahhoz, hogy a katalitikus reakció végbe mehessen. Ennek alapján arra következtettek, hogy a katalízis során a két domén egymáshoz képest relatív, összehajló-szétnyíló, merev test szerű mozgást, ún. csuklómozgást végez. Az összehajló mozgás során, feltételezték, a két domén olyan közel kerül egymáshoz (zárt konformáció), hogy direkt foszfotranszfer jöhet létre a szubsztrátok között. Az enzim zárt 2

konformációjú kristályszerkezetét először csak 1997-ben határozták meg. Vizsgálataim kezdetéig azonban ugyanazon forrásból származó nyitott és zárt konformációjú enzim nem állt rendelkezésre, azaz nem volt direkt kísérleti bizonyítéka a csuklómozgás elméletének. Végül, 2011-ben a humán PGK (hpgk) nyitott és zárt konformációjú kristályszerkezetének meghatározásával igazolást nyert a csuklómozgás hipotézise. A két konformációs végállapot ismerete azonban nem elegendő a funkcionális doménmozgások atomi szinten történő jellemzésére, megértésére. További vizsgálatok szükségesek mind kísérleti, mind szimulációs téren, hogy még teljesebb képet alkothassunk a hpgk dinamikájáról és hatékonyan foszforilálható gyógyszereket tervezhessünk. Doktori munkám során számítógépes szimulációs módszerekkel atomi szinten jellemeztem a hpgk lokális és kollektív mozgásait, valamint a hatékony enzimaktivitás szerkezeti-dinamikai körülményeit. 3

2. CÉLKITŰZÉSEK A kérdések, melyekre doktori munkám során kerestem a választ, a következő két fő téma köré csoportosíthatók: 1. A szubsztrátkötődés hatása a dinamikára: Milyen módon befolyásolja a hpgk dinamikáját a természetes szubsztrátok kötődése? Nanoszekundumos időskálán mutat-e szignifikánsan eltérő dinamikai viselkedést a komplex az apo enzimhez képest? Ha igen, kapcsolatba hozható-e ez az eltérő dinamikai viselkedés az enzim ismert funkciójával? 2. A szubsztrátkiralitás hatása a dinamikára: Hogyan magyarázható a hpgk alacsony enantioszelektivitása és széleskörű nukleotid specificitása? Milyen szerkezeti-dinamikai okokra vezethető vissza az eltérő kiralitású és bázisú nukleotidok különböző kötődési affinitása? 4

