ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АПОЛИПОПРОТЕИНА B-100 С
ЛИПИДАМИ
О.Е. Глухова, О.А. Гришина
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Саратов,
Россия
[email protected]
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.
Работа поддержана грантом РНФ № 14-15-00128.
ВВЕДЕНИЕ
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 –NН2 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: α-спираль, β-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: α-спираль – розовый цвет, β-лист – желтый, петля – синий, полуповорот –
серый. По ним в полученной биосистеме определено процентное соотношение функциональных доменов
вторичной структуры: α-спираль составляет приблизительно 38-42%, β-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 Å.
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 Å.
Проведена молекулярно-динамическая симуляция созданной модели с временным шагом 0.001 пс в
течение 5 нс. В результате молекулы фосфатидилхолина покрывают внешнюю поверхность глобулы ApoB100. Наблюдается образование щелей в структуре протеина. Глубина крупной щели составляет 44.75 Å,
ширина – 65 Å.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
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.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №14-15-00128.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Carlsson P, Darnfors C, Olofsson SO, Bjursell G. // Gene, 1986, Vol. 49(1), P. 29–51.
http://harlem.chem.cmu.edu.
Sweet, R.M. and Eisenberg, D. // J. Mol. Biol., 1983, Vol. 171, P. 479–488.
McNaught A. D., Wilkinson A. // Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1997.
Johs, Hammel M., Waldner I., May R., Laggner P., Prassl R. // J. Biol. Chem., 2006, Vol. 281, P.
19732–19739.
Gantz D.L., Walsh M.T., Small D.M. // J. Lipid Res., 2000, Vol. 41, P. 1464–1472.
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.