Семестр 7, автор – Грызунов Никита (nikit00000s)

Практикум 1. Pymol

Введение

Центральная нервная система (ЦНС) млекопитающих имеет сложное устройство на многих уровнях организации живой материи: на тканевом, клеточном и, наконец, на молекулярном. Одним из свойств такой сложной системы, состоящей из огромного количества компонентов, является ее изменчивость в ответ на совокупность тех или иных раздражителей, запоминание [1].

Синаптическая пластичность может регулироваться на пресинаптической мембране, варьируя количество выпущенного нейромедиатора, либо на постсинаптической мембране, изменяя количество и свойства рецепторных белков мембраны. Последний путь, как было показано, является основным механизмом, стоящим за синаптической пластичностью [1, 2].

Рецепторы AMPA (рецептор α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты, иначе - AMPAR), принадлежащие молекулярному уровню организации ЦНС, также имеют сложные организацию и функционирование. Основным биологическим агонистом этого рецептора является глутамат (рис 1).

Whole native AMPA
Whole GluR2
Схожесть структурных формул глутамата и AMPA (α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты). Взято с ChemSpider. AMPA Глутаминовая кислота

AMPAR является одним из главных участников быстрой синаптической передачи у млекопитающих и вовлечены в процесс синаптической пластичности. Этот рецептор является тетрамером (рис. 2), представленным из различных комбинаций четырех субъединиц: GluR1, GluR2, GluR3, GluR4. У всех четырех субъединиц имеются большой внеклеточный N-концевой домен, лиганд-связывающий домен, внутриклеточный C-концевой домен, а также 4 гидрофобных домена (M1-4), ассоциированных с мембраной. Кроме того, с AMPAR взаимодействуют некоторые регуляторные белки [3, 4].

Whole native AMPA
Whole GluR2
GluR2 LBD & TMDs
Строение AMPAR (Крио-ЭМ, PDB ID: 6NJM, организм: Rattus norvegicus ...2019, resolution: 6.50 Å, Ramachandran outliers: 0.1%, side-chain o.: 0.6%). Архитектура и субъединичная организация нативных AMPAR в комплексе с Fab, окраска по цепям. Данная макромолекула состоит из двух GluR2 и двух GluR3, расположенных симметрично по кругу, а также некоторых дополнительных субъединиц: двух субъединиц потенциалзависимого кальциевого канала gamma-2 и двух вспомогательных A'-C' протеинов - по ним информации я не нашел, но предполагаю, что это может быть TARP (transmembrane AMPA recoptor regularory proteins, или старгазин). Глобальная симметрия - C2. Общий вид изолированной субъединицы GluR2, Rainbow-окраска (по порядку остатка в первичной структуре). ATD - amino-terminal domain, LBD - ligand-binding domain(s), TMDs - transmembrane domains. Структура для петель между 379-394 а.о. и 549-568 а.о. не была разрешена в эксперименте. LBD & TMDs субъединицы GluR2, вид вблизи, окраска по вторичной структуре. M1-4 - трансмембранные (M2 - re-entrant membrane loop region), S1-S2 - сегменты в лиганд связывающем домене, Glu - сайт связывания глутамата. Структура для петли между M1 и M2 (остатки 549-568) не была разрешена в эксперименте.
AMPAR-AMPA interaction
AMPAR-AMPA interaction
AMPAR-AMPA interaction
AMPAR-AMPA interaction, alpha-helix
Комплекс AMPAR и AMPA (РСА, PDB ID: 1MY2 - РСА, организм: Rattus norvegicus ...2003, resolution: 1.80 Å, R-Value Free: 0.244, Ramachandran outliers: 0.3%, side-chain o.: 4.2%). Общий вид LBD Взаимодействие между а.о. AMPAR и AMPA (первый ракурс). Фиолетовые пунктирные линии означают солевые мостики, желтые п. л. - водородные связи. Взаимодействие между а.о. AMPAR и AMPA (второй ракурс). TYR`61, располагающийся на переднем плане, сделан полупрозрачным. Взаимодействие AMPAR и AMPA. Интересно, что N-конец альфа-спирали 142-149 а.о. расположен рядом с карбоксильной группой AMPA, а как известно, альфа-спирали имеют дипольный момент. Возможно тут имеет место электростатическое взаимодействие заряд-диполь.
Загрузить сессию Pymol можно здесь.

Я предполагаю, что аминогруппа AMPA является в большей степени протонированной, чем нет, так как при 25 градусах Цельсия pKa аминогруппы заключена между 9 и 11. Кроме того эта молекула очень похожа на глутамат (отличаются, только радикалы), а аминогруппа глутамата при физиологических условиях больше протонирована. Кроме того, AMPA в таком случае будет являться цвиттер-ионом, что будет дополнительно стабилизировать данное состояние.

UPD: AMPAR с глутаматом

AMPAR-glutamate interaction
AMPAR-glutamate and AMPAR-AMPA alignment
AMPAR-glutamate and AMPAR-AMPA alignment
Комплекс AMPAR с глутаматом (РСА, PDB ID: 5YBF - РСА, организм: Homo sapiens ...2017, resolution: 1.50 Å, R-Value Free: 0.208 (work: 0.184, observed: 0.185), Ramachandran outliers: 0, side-chain o.: 1.3%). Сайт связывания глутамата в AMPAR. Как и раньше, большую роль играет одна из альфа-спиралей. Также наблюдается два солевых мостика, взаимодействие очень сильное. Сравнение сайтов связывания глутамата в AMPAR двух структур: 5ybf (лиганд - глутамат) и 1my2 (лиганд - AMPA). Видим незначительные изменения структуры сайта связывания. AMPA довольно хорошо "имитирует" глутамат Сравнение лиганд-связывающих доменов AMPAR двух структур: 5ybf (лиганд - глутамат) и 1my2 (лиганд - AMPA). Видим незначительные изменения структуры доменов.

Список литературы

  1. Helmut W. Kessels, Roberto Malinow. (2009) Synaptic AMPA Receptor Plasticity and Behavior.
    Neuron, 61(3), 340-350
  2. Richard L. Huganir, Roger A. Nicoll. (2013) AMPARs and Synaptic Plasticity: The Last 25 Years.
    Neuron, 80(3), 704-717
  3. John T.R. Isaac, Michael C. Ashby, Chris J. McBain. (2007) The Role of the GluR2 Subunit in AMPA Receptor Function and Synaptic Plasticity.
    Neuron, 54(6), 859-871
  4. Wright Amanda, Vissel Bryce. (2012) The essential role of AMPA receptor GluR2 subunit RNA editing in the normal and diseased brain.
    Frontiers in Molecular Neuroscience, 5