3. MÓDSZEREK MD szimulációt hajtottunk végre az apo hpgk-n és négy terner komplexén: D-/L-ADP*1,3- BPG*Mg*hPGK (D-/L-ADP komplex), D-/L-CDP*1,3-BPG*Mg*hPGK (D-/L-CDP komplex). Kiindulási szerkezetként nyitott konformációjú sertésizomból származó kristályszerkezet (PDB-kód: 1VJC) humán homológia modelljét használtuk. A homológia modellezést a Modeler 8v2 programcsomaggal végeztük. Az 1,3-BPG-t és a különböző nukleotidokat dokkolással modellezve, származtattuk a fenti terner komplexeket. A dokkolást a GOLD 3.2 program segítségével végeztük. A MD szimulációk futtatását NAMD programcsomaggal (all-atom CHARMM 22-es erőtér), SGI Altix 350 szerveren végeztük. Előkészítésükhöz és analízisükhöz CHARMM programcsomagot alkalmaztunk. Szimuláció előtt a modellszerkezetek energiáját 1500 lépés steepest descent, 200 lépés conjugate gradient és 1000 lépés adopted-basis Newton-Raphson módszerrel minimalizáltuk. A rendszereket a fehérje felületétől mért 12 Å vastagságú vízdobozba helyeztük, melyre periodikus határfeltételeket róttunk ki. A vízdoboz felépítéséhez a CHARMM TIP3 vízmodelljét használtuk. Véletlenszerű pozíciókba Na-ionokat, Cl-ionokat helyeztünk. A szolvatált rendszereket a fentiekkel megegyező módon energia-minimalizációnak vetettük alá. A PME módszert használtuk az elektrosztatikus energiák számolására. A rácsállandót 1 Å-nek, az interpoláció rendjét 6-nak, a valós térbeli szummáció cut-off értékét 12 Å-nek, a Gauss függvény szélességét 0,34 Å -1 -nek, a dielektromos állandó értékét 1-nek vettük. A van der Waals kölcsönhatásokat switch módszerrel számoltuk, 10 és 12 Å cut-off-fal. A szimuláció során az időlépés 1 fs volt. Az energia-minimalizált szerkezeteket - 1000 lépésenként 10 K-nel növelve a hőmérsékletet - 300 K-re fűtöttök fel. 50 ps kanonikus, majd 500 ps NpT (izobár-izoterm) ekvilibrációval folytattuk a szimulációt. Az ekvilibráció után 20 ns NpT (p=1 atm, T=300 K) MD szimulációt hajtottunk végre minden rendszeren. Az atomi koordinátákat 1 ps-ként mentettük. A lokális mozgásokat az atomi elmozdulások RMSF és kereszt-korrelációs értékeivel analizáltuk. A kollektív mozgásokat PCA módszerrel és atomi elmozdulások kereszt-korrelációs értékeivel analizáltuk. A fehérje csuklópontjainak azonosításához a peptidgerinc C α atomjai között definiált torziós szögek időbeli változását vizsgáltuk az interdomén régióban. A fehérjekonformációk gyakorisági eloszlásának karakterizálása. A fehérje szerkezetének tehetetlenségi főtengelyeire vetítettük a domén tömegközéppontokat összekötő vektort a trajektória minden egyes szerkezete esetében. A projekciók gyakoriságának monitorozásával az egyes konformációk betöltöttségéről szerezhetünk információt. 5

4. EREDMÉNYEK 4.1. Az apo hpgk és a D-ADP komplex dinamikai jellemzése A domén tömegközéppontok távolságának időbeli fejlődését nyomon követve a szimuláció során, információt szereztünk a domének relatív helyzetváltozásairól. Mind az apo enzim, mind a D-ADP komplex esetén megfigyelhető domén közeledés és távolodás. Tehát csuklómozgásra utaló jeleket mutat mindkét rendszer. Míg a mozgás periódus ideje 20 nanoszekundum körül lehet az apo esetben, addig az feltehetően hosszabb a komplex rendszer esetén. Az apo enzim több konformációs állapotot térképez fel a szimulációs idő alatt, mint a D-ADP komplex. A lokális mozgások fluktuációs analízise. Mind az apo enzimben, mind a D-ADP komplexben a hurok régiók nagy flexibilitással rendelkeznek. Emellett az 1,3-BPG kötődése a kötőhelye körüli aminosavak flexibilitását növeli. A D-ADP kötődés hatása összetettebb. Míg a foszfát- és ribózkötő aminosavak rigiditása, addig néhány báziskötő aminosavnak a flexibilitása nő a D-ADP kötődése által. A nukleobázist tehát egy többnyire laza hidrofób zseb veszi körül. Ezzel szemben a negatívan töltött foszfátláncot a kötő aminosavak elektrosztatikus kölcsönhatásai mereven tartják, feltehetően ennek köszönhető a ribóz- és foszfátkötő aminosavak flexibilitás csökkenése is. Fluktuációs analízisünk továbbá megmutatta, hogy a domének β magjai igen merev szerkezeti egységet képeznek a domének centrumában. Az intra- és interdomén mozgások korrelációs analízise. Az interdomén mozgások egyértelműen kollektív jelleget mutattak mindkét rendszer esetén. A teljes N- illetve C-domén merev test szerűen együtt mozog, egymáshoz képest antikorreláltan (mozgásuk irányultsága ellentétes). A C-terminális mindkét rendszerben jelentős pozitív korrelációkat mutat az N-domén egészével. Azaz a C-terminális együtt mozog az N-doménnel. Ez érthető, hiszen a rendelkezésre álló kristályszerkezetek alapján egyértelmű, hogy a C-terminális visszahajlik az N-doménhez és annak szerkezetileg szerves részét képezi. Az intradomén mozgások korrelációs analízise alapján általánosan megállapítható, hogy a szubsztrátok kötődésével mind az N-, mind a C-doménen belüli mozgások korrelációja megnőtt. Az N-doménen belüli mozgások korrelációja egyik rendszer esetében sem jelentős. A C-doménben viszont a nukleotid kötő aminosavak között jelentős korrelációk mutatkoznak mindkét rendszer esetén. Tehát a kötő aminosavak szervezetten, együtt mozognak a szimuláció során. A D-ADP komplexben bizonyos bázis- és ribózkötő aminosavak korrelációjának további erősödése figyelhető meg. További érdekes jellegzetessége a D-ADP komplex dinamikájának, hogy bizonyos, a C-domén 6

