Directly to content
  1. Publishing |
  2. Search |
  3. Browse |
  4. Recent items rss |
  5. Open Access |
  6. Jur. Issues |
  7. DeutschClear Cookie - decide language by browser settings

Structural mechanism of the recovery-stroke in Myosin II molecular motor at atomic detail

Koppole, Sampath Kumar

German Title: Der strukturelle Mechanismus des "recovery-strokes" des molekularen Motorproteins Myosin II in atomarem Detail

[img]
Preview
PDF, English (PhD thesis)
Download (19Mb) | Terms of use

Official URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.jmb.2006.06.022, http://dx.doi.org/10.1016/j.jmb.2006.12.058
Citation of documents: Please do not cite the URL that is displayed in your browser location input, instead use the persistent URL or the URN below, as we can guarantee their long-time accessibility.

Abstract

Das molekulare Motorprotein Myosin wandelt chemische Energie aus der ATP Hydolyse in mechanische Arbeit um, die dazu genutzt wird um Myosin- und Aktin-Filamente gegeneinander zu verschieben und so z.B. die Muskelkontraktion zu ermoeglichen. Der Mechanismus dieser chemisch-mechanischen Kopplung, der fuer die Funktion von Myosin essenziell ist, ist nur in Ansaetzen verstanden. In dieser Arbeit wird ein rechnergesttzter Ansatz verwendet um den Mechanismus des recovery stroke'' zu verstehen. Der recovery stroke'' ist einer der fundamentalen Prozesse bei der Muskelkontraktion in lebenen Organismen. Waehrend des recovery stroke'' wird der Myosin Motor fuer den naechsten Kraftschlag vorbereited indem der Myosin-Kopf um 60 degree relativ zur Konverter-Domaene und dem Hebelarm gedreht wird. Der Drehpunkt ist mit der Bindetasche, in der die ATP Hydrolyse stattfindet, durch die sogenannte Relais-Helix verbunden. Waehrend des "recovery stroke" finden eine eine Reihe von strukturellen Aenderungen laengs dieser Helix statt. In der vorliegenden Arbeit wird der Kopplungsmechanismus zwischen der ATP Hydrolyse und der Drehbewegung mit Hilfe eines Minimum-Energie Pfades (MEP) simuliert. Der MEP verbindet die Roentgenkristallographischen End-Zustaende des Prozesses durch eine Kette von geometrieoptimierten intermediren Strukturen. Der "recovery stroke" beruht auf der Bildung zweier Wasserstoffbrueckenbindungen durch die "switch-2" Schleife, in Korrelation mit der Bewegung zweier Helices welche die Konverter-Domaene halten: der Relais-Helix und der SH1-Helix. Der MEP zeigt dass dieser Prozess aus zwei Phasen besteht. In der ersten Phase bildet sich eine Wasserstoffbrueckenbindung zwischen Gly457 am N-terminalen Ende der Relais-Helix und dem gamma-Phosphat des ATP, was eine Kipp-Bewegung der Relais-Helix zur Folge hat. Die zweite Phase wird durch die Bildung einer Wasserstoffbrueckenbindung zwischen der "switch-2" Schleife und Ser181 der P-Schleife initiiert. Dadurch wird eine weitere Schleifeaehnlich einem Keil gegen das N-terminale Ende der SH1-Helix geschoben, wodurch letztere parallel zur Relais-Helix verschoben wird. Die Kippbewegung der ersten Phase bewirkt eine Drehung der Konverter-Domäne um 30 degree, wahrend die Verschiebung der SH1-Helix eine Drehung um weitere 40 degree zur Folge hat. Der hier vorgeschlagene Kopplungsmechanismus ist konsistent mit verfuegbaren Mutations-Experimenten und erklaert zum ersten Mal die Rolle der hochgradig Sequenz-konservierten Schleife, die hier "Keil"-Schleife genannt wird. In einem weiteren Teil der Arbeit werden Molekulardynamik-Simulationen von Myosin II des Organismus Dictyostelium Discoideum in beiden End-Zustaenden des "recovery stroke" mit verschiedenen Nukleotid-Zustaenden (ATP, ADP.Pi, ADP) durchgefuehrt. Diese Simulationen zeigen dass die Seitenkette von Asn475 (welche die erste Phase des "recovery stroke" initiiert") sich durch die ATP-Hydrolyse von "switch-2" wegbewegt und eine Wasserstoffbrueckenbindung mit Tyr573 auf der Keilschleife bildet. Diese Abhaengigkeit vom Nukleotid-Zustand wird erklaert durch eine kleine Verschiebung des abgespaltenen beta-Phosphats hin zu Gly457 welches seinerseits Asn475 verschiebt. Die Sensitivitaet bezueglich des Nukleotid-Zustandes ist wichtig fuer (i) die Vermeidung einer unproduktiven Umkehrung des "recovery strokes" waehrend des ADP.Pi Zustandes, und (ii) die Entkopplung der Relais-Helix vom "switch-2", wodurch erreicht wird, dass der Kraftschlag nach der initialen Bindung an Aktin ausgelast wird, wobei Gly457 von "switch-2" weiterhin mit dem Pi interagiert,welches bekanntermass en erst nach der Bindung an Aktin freigelassen wird. Es wird beobachtet dass die katalytisch wichtige Salzbruecke zwischen Arg238 (in "switch-1") und Glu459 (in "switch-2"), welche die Bindetasche and der Hydrolysestelle bedeckt, durch die Bindung von ATP an die Struktur vor dem "recovery stroke" schnell gebildet wird. Diese Salzbrucke bleibt auch nach dem "recovery stroke" stabil, was darauf hindeuted dass sie die Rolle hat die ATP Bindetasche durch "induced fit" zu formen.

