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Understanding the ATP hydrolysis mechanism in myosin using computer simulation techniques

Schwarzl, Sonja M.

German Title: Computersimulationen des ATP Hydrolysemechanismus in Myosin

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Abstract

Molecular motors are proteins that convert energy from nucleoside triphosphate hydrolysis into mechanical work. A prominent example is myosin which drives muscle contraction and a large number of additional cellular transport phenomena in all living organisms. While hydrolyzing ATP, myosin translocates along an actin filament. The catalytic cycle for ATP hydrolysis and the mechanical motor cycle are closely coupled. Although a large number of studies have been devoted to understanding the functioning of myosin since its isolation in the 19th century, the details of the chemical mechanism underlying ATP hydrolysis and its coupling to the necessary conformational changes of myosin are poorly understood. In this thesis, theoretical methods are developed and used to gain a detailed understanding of the mechanism of ATP hydrolysis in myosin and of mechanical events that immediately follow hydrolysis. Three different possible reaction routes are investigated using combined quantum mechanical and molecular mechanical (QM/MM) reaction path simulations. To include solvent screening effects in the calculations, a new approximate method "Non-Uniform Charge Scaling" (NUCS) was developed which scales the partial atomic charges on the molecular mechanical atoms so as to optimally reproduce electrostatic interaction energies between groups of protein atoms and the QM region as determined from an initial continuum solvent analysis with a simple Coulomb potential and scaled charges. NUCS is a generally-applicable method that is particularly useful in cases where an explicit treatment of water molecules is not feasible and interfaces to implicit solvent models are lacking, as is the case for current QM/MM calculations. Path optimizations were done using Hartree-Fock calculations with 3-21G(d) and 6-31G(d,p) basis sets, followed by point energy calls using density-functional theory B3LYP/6-31+G(d,p). Despite the inaccuracies inherent in this method, the present calculations currently represent the most accurate QM/MM theoretical investigation of an enzyme-catalyzed phosphoanhydride hydrolysis reaction. Possible methodological improvements for future investigations are discussed. The three pathways studied are isoenergetic within error and are thus equally likely to be populated. The 6-31G(d,p) basis set proved to be reliable in describing the geometries during the phosphate hydrolysis reactions, whereas the 3-21G(d) basis set was found to be too inaccurate. Although the energies were not sufficiently accurate, a number of structural conclusions on the mechanism of ATP hydrolysis can be drawn and related to experimental findings from isotope exchange and mutation studies. All three paths investigated follow a single-step associative-like mechanism (see movies at http://www.iwr.uni-heidelberg.de/groups/biocomp/fischer) and show very similar heavy-atom positions in the transition states regardless of the positions of the protons. In the product states, the coordination bond between Mg2+ and Ser237 (and thus the switch-1 loop) is broken. This indicates that product release is likely to occur via an exit route that opens by complete opening of the switch-1 loop ("trap door" mechanism). Moreover, the coordination distance between Mg2+ and inorganic phosphate (Pi) is extended. This indicates that after hydrolysis this bond may be completely cleaved as an early event necessary for phosphate exit. Inspired by the simulation results, a Network Hypothesis on the mechanism of ATP hydrolysis in myosin is put forward that combines previous mechanistic proposals and that is consistent with experimental data available from mutational and isotope exchange studies. Moreover, a mechanism is suggested to explain how the catalytic cycle is coupled to the motor activity of myosin.

Translation of abstract (German)