ellentétes oldalán található szerkezeti elemek erős antikorrelációt mutatnak egymással, ami valószínűsíthetően a domén csavarodó mozgására utal. Kollektív mozgások vizsgálata PCA módszerrel. Mindössze három módus segítségével leírható a rendszerek kollektív mozgása. Apo enzim esetében az első három módus rendre nyíró, csukló és csavarodó doménmozgásnak felel meg. Ez azt jelzi, hogy apo enzim esetében a nyíró jellegű doménmozgás (fehérjefluktuáció 40,1 %-a) dominánsabb a csukló jellegűnél (fehérjefluktuáció 30,3%-a), de utóbbi is fontos komponense a fehérjedinamikának. A D-ADP komplex esetén szintén a fentebb említett három mozgásforma határozza meg a kollektív mozgást, viszont itt az első módus csavarodó, a második csukló, a harmadik pedig nyíró doménmozgást ír le. Tehát a komplex rendszer dinamikájában a csavarodó doménmozgás (40,3%-a a teljes fehérjefluktuációnak) bizonyult dominánsnak, de a csukló jellegű mozgás (fehérjefluktuáció 24,1%-a) is meghatározó eleme a kollektív mozgásnak. A B C 1. ábra A Cα-atomok (A) nyíró (piros), (B) csukló (kék) és (C) csavarodó (zöld) irányú PCA módushoz tartozó komponens vektorai a fehérje 3 dimenziós, Cα -reprezentációján. Csuklópontok meghatározása. Az apo enzim esetében az α7 hélix C-domén felőli végén kettő (Val199, Ser202), a C-terminális előtti régióban a nukleotid kötőhely közelében három csuklópont (Gly372, Asn383, Thr393) működik. D-ADP kötődés hatására azonban lecsökken a 7

