Badania struktur makromolekularnych, ich dynamiki i funkcji

Doswiadczalne i teoretyczne badania struktury i funkcjonowania biomolekul.

Osoby zaangażowane w projekt
Jan Antosiewicz
Elżbieta Bojarska
Maciej Długosz

Współpraca w Zakładzie Biofizyki
Agnieszka Bzowska
Edward Darżynkiewicz
Bogdan Lesyng
Ryszard Stolarski

Słowa kluczowe
mechanizm rozpoznawania receptor-ligand
metody relaksacyjne
dynamika molekularna, dynamika brownowska
elektrostatyka molekularna

Opisy projektów

A. Rola oddziaływań elektrostatycznych w rozpoznawaniu receptorow przez ligandy

Oddziaływania elektrostatyczne stanowią jeden z ważnych czynnikow decydujacych o powinowactwie ligandów do miejsc wiażących w bioloplimerach. Znaczącym źródlem potencjalu elektrostatycznego generowanego przez biopolimery są funkcyjne grupy jonizowalne przyłączone do niektórych z podjednostek (aminokwasów czy nukleotydów). Ładunek tych grup zależy od pH środowiska, w związku z czym oddziaływania biopolimerów z ligandami wykazują zależność od pH. Ponadto znaczenie oddziaływań elektrostatycznych w tworzeniu kompleksu receptor-ligand przejawia się zależnością tego procesu od siły jonowej roztworu.

Grupa nasza zajmuje się badaniem udziału oddziaływań elektrostatycznych w oddziaływaniach receptor-ligand wykorzystujac metody doświadczalne spektroskopii UV-VIS i fluorescencyjnej i metody kinetyczne spektrometrii zatrzymanego przepływu oraz metody teoretyczne elektrostatyki molekularnej, oparte na modelu Poissona-Boltzmanna układu molekuła-rozpuszczalnik, metody dynamiki brownowskiej i molekularnej.

Obecnie zajmujemy się dwoma interesującymi układami: jeden to inicjatorowe białko eukariotyczne odpowiedzialne za rozpoznanie końca 5' mRNA w procesie inicjacji translacji, a drugi to fosorylaza nukleozydów purynowych i jej inhibitory.

B. Znaczenie równowag protonacyjnych dla struktury i funkcjonowania biomolekul

Jednym z ważnych czynników określajacych strukturę i dynamikę białek jest wymiana protonow z otoczeniem przez grupy boczne niektórych aminokwasów. Jest wiele danych doświadczalnych świadczacych o znaczeniu procesow wymiany protonów dla struktury i funkcjonowania białek, glównie związanych z obserwacjami zależnosci wyników doświadczeń od pH. Z drugiej strony w symulacjach komputerowych problem protonacji grup jest ciagle traktowany w sposob uproszczony: przyjmuje się oczekiwane stany protonacyjne dla danego pH i wykonuje się symulacje z tak ustalonymi stanami protonacyjnymi. Wydaje się jednak, że wlączenie do symulacji procesów wymiany protonów explicite jest konieczne dla uzyskania fizycznie znaczacego obrazu mechanizmów funkcjonowania i dynamiki białek (symulacje w stalym pH). W przyszłości takie symulacje powinny być przeprowadzane rutynowo, tak jak obecnie rutynowo wykonuje się symulacje w stalej temperaturze czy ciśnieniu. Nasza grupa uczestniczy w rozwijaniu oprogramowania dla tego typu symulacji.

Obecnie pracujemy nad algorytmem, w ktorym metoda miareczkowania białek oparta na modelu Poissona-Bottzmana układu białko-woda, jest sprzeżona z metodą dynamiki molekularnej z rozpuszczalnikiem modelowanym jako ośrodek ciągły. Algorytm nasz testujemy na krótkim peptydzie stanowiącym cześć białka ovomucyny z indyka, acetyl-Ser-Asp-Asn-Lys-Thr-Tyr-Gly-amid, który ma interesujace wlaściwości jonizacyjne, a jednoczesnie jest na tyle maly, że możliwe jest prowadzenie testów róznych protokolów symulacji.

Wybrane publikacje

  1. J. Antosiewicz, E. Blachut-Okrasinska, T. Grycuk, J. M. Briggs, S. T. Wlodek, B. Lesyng, and J. A. McCammon, Prediction of pKas of titratable residues in proteins using a Poisson-Boltzmann model of the solute-solvent system, in "Algorithms for Molecular Modelling," P. Deuflhard, J. Hermans, B. Leimkuehler, A. Mark, R.D. Skeel, S. Reich, Eds., (Lecture Notes Comp. Sci. & Engn., 4:176-196 (1999))
  2. E. Blachut-Okrasinska, B. Lesyng, J. M. Briggs, J. A. McCammon and J. M. Antosiewicz, The Poisson-Boltzmann model studies of molecular electrostatic properties of protein kinases, Eur. Biophys. J., 28:457-467 (1999)
  3. J. Antosiewicz, E. Blachut-Okrasinska, T. Grycuk, and B. Lesyng, A correlation between protonation equilibria in biomolecular systems and their shapes: Studies using a Poisson-Boltzmann Model, in "Free Boundary Problems: Theory and Applications", N. Kenmochi, Editor, (GAKUTO International Series, Mathematical Sciences and Applications, 14:11-17 (2000))
  4. E. Blachut-Okrasinska, E. Bojarska, L. Chlebicka, A. Niedzwiecka-Kornas, E. Darzynkiewicz, R. Stolarski, J. Stepinski, and J. M. Antosiewicz, Stopped-flow and brownian dynamics studies of electrostatic effects in the kinetics of binding of 7-methyl-GpppG to the protein eIF4E, Eur. Biophys. J., 29:487-498 (2000)
  5. M. Dlugosz, E. Bojarska, and J. M. Antosiewicz, A procedure for analysis of stopped-flow transients for protein-ligand association, J. Biochem. Biophys. Methods, 51:179-193 (2002)
  6. A. M. Walczak and J. M. Antosiewicz, Langevin dynamics of proteins at constant pH, Phys. Rev. E, vol. 66 051911/1-8 (2002)
  7. M. Dlugosz, E. Blachut-Okrasinska, E. Bojarska, E. Darzynkiewicz, and J. M. Antosiewicz, Effects of pH in the kinetics of binding of mRNA-cap analogs by translation initiation factor eIF4E, Eur. Biophys. J., vol. 31, 608-616 (2003)