Prediction of Protonation States of a Green Fluorescent Protein with Constant pH Molecular Dynamics Simulations

Sammanfattning

Grönt fluorescerande proteiner (GFP) har använts i decennier inom mikroskopi och som sensorer i biologiska system. Mekanismen som ligger bakom fluorescens i dessa proteiner beror på syra-basjämvikten hos kromoforen och ett flertal varianter av proteinet har framställts med syfte att öka fluorescensitensiteten genom att förändra jämvikten. rsEGFP2 är en GFP-variant som kan växla mellan ett fluorescerande och icke-fluorescerande tillstånd efter bestrålning med synligt ljus. Strålningen leder till en isomerisering av kromoforen kring en central dubbelbindning och till slut en protonöverföring. Molekyldynamiska simuleringar kan användas för att studera tidsutvecklingen av proteinstrukturer; dock kan bindningar inte skapas eller brytas i dessa simuleringar. En metod som kallas konstant-pH molekylär dynamik (CpHMD) kan användas för att kringgå denna begränsning genom att modifiera laddningen hos atomerna i en titrerbara aminosyra. Två olika CpHMD metoder (diskret och kontinuerlig) i simuleringsprogrammet Amber användes för att studera vilken effekt pH har hos strukturen på rsEGFP2 och för att förstå vilka mikrotillstånd är vanligast hos de titrerbara grupperna. Resultaten visar att protoneringsmikrotillstånden varierar mer i den icke-fluorescerande strukturen än i den fluorescerande. För vissa aminosyror finns det betydande skillnader i pKa-värden för de olika metoderna, speciellt för aminosyror som befinner sig längst in i den hydrofoba proteinstrukturen. Resultaten visar att CpHMD är ett användbart verktyg för utforskning av syra-basjämvikter som kan leda till bättre förståelse av dynamiska egenskaperna hos GFP-liknande proteiner.