csuklópontok száma, egy-egy működő csuklópont marad az α7 hélixnél (Pro203) és a C- terminálisnál (Gly372), melyek közül az utóbbi dominánssá válik. A B 2. ábra A csuklópontok elhelyezkedése az (A) apo enzim és a (B) D-ADP komplex szerkezetében. A csuklópontként funkcionáló aminosavakat kék van der Waals gömbök, a két interdomén régiót piros szalag reprezentáció szemlélteti. A könnyebb összehasonlíthatóság érdekében a szubsztrátok nincsenek jelölve a komplex enzimben. 4.2. A D-/L-ADP - és D-/L-CDP komplexek dinamikai elemzése A nukleotid kötődés jellemzése. A szimulációk szolgáltatta dinamikai adatok segítségével jóslatokat tettünk a különböző nukleobázisú (ADP, CDP) és kiralitású (D, L enantiomerek) nukleotidok kötődési affinitására vonatkozóan. Az eredmények azt sugallják, hogy a D- és L-ADP kötődési affinitása igen hasonló, valószínű az L-ADP valamelyest kisebb affinitással rendelkezik. Szimulációink során mindkét CDP enantiomer igen lazán kötődött a hpgk-hoz. Mind a D-, mind az L-bázis igen rövid idő alatt disszociált a hidrofób kötőzsebből. Emellett viszont foszfátláncuk mindvégig viszonylag szorosan kötődött a kötőhelyhez. A fluktuációs görbék is a bázisok mobilitásáról és a foszfátláncok rigiditásáról árulkodnak. A CDP nukleotidok nemkötő kölcsönhatási energiái szintén a gyenge kötődést bizonyítják. Mivel a CDP enantiomerek részlegesen disszociáltak a hpgk kötőzsebéből, ezen nukleotidok komplexeit nem vetettük alá további analíziseknek. Az 1,3-BPG kötődés jellemzése D- és L-ADP jelenlétében. Az 1,3-BPG kontaktustávolság, fluktuációs és kölcsönhatási energia adatai arról árulkodnak, hogy a szubsztrát kötődési affinitása D- ADP jelenlétében kisebb, mint L-ADP jelenlétében. Szimulációs adataink alapján feltételezhető, hogy a D- és L-ADP foszfátláncok eltérő kötődési módja tehető felelőssé az 1,3-BPG affinitásában látott különbségekért. Az eltérő orientáció következtében, L-ADP esetén a foszfátlánc 1,3-BPG-re kifejtett elektrosztatikus taszítása nem érvényesül olyan nagy mértékben, mint D-ADP esetén. Ezen hipotézis igazolása azonban további számolásokat igényelne. 8

Kollektív mozgások. A fehérjekonformációk gyakorisági eloszlásainak számításával és PCA analízis segítségével a szubsztrátkiralitás kollektív mozgásra gyakorolt hatását vizsgáltuk. A tehetetlenségi főtengely projekciók gyakorisági eloszlásának ismeretében elmondható, hogy a D-ADP komplex mind a csukló, mind a nyíró irányú tehetetlenségi főtengelyek mentén nagy rigiditással rendelkezik. Tehát a konformációs állapotok igen kis számát térképezi fel a rendszer a szimuláció során. A PCA analízis alapján a D-ADP komplex domináns kollektív mozgása a csavarodó jellegű doménmozgás (teljes fehérjefluktuáció 40,3%-a). Ez megmagyarázza a csukló és nyíró irányú mozgások beszűkülését, hiszen csavarodó doménmozgás esetén a domén tömegközépponttok távolsága csukló és nyíró irányban minimális mértékben változik. A 2 B 1 3 C 3. ábra (A) A hpgk molekula három tehetetlenségi főtengelye. (B, C) A domének tömegközéppontjait összekötő vektor (B) első és (C) harmadik tehetetlenségi főtengelyre eső vetületeinek gyakorisági eloszlásai a D-ADP - (kék) és L-ADP (piros) komplexekben. L-ADP komplexnél a konformációs eloszlás kiszélesedik. Az L-ADP komplex esetében viszont a konformációs eloszlás mindkét, de legfőképpen a nyíró irányú tehetetlenségi főtengely mentén erősen kiszélesedik. Ez egyértelműen az L-ADP komplex nagyfokú nyíró irányú flexibilitását jelzi. A fehérje nagyszámú konformációs állapotot vesz fel a szimuláció időtartama alatt. PCA módszert használva, hasonló eredményre jutottunk. L-ADP komplexnél az első PCA módus a nyírómozgásnak, míg a második módus a csuklómozgásnak felel meg. Mivel az első módus a teljes fehérjefluktuáció 80,7 %-át teszi ki, kijelenthetjük, hogy az L- 9

