Закономерности взаимодействия аполипопротеина B-100 с липидами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АПОЛИПОПРОТЕИНА B-100 С ЛИПИДАМИ

О.Е. Глухова, О.А. Гришина

Саратов, Россия

Аннотация

Нарушение метаболизма липопротеинов является фактором риска развития и прогрессирования атеросклеротического поражения сердечно-сосудистой системы. Несмотря на экспериментальные исследования структуры липопротеина, построенные 3D-модели, закономерности его поведения и структурные особенности до сих пор неизвестны из-за отсутствия атомистической модели белковой составляющей липопротеина - ApoB-100. Нами проведено построение атомистической модели белка ApoB-100, а также исследованы закономерности поведения ApoB-100 со сложными липидами.

Причины и факторы риска развития атеросклероза хорошо известны, однако до настоящего времени отсутствует детальная картина механизмов процесса диффузии липопротеинов с атерогенными свойствами в интиму артерий, что является начальным этапом образования атеросклеротических бляшек. Особый интерес представляет белковая составляющая липопротеина низкой плотности - ApoB-100. Точная конформация пептидной цепи, функции и поведение этого белка до сих пор не изучены.

Целью нашей работы является создание атомной модели белка ApoB-100 человека с учетом всех известных экспериментальных данных о вторичной и третичной структурах, а также исследование закономерностей взаимодействия ApoB-100 с липидами, такими как молекулы фосфатидилхолина и холестерола.

Материалы и методы

Первичная структура белка ApoB-100 секвенирована в 1986 году и представляет собой последовательность 4536 аминокислот [3]. Построение такой макромолекулы представляется довольно сложной процедурой, требующей учета особенностей белковых структур, в том числе сохранение определенной вторичной структуры активных центров белка. В связи с этим нами была выработана определенная методика построения макромолекул, которая должна гарантировать получение в результате реальной биосистемы, полностью отвечающей эмпирическим знаниям о ней. Процесс сборки биосистемы проводился в многоцелевом пакете молекулярного моделирования HARLEM (HAmiltonians to Research LargE Molecules) [4]. В качестве силового поля использовалась модель AMBER. Атомистическая структура аминокислот взята из работы [5].

Алгоритм сборки макромолекулы

1. Первичная структура белка ApoB-100 была разделена на сегменты, состоящие из трех аминокислот. Для каждого сегмента пептидной цепи проводилось построение химической связи между аминогруппой -NН ₂ одной аминокислоты и карбоксильной группой -СООН другой аминокислоты. После формирования сегмента проводилась минимизация его энергии методом наискорейшего спуска и сопряженных градиентов.

2. Проводилось соединение оптимизированных сегментов пептидной цепи путем создания водородной связи между сегментами. Структура пептидной цепи оптимизировалась на каждом шаге присоединения последующего сегмента.

В построенной модели выделяется три типа организации вторичной структуры: б-спираль, в-лист и неупорядоченная цепь, которая в свою очередь может быть разделена на петлю, полуповорот и линейные участки [4]. На рисунке 1 представлена полученная пространственная конформация белка ApoB-100 с градацией вторичной структуры: б-спираль - розовый цвет, в-лист - желтый, петля - синий, полуповорот - серый. По ним в полученной биосистеме определено процентное соотношение функциональных доменов вторичной структуры: б-спираль составляет приблизительно 38-42%, в-лист - 18-20%, поворот направления полипептидной цепи близкий к 180° встречается в 9-11% случаев, а близкий к 90° - в 10-13% от общей массы структуры. Полученные данные хорошо согласуются с известными экспериментальными данными, полученными на основе анализа упругого рассеивания нейронов [5].

Рис. 1. Пространственная конформация белка ApoB-100

Полученные геометрические параметры согласуются с данными морфологических исследований и показали, что AроВ-100 длинная, гибкая, нитевидная молекула [6], которая принимает изогнутую форму в центральной части. Оптимизация макромолекулы проводилась при 310 К в водной среде в течение 1 мксек.

Атомистические структуры холестерола и фосфатидилхолина - основных молекул клеточной мембраны получены из работы [7]. Изучено взаимодействие ApoB-100 с 10 молекулами холестерола. В начальный момент распределение холестерола относительно глобулы белка было неравномерное. Расстояние между ближайшими атомами холестерола и ApoB-100 варьировалось от 6 до 50 Е.

Вычислительный эксперимент заключался в моделировании взаимодействия ApoB-100 с молекулами холестерола при температуре 310 К методом молекулярной динамики. Симуляция процесса осуществлялась с временным шагом 0.001 пс в течение 5 нс. В результате молекулы холестерола постепенно переместились в центр глобулы белка. Наблюдается сгущение атомов протеина вокруг молекул холестерола.

Следующий вычислительный эксперимент был посвящен взаимодействию ApoB-100 с фосфолипидным слоем, состоящим из 100 молекул фосфатидилхолина. В начальный момент симуляции слой из молекул фосфатидилхолина был расположен над центральной частью протеина, где ApoB-100 принимает изогнутую форму. Слой был расположен гидрофильными головками в сторону протеина. Наименьшее расстояние между ближайшими атомами фосфатидилхолина и ApoB-100 было 5.4 Е.

Проведена молекулярно-динамическая симуляция созданной модели с временным шагом 0.001 пс в течение 5 нс. В результате молекулы фосфатидилхолина покрывают внешнюю поверхность глобулы ApoB-100. Наблюдается образование щелей в структуре протеина. Глубина крупной щели составляет 44.75 Е, ширина - 65 Е.

Результаты и выводы

липопротеин метаболизм белок атеросклеротический

Модель белка ApoB-100, созданная в данном исследовании, показала, что неполярные R-группы аминокислотных остатков расположены равномерно как на поверхности, так и внутри макромолекулярного комплекса. Подобная структурная организация ApoB-100 в водной среде позволяет классифицировать данную макромолекулу как водонерастворимый протеин, а также как структуру, сильно взаимодействующую с липидами.

Установлено, что наличие цистина налагает сильные ограничения на белковую структуру за счет формирования дисульфидных мостиков. Подобные сегменты хорошо выделяются при исследовании взаимодействия белка ApoB-100 с липидами.

Литература

1. Carlsson P, Darnfors C, Olofsson SO, Bjursell G. // Gene, 1986, Vol. 49(1), P. 29-51.

2. http://harlem.chem.cmu.edu.

3. Sweet, R.M. and Eisenberg, D. // J. Mol. Biol., 1983, Vol. 171, P. 479-488.

4. McNaught A. D., Wilkinson A. // Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1997.

5. Johs, Hammel M., Waldner I., May R., Laggner P., Prassl R. // J. Biol. Chem., 2006, Vol. 281, P. 19732-19739.

6. Gantz D.L., Walsh M.T., Small D.M. // J. Lipid Res., 2000, Vol. 41, P. 1464-1472.

7. Murray R.K., Bender D.A., Botham K.M., Kennelly P.J., Rodwell V.W., Weil P.A. // The McGraw-Hill Companies, Inc. 693 p.

Размещено на Allbest.ru