Atp Hidrolizinin Hsp70 Şaperon Proteini Tarafından Katalizlenmesi

Abstract

Moleküler şaperon proteinleri yeni sentezlenmiş proteinlerin doğal yapılarına katlanmalarında onlara yardımcı olur. Şaperon proteinlerinin çoğu aynı zamanda ısı-şok proteinidir. Bu proteinler stres koşullarında denatüre olmuş proteinlerin yeniden katlanmasına yardım etmede görev almaktadır. Hsp70 de bu proteinlerden bir tanesidir. Bu çalışmada Hsp70'in ATP hidroliz mekanizması QM/MM ONIOM methoduyla QM bölge için M06-2X, MM bölge için AMBER kuvvet alanı kullanılarak incelenmiştir. Grubumuzda daha önceden yapılan moleküler dinamik simülasyonlarına dayanarak D201'in protonasyon durumlarına göre iki ana model düşünülmüştür. Önceki çalışmalarda hidroliz için kritik bir aminoasit olduğu bulunan K70'in üzerinde özellikle durulmuştur. K70'in asit-baz katalizine girip girmediği de araştırılmıştır. Bununla birlikte, asit-baz katalizinde rol oynayabileceği düşünülen başka aminoasitlerle de asit-baz katalizi reaksiyonlarını ifade eden modeller hazırlanmıştır. Asit adayı olarak D194 ve Mg2+ ile K+ arasında bulunan bir su, baz olarak ise E171 seçilmiştir. Kristallografik çalışmalarda ATP'ye koordine olmuş bir Mg2+ iyonunun beta-fostat grubu ile etkileştiği gözlemlenmiştir. Literatürde bu iyonun beta ile gamma-fosfatın arasına kaymasıyla reaksiyonun başlayabileceği öne sürülmüştür. Bu durum da test edilmiştir. Sonuçlanan çalışmalarda, D201'in nötral olduğu yapılarda ATP hidroliz mekanizmasının nükleofilik suyun doğrudan saldırısıyla gerçekleştiği görülmüştür. Bununla birlikte asit-baz katalizi içeren çalışmalar enerjetik olarak uygun sonuçlar vermemişlerdir. Mg2+ iyonunun iki fosfat grubu arasına kaymasının reaksiyonu başlatması da mümkün görünmemektedir. Diğer yandan, D201'in iyonize olduğu durumlardaki yapılarda Pi'ın E171'e veya yakındaki bir su molekülüne proton verme eğiliminde olduğu görülmektedir. Bu durum E171'in ürün oluşumundan sonra proton alabileceğine işaret etmektedir. Ortamdan bir proton silindiğinde ise Mg2+ iyonunun iki fosfat grubu arasına kaymasının enerjetik olarak uygun bir durum olduğu gözlemlenmiştir.

Molecular chaperone proteins assist the newly synthesized proteins to fold into the native structure. Many chaperone proteins are also heat shock proteins, which assists refolding of the proteins denatured under stress conditions, with Hsp70 being one of them. In this study, the ATP hydrolysis mechanism of Hsp70 has been investigated using the QM/MM ONIOM method with M06-2X for the QM part and the AMBER force field for the MM part. Two main models were created depending on the protonation states of D201. Particular attention has been paid to the role of K70 because this residue is crucial for ATP hydrolysis. In addition, the possibility that K70 is involved in acid catalysis has been investigated. Other candidates for acid catalysis were D194 and a water molecule between Mg2+ and K+ and E171 is used as a base candidate. In the crystallographic structure, a Mg2+ ion is coordinated to the beta-phosphate group. It is suggested that shift of Mg2+ to a position between the beta- and gamma-phosphate groups. This mechanism is also tested. Our results showed that proton transfer to ATP occurs with nucleophilic water directly attacking the ATP and acid-base catalysis seems unlikely. Suggested mechanism about the shift of Mg2+ is also unlikely. In the models with a deprotonated D201, Pi tends to donate a proton to a nearby water or E171, which suggests that E171 can accept a proton after product formation. And when a proton is deleted on Pi, Mg2+ shift between the two phosphate groups is energetically favorable.