ADP komplexben a nyíró jellegű doménmozgás a domináns. Érdekes módon a csuklómozgás (teljes fluktuáció 7 %-a) csak nagyon kis mértékben vesz részt a kollektív mozgás kialakításában. Lokális mozgások. Az L-ADP komplex nukleotid kötőhelye valamelyest merevebb, mint a D-ADP komplexben. Például a hidrofób kötőzseb, mely D-ADP kötődés hatására nagyfokú flexibilitásra tett szert, L-ADP komplexben olyan rigid, mint az apo enzim esetében. A foszfátkötőhely tekintetében a két nukleotid hasonló hatással van fehérjére: mindkét enantiomer csökkenti a foszfátkötő aminosavak flexibilitását. Ez a foszfátlánc hasonlóan szoros kötődését jelzi mindkét nukleotid esetében (bár ez a kötődés L-ADP esetében kis mértékben gyengébb). Az intra- és interdomén mozgások korrelációi. A C α elmozdulásokra számolt kereszt-korrelációs mátrixok hasonló mintázatot mutatnak a D- és L-ADP komplexekben. Az intradomén mozgásokat tekintve, a nukleotidkötő aminosavak mozgásai között figyelhetők meg nagyobb pozitív korrelációk. A D-ADP komplexben ezen korrelációk erőteljesebben jelentkeznek. A korrelációs analízis további fontos eredménye, hogy a D-ADP komplex C-doménjének ellentétes oldalain látott antikorrelációs mozgások, L-ADP komplexben nem jelentkeznek. Ez arra utal, hogy az L-ADP komplex doménmozgásaiban nincs csavarodó irányú komponens, amit a PCA analízis is bizonyít. Az interdomén mozgások korrelációi is igen nagy hasonlóságot mutatnak a két rendszerben. A merev test szerű doménmozgásra utaló jelek mindkét komplexben megfigyelhetők, egyezésben eddigi eredményeinkkel. Csuklópontok azonosítása. Mind a D-, mind az L-ADP komplex egy-egy csuklóponttal rendelkezik az α7 hélix C-domén felőli végén, ezek a Pro203 (D-ADP) és a Glu201 (L-ADP). A csuklópontok helyzete és a szögváltozás amplitúdója hasonló a két esetben, tehát a szubsztrát kiralitásának nincs jelentős befolyása a kötőhelytől távoli csuklópontra. Ezzel szemben a kötőhelyhez közeli, C- terminális előtti interdomén régióban az eltérő szubsztrátkiralitás erősen érezteti hatását. Míg a D- ADP komplexben egy fő csuklópont dominál a Gly372 aminosavnál, addig az L-ADP komplexben két kevésbé jelentős, kisebb amplitúdójú szögváltozással jellemezhető csuklópont jelentkezik, melyek az Ile370 és a Trp382. 10

5. KÖVETKEZTETÉSEK 5.1. A szubsztrátkötődés hatásai az apo enzim kis amplitúdójú csuklómozgás egy teljes periódusát írja le 20 ns alatt, a D-ADP komplexben a csuklómozgás periódus ideje túlmutat a szimulációs időablakon apo enzimben a kollektív interdoménmozgás túlnyomóan nyíró és csukló jellegű mozgások keveréke, a D-ADP komplexben a kollektív interdoménmozgás viszont főként csavarodó és csukló jellegű mozgásokból tevődik össze az apo enzimben tapasztalt több, hasonló erősségű csuklópont helyett szubsztrátkötődés hatására egyetlen jól definiált, domináns csuklópont jelenik meg szubsztrátkötődés hatására a kollektív interdoménmozgás irányítottabbá válik míg az 1,3-BPG és a nukleobázis kötőhely flexibilisebbé, addig a foszfát- és ribóz kötőhely merevebbé válik szubsztrátkötődés hatására a lokális intradomén mozgások a szubsztrátok kötődésével korreláltabbakká válnak 5.2. A szubsztrátkiralitás hatásai a nukleotid analógok foszfátláncainak hasonló kötődési mechanizmusa tehető felelőssé a hpgk széleskörű nukleotid specificitásáért a katalitikus hatékonyságot feltehetően a nukleobázis fluktuációjának mértéke és hidrofób kölcsönhatásai befolyásolják a négy nukleotid kötődési affinitása növekvő sorrendben: D-CDP < L-CDP << L-ADP < D- ADP az L-ADP komplex D-ADP komplexhez viszonyított kisebb katalitikus hatékonyságának a kollektív interdoménmozgások nagy nyíró irányú flexibilitása lehet az oka a lokális intradomén mozgások korrelációi kifejezetebbek a D-ADP komplexben, mint L- ADP komplexben 11

