БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.4, с.616-621
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.3
МОЛЕКУЛЯР НАЯ ДИНАМИКА ЗЕР ВАМИЦИНА II И ЕГО АНАЛОГОВ В ВОДЕ И В МЕТАНОЛЕ
© 2009 г. О.В. Левцова, М.Ю. Антонов, А.К. Шайтан, И.А. Оршанский,
И .Н. Николаев, К.В. Шайтан
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Воробьевы горы
Поступила в р едакцию 09.12.08 г.
П р оведено сравнительное исследование молекулярной динамики зер вамицина II (антимикр об-ного пептида, пр едставителя класса пептаиболов, обладающего каналообразующей активностью) в воде и в метаноле. Изучено влияние аминокислотных замен на динамическое поведение и стабильность структуры пептида. Определена последовательность аминокислот, отвечающая за отсутствие шарнирных движений у кор отких пептаиболов.
Ключевые слова: молекулярная динамика, зервамицин II, антимикробные пептиды.
Пептаиболы - уникальные антимикробные пептиды, продуцируемые мико паразитическими грибами родов Emericelopsis, ТпеНойегта и родственные им. Они способны образовывать амфифильные спир альные структуры в биологических мембранах, что придает им мембранную и антимикробную активность. Отличительной чертой пептаиболов является наличие С-концевых аминоспиртов и нестандартных аминокислотных остатков: а-аминоизомасляной кислоты (Аиб), 4-т ранс-гидроксипролина (Гип) [1,2]. По длине аминокислотной последовательности эти пептиды можно разбить на два больших класса: «длинные», содержащие 18-20 остатков (например, аламетицин) и «короткие», содержащие 11-16 остатков (например, зервамицин). Молекула зервамицина II (Зрв11) представляет собой правозакрученную спираль, изогнутую в области Гип10 под углом ~43°. N конец молекулы образует а-спир аль, а С-конец образован последовательностью Р-изгибов [3].
Согласно каналообразующей модели действия пептаиболов, молекула зер вамицина II под действием трансмембранного электрического потенциала встраивается в липидный бислой, далее отдельные молекулы агрегируются и образуют ионные каналы [4,5]. Таким образом, окружение пептида меняется от поляр ного (вода) до неполярного и анизотр опного (мембр а-на). Ниже изучаются конформационные изменения, возникающие в молекуле ЗрвП и его мутантных формах при изменении полярности растворителя.
Сокращения: Аиб - а-аминоизомасляная кислота, Гип -4-транс-гидроксипролин, ЗрвП - зервамицин.
Отметим, что зервамицин, в отличие от длинного пептаибола аламетицина, не совершает высокоамплитудных движений, значительно изменяющих длину спирали [6]. Вероятно, жесткость молекулы зервамицина важна для встраивания в гидрофобную часть мембраны, так как его длина со ставляет порядка 25 А, и уменьшение этой длины может критически сказаться на каналообразовании в мембране. Предположительно, жесткость спирали ЗрвП вызвана заменой мотива Аиб10-Гли11-Лей12-Аиб13-Про14, ответственного за спиральизгибающие движения в аламетицине, на мотив Аиб7-Лей8-Аиб9-Гип14 в зервамицине [7,8]. В данной работе проводится также сравнительный анализ динамики трех мутантов зервамицина II: с заменой Аиб-Гли в положении 7 (ЗрвП-Гли7) и положении 9 (ЗрвП-Гли9), а также с добавленным Гли в положение 8 (ЗрвП-Гли8).
Длинные пептаиболы не обладают выраженной спиральной структурой в растворителе. Только при связывании с поверхностью мембраны они способны образовывать спираль. Методом ЯМР в растворителях р азличной полярности (от смеси хлороформ/метанол (9:1, у/у) до метанол/вода (1:1, у/у)) было показано, что в отличие от длинных пептаиболов зерва-мицин II обладает определенной спиральной структурой, которая, вероятно, не меняется при взаимодействии и последующем встраивании в мембрану [9]. Ниже стабильность структуры зервамицина II в растворителях различной полярности дополнительно исследуется в численных экспер иментах, а также определяется влияние на структур у и динамику зервамицина II
аминокислотных замен в области изгиба спирали: Аиб7-Лей8-Аиб9-Гип10.
МЕТОДЫ
Заряды на атомах для неспецифических аминокислотных остатков Аиб и Гип были рассчитаны по Малликену методом Хартри-Фока с базисом 6-31ГФ** с использованием оптимизации геометрии молекулы.
МД-расчеты четырех пептидов (нативный зервамицин II, с заменой Аиб-Гли в положениях
7 и 9, а также с добавленным Гли в положение 8) проводили в воде и метаноле. И спользова-лось полноатомное силовое поле, а также стохастическая динамика, не пр иводящая к нар у-шению принципа равнораспределения энергии по степеням [10-13]. О сновные параметр ы МД-протокола:
программный пакет Огошас8 3.2.1 [14]; потенциальное поле ОРЬБ-АА;
о
размер ячейки: 47 X 36 X 36 А;
длина рабочей траектории 10 нс;
температура термостата 300 К;
термостат: стохастическая динамика;
постоянная времени изменения среды т = 0,1 пс;
радиус обрезания для электростатических взаимодействий Я е1 = 20 А;
радиус обрезания для взаимодействия Ван-дер-Ваальса Я = 20 А;
для численного интегрирования использовался алгоритм Верле. Начальные скорости определялись с помощью генератора случайных чисел по распределению Максвелла; шаг интегрирования 1 фс; шаг записи с траекторно го файла 0,1 пс;
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследовали три мутанта ЗрвП: с заменой Аиб-Гли в положениях 7 и 9 (ЗрвП-Гли7, Зр вП-Гли9), а также с добавленным Гли в положение
8 (ЗрвП-Гли8). Для оценки динамики изменения длины молекулы и наличия шарнирных движений рассчитывали распределения вероятности для расстояний между Са-атомами первого и последнего остатков.
