A Theoretical Investigation of the Octapeptide Region in the Human Prion Protein

Abstract: Den kopparbindande egenskapen hos prionproteiner är sannolikt kopplad till proteinets funtion. Det mänskliga prionproteinet innehåller ett kopparbindande oktapeptidområde, där PHGGGWGQ-sekvensen upprepas fyra gånger i följd. Syftet med detta arbete är att undersöka strukturen och dynamiken i oktapeptidområdet genom att använda teoretiska metoder. Med kvantkemisk strukturoptimering genomfördes en detaljerad jämförelse av växelverkan mellan flera katjoner och det kopparbindande området. Enligt dessa beräkningar är rodium(III) en möjlig ersättare för koppar(II) i NMR-specktroskopiska koordinationsstudier. Alternativa solvatiseringsmodeller i molekyldynamiksimuleringar har också jämförts. Periodiska randvillkor är mest lämpade för användning i de system som undersöks i detta arbete. Molekyldynamiksimuleringar användes för att jämföra oktapeptidområdets struktur och dynamik med och utan kopparjoner. Växelverkan mellan aminosyrornas ringar påverkar starkt strukturen i detta område i frånvaro av kopparjoner. Fyra olika icke-bindande och bindande modeller har studerats, vilka skiljer i sin beskrivning av växelverkan mellan koppar och proteinet. Teoretiska EXAFS spektra beräknades från dem simulerade strukturerna. Spektra som genererats för den bindande modellen är nästan identiska med experimentiella resultat, vilket stöder användandet av den bindande modellen. Detta arbete visar att kopparjoner interagerar med histidin imidazolringens Nδ, deprotonerade amidkväven hos de därpå följande glycinerna samt karbonylsyret hos den andra glycinen. Simuleringarna kunde visa att kopparjonen inte stabilt binder några axiella vattenmolekyler i lösning, till skillnad från en kristallstruktur av koordinationsstrukturen. Indolringen hos tryptofan interagerar direkt med kopparjonen genom stabiliserande katjon-π växelverkan utan direkt medverkan av någon vattenmolekyl. Växelverkan mellan indolringen och kopparjonen var väldefinierad och observerades kunna ske på båda sidor av koordinationsplanet. Molekyldynamiksimuleringarna med kopparjoner och oktapeptidområdet visade hur närvaron av kopparjoner ledde till ett mer strukturerat oktapeptidområde.