az enzim alacsony enantioszelektivitása az eltérő kiralitású nukleotidok hasonló kötődési módjával magyarázható a hatékony enzimaktivitás dinamikai körülményei a következők: (i) stabil nuklotidkötődés, (ii) nagy csukló jellegű interdomén mozgáskomponens, (iii) korreláló intra- és interdomén mozgások, (iv) kisszámú csuklópont a fenti dinamikai körülményeket monitorozva, eldönthető egy új gyógyszerjelölt nukleotid analógról, hogy az enzim hatékonyan képes-e foszforilálni azt 12

6. SAJÁT PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE Az értekezés témájában megjelent eredeti közlemények: 1. Palmai Z, Perahia D, Lionne C, Fidy J, Balog E, Chaloin L. (2011) Ligand chirality effects on the dynamics of human 3-phosphoglycerate kinase: comparison between D- and L- nucleotides. Arch Biochem Biophys, 511: 88-100. 2. Palmai Z, Chaloin L, Lionne C, Fidy J, Perahia D, Balog E. (2009) Substrate binding modifies the hinge bending characteristics of human 3-phosphoglycerate kinase: a molecular dynamics study. Proteins, 77: 319-329. Konferencia poszterek: 1. Influence of ligand chirality on the catalytic efficiency of human 3-phosphoglycerate kinase (Zoltan Palmai, David Perahia, Corinne Lionne, Judit Fidy, Erika Balog, Laurent Chaloin) - 55th Annual Meeting of the Biophysical Society, March 5-9 2011, Baltimore, Maryland, USA 2. Substrate binding directs the functional hinge bending motion of human 3- phosphoglycerate kinase (Erika Balog, Zoltan Palmai, Laurent Chaloin, Corinne Lionne, Judit Fidy, David Perahia) - PhD Tudományos Napok 2010, 2010. április 15-16. Semmelweis Egyetem, Budapest 3. A szubsztrát kötődés irányítottá teszi a humán foszfoglicerát kináz (PGK) funkcionális csuklómozgását (Pálmai Z., Chaloin L., Lionne C., Fidy J., Perahia D., Balog E.) A magyar biofizika társaság XXIII. Kongresszusa, 2009. augusztus 23-26, Pécs 4. The influence of substrate binding on the functional hinge bending motion of human 3- phosphoglycerate kinase (Z. Palmai, L. Chaloin, C. Lionne, J. Fidy, D. Perahia, E. Balog) Methods in Molecular Simulation Summer School 2009, 5-14 July 2009, Sheffield, UK 5. Interdomain interactions influence the subunit dynamics of PGK (Balog, E., Palmai, Z. and Fidy, J.) Regional Biophysics Conference 21-25 August 2007 Balatonfüred, Hungary 6. The influence of interdomain interactions on intradomain motions in yeast 13

phosphoglycerate kinase (E. Balog, Z. Palmai, J. Fidy) 6th EBSA & British Biophysical Society Congress July 14-18 2007, Imperial College London, UK 7. Interdomain interactions influence the subunit dynamics of PGK (Erika Balog, Zoltan Palmai, Judit Fidy) Joint meeting of Hungarian and German Biophysicists, Time and space resolved methods in molecular biophysics May 17 May 20, 2007 St Bonifatius Monastery, Hünfeld, Germany 14

15