腺苷酸激酶催化循环后期Mg2+转移的分子动力学模拟

崔大超 任卫同 李文飞 王炜

引用本文: 崔大超, 任卫同, 李文飞, 王炜. 腺苷酸激酶催化循环后期Mg2+转移的分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2016, 32(2): 429-435. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511201 shu
Citation:  CUI Da-Chao, REN Wei-Tong, LI Wen-Fei, WANG Wei. Metadynamics Simulations of Mg2+ Transfer in the Late Stage of the Adenylate Kinase Catalytic Cycle[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2016, 32(2): 429-435. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511201 shu

腺苷酸激酶催化循环后期Mg2+转移的分子动力学模拟

    通讯作者: 李文飞, 王炜; 李文飞, 王炜
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(11334004,81421091)资助项目 (11334004,81421091)

摘要: 腺苷酸激酶是一个包含三个结构域(LID 结构域、NMP结构域和CORE结构域)的蛋白质分子,其主要作用是催化化学反应Mg2+ + ATP + AMP ⇌ 2ADP + Mg2+,进而将细胞内ATP分子的浓度维持在合适的范围内。在腺苷酸激酶催化上述化学反应的过程中,需要有Mg2+的参与。最近的实验发现Mg2+不仅参与上述反应的化学步骤,而且对化学反应发生后底物的释放过程至关重要。已有晶体结构数据显示,在催化循环过程的化学反应步骤完成后,一个Mg2+可同时和分别位于LID 结构域及NMP结构域的两个ADP分子配位。然而,在底物的释放与分离过程中,Mg2+可能只与其中一个ADP分子结合。由于Mg2+与ADP分子的结合情况会在很大程度上影响作为催化循环限速步骤的底物释放过程,因此人们有必要研究清楚在底物释放前Mg2+与催化产物ADP分子的配位情况,即Mg2+更倾向于与LID 结构域的ADP分子结合还是与NMP结构域的ADP分子结合。本文中,我们对催化反应后底物释放前的酶-底物复合物(包含酶、两个ADP分子以及Mg2+)做了分子动力学模拟研究。我们基于metadynamics方法得到了Mg2+在两个ADP分子间转移的自由能面,发现在底物分离与释放过程中,Mg2+更倾向于与LID 结构域的ADP分子结合。只有当LID 结构域的ADP分子被质子化,同时NMP结构域的ADP分子处于去质子化状态时,Mg2+才会倾向于与NMP结构域的ADP分子结合。另外,我们也刻画了Mg2+转移过程中配体交换与脱水过程。本工作的研究结果有助于理解腺苷酸激酶催化循环后期的分子过程。

English

    1. [1]

      (1) Palm-Espling, M. E.; Niemiec, M. S.; Wittung-Stafshede, P.Biochim. Biophys. Acta 2012, 1823, 1594. doi: 10.1016/j.bbamcr.2012.01.013(1) Palm-Espling, M. E.; Niemiec, M. S.; Wittung-Stafshede, P.Biochim. Biophys. Acta 2012, 1823, 1594. doi: 10.1016/j.bbamcr.2012.01.013

    2. [2]

      (2) Li, W.; Zhang, J.; Wang, J.; Wang, W. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 892. doi: 10.1021/ja075302g(2) Li, W.; Zhang, J.; Wang, J.; Wang, W. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 892. doi: 10.1021/ja075302g

    3. [3]

      (3) Alberts, B.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Walter, P. Molecular Biology of the Cell, 1st ed.; GarlandScience, Taylor & Francis Group: New York, 2007.(3) Alberts, B.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Walter, P. Molecular Biology of the Cell, 1st ed.; GarlandScience, Taylor & Francis Group: New York, 2007.

    4. [4]

      (4) Wilson, C. J.; Apiyo, D.; Wittung-Stafshede, P. Q. Rev. Biophys. 2004, 37, 285.(4) Wilson, C. J.; Apiyo, D.; Wittung-Stafshede, P. Q. Rev. Biophys. 2004, 37, 285.

