%0 Generic
%A Koppole, Sampath Kumar
%D 2007
%F heidok:7097
%K Muskelkontraktion , molekularer Motor , Lymn-Taylor Zyklusmuscle contraction , molecular motor , Lymn-Taylor cycle , reverse power stroke , chemo-mechanical coupling
%R 10.11588/heidok.00007097
%T Structural mechanism of the recovery-stroke in Myosin II molecular motor at atomic detail
%U https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/7097/
%X 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.