A MOLECULAR DYNAMICS STUDY OF THE HEAT SHOCK PROTEIN Hsp70

Abstract

Heat shock protein Hsp70 is a chaperon which helps folding of other proteins. It consists of two domains: a nucleotide binding domain where ATP or ADP binds and a substrate binding domain where the protein to be folded binds [1]. In the presence of ATP, the substrate affinity of Hsp70 is low. Binding of a substrate triggers ATP hydrolysis. In ADP bound form, the substrate affinity is high [1]. The allosteric communication between the two domains is mediated by a linker. The ATPase activity is pH dependent, the optimum pH being around 7.5 [2].

This study aims at understanding the role of the linker in triggering the ATP hydrolysis and the origin of the pH dependence of the reaction using molecular dynamics simulations.

It is experimentally known that an Hsp70 construct containing only the nucleotide binding domain and the linker has the same ATPase rate as the full length Hsp70. Hence, in order to reduce the computational cost, simulations have been made on a truncated Hsp70 structure. Several simulations with different nucleotide states (ATP bound, ADP bound or nucleotide free)
and with different starting geometries have been carried out in order to determine possible positions of the linker and its effect on the active site arrangement. Moreover, pKa values of some important residues inside or near the active site [3, 4] have been calculated via thermodynamic integration simulations.
Thermodynamic integration simulations indicate that Asp194 and Asp201 have elevated pKa values, suggesting that these residues may be protonated at pH 7.5. Asp8 and Glu171 have lower pKa values, hence are probably unprotonated. Simulations with different protonation states of Asp194 and Asp201 have been carried out. It has been observed that the protonation states of these residues affect the conformational behavior of Hsp70.

Keywords

• -

ISI ŞOK PROTEİNİ Hsp70’İN MOLEKÜLER DİNAMİK SİMÜLASYONLARI İLE İNCELENMESİ

Abstract

Isı sok proteini Hsp70 baska proteinlerin katlanmasına yardımcı olan bir saperon proteindir. ATP ya da ADP’nin bağlanabildiği bir nükleotit bağlanma domeni ve katlanacak proteinin bağlandığı bir substrat bağlanma domeni olmak üzere iki domenden olusur [1]. ATP varlığında Hsp70’in substrat ilgisi düsüktür. Substrat bağlanması ATP hidrolizini tetikler. ADP bağlı halde substrat ilgisi yüksektir [1]. Đki domen arasındaki allosterik iletisim bir bağlaç tarafından sağlanır. ATPaz aktivitesi pH bağımlıdır ve optimum pH 7.5 civarındadır [2].
 
Bu çalısma, ATP hidrolizinin tetiklenmesinde bağlacın rolünün ve tepkimenin pH bağımlılığının kaynağının moleküler dinamik simülasyonları yoluyla anlasılmasını hedeflemektedir. Deneysel olarak yalnızca nükleotit bağlanma domeni ve bağlacı içeren bir Hsp70 yapısının tüm dizim Hsp70 ile aynı ATPaz hızına sahip olduğu bilinmektedir. Bu yüzden, hesap zamanını azalmak amacıyla, simülasyonlar bu kısaltılmıs Hsp70 yapısı üzerinde gerçeklestirildi. Farklı

nükleotit bağlanma halleri (ATP bağlı, ADP bağlı, nükleotitsiz) ve farklı baslangıç geometrileri ile çok sayıda simülasyon gerçeklestirilerek bağlacın olası konumları ve bunun aktif bölge düzenlenmesine etkisi arastırıldı. Ayrıca, aktif bölge içinde ya da yakınında bulunan bazı önemli amimo asitlerin [3, 4] pKa’ları termodinamik integrasyon simülasyonları ile hesaplandı.

Termodinamik integrasyon simülasyonları Asp194 ve Asp201 kalıntılarının yüksek pKa değerlerine sahip olduğunu ve pH 7.5 civarında protonlu halde bulunabileceklerini gösterdi. Asp8 ve Glu171’in pKa’larının daha düsük olduğu ve muhtemelen protonsuz halde oldukları gözlemlendi. Asp194 ve Asp201’in farklı protonlanma halleri ile simülasyonlar yapıldı. Bu kalıntıların Hsp70’in konformasyonel davranısını etkilediği görüldü.

Keywords

• -

References

1. M. P. Mayer and B. Bukau, CMLS, Cell. Mol. Life Sci., 62, 670–684, (2005).
2. J. F. Swain, G. Dinler, R. Sivendran, D. L. Montgomery, M. Stotz, L. M. Gierasch, Molecular Cell, 26, 27–39, (2007).
3. S. M. Wilbanks, C. DeLuca-Flaherty, D. B. McKay, J. Biol. Chem., 269, 12893-12898, (1994).
4. K. M. Flaherty, S. M. Wilbanks, C. DeLuca-Flaherty, D. B. McKay, J. Biol. Chem., 269, 12899- 12907, (1994).