    5. [5]

      (5) Li, W.; Wang, W.; Takada, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2014, 111, 10550. doi: 10.1073/pnas.1402768111(5) Li, W.; Wang, W.; Takada, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2014, 111, 10550. doi: 10.1073/pnas.1402768111

    6. [6]

      (6) Li, W.; Zhang, J.; Su, Y.; Wang, J.; Qin, M.; Wang, W. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 13814. doi: 10.1021/jp076213t(6) Li, W.; Zhang, J.; Su, Y.; Wang, J.; Qin, M.; Wang, W. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 13814. doi: 10.1021/jp076213t

    7. [7]

      (7) Li, W.; Wang, J.; Zhang, J.; Wang, W. Curr. Opin. Struct. Biol. 2015, 30, 25. doi: 10.1016/j.sbi.2014.11.006(7) Li, W.; Wang, J.; Zhang, J.; Wang, W. Curr. Opin. Struct. Biol. 2015, 30, 25. doi: 10.1016/j.sbi.2014.11.006

    8. [8]

      (8) Muller, C.W.; Schlauderer, G. J.; Reinstein, J.; Schulz, G. E.Structure 1996, 4, 147. doi: 10.1016/S0969-2126(96)00018-4(8) Muller, C.W.; Schlauderer, G. J.; Reinstein, J.; Schulz, G. E.Structure 1996, 4, 147. doi: 10.1016/S0969-2126(96)00018-4

    9. [9]

      (9) Kerns, S. J.; Agafonov, R. V.; Cho, Y. J.; Pontiggia, F.; Otten, R.; Pachov, D. V.; Kutter, S.; Phung, L. A.; Murphy, P. N.; Thai, V.; Alber, T.; Hagan, M. F.; Kern, D. Nat. Struct. Mol. Biol. 2015, 22, 124. doi: 10.1038/nsmb.2941(9) Kerns, S. J.; Agafonov, R. V.; Cho, Y. J.; Pontiggia, F.; Otten, R.; Pachov, D. V.; Kutter, S.; Phung, L. A.; Murphy, P. N.; Thai, V.; Alber, T.; Hagan, M. F.; Kern, D. Nat. Struct. Mol. Biol. 2015, 22, 124. doi: 10.1038/nsmb.2941

    10. [10]

      (10) Formoso, E.; Limongelli, V.; Parrinello, M. Sci. Rep. 2015, 5, 8425. doi: 10.1038/srep08425(10) Formoso, E.; Limongelli, V.; Parrinello, M. Sci. Rep. 2015, 5, 8425. doi: 10.1038/srep08425

    11. [11]

      (11) Giri Rao, V. V.; Gosavi, S. PLoS Comp. Biol. 2014, 10, e1003938.(11) Giri Rao, V. V.; Gosavi, S. PLoS Comp. Biol. 2014, 10, e1003938.

    12. [12]

      (12) Wang, Y.; Gan, L. F.; Wang, E. K.; Wang, J. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 84. doi: 10.1021/ct300720s(12) Wang, Y.; Gan, L. F.; Wang, E. K.; Wang, J. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 84. doi: 10.1021/ct300720s

    13. [13]

      (13) Li, W.; Terakawa, T.; Wang, W.; Takada, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 17789. doi: 10.1073/pnas.1201807109(13) Li, W.; Terakawa, T.; Wang, W.; Takada, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 17789. doi: 10.1073/pnas.1201807109

    14. [14]

      (14) Pirchi, M.; Ziv, G.; Riven, I.; Cohen, S. S.; Zohar, N.; Barak, Y.; Haran, G. Nat. Commun. 2011, 2, 493. doi: 10.1038/ncomms1504(14) Pirchi, M.; Ziv, G.; Riven, I.; Cohen, S. S.; Zohar, N.; Barak, Y.; Haran, G. Nat. Commun. 2011, 2, 493. doi: 10.1038/ncomms1504

    15. [15]

      (15) Li, W.; Wolynes, P. G.; Takada, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 3504. doi: 10.1073/pnas.1018983108(15) Li, W.; Wolynes, P. G.; Takada, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 3504. doi: 10.1073/pnas.1018983108

    16. [16]

      (16) Daily, M. D.; Phillips, G. N., Jr.; Cui, Q. J. Mol. Biol. 2010, 400, 618. doi: 10.1016/j.jmb.2010.05.015(16) Daily, M. D.; Phillips, G. N., Jr.; Cui, Q. J. Mol. Biol. 2010, 400, 618. doi: 10.1016/j.jmb.2010.05.015

    17. [17]

      (17) Schrank, T. P.; Bolen, D.W.; Hilser, V. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 16984. doi: 10.1073/pnas.0906510106(17) Schrank, T. P.; Bolen, D.W.; Hilser, V. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 16984. doi: 10.1073/pnas.0906510106

