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Understanding the ATP hydrolysis mechanism in myosin using computer simulation techniques [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Sonja M. Schwarzl

385 pages
Inaugural-DissertationzurErlangung der DoktorwurdederNaturwissenschaftlich-MathematischenGesamtfakultatderRuprecht-Karls-UniversitatHeidelbergVorgelegt vonDipl.-Chem. Sonja M. Schwarzlaus Birkenfeld/NaheTag der mundlic hen Prufung: 10. Februar 20062Understanding the ATP HydrolysisMechanism in Myosin UsingComputer Simulation TechniquesGutachter: Prof. Dr. Peter CombaProf. Dr. Jeremy C. Smith34Bei mir ist wohl immer noch die Mischung von Mystik und Mathematik dominant, dieihre Hauptresultate in der Physik ndet. Aber auch die Nachbargebiete wieParapsychologie und Biologie interessieren mich in zunehmendem Ma e.Wolfgang Pauli (1, S. 182)56SummaryMolecular motors are proteins that convert energy from nucleoside triphosphate hydrolysisinto mechanical work. A prominent example is myosin which drives muscle contraction anda large number of additional cellular transport phenomena in all living organisms. Whilehydrolyzing ATP, myosin translocates along an actin lamen t. The catalytic cycle for ATPhydrolysis and the mechanical motor cycle are closely coupled. Although a large numberof studies have been devoted to understanding the functioning of myosin since its isolationin the 19th century, the details of the chemical mechanism underlying ATP hydrolysis andits coupling to the necessary conformational changes of myosin are poorly understood.
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Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung der Doktorwurde
der
Naturwissenschaftlich-Mathematischen
Gesamtfakultat
der
Ruprecht-Karls-Universitat
Heidelberg
Vorgelegt von
Dipl.-Chem. Sonja M. Schwarzl
aus Birkenfeld/Nahe
Tag der mundlic hen Prufung: 10. Februar 20062Understanding the ATP Hydrolysis
Mechanism in Myosin Using
Computer Simulation Techniques
Gutachter: Prof. Dr. Peter Comba
Prof. Dr. Jeremy C. Smith
34Bei mir ist wohl immer noch die Mischung von Mystik und Mathematik dominant, die
ihre Hauptresultate in der Physik ndet. Aber auch die Nachbargebiete wie
Parapsychologie und Biologie interessieren mich in zunehmendem Ma e.
Wolfgang Pauli (1, S. 182)
56Summary
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 lamen t. 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 di eren t possible reaction routes are investigated using combined
quantum mechanical and molecular mechanical (QM/MM) reaction path simulations. To
include solvent screening e ects 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 rep-
resent the most accurate QM/MM theoretical investigation of an enzyme-catalyzed phos-
phoanhydride hydrolysis reaction. Possible methodological improvements for future inves-
tigations 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 su cien tly accurate, a number of structural
conclusions on the mechanism of ATP hydrolysis can be drawn and related to experimental
ndings from isotope exchange and mutation studies.
All three paths investigated follow a single-step associative-like mechanism (see movies in
7the accompaying CD) 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
2+between Mg 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
2+Mg and inorganic phosphate (P ) is extended. This indicates that after hydrolysis thisi
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 hy-
drolysis 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.
8Zusammenfassung
Molekulare Motoren sind Proteine, die chemische Energie aus der Hydrolyse von Nukleo-
sidtriphosphaten in mechanische Arbeit umsetzen. Ein prominentes Beispiel ist Myosin,
das Muskelkontraktion und eine Vielzahl weiterer zellularer Transportphanome in allen Le-
bewesen antreibt. Wahrend Myosin ATP hydrolysiert, wandert es an einem Aktin lamen t
entlang. Der Katalysezyklus und der Motorzyklus des Proteins sind dabei eng miteinan-
der gekoppelt. Obwohl eine gro e Zahl wissenschaftlicher Arbeiten seit der Entdeckung
von Myosin im 19. Jahrhundert der Aufklarung 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 angewen-
det, um ein detailliertes Verstandnis des ATP Hydrolysemechanismus in Myosin und der
mechanischen Ereignisse, die direkt auf die Hydrolyse folgen, zu erlangen. Drei verschie-
dene Reaktionswege werden mit kombinierten quantenmechanische/molekularmechanische
(QM/MM) Simulationstechniken berechent. Um Losungsmittele ekte in den Rechnungen
zu beruc ksichtigen, wurde eine neue approximative Methode \Non-Uniform Charge Sca-
ling" (NUCS) entwickelt. NUCS skaliert die Partialladungen der MM-Atome so, da die
elektrostatische Wechselwirkungsenergie zwischen MM:MM und QM:MM-Atomgruppen
nach einem Poisson-Boltzmann Modell mit einem einfachen Coulomb-Potential optimal re-
produziert werden. NUCS ist eine allgemeine Methode, die besonders in Fallen anwendbar
ist, in denen eine explizite Modellierung der Wassermolekule nicht moglich ist und Schnitt-
stellen zu impliziten Losungsmittelmo dellen fehlen, wie dies bei QM/MM Rechnungen der
Fall ist.
Reaktionswegoptimierungen wurden mit Hartree-Fock Rechnungen unter Verwendung ei-
nes 3-21G(d) oder 6-31G(d,p) Basissatzes durchgefuhrt. Entlang der optimierten Wege
wurden Einzelpunktenergien mit dem B3LYP Dichtefunktional und einem 6-31+G(d,p)
Basissatz gerechnet. Trotz der dieser Methode inharen ten Ungenaugkeit stellen die vor-
gelegten Rechnungen die derzeit genauesten QM/MM Rechnungen einer enzymkatalysier-
ten Phosphoanhydrid-Hydrolyse dar. Moglic he methodische Verbesserungen zum Erreichen
hoherer Genauigkeit in zukunftigen Studien werden diskutiert.
Die drei untersuchten Reaktionwege sind innerhalb des Fehlers der Methode isoenergetisch
und somit gleicherma en populiert. Der 6-31G(d,p) Basissatz lieferte verla lic he Geome-
trien zur Beschreibung der Phosphoanhydrid-Hydrolyse, wahrend sich der 3-21G(d) Ba-
9sissatz als zu ungenau herausstellte. Obwohl die Energien kein ausreichende Genauigkeit
erreichten, lassen sich wichtige strukturelle Schlu folgerungen bzgl. des Reaktionsmecha-
nismus 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 der Begleit-CD), wobei die Positionen der schweren Atome im
Ubergangszustand fast identisch und unabhangig von der Position der Protonen sind. In
2+den Produktzustanden ist die Koordinationsbindung zwischen Mg und Ser237 (und damit
2+der Switch-1 Schleife) gebrochen und die Koordinationsbindung zwischen Mg und dem
anorganischen Phosphat (P ) gedehnt. Dies legt nahe, da diese Bindung im Anschlu ani
die Hydrolyse bricht, was ein notwendiger erster Schritt im Zuge der Phosphat-Freisetzung
ist.
Angeregt durch die Simulationsergebnisse wird eine Netzwerkhypothese zur Erklarung des
ATP Hydrolysemechanismus in Myosin aufgestellt, die die bislang vorgeschlagenen Me-
chanismen vereinigt und mit experimentellen Ergebnissen konsistent ist. Daruber hinaus
wird ein neuer Mechanismus vorgeschlagen, wie der Katalysezyklus und der Motorzyklus
in Myosin gekoppelt sind.
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