Computational Investigations of Biomolecular Systems and Comparison with Experiments in Various Environmental Conditions

Mgr. Morteza KHABIRI

Doctoral thesis

Abstract:

Computational methods were used to study two different types of biological systems. The first study is related to the effect of three different organic solvents (formamide, acetone and isopropanol) on the structure and behavior of three globular proteins. These enzymes belong to the haloalkane dehalogenase family: DhaA, LinB, and DbjA. Moreover, the effect of mutation in the presence of DMSO was also investigated in two variants of DhaA; DhaA57 (L95V+A172V) and DhaA80 (Thr148Leu+Gly171Gln+Ala172Val+Cys176Phe). The simulation results showed that except for DhaA80, organic solvents entered the active site and influence its hydration. Not only the active site but also the enzyme?s hydration shell is influenced by organic molecules. The results showed that the water molecules are stripped out from the enzyme surfaces. It seems that the dual nature of organic molecules makes them favorable to solvate the enzymes. Radial Distribution Function (RDF) of the different parts of each organic molecule reveals that the behavior of each organic solvent in the vicinity of hydrophobic surfaces is similar to their behavior at the air-water interface. Structural analysis of root-mean-square-deviations (RMSD) and B-factors reveals that the flexibility of the enzymes decreased in the presence of most organic solvents, mainly in the CAP domain. Changes of other structural properties like radius of gyration and total solvent accessible surface areas are minimal. DbjA exists as a dimer and is more influenced by organic molecules. They penetrate to the amino acid network between monomers and influence their motion. The second study is the interaction of voltage-gated potassium channel Kv1.3 wild type and its mutants (Kv1.3_V388C, Kv1.3_V388C_H399T) with scorpion toxin (ChTX). Since there is no structure for Kv1.3, 94% sequence identity with Kv1.2 structure was used to make a homology model based on the Kv1.2 structure. MD structural analyses reveal that mutation of V388C changes the stability of selectivity filter by interrupting the amino acid network interactions behind the selectivity filter. The interaction of ChTX is also affected by the single mutant. ChTX is able to block wild type and double mutant channels but cannot occlude the pore entirely. Introducing the second point mutation H399T in the pore region reverts the structural changes back to the wild type. These results are entirely consistent with experimental results. Additionally, the binding energy of ChTX with the wild type mKv1.3 was investigated by the potential of mean force method, in the presence and absence of KCl solution. The results both in experiment and simulation show that, even though the unbinding process and dissociation rate is changing in the present of K+ ions, the binding energy is independent of K+ concentration. All together, the combination of computer simulations together with experiments provides new knowledge about channel-toxin interactions which could be helpful for drug design.

Abstract:

Práce se zabývá studiem dvou biologických systémů metodou počítačových simualcí. V prvním případě se jedná o studium vlivu tří roztoků organických látek (formamidu, acetonu a isopropanolu) na stukturu a chování tří globulárních bílkovin. Tyto enzymy patří do rodiny haloalkán dehalogenáz: DhaA, LinB a DbjA. Dále se zabývám vlivem mutací v přítomnosti DMSO na dva mutanty DhaA; DhaA57 (L95V+A172V) a DhaA80 (Thr148Leu+Gly171Gln+Ala172Val+Cys176Phe). Výsledky simulací ukázaly, že s výjimkou DhaA80, vstupují organické molekuly do aktivního místa enzymu a ovlivňují jeho hydrataci. Organické molekuly ovlivňují nejen aktivní místo enzymu, ale i jeho hydratační obal. Výsledky ukazují, že molekuly vody jsou odpuzovány z povrchu enzymu. Zdá se, že amfipatická povaha organických molekul z nich činní oblíbené solváty zkoumaných enzymů. Radiální distribuční funkce (RDF) rozdílných částí organické molekuly ukazuje, že chování jednotlivých roztoků organických molekul v blízkosti hydrofóbního povrchu a na rozhraní voda-vzduch je podobné. Strukturní analýza středních kvadratických odchylek (RMSD) a B-faktorů ukazuje, že flexibilita enzymů hlavně v oblasti CAP domény klesá v přítomnosti většiny organických roztoků. Změny ostatních strukturních vlastností jako poloměru rotace a celkového povrchu přístuponému solventu jsou minimální. DbjA se v roztoku vyskytuje jako dimer a je více ovlivněn organickými molekulami. Ty pronikají do oblasti vzájemného kontaktu monomerů a ovlivňují pohyb aminokyselin z této oblasti. Druhá studie se zabývá interakcemi napěťově řízeného draselného kanálu Kv1.3 ve standardní formě a s mutacemi (Kv1.3_V388C, Kv1.3_V388C_H399T) se štířím toxinem (ChTX). Protože neexistuje krystalová struktura pro Kv1.3, vytvořili jsme její homologní model na základě Kv1.2, se kterým má s Kv1.3 sekvenční identitu 94%. MD strukturální analýza ukazuje, že mutace V388C mění stabilitu selektivního filtru přerušením vzájemných interakcí aminokyselin za selektivním filtrem. Přítomnost jedné mutace rovněž ovlivňuje interakci ChTX s kanálem. Toxin částečně blokuje standardní a dvakrát mutovaný pór kanálu. Druhá bodová mutace H399T v oblasti póru vrátí strukturu na pozici jako ve standardním typu. Tyto výsledky jsou naprosto v souladu s experimentem. Dále se zkoumala vazebná energie ChTX se standardním mKv1.3 pomocí výpočtu potenciálu průměrné síly, buď s přidáním KCl do roztoku nebo bez něj. Výsledky shodně v simulaci i v experimentu ukazují, že přestože se v přítomnosti draselných iontů mění nevazebný proces a disociační konstanta, je vazebná energie nezávislá na koncentraci K+. Kombinace počítačových simulací s experimenty získává nové informace o interakcích kanálu s toxinem, které mohou být užitečné při navrhování léků.

Keywords

molekulární dynamika, haloalkan dehalogenázy, roztoky organických látek, napětím řízené kanály, štírí toxiny, volná vazebná energie, průměrná síla potenciálu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 9. 2011

Accessible from:: 7. 9. 2011

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Rüdiger Horst Ettrich, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Institute of Physical Biology

Doctoral programme / field:
Biophysics / Biophysics