Seminarium Zakładu Biofizyki

Prezentacja w języku angielskim. Porównanie struktur krystalicznych podjednostek katalitycznych różnych kinaz białkowych wskazuje na obecność w ich wnętrzach co najmniej kilku związanych cząsteczek wody. Miejsca ich występowania powtarzają się w większym stopniu niż rodzaje reszt aminokwasowych w wielu funkcjonalnie istotnych pozycjach. Pozostaje zagadką, czy cząsteczki takie pełnią jakąkolwiek szczególną rolę i, czy ich usunięcie – powodujące zaburzenie lokalnej sieci oddziaływań w nie mniejszym stopniu niż mutacje reszt aminokwasowych - może wpłynąć na stabilność struktury czy też zaburzyć funkcjonowania podjednostek katalitycznych. W przeciwieństwie do statycznego obrazu jaki prezentują dane krystalograficzne, symulacje dynamiki molekularnej pokazują, że struktura wody w obrębie wewnętrznych miejsc hydratacyjnych jest dynamiczna i zależy od stanu funkcjonalnego podjednostki katalitycznej. W trakcie wykładu omówione zostaną wyniki dotyczące trzech różnych miejsc hydratacyjnych. Ilustrują one różnorodność efektów wynikających z obecności związanych cząsteczek wody i ich zdolności do tworzenia sieci specyficznych wiązań wodorowych, możliwości ekranowania oddziaływań elektrostatycznych, czy też plastyczności tworzonych strukur. Uzyskane rezultaty wskazują, iż dla pełnego zrozumienia funkcji makromolekuł biologicznych takich jak białka niezbędne jest wyjście poza samą budowę aminokwasową i uwzględnienie wszechobecnych cząsteczek wody.

Catalytic subunits of protein kinases share a common fold centred around several conserved, precisely arranged key motifs. Multiple amino acids mutations within such conserved regions have been identified to either abrogate kinase catalytic function or switch it to a permanently active state, in any case leading to severe disorders. Crystal structures representing diverse kinases reveal a number of buried water molecules whose positions are equally well preserved as functionally important amino acids. It is unknown whether they play any important role, and whether their removal – disturbing the local interaction patterns to no smaller degree than amino acid mutations – can affect kinase stability and function. In contrast to static crystallographic structures, our long molecular dynamics simulations reveal that water buried at specific locations within kinase catalytic subunit seems to be more than just a passive bystander. We will show the results concerning three distinct hydration sites that illustrate the diversity of water-mediated effects. From tuneable hydrogen bond bridge, to switchable electrostatic shield, to lubricant facilitating local conformational changes, we show that water molecules actively participate in specific kinase activities such as (de)activation of the catalytic subunit or cooperative substrate binding. The results indicate that in order to fully understand protein function, one has to look beyond amino acid architecture and acknowledge the omnipresence of water molecules