Molekulare Motoren sind Proteine, die chemische Energie aus der Hydrolyse von Nukleosidtriphosphaten in mechanische Arbeit umsetzen. Ein prominentes Beispiel ist Myosin, das Muskelkontraktion und eine Vielzahl weiterer zellulaerer Transportphaenome in allen Lebewesen antreibt. Waehrend Myosin ATP hydrolysiert, wandert es an einem Aktinfilament entlang. Der Katalysezyklus und der Motorzyklus des Proteins sind dabei eng miteinander gekoppelt. Obwohl eine grosse Zahl wissenschaftlicher Arbeiten seit der Entdeckung von Myosin im 19. Jahrhundert der Aufklaerung der Funktionsweise von Myosin gewidmet waren, sind die Einzelheiten des chemischen Mechanismus der ATP Hydrolyse und deren Kopplung an den Motorzyklus bislang wenig verstanden. In der vorliegenden Dissertation werden theoretische Methoden entwickelt und angewendet, um ein detailliertes Verstaendnis des ATP Hydrolysemechanismus in Myosin und der mechanischen Ereignisse, die direkt auf die Hydrolyse folgen, zu erlangen. Drei verschiedene Reaktionswege werden mit kombinierten quantenmechanische/molekularmechanische (QM/MM) Simulationstechniken berechent. Um Loesungsmitteleffekte in den Rechnungen zu beruecksichtigen, wurde eine neue approximative Methode "Non-Uniform Charge Scaling" (NUCS) entwickelt. NUCS skaliert die Partialladungen der MM-Atome so, dass die elektrostatische Wechselwirkungsenergie zwischen MM:MM und QM:MM-Atomgruppen nach einem Poisson-Boltzmann Modell mit einem einfachen Coulomb-Potential optimal reproduziert werden. NUCS ist eine allgemeine Methode, die besonders in Faellen anwendbar ist, in denen eine explizite Modellierung der Wassermolekuele nicht moeglich ist und Schnittstellen zu impliziten Loesungsmittelmodellen fehlen, wie dies bei QM/MM Rechnungen der Fall ist. Reaktionswegoptimierungen wurden mit Hartree-Fock Rechnungen unter Verwendung eines 3-21G(d) oder 6-31G(d,p) Basissatzes durchgefuehrt. Entlang der optimierten Wege wurden Einzelpunktenergien mit dem B3LYP Dichtefunktional und einem 6-31+G(d,p) Basissatz gerechnet. Trotz der dieser Methode inhaerenten Ungenaugkeit stellen die vorgelegten Rechnungen die derzeit genauesten QM/MM Rechnungen einer enzymkatalysierten Phosphoanhydrid-Hydrolyse dar. Moegliche methodische Verbesserungen zum Erreichen hoeherer Genauigkeit in zukuenftigen Studien werden diskutiert. Die drei untersuchten Reaktionwege sind innerhalb des Fehlers der Methode isoenergetisch und somit gleichermassen populiert. Der 6-31G(d,p) Basissatz lieferte verlaessliche Geometrien zur Beschreibung der Phosphoanhydrid-Hydrolyse, waehrend sich der 3-21G(d) Basissatz als zu ungenau herausstellte. Obwohl die Energien kein ausreichende Genauigkeit erreichten, lassen sich wichtige strukturelle Schlussfolgerungen bzgl. des Reaktionsmechanismus der ATP Hydrolyse in Myosin ableiten und auf experimentelle Ergebnisse aus Isotopenaustausch- und Mutationsstudien beziehen. In allen drei untersuchten Wegen vollzieht sich die Reaktion in einem einzigen assoziativen Schritt (siehe Movies auf http://www.iwr.uni-heidelberg.de/groups/biocomp/fischer), wobei die Positionen der schweren Atome im Uebergangszustand fast identisch und unabhaengig von der Position der Protonen sind. In den Produktzustaenden ist die Koordinationsbindung zwischen Mg2+ und Ser237 (und damit der Switch-1 Schleife) gebrochen und die Koordinationsbindung zwischen Mg2+ und dem anorganischen Phosphat (Pi) gedehnt. Dies legt nahe, dass diese Bindung im Anschluss an die Hydrolyse bricht, was ein notwendiger erster Schritt im Zuge der Phosphat-Freisetzung ist. Angeregt durch die Simulationsergebnisse wird eine Netzwerkhypothese zur Erklaerung des ATP Hydrolysemechanismus in Myosin aufgestellt, die die bislang vorgeschlagenen Mechanismen vereinigt und mit experimentellen Ergebnissen konsistent ist. Darueber hinaus wird ein neuer Mechanismus vorgeschlagen, wie der Katalysezyklus und der Motorzyklus in Myosin gekoppelt sind.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Comba, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 12. February 2006
Date Deposited: 17. Oct 2006 09:37
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Inorganic Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Myosin, Computersimulation, Adenosintriphosphatasen, Quantenmechanik, Kontraktile Proteine
Uncontrolled Keywords: QM/MM , Reaktionsweg , Ladungsverteilung , chemomechanische KopplungQM/MM , reaction path , charge distribution , chemomechanical coupling
Additional Information: Teile in: S.M. Schwarzl, Understanding the ATP hydrolysis mechanism in myosin using computer simulation techniques, Mensch und Buch Verlag Berlin 2006, ISBN 3-86664-044-7
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