Механизм фотореакции в бактериальном рецепторе синего света BLUF по результатам моделирования методом метадинамики

УДК 517.15

МЕХАНИЗМ ФОТОРЕАКЦИИ В БАКТЕРИАЛЬНОМ РЕЦЕПТОРЕ СИНЕГО СВЕТА BLUF ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТОДОМ МЕТАДИНАМИКИ М.Г. Хренова, А.А. Никифоров, Н.Н. Андрийченко, В.А. Миронов, А.В. Немухин

Механизм химических преобразований в фоторецепторных доменах синего света (BLUF) предполагает изомеризацию боковой цепи глютамина. Методом метадинамики с использованием потенциалов, вычисляемых в приближении квантовой механики - молекулярной механики (КМ/ММ), построены профили энергии Гельмгольца реакции изомеризации боковой цепи таутомерной формы глютамина в домене BLUF бактериального белка AppA.

Ключевые слова: метод метадинамики, метод КМ/ММ, BLUF-домен.

Флавинсодержащие рецепторы синего света (БЬИБ) выполняют регуляторную функцию во многих бактериальных процессах. Функционирование БЬиБ-доменов обусловлено небольшими изменениями в области хромофорного кармана. А именно, в результате фотореакции происходят реорганизация сетки водородных связей хромофора с ближайшими остатками и таутомеризация функциональной группы С1п63, в то время как сама хромофорная группа в результате фотореакции остается без изменений (рис. 1) [1-4].

Согласно литературным данным [5-6], облучение системы приводит к фотореакции, в результате которой происходит перенос протона и электрона с Туг21 на флавин через С1п63; при этом происходит таутомеризация С1п63. Эти процессы протекают на поверхностях возбужденных электронных состояний, однако окончательное формирование бирадикального

состояния (Туг21* + флавин*} происходит в основном электронном состоянии. Последующие стадии могут проходить в бирадикальном состоянии с рекомбинацией только на последней стадии или в состоянии с замкнутыми электронными оболочками, если рекомбинация произошла сразу.

По результатам расчетов в молекулярном кластере, содержащем хромофор и ближайшие аминокислотные остатки, было показано, что при реализации пути с электронной структурой замкнутых оболочек лимитирующей является стадия изомеризации фрагмента -С=К-И боковой цепи глютамина с барьером 29 ккал/моль [7]. Установлено, что такой процесс происходит не при вращении функциональной группы по двугранному углу, а при изменении угла -С=К-И со структурой переходного состояния, соответствующей линейной конфигурации этих трех атомов. Однако такой процесс может затрагивать локальное белковое

Рис. 1. Механизм фотореакции в БШ^-домене

окружение, поэтому требуется явный учет белковой матрицы.

В данной работе мы проводили моделирование процесса изомеризации имидной группы глютамина С1п63 в белке АррА с использованием метода мета-динамики, позволяющего эффективно сканировать часть конформационного пространства вдоль пути реакции.

Метод метадимики [8, 9] предполагает изучение энергетического профиля реакции за счет добавления гауссовых компонент к энергии системы, что дает ей возможность переходить из минимума, соответствующего реагентам, в минимум, соответствующий продуктам, в процессе молекулярно-динамического моделирования за небольшое время.

В нашем подходе для расчетов энергии применяется комбинированный метод квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ). Этот метод позволяет описывать интересующие нас процессы в хромо-форсодержащей области (изомеризация глютами-на, рис. 1), используя подходы квантовой механики, а также применять методы молекулярной механики с силовым полем СИАЯММ для описания белковой матрицы и молекул растворителя.

Описание квантовой подсистемы осуществляли с помощью метода функционала электронной плотности с функционалом БЬУР в смешанном базисе гауссовых функций и плоских волн. Расчеты проводили

для условий канонического ансамбля КУТ при температуре 300 К.

Для реализации метода метадинамики мы выбрали набор параметров, позволяющих наиболее эффективно сканировать конформационное пространство (масса эффективной частицы 100 а.е., константа жесткости 0,15 а.е./рад2, высота добавляемых гауссовых холмов 0,6 ккал/моль, ширина добавляемых холмов 0,15 рад, шаг интегрирования 0,5 фс, пороговые значения углов 95 и 145°).

На подготовительном этапе использовали координаты тяжелых атомов из кристаллической структуры рецепторного состояния белка АррА (РББ ГО: 1УЮ) [2]. Методами молекулярного моделирования добавлены атомы водорода, сольватные оболочки молекул воды и ионы Ка+ и С1-. Для уравновешивания системы проведен расчет методом классической молекулярной динамики в каноническом ансамбле КРТ. Такой расчет при постоянном давлении позволяет получить более правильную структуру и плотность молекул воды системы, что необходимо в дальнейшем при проведении расчетов в КУТ-ансамбле.