    18. [18]

      (18) Beckstein, O.; Denning, E. J.; Perilla, J. R.; Woolf, T. B.J. Mol. Biol. 2009, 394, 160. doi: 10.1016/j.jmb.2009.09.009(18) Beckstein, O.; Denning, E. J.; Perilla, J. R.; Woolf, T. B.J. Mol. Biol. 2009, 394, 160. doi: 10.1016/j.jmb.2009.09.009

    19. [19]

      (19) Lu, Q.; Wang, J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4772. doi: 10.1021/ja0780481(19) Lu, Q.; Wang, J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4772. doi: 10.1021/ja0780481

    20. [20]

      (20) Whitford, P. C.; Miyashita, O.; Levy, Y.; Onuchic, J. N. J. Mol. Biol. 2007, 366, 1661. doi: 10.1016/j.jmb.2006.11.085(20) Whitford, P. C.; Miyashita, O.; Levy, Y.; Onuchic, J. N. J. Mol. Biol. 2007, 366, 1661. doi: 10.1016/j.jmb.2006.11.085

    21. [21]

      (21) Henzler-Wildman, K. A.; Lei, M.; Thai, V.; Kerns, S. J.; Karplus, M.; Kern, D. Nature 2007, 450, 913. doi: 10.1038/nature06407(21) Henzler-Wildman, K. A.; Lei, M.; Thai, V.; Kerns, S. J.; Karplus, M.; Kern, D. Nature 2007, 450, 913. doi: 10.1038/nature06407

    22. [22]

      (22) Bae, E.; Phillips, G. N., Jr. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006, 103, 2132. doi: 10.1073/pnas.0507527103(22) Bae, E.; Phillips, G. N., Jr. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006, 103, 2132. doi: 10.1073/pnas.0507527103

    23. [23]

      (23) Miyashita, O.; Onuchic, J. N.; Wolynes, P. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003, 100, 12570. doi: 10.1073/pnas.2135471100(23) Miyashita, O.; Onuchic, J. N.; Wolynes, P. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003, 100, 12570. doi: 10.1073/pnas.2135471100

    24. [24]

      (24) Wolf-Watz, M.; Thai, V.; Henzler-Wildman, K.; Hadjipavlou, G.; Eisenmesser, E. Z.; Kern, D. Nat. Struct. Mol. Biol. 2004, 11, 945. doi: 10.1038/nsmb821(24) Wolf-Watz, M.; Thai, V.; Henzler-Wildman, K.; Hadjipavlou, G.; Eisenmesser, E. Z.; Kern, D. Nat. Struct. Mol. Biol. 2004, 11, 945. doi: 10.1038/nsmb821

    25. [25]

      (25) Ma, W.; Schulten, K. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3031. doi: 10.1021/ja512605w(25) Ma, W.; Schulten, K. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3031. doi: 10.1021/ja512605w

    26. [26]

      (26) Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 1643. [刘夫锋, 董晓燕, 孙彦. 物理化学学报, 2010, 26, 1643.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100613(26) Liu, F. F.; Dong, X. Y.; Sun, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 1643. [刘夫锋, 董晓燕, 孙彦. 物理化学学报, 2010, 26, 1643.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100613

    27. [27]

      (27) Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Dror, R. O.; Shaw, D. E.Science 2011, 334, 517. doi: 10.1126/science.1208351(27) Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Dror, R. O.; Shaw, D. E.Science 2011, 334, 517. doi: 10.1126/science.1208351

    28. [28]

      (28) Laio, A.; Gervasio, F. L. Rep. Prog. Phys. 2008, 71, 126601.(28) Laio, A.; Gervasio, F. L. Rep. Prog. Phys. 2008, 71, 126601.