Translation of abstract (English)

The molecular motor protein, myosin, converts chemical energy from ATP hydrolysis into useful mechanical work that is used to translocate the myosin filament along an actin filament during muscle contraction. The mechanism involved in the chemo-mechanical coupling necessary for myosin function is poorly understood. In this research work, a computational attempt is being made to understand the recovery-stroke mechanism in a myosin molecule which is one of the fundamental processes that occurs during muscle contraction in living organisms. During the recovery stroke, the myosin motor is primed for the next power stroke bya 60 degree rotation of its converter domain (which bears the lever arm). This reversible motion is coupled to the activation of its ATPase function through conformational changes along the relay helix, which runs from the Switch-2 loop near the ATP to the converter domain. This coupling mechanism is determined by computing minimum energy pathways (MEP) between the crystallographic end-states of the recovery stroke, yielding a continuous series of optimized intermediates in atomic detail. The MEP reveals a two-phase mechanism, in which the successive formation of two hydrogen bonds by the Switch-2 loop is correlated with the successive movement of the two helices that hold the converter domain: the relay helix and the SH1-helix. The first phase involves the formation of a hydrogen bond (between Gly457, on the N-terminal of the relay helix and the (gamma-phosphate of ATP) which causes a �See-Saw� like motion of the relay helix. The second phase is triggered by the formation of another hydrogen bond (between Switch-2 and the Ser181 of the P-loop) which causes the wedging of a loop against the N-terminal end of the SH1-helix, resulting in the longitudinal translation of the SH1-helix relative to the relay helix. The converter domain first responds to the �See-Saw� motion of the relay helix by rotating, 20 degrees, then to the translation of the SH1-helix by rotating a further 40 degrees. The proposed coupling mechanism is consistent with the existing mutational data and explains the role of a highly conserved loop structure, called here as the �Wedge loop�, which was recognized for the first-time. Molecular dynamics simulations of Dictyostelium discoideum myosin II in the two end conformations of the recovery stroke with different nucleotide states (ATP, ADP.Pi, ADP) reveal that the side-chain of Asn475 (which initiates the first-phase of the recovery-stroke) switches away from Switch-2 upon ATP hydrolysis to make a hydrogen bond with Tyr573 (on the Wedge loop). This sensing of the nucleotide state is achieved by a small displacement of the cleaved gamma-phosphate towards Gly457 which in turn pushes Asn475 away. The sensing plays a dual role by (i) preventing the wasteful reversal of the recovery stroke while the nucleotide is in the ADP.Pi state, and (ii) decoupling the relay helix from Switch-2, thus allowing the power stroke to start upon initial binding to actin while Gly457 of Switch-2 keeps interacting with the Pi (known to be released only later after tight actin binding). The catalytically important salt bridge between Arg238 (on Switch-1) and Glu459 (on Switch-2), which covers the hydrolysis site, is seen to form rapidly when ATP is added to the pre-recovery stroke conformer and remains stable after the recovery stroke, indicating that it has a role in shaping the ATP binding site by induced fit.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Smith, Prof Jeremy
Date of thesis defense: 12. January 2007
Date Deposited: 19. Jan 2007 13:06
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: Muskelkontraktion , molekularer Motor , Lymn-Taylor Zyklusmuscle contraction , molecular motor , Lymn-Taylor cycle , reverse power stroke , chemo-mechanical coupling
About | FAQ | Contact | Imprint |
OA-LogoLogo der Open-Archives-Initiative