научная статья по теме МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУТЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ В ФОТОСИСТЕМЕ II ЦИАНОБАКТЕРИЙ Химия

Текст научной статьи на тему «МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУТЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ В ФОТОСИСТЕМЕ II ЦИАНОБАКТЕРИЙ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2015, том 60, № 1, с. 91-97

СТРУКТУРА МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ^^^^^^^^ СОЕДИНЕНИЙ

УДК 577.23, 577.29

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУТЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ В ФОТОСИСТЕМЕ II

ЦИАНОБАКТЕРИЙ

© 2015 г. А. Г. Габдулхаков, В. Г. Кляшторный, М. В. Донцова

Институт белка РАН, Пущино

E-mail: azat@vega.protres.ru Поступила в редакцию 06.08.2014 г.

Фотосистема II (ФС11) осуществляет реакцию образования кислорода из воды на свету. Кислород-выделяющий комплекс расположен в глубине люменальной части ФС11, и молекулам воды необходимо пройти некоторый путь сквозь белковые субъединицы, чтобы попасть в активный центр — марганцевый кластер. Предыдущие исследования по выявлению водных каналов в ФС11 основывались на анализе полостей внутри статической структуры ФС11, полученной методом рентгенострук-турного анализа. В настоящей работе предпринята попытка моделирования движения воды в транспортной системе ФС11 методом молекулярной динамики.

DOI: 10.7868/S0023476115010087

ВВЕДЕНИЕ

Фотосистема II (ФС11) представляет собой совокупность белков, липидов, пигментов и других малых молекул, образующих единый комплекс. Она располагается в толще тилакоидной мембраны в цианобактериях, водорослях, растениях и функционирует как вода:пластохинон оксидре-дуктаза. Через серию последовательных реакций, преобразуя солнечную энергию, этот фермент разлагает воду до молекулярного кислорода, протонов и электронов. На протяжении нескольких десятков лет ФС11 привлекает к себе внимание многочисленных групп ученых со всего мира. К настоящему моменту определены пространственные структуры ФС11 из цианобактерий как в ди-мерной форме с разрешением 1.9 А [1], так и в мономерной с разрешением 3.6 А [2] (более подробно описано в обзоре [3]). Фотосистема II — это мультисубъединичный пигмент-белковый комплекс с молекулярной массой ~350 кДа, состоящий из 20 различных белковых субъединиц [4]. Из них 17 белков расположены внутри мембраны и три находятся со стороны люмена. С белковыми субъединицами связано более 100 различных кофакторов, в числе которых молекулы хлорофилла, феофитина, гемма, Р-каротиноидов, пласто-хинона, различных липидов, а также ионы кальция, марганца, хлора, железа и бикарбоната.

Каталитическим центром окисления воды является Мп4СаО5-кластер, называемый водоокис-лительным комплексом (ВОК). Он располагается на люменальной стороне ФСП в окружении белков Ш и СР43, а от водной фазы кластер защищен наружными белками РзЬО, РяЫТи РзЬУ. Электро-

ны извлекаются из ВОК через окисление хлоро-филлов Рш. При возбуждении реакционного центра, образованного белками Б1 и Б2, ВОК проходит через пять последовательных окисленных состояний, называемых ^-циклами (/ = 0—4) [5—7], в результате которых происходит окисление двух молекул воды до атомарного кислорода 02, четырех протонов и четырех электронов, все это происходит в миллисекундном временном диапазоне.

Поскольку вода в качестве субстрата ВОК является основным компонентом окружающей среды, а побочный продукт реакции — 02 — потенциально опасен, очевидно, что внутри ФСП существует контролируемая доставка субстрата и эффективное удаление продуктов (электронов, 02 и протонов) от каталитического центра, активную структуру которого создает специфическое белковое окружение. Размышления о возможных механизмах окисления воды привели к различным гипотезам о количестве, расположении и специфичности каналов, соединяющих ВОК с люменом. На основе первой кристаллической структуры ФСП при 3.8 А разрешении [8] было предположено, что наружная субъединица РзЬО с ее структурой в виде Р-бочонка может использоваться для транспорта продуктов и субстратов реакции. Вместе с повышением разрешения кристаллической структуры ФСП от 3.5 [9] до 1.9 А [1] появилась возможность более детального анализа вероятных каналов для транспорта воды и кислорода. Используя различные подходы, несколько групп ученых предложили довольно сложную транспортную сеть, состоящую из многочислен-

ных каналов, образованных различными субъединицами ФС11 [10—12].