Метод метадинамики предполагает явно заданную координату реакции. В нашем случае при изомеризации таутомерной формы глютамина естественным выбором является угол -С=К-Н (рис. 2), однако в структуре переходного состояния он принимает

Рис. 2. Профиль энергии Гельмгольца реакции изомеризации боковой цепи таутомерной формы глютамина

Рис 3. Зависимость ключевых геометрических параметров угла -С=М-Н (1) и двугранных углов -О-С-М-Н (2) и -С-С=М-Н (3) от выбранной координаты

реакции

значение 180°, что позволяет однозначно описывать состояние системы. Поэтому для расчетов в качестве координаты реакции выбран угол -С-С-Н, монотонно увеличивающийся от 95 до 145°. Все расчеты, выполненные в работе, проведены с помощью программного пакета CP2K [10]. Вычисленный профиль энергии Гельмгольца для реакции изомеризации боковой цепи таутомерной формы глютамина приведен на рис. 2.

Барьер реакции изомеризации на поверхности энергии Гельмгольца составил 25 ккал/моль, что хорошо согласуется с величиной 29 ккал/моль на рельефе поверхности потенциальной энергии, полученной ранее в рамках модели молекулярного кластера [7].

Важным методическим вопросом является адекватность выбранной координаты реакции. Для этого проведен анализ изменения других геометрических параметров в зависимости от угла -С-С-Н (рис. 3). Зависимость величины угла -С=М-Н от выбранной координаты реакции указывает на то, что система проходит через переходное состояние в области, где угол -С=М-Н больше 170°. Этот результат также хорошо согласуется с данными кластерных расчетов [7]. Зависимости торсионных углов указывают на характер движения атомов в процессе реакции: двугранные углы практически не изменяются в ходе реакции, что также свидетельствует в пользу угла -С=М-Н как истинной ко -ординаты реакции.

По результатам работы показано, что при явном учете белковой матрицы и растворителя барьер изомеризации таутомерной формы глютамина сохраняется достаточно высоким (более 20 ккал/моль). Таким образом, остается актуальной задача изучения других

При написании данной статьи использованы раб

механизмов с меньшими значениями барьеров элементарных стадий.

Авторы выражают благодарность суперкомпьютерным центрам МГУ имени М.В. Ломоносова и РАН за возможность использовать вычислительные ресурсы.

ы, поддержанные РФФИ (проект № 12-03-00149-а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Laan W., van der Horst M. A., van Stokkum I. H. et al. // Photochem. Photobiol. 2003. 78. P. 290.

2. Jung A., Reinstein J., Domratcheva T., et al. // J. Mol. Biol. 2006. 362. P. 717.

3. Anderson S., Dragnea V., Masuda S., et al. // Biochem. 2005. 44. P. 7998.

4.Khrenova M. G., Domratcheva T., Schlichting I. et al. // Photochem. Photobiol. 2011. 87. P. 564.

5.Udvarhelyi A., Domratcheva T. // Photochem. Photobiol. 2011. 87. P. 554.

6. Khrenova M. G., Nemukhin A. V., Grigorenko B. L., et al. // J. Chem. Theory Comput. 2010. 6. P. 2293.

7. Khrenova M.G., Nemukhin A.V., Domratcheva T., et al. // J. Phys. Chem. B 2013. 117. P. 2369.

8. Laio. A., Parinello M. // Lect. Notes Phys. 2006. 703. P. 315.

9. Spiwok V., Lipopova P., Kralova, B. // J. Phys. Chem. B 2007. 111. P. 3073.

10. VandeVondele J., Krack M., Mohamed F., et al. // Comput. Phys. Comm. 2005. 167. P. 103.

Поступила в редакцию.12.11.13

MECHANISM OF PHOTOREACTION IN BACTERIAL BLUE LIGHT PHOTORECEPTOR BLUF BY THE RESULTS OF METADYNAMICS SIMULATIONS

M.G. Khrenova, A.A. Nikiforov, N.N. Andrijchenko, V.A. Mironov, A.V. Nemukhin

Mechanism of chemical transformations in photoreceptor domains of blue light (BLUF) assumes isomerization of the glutamine side chain. The metadynamics method with the quantum mechanics - molecular mechanics (QM/MM) potentials is used to calculate free energy profiles of the isomerization of the tautomeric glutamine side chain in the BLUF domain of the bacterial protein AppA.

Key words: BLUF, metadynamics, QM/MM.

Сведения об авторах: Хренова Мария Григорьевна - науч. сотр. лаборатории химической кибернетики кафедры физической химии химического факультета МГУ, канд. физ.-матем. наук (wasabiko13@ gmail.com); Никифоров Александр Алексеевич - мл. науч. сотр. лаборатории химической кибернетики кафедры физической химии химического факультета МГУ(nikiforo.alexander@gmail.com); Андрийченко Наталья Николаевна - мл. науч. сотр. лаборатории химической кибернетики кафедры физической химии химического факультета МГУ (hrompik.omega@gmail.com); Миронов Владимир Андреевич - мл. науч. сотр. лаборатории химической кибернетики кафедры физической химии химического факультета МГУ, канд. физ.-матем. наук (vladimir.a.mironov@gmail.com); Немухин Александр Владимирович - профессор кафедры физической химии химического факультета МГУ, докт. хим. наук (anemukhin@yahoo.com).