Dokument: Functional state modulation in Pyruvate Phosphate Dikinase (PPDK) connected to long-range structural coupling and multimerization
| Titel: | Functional state modulation in Pyruvate Phosphate Dikinase (PPDK) connected to long-range structural coupling and multimerization | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=43752 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20171006-111337-0 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Ciupka, Bartholomäus Daniel [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Gohlke, Holger [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | PPDK, Pyruvat-Phosphat Dikinase, PMF, potential of mean force, MD, molecular dynamics simulation | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Pyruvate-Phosphat-Dikinase (PPDK) ist ein Schlüsselenzym im Energiestoffwechsel, das die ATP- und Pi-abhängige Umwandung von PEP zu Pyruvat in Pflanzen und die umgekehrte, ATP-bildende Reaktion in Bakterien und Protisten katalysiert. Mehrere Kristallstrukturen zeigen extreme Konformationen der Zentralen Domäne (CD), sowie offene und geschlossene Konformationen einer Nukleotid-Bindungsdomäne (NBD). Folglich wird eine Schwenkbewegung der CD angenommen um eine Phosphatgruppe über eine Distanz von ~45 Å zwischen zwei entfernten Reaktionszentren zu transportieren, welche die größte Einzeldomänebewegung in Proteinen darstellt. Allerdings blieben Analysen der molekularen Prozesse, welche die beobachteten Konformationen in einen funktionellen Zusammenhang bringen
könnten, bis jetzt aus. Das Ziel dieser Arbeit ist die Aufzuklärung von PPDK Mechanismus. Erstens untersuchte ich den Zusammenhang zwischen der Schwenk- und der Öffnungs-/Schließbewegung im PPDK-Monomer. Dazu habe ich den konformationellen Raum der PPDK mittels Moleküldynamik (MD)-Simulationen untersucht, gefolgt von Analysen von kollektiven und korrelierten Bewegungen, sowie abschließender Berechnungen der freien Energielandschaften der Schwenk- und Öffnungs-/Schließbewegung. Zweitens untersuchte ich einen intermolekularen Zusammenhang der Öffnungs-/Schließbewegungen im PPDK-Dimer, zur Validierung eines alternierenden Bindungswechsel-Mechanismus, der aufgrund einer asymmetrischen Kristallstruktur vorgeschlagen wurde. Dazu habe ich die strukturelle Dynamik mittels MD-Simulationen analysiert, sowie die Energielandschaft der Öffnungs-/Schließbewegung der NBD für verschieden Konformationen des anderen Monomers errechnet und die Wirkung der Dimerisierung auf die strukturelle Stabilität untersucht. Insgesamt zeigen die Ergebnisse eine intramolekulare Koppelung der Schwenkbewegung der CD mit der Öffnungs-/Schließbewegung der NBD. Ferner deuten unsere freien Energielandschaften darauf hin, dass PPDK den Mechanismus einer Brownschen Ratsche anwendet, um thermale Fluktuationen der CD in eine gerichtete Bewegung zu wandeln. Zusätzlich identifizierten wir in unseren MD Simulationen und Energie berechnungen eine Zwischenstruktur der Schwenkbewegung der CD, welche unabhängig davon mittels Röntgenkristallanalyse aufgelöst wurde. Weiter stützen unsere Ergebnisse die Hypothese, dass die Dimerisierung von PPDK die Öffnungs-/Schließbewegung der NBD beeinflusst und dass diese Einflussnahme durch die CDs beider Monomere vermittelt wird. Ein solcher Einfluss wäre eine Voraussetzung für einen alternierenden Bindungswechsel-Mechanismus. Nach den aktuellen Wissensstand ist das die erste Erklärung, warum nur dimerisiertes PPDK aktiv ist.Pyruvate phosphate dikinase (PPDK) is a key enzyme in the energy metabolism that catalyzes the ATP- and Pi-dependent conversion of PEP to pyruvate in C4 plants, and the reverse ATP forming reaction in bacteria and protista. Several X-ray crystal structures show extreme conformations of the central domain (CD), as well as open and closed conformations of the nucleotide-binding domain (NBD). Accordingly, the CD has been suggested to undergo a swiveling motion to shuttle a phosphoryl group over ~45 Å between two reaction centers, one of the largest single domain movement observed in proteins, so far. However, investigations of the molecular processes that explain and connect the conformational dynamics to functional relevance have remained elusive. The goal of this thesis is therefore to discover the conformational dynamics of PPDK and its connection to PPDK’s function. First, I investigated the correlation of the swiveling to the opening-closing motion in the PPDK monomer. For this, I sampled the known conformational space of PPDK using molecular dynamics (MD) simulations. I then analyzed collective and correlated motions, and computed the free energy profiles of the swiveling and the opening-closing motion. Second, I investigated the intermolecular correlation of the opening-closing motions in the PPDK dimer to validate an alternate binding change mechanism, which was proposed based on a crystal structure of the PPDK dimer. For this, I analyzed the structural dynamics via MD simulations, computed the free energy profile of the opening-closing motion of the NBD for different conformations of the other monomer, and investigated the effect of the dimerization on the structural stability via rigidity analysis. Overall, the results reveal an intramolecular coupling of the swiveling motion of the CD and opening-closing motion of the NBD. Furthermore, the free energy profiles indicate that PPDK might employ a Brownian ratchet mechanism to bias thermal fluctuation to control the directionality of the CD motion. Additionally, I identified an intermediate conformation of the swiveling motion, which was independently resolved by X-ray crystallography. The results support the hypothesis that PPDK dimerization influences the opening-closing motion of the NBDs, and that this influence is mediated via the CDs of both chains. Such an influence would be a prerequisite for an alternate binding change mechanism to occur. To the best of our knowledge, this is the first explanation why PPDK is only active in dimers. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische und Medizinische Chemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 06.10.2017 | |||||||
| Dateien geändert am: | 06.10.2017 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 28.07.2017 | |||||||
| Datum der Promotion: | 11.09.2017 |