Все упомянутые исследования по выявлению водных каналов в ФС11 базируются на анализе полостей внутри ее структуры, полученной методом рентгеноструктурного анализа. В таком подходе существует два недостатка: наличие полости в кристаллографической структуре не всегда означает, что она занята водой; каналы в статической структуре имеют фиксированные границы и жесткую основу [10—12]. При физиологических температурах тепловые движения внутри белков непрерывно изменяют сеть каналов и могут приводить к переходным состояниям открытия/закрытия некоторых каналов [13]. Методы молекулярной динамики позволяют изучать динамические характеристики биомолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и их различные комплексы, поэтому исследования ФС11 на сегодняшний день представляются наиболее актуальными. На данный момент проведено несколько попыток моделирования ФС11 с помощью этих методов [14—16]. В [14], например, использовалась молекулярная динамика для имитации мономерной ФС11, чтобы определить каналы, по которым вода движется от ВОК наружу ФС11. При этом применялся метод постоянного впрыска молекул воды в область, прилегающую к марганцевому кластеру, что, моделирует не физиологический процесс. Поэтому в настоящей работе с помощью процедуры расчета молекулярно-дина-мических траекторий в программном комплексе Gromacs [17] мономер цианобактериальной ФС11 погружался в водный бокс и наблюдались свободные передвижения молекул воды внутри и снаружи ФС11 в течение 50 нс при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре. Для набора статистики данная процедура проведена трижды.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Молекулярно-динамическое моделирование ФС11 выполнено в программе Gromacs 4.5 [17] с использованием полноатомных силовых полей Charmm27 [18, 19]. Длины ковалентных связей с участием атомов водорода ограничивали с помощью алгоритма LINCS [20], что позволило использовать шаг интегрирования 2 фс. Электростатические взаимодействия оценивали с помощью метода Эвальда (PME, Particle Mesh Ewald) [21, 22]. Для описания ван-дер-ваальсовых взаимодействий использовали функции сглаживания "switch" в интервале 10—12 Â. Температура поддерживалась постоянной (300 K) с помощью алгоритма шкалирования атомных скоростей "v-re-scale" [17]. Давление контролировали с помощью баростата Берендсена [23] на уровне 1 атм.

В качестве стартовой модели для молекулярной динамики использовали пространственную структуру мономера ФС11 из Thermosynechococcus vulcanus, определенную методом рентгенострук-турного анализа при разрешении 1.9 Â (PDB код 3ARC, [1]). Фотосистему окружили детергентным поясом, состоящим из молекул додецил-ß-D-мальтозида. Этот пояс построили таким образом, чтобы моделировать условия вокруг ФС11 в кристалле [2]. Кроме того, полученная модель помещалась в орторомбический водный бокс размером 190 х 140 х 130 Â, содержащий около 90 000 молекул воды типа TIP3P [24]. Водный бокс выстраивали так, чтобы от крайних атомов в каждом из направлений до края водного бокса расстояние составляло по крайней мере 12 Â. Отсутствующие в стандартных библиотеках Gromacs топология и параметры для молекул кофакторов и детергента генерировали с помощью сервера SwissParam [25]. Для проверки качества полученных параметров использовали сравнение стерео-химических показателей моделей, полученных после 2 нс молекулярной динамики, с экспериментальными структурами соответствующих молекул. Затем все эти параметры применяли для последующего молекулярно-динамического моделирования ФС11.

Протонированное состояние функциональных групп аминокислотных остатков белков выбирали следующим образом: Glu и Asp депротони-ровались и несли СОО--группу, тогда как Arg и Lys полностью протонировались и несли заряд + 1. Общий заряд системы нейтрализовали добавлением 58 противоионов Na+, распределенных в водном боксе случайным образом с помощью процедуры генерирования ионов "genion" программы Gromacs. После сольватирования систему подвергали процедурам минимизации энергии и уравновешивания водного бокса в течение 1 нс. Целью данной манипуляции являлся поиск наиболее благоприятных контактов, образуемых молекулами воды с поверхностью растворенной фотосистемы. При этом положение белковых молекул и кофакторов фиксировали с помощью позиционных ограничений. После этого рассчитали три 50 нс молекулярно-динамических траектории при постоянной температуре 300 К и давлении

1 атм.

По ходу траекторий не наблюдалось значительных отклонений координат фотосистемы от стартовой конформации. Фотосистема II флуктуировала в районе своего равновесного положения, о чем свидетельствует график RMSD (рис. 1). Среднеквадратичные отклонения для всех атомов системы не превышали 3 Â (не более

2 Â для Са-атомов белков) по ходу всех траекторий.

RMSD, нм

Рис. 1. Среднеквадратичное отклонение (RMSD) от стартовой структуры в течение 50 нс молекулярно-динамической траектории для ФС11: 1 — для всех атомов системы, включая кофакторы, 2 — для Са-атомов белков.

Все расчеты проводили с использованием ресурсов Межведомственного суперкомпьютерного центра (МСЦ РАН, www.jscc.ru). Координаты системы сохраняли и анализировали каждую 1 пс. Качество структуры и ее стереохимические параметры контролировали на различных стадиях траектории с помощью программы РгосИеск [26]. В качестве примера на рис. 2 приведена карта Ра-мачандрана для белковых цепей в стартовой структуре и структуре ФС11 после одной из траекторий 50 нс молекулярной динамики.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Все более актуальными в настоящее время становятся молекулярно-динамические расчеты, так

как они позволяют сократить расход биохимических материалов, а также провести большее количество экспериментов. Молекулярная динамика возникла относительно недавно, и лишь с появлением компьютеров с высокими мощностями стало возможным проводить расчеты движения не только простых молекул, но и сложных органических комплексов. В данной работе с помощью молекулярно-динамических расчетов смоделировано передвижение молекул воды внутри мультисубъединичного фот

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.

Показать целиком