Computational investigation of function of membrane proteins: Amt/rh ammonium transporters and secy translocon
Membran proteinlerinin fonksiyonlarının hesaplamalı incelenmesi: Amt/rh amonyum taşıyıcıları ve secy translokonu
- Tez No: 745441
- Danışmanlar: PROF. DR. SİMON BERNECHE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyofizik, Biophysics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Basel
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Biyofizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyofizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 174
Özet
Bu tezde, hesaplamalı yöntemler kullanarak Amt/Rh protein ailesinin ve SecY/Sec61 translokonlarının fonksiyonlarını inceledik. Amt/Rh proteinleri, amonyumun membran boyunca taşınmasına aracılık ederler. SecY ve Sec61 translokonları sırasıyla prokaryotlarda ve ökaryotlarda membran proteinlerinin yerleştirilmesini veya salgılanan proteinlerin translokasyonunu gerçekleştirirler. Bu tezde, E.Coli AmtB ve insan RhCG proteinlerinde amonyum taşınımının moleküler detaylarını ve SecY translokon gözeneğinin hidrofobikliğinin membran protein yerleştirmesine etkisini araştırdık. Fonksiyonel çalışmalar, Amt proteinlerinin amonyumun yüklü formunu (NH4+) taşıdığını, Rh proteinlerinin ise nötr amonyak (NH3) taşıdığını ortaya koymuştur. Ancak moleküler düzeydeki geçme mekanizmaları net olarak anlaşılamamıştır. Bu çalışmada, AmtB ve RhCG proteinlerinde amonyum taşınmasının moleküler ayrıntılarını sunuyoruz. Hesaplamalarımız, amonyum iyonunun AmtB'nin hidrofobik gözeneğinde bağlandığını ve deprotone olduğunu göstermektedir. Daha sonra amonyak hidrofobik gözenekten aşağı doğru yayılırken fazla proton yüksek oranda korunmuş bir histidin dyad (H168 ve H318) yardımıyla taşınır. Amonyak, gözeneğin dibine ulaştığında yeniden protonlanır ve kanaldan amonyum olarak ayrılır. Yeni bir amonyum substratı almak için histidin ikilisinin protonasyon durumları sıfırlanmalıdır. Bu, gözenekte tek bir hat şeklinde bulunan su molekülleri aracılığıyla elde edilir. Bu nedenle, gözenek hidrasyonu AmtB proteinindeki taşıma mekanizmasında önemli bir rol oynar. RhCG proteini simülasyonlarımız, RhCG proteininin gözeneklerinin hidratlı olmadığını ortaya çıkardı. Gözenekteki hidrasyon eksikliği, aşırı protonun AmtB için önerildiği gibi hidrofobik gözenek boyunca taşınamadığını gösterir. Amonyumun RhCG'nin hidrofobik gözeneğini kaplayan bir histidin kalıntısında (H185) bağlandığını ve protonunun kaybettiğini gösterdik. Deprotonasyondan sonra, amonyak gözenek boyunca aşağıya doğru iner. Daha sonra, fazla proton, H185'i D177'ye bağlayan bir hidrojen bağları ağı aracılığıyla hücre dışı bölgeye geri gönderilir. Sonuç olarak, hesaplamalarımız RhCG proteininin nötr amonyak taşıdığını, AmtB ise yüklü amonyak taşıdığını göstermektedir. Deneysel bulgular, Sec61 translokonunun gözenek halkası kalıntılarının mutasyonunun, membran entegrasyonu için hidrofobiklik eşiğini değiştirdiğini gösterdi. Bizim gerçekleştirdiğmiz serbest enerji hesaplamaları, gözenek halkası kalıntılarının mutasyonunun, gözenek içindeki peptitlerin kararlılığını etkilediğini ve böylece membran entegrasyonu olasılığını değiştirdiğini göstermektedir. Ek olarak, çeşitli pozisyonlarda üç lösin kümesi içeren oligo alanin peptitlerinin yerleştirme deneyleri, membran entegrasyon profilinde bir asimetri ortaya çıkardığı görülmüştür. Özellikle, üç lösin kümesi gözenek halkası kalıntıları ile hizalandığında membran entegrasyonunda önemli bir düşüş gözlemlenmiştir. Yabani tip SecY ve gözenek halkası mutantlarını başlangıçta gözeneklere yerleştirilmiş oligo-alanin peptitleri ile simülasyonunu gerçekleştirdik. Bu simülasyonların analizlerinde, üç lösin kümesi gözenek halkası kalıntıları ile hizalandığında lösin yan zincirlerinin hidrasyonunun önemli ölçüde düştüğü gözlemlendi. Bu analizler sonucunda Lösin kalıntılarının azaltılmış hidrasyonu, translokon gözeneğindeki peptidi kararlı yapıda tuttuğu ve translokasyonunu artırdığı sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, we studied the function of the Amt/Rh family of proteins and of the SecY/Sec61 translocons using computational methods. The Amt/Rh proteins mediate transport of ammonium across the lipid bilayer. SecY and Sec61 translocons facilitate the insertion of membrane proteins or translocation of secreted