Лиганды в структуре 3BL5

Средствами программы JMol мне удалось выделить три лиганда в моем белке: Zn²⁺, Mg²⁺ и фосфат-ион PO₄^3-. Их положение в белке отражено на рисунке 1. Здесь белковая часть полупрозрачна, молекулы воды невидимы, а молекулы лигандов покрашены в красный. Молекулы лиганда совсем "маленькие" по сравнению с белком. Радиус атома цинка - 1,38 А [5], магния - 1,6 А [4], PO₄^3- - приблизительно 2,43 А, тогда как размеры белка - 62,56 А, 112,34 А и 60,18 А по трем осям (см. рисунок 1).

Ген queC входит в состав оперона queCDEF, ответственного за биосинтез квеуозина - минорного нуклеотида, встречающегося у про- и у эукариот. 3BL5 участвует в синтезе пре-квеуозина-1, а именно, превращает CDG в preQ(0)[3]. По реакции, катализируемой этим ферментом, сложно вынести однозначное суждение о том, какую функцию в белке выполняет фосфат-ион, но можно сделать следующие предположения общего характера:

Он нужен для правильной координации субстрата в белке
Он способствует распознаванию субстрата белком
Он выполняет структурную функцию
Он служит кофактором в реакции

Ионы металла, скорее всего, выполняют в молекуле белка координирующую роль, что еще будет обсуждено ниже.

Рисунок 1. Белковые структуры полупрозрачны, молекулы воды скрыты, молекулы лигандов выделены синим. На рисунке Вы можете увидеть оси, по которым измерены линейные размеры молекулы.

Анализ области контакта белка из структуры PDB 3BL5 и лиганда PO₄^3-

В спектр возможностей программы JMol входит изучение устойства области контакта лиганда и белка. Здесь я попытался обосновать свзывание белком фосфат-иона. При этом я активно пользовался материалами вот этой замечательной статьи. Рисунок 2.1 отражает положение фосфата в активном центре и различные расстояния до положительно заряженных ионов азота, входящих в состав белков. Рисунок 2.2 демонстрирует тот же объект, но представленный с помощью программы ChemSketch. Указаны те же расстояния, что и на рисунке 2.1. Аминокислоты, участвующие в связывании фосфат-иона, подписаны. На рисунке 2.2 не учтены некоторые положительно зараяженные аминокислоты, принимающие косвенное участие в связывании, создавая разность электростатических потенциалов (примером таких аминокислот на рисунке 2.2 служат аргинин, лизин, лейцин и треонин). Минимальное из расстояний между PO₄^3- и гдицином (2,83 А) не позволяет предпологать наличие ковалентной связи, длина которой в среднем примерно в два раза меньше.

Можно предпологать, таким образом, что фосфат-ион главным образом удерживается в ативном центре за счет водородных связей. Действительно, как правило, длина водородной связи не првышает 3,5 A [8]. Можно предположить, что остальные а.о. с положительно заряженными ионами создают некий благоприятный для связывания PO₄^3- фон (разницу электростатических напряжений), но не участвуют в образовании водородных связей. Как сказано в статье по ссылке выше, для фосфат-ион-связывающих белков характерно присутствие в активном центре глицина, позволяющего соседним а.о. принять наиболее выгодную конфигурацию, и иона металла (обычно ионы Mg или Zn), выполняющего "координирующую роль" [1]. Эти признаки соответствуют сайту связывания фосфат-иона в 3BL5.

Рисунок 2.1. Фосфат-ион в сайте связывания белка 3BL5. А.о. подписаны, показаны расстояния до некоторых из них от фосфат-иона, также изображен ион Mg²⁺, предположительно, имеющий влияние на расположение PO₄^3- в сайте связывания.

Рисунок 2.2. Лиганд PO₄^3- в сайте связывания в представлении с использованием ChemSketch. Расстояния менее 3 А на рисунке обозначают также и водородные связи.

Смотреть скрипт для JMol, приводящий к рисункам 1 и 2.1

Проект генно-инженерного эксперимента с белком из структуры 3BL5

Препдоложим, что методами генной инженерии мы можем произвести одну точечную мутацию, приводящую к замене одного а.о. При этом мы можем достичь следующих двух целей:

Потеря белком способности связывать фосфат-ион в конкретной цепи. Чтобы белок потерял способность к связыванию PO₄^3-, можно, к примеру, заменить глицин или глутамин в активном центре на пролин. При этом серьезно нарушится присущая сайту связывания вторичная струткра, и пептидные связи, и ионы азота, участвующие в образовании водородной связи и находящиеся в пептидных связях между глутамином и а.о. глицина с одной стороны и аспартата с другой, окажутся совсем в другом месте, что, вероятно, будет препятствовать связыванию.
Сохранение белком способности к связыванию фосфат-иона. Для достижения этой цели можно заменить, к примеру, соединенный с глутамином остаток аспарагиновой кислоты на глицин, или на аспарагин, или на глутамин. На положительно-заряженный гистидин заменять рисковано, поскольку из-за его массивного радикала невозможно точно предсказать его влияние на вторичную структуру сайта связывания, тогда как глицин просто незначительно повлияет на вторичную структуру, а положительно заряженные аргинин и лизин напоминают по внешнему виду радикал аспартата, но еще и дополнительно создают электостатическое напряжение за счет своих положительных зарядов.
Однако такая замена (отрицательно-заряженный а.о. на положительно заряженный) кажется довольно радикальной. Несмотря на наши представления о логике устройства данного активного активного центра, в результате эволюции на месте этого а.о. все же оказался аспартат, и т.к. белок - довольно тонкая и сложная структура, предпочтительнее будет замена, менее "режущая глаз". Например, на ранее упомянутый вариант - глицин, или глутамат.

Вообще же, сайты связывания фосфат-иона довольно разннобразны [1], поэтому можно предложить и другие замены в обоих случаях. Очевидно, что в 3BL5 активный центр устроен именно таким образом в связи с механизмом действия фермента и его функцией.

Список ссылок на источники:

Смотри также: Общая характеристика структуры queC (PDB ID: 3BL5)

Белок queC

Лиганды в структуре 3BL5

Анализ области контакта белка из структуры PDB 3BL5 и лиганда PO43-

Проект генно-инженерного эксперимента с белком из структуры 3BL5

Анализ области контакта белка из структуры PDB 3BL5 и лиганда PO₄^3-