Нативный зервамицин II в отличие от ала-метицина [15] сохраняет спиральную структуру в течение 10 нс и среднеквадратичное отклонение (ИМББ) Са-атомов составляет порядка
1,4 Ао , что хорошо согласуется с данными ЯМР.
Как видно из рис. 1а, изменение длины молекулы нативного зервамицина II в течение 10 нс составляет порядка 35% как в воде, так и в метаноле. Структур а ЗрвП-Гли7 является более жесткой, но при этом конформационных изменений в аминокислотных остатках не наблюдается, так как 7-й аминокислотный остаток находится в а-спиральной части пептида. Замена стерически ограниченного остатка Аиб на лабильный Гли могла бы привести к увеличению конформационной подвижности и возможности излома спирали. Однако при сравнении распределения вероятности длины молекулы ЗрвП и ЗрвП-Гли7 видно, что данная замена в положении 7 привела к уменьшению интенсивности шарнирных движений молекулы (р ис. 1). Это связано с образованием водородной связи между атомом водорода Аиб9 и карбонильным кислородом Иле5 (рис. 2). В результате уменьшается подвижность в области изгиба спир альной структур ы ЗрвП-Гли7. С те-рические ограничения Аиб в положении 7 препятствуют образованию этих водородных связей, а замена Аиб на Гли делает замыкание водородных связей более вероятным.
Замена Аиб-Гли в положении 9 также вызывает структурные изменения в спир альной структуре пептида (рис. 3). Как и в случае замены в положении 7, наблюдалось уменьшение интенсивности флуктуаций длины молекулы в обоих растворителях. Причем средняя длина молекулы зервамицина в метаноле составила 24 Ао в воде и 19 Ао в метаноле. Из рис. 3б видно уменьшение длины Зр вП-Гли9 в метаноле относительно нативного зервамицина.
Как видно из рис. 4 молекула зервамицина ЗрвП-Гли9 (с заменой Аиб на Гли в положении 9) сохраняет спиральную структуру в обоих растворителях, но в метаноле структура выглядит более компактной и наблюдается более сильный изгиб спирали в области Гли9-Гип10.
Отметим, что аминокислотный остаток Гли9 находится на границе а-спиральной части пептида, непоср едственно перед Гип10, создающим изгиб спирали. Поэтому замена Аиб на более лабильный остаток Гли вызывает в данном положении дополнительную подвижность в области изгиба, что пр иводит к рео рганиза-ции внутримолекулярных водородных связей пептида в метаноле (рис. 5). Молекулы воды более активно конкурируют с атомами аминокислотных остатков за образование водородных связей, и поэтому в воде данные структурные изменения практически отсутствуют.
Для пептида в воде наблюдается образование водородной связи также между кислородом
Рис. 1. Распределение расстояний между Са-атомами первого и последнего остатков молекулы нативного зервамицина II (а) и с заменой Аиб7-Гли7 (б) в воде (кривые 1) и в метаноле (кривые 2). Зависимости р асстояний между С а-атомами для Зр в11 (в) и Зр в 11-Гли7 (г) от вр емени (кр ивые 1 - в воде, кр ивые 2 - в метаноле).
Лей8 и водо р одом А иб12, что свойственно а-спирали. Это соответствует более вытянутой стр уктур е пептида. В метаноле водо р од Аиб 12 образует водородную связь с Аиб9, что свойственно спирали 310 и, соответственно, вызывает изгиб пептида.
Обсуждаемая замена должна, пр едположи-тельно, негативно сказаться на активности зер-вамицина, так как уменьшает эффективную длину молекулы до 17 А. Пептидная связь имеет дипольный момент, равный 3,5 Б, направленный пар аллельно связям С=0 и М=И. В кон-фор мации спир али эти связи ор иентир ованы пр актически в одном напр авлении, что создает дипольный момент на молекуле зервамицина по р ядка 50 Б. Внешнее электр ическое поле мембраны действует на дипольный момент и дополнительно стабилизирует трансмембранное положение пептида. При уменьшении эффективной длины молекулы и изгибе спир али дипольный момент сильно уменьшается, что
должно кр айне негативно сказываться на стабилизации тр ансмембр анного со стояния и аг-
1.6
Длина связи, А
Р ис. 2. Распр еделение р асстояний между атомом водор ода Аиб9 и кар бонильным атомом кислор ода Иле5; 1 - Зр в II - в воде; 2 - Зр в11 - в метаноле; 3 - Зр в П-Гли7 в воде; 4 - Зр вП-Гли7 в метаноле.
Р ис. 3. Ра спр еделение расстояний между Са-атомами пер вого и последнего о статков для молекулы зер вамицина II (при замене Аиб9 на Гли9) в воде (кривая 1) и в метаноле (кривая 2) (а). Зависимости расстояний между Са-атомами от времени; 1 - ЗрвП-Гли9 в воде; 2 - ЗрвП-Гли9 в метаноле (б).
Р ис. 4. С труктур а зер вамицина II с заменой Аиб9-Гли9 в воде (а) и в метаноле (б) (выделен Гли9).
Р ис. 5. Р а спр еделение длины водор одной связи между атомом кислор ода Лей8 и атомом водор ода Аиб 12 (к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.