proteins in prokaryotes and eukaryotes, respectively. We investigated on the molecular details of ammonium transport in E.Coli AmtB and human RhCG proteins, and the effect of the hydrophobicity of the SecY translocon pore in membrane protein insertion. Functional studies have revealed that Amt proteins transport the charged form of ammonium (NH4+) while Rh proteins transport neutral ammonia (NH3). However, permeation mechanisms at a molecular level have not been understood clearly. Here, we present molecular details of ammonium transport in AmtB and RhCG proteins. Our calculations show that ammonium ion binds and deprotonates at the hydrophobic pore of AmtB. Then, ammonia diffuses down the hydrophobic pore while the excess proton is transported with the help of a highly conserved histidine dyad (H168 and H318). Ammonia gets re-protonated when it reaches the bottom of the pore and leaves the channel as ammonium. To recruit a new ammonium substrate the protonation states of the histidine dyad has to be reset. This is achieved through water molecules forming a single-file chain in the pore. Thus, hydration of the pore plays an important role in the transport mechanism in AmtB protein. Our simulations of RhCG protein have revealed that the pore of RhCG protein is not hydrated. Lack of hydration in the pore suggests that the excess proton cannot be transported across the hydrophobic pore as it is proposed for AmtB. We show that ammonium binds and deprotonates at a histidine residue (H185) lining the hydrophobic pore of RhCG. After deprotonation, ammonia diffuses down the pore. Then, the excess proton is circulated back to the extracellular site through a network of hydrogen bonds connecting H185 to D177. In conclusion, our calculations suggest that RhCG protein transports neutral ammonia while AmtB transports charged ammonium. Experimental findings showed that mutation of the pore-ring residues of Sec61 translocon changed the hydrophobicity threshold for membrane integration. Our free energy calculations suggested that mutation of the pore-ring residues influences the stability of peptides in the pore, thus affecting the probability of membrane integration. In addition, insertion experiments of oligo alanine peptides, which contain a cluster of three leucines at various positions, revealed an asymmetry in the membrane integration profile. In particular, a significant drop in membrane integration was observed when the three-leucine cluster aligns with the pore-ring residues. We simulated the wild-type SecY and its pore-ring mutants with the oligo-alanine peptides initially placed into the pores. Analysis of these simulations suggested that hydration of the leucine side-chains drops dramatically when the three-leucine cluster is aligned with the pore-ring residues. The reduced hydration of the leucine residues stabilizes the peptide in the translocon pore and favors its translocation.
Benzer Tezler
- Computational and experimental investigation of Ras homodimer formation, Ras-effector interactions and ras shuttling
Deneysel ve hesaplamalı yöntemlerle Ras dimerizasyonunun, Ras efektör etkileşiminin ve Ras'ın taşınmasının incelenmesi
SERENA MURATCIOĞLU
Doktora
İngilizce
2018
BiyofizikKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRA ÖZLEM KESKİN ÖZKAYA
PROF. DR. ATTİLA GÜRSOY
- COVİD-19 tedavisi için papain-benzeri proteaz (PLpro) inhibitörlerinin in silico yöntemler kullanılarak araştırılması
Investigation of papain-like protease (PLpro) inhibitors for the treatment of COVİD-19 using in silico methods
OZAN ÇOBANOĞLU
- In silico design of hERG non-blocker compounds with retained pharmacological activity using multi-scale molecular modeling applications
hERG bloker olmayan farmakolojik aktivitesi korunmuş bileşiklerin çok boyutlu moleküler modelleme uygulamaları ile in siliko tasarımı
GÜLRU KAYIK
Doktora
İngilizce
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURCAN TÜZÜN
DOÇ. DR. SERDAR DURDAĞI
- Modeling and optimization of the PEM fuel cell catalyst layer
Başlık çevirisi yok
CANKUR FIRAT ÇETİNBAŞ
- Önburulmalı fonksiyonel olarak derecelendirilmiş çubukların statik ve dinamik davranışlarının incelenmesi
Investigation of static and dynamic behaviors of functionally graded pretwisted beams
ÖMER EKİM GENEL
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