    29. [29]

      (29) Darve, E.; Rodriguez-Gomez, D.; Pohorille, A. J. Chem. Phys 2008, 128, 144120. doi: 10.1063/1.2829861(29) Darve, E.; Rodriguez-Gomez, D.; Pohorille, A. J. Chem. Phys 2008, 128, 144120. doi: 10.1063/1.2829861

    30. [30]

      (30) Warmflash, A.; Bhimalapuram, P.; Dinner, A. R. J. Chem. Phys. 2007, 127, 154112. doi: 10.1063/1.2784118(30) Warmflash, A.; Bhimalapuram, P.; Dinner, A. R. J. Chem. Phys. 2007, 127, 154112. doi: 10.1063/1.2784118

    31. [31]

      (31) Terakawa, T.; Takada, S. Biophys. J. 2011, 101, 1450. doi: 10.1016/j.bpj.2011.08.003(31) Terakawa, T.; Takada, S. Biophys. J. 2011, 101, 1450. doi: 10.1016/j.bpj.2011.08.003

    32. [32]

      (32) Li, W.; Yoshii, H.; Hori, N.; Kameda, T.; Takada, S. Methods 2010, 52, 106. doi: 10.1016/j.ymeth.2010.04.014(32) Li, W.; Yoshii, H.; Hori, N.; Kameda, T.; Takada, S. Methods 2010, 52, 106. doi: 10.1016/j.ymeth.2010.04.014

    33. [33]

      (33) Li, W.; Takada, S. J. Chem. Phys. 2009, 130, 214108. doi: 10.1063/1.3146922(33) Li, W.; Takada, S. J. Chem. Phys. 2009, 130, 214108. doi: 10.1063/1.3146922

    34. [34]

      (34) Li, W.; Takada, S. Biophys. J. 2010, 99, 3029. doi: 10.1016/j.bpj.2010.08.041(34) Li, W.; Takada, S. Biophys. J. 2010, 99, 3029. doi: 10.1016/j.bpj.2010.08.041

    35. [35]

      (35) Bussi, G.; Gervasio, F. L.; Laio, A.; Parrinello, M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13435. doi: 10.1021/ja062463w(35) Bussi, G.; Gervasio, F. L.; Laio, A.; Parrinello, M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13435. doi: 10.1021/ja062463w

    36. [36]

      (36) Laio, A.; Parrinello, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 12562. doi: 10.1073/pnas.202427399(36) Laio, A.; Parrinello, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 12562. doi: 10.1073/pnas.202427399

    37. [37]

      (37) Pfaendtner, J.; Branduardi, D.; Parrinello, M.; Pollard, T. D.; Voth, G. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 12723. doi: 10.1073/pnas.0902092106(37) Pfaendtner, J.; Branduardi, D.; Parrinello, M.; Pollard, T. D.; Voth, G. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 12723. doi: 10.1073/pnas.0902092106

    38. [38]

      (38) Gervasio, F. L.; Parrinello, M.; Ceccarelli, M.; Klein, M. L.J. Mol. Biol. 2006, 361, 390. doi: 10.1016/j.jmb.2006.06.034(38) Gervasio, F. L.; Parrinello, M.; Ceccarelli, M.; Klein, M. L.J. Mol. Biol. 2006, 361, 390. doi: 10.1016/j.jmb.2006.06.034

    39. [39]

      (39) Muller, C.W.; Schulz, G. E. J. Mol. Biol. 1992, 224, 159. doi: 10.1016/0022-2836(92)90582-5(39) Muller, C.W.; Schulz, G. E. J. Mol. Biol. 1992, 224, 159. doi: 10.1016/0022-2836(92)90582-5

    40. [40]

      (40) Phillips, J. C.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, R. D.; Kale, L.; Schulten, K.J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781.(40) Phillips, J. C.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, R. D.; Kale, L.; Schulten, K.J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781.

    41. [41]

      (41) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98, 10089. doi: 10.1063/1.464397(41) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98, 10089. doi: 10.1063/1.464397

    42. [42]

      (42) Huang, J.; MacKerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2013, 34, 2135. doi: 10.1002/jcc.23354(42) Huang, J.; MacKerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2013, 34, 2135. doi: 10.1002/jcc.23354

    43. [43]

      (43) Vanommeslaeghe, K.; Raman, E. P.; MacKerell, A. D., Jr.J. Chem. Inf. Model. 2012, 52, 3155. doi: 10.1021/ci3003649(43) Vanommeslaeghe, K.; Raman, E. P.; MacKerell, A. D., Jr.J. Chem. Inf. Model. 2012, 52, 3155. doi: 10.1021/ci3003649

    44. [44]

      (44) Humphrey, W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graphics 1996, 14, 33. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5(44) Humphrey, W.; Dalke, A.; Schulten, K. J. Mol. Graphics 1996, 14, 33. doi: 10.1016/0263-7855(96)00018-5

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  502
  • HTML全文浏览量:  80
文章相关
  • 收稿日期:  2015-07-28
  • 网络出版日期:  2015-11-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章