Rakennebiologia, biokemia ja mitokondriaalisen kompleksi I:n MD-simulaatiot – apuproteiinilla on avainasema biokonversiossa
Rakennebiologia, biokemia ja mitokondriaalisen kompleksi I:n MD-simulaatiot – apuproteiinilla on avainasema biokonversiossa
Rakennebiologia, biokemia ja mitokondriaalisen kompleksi I:n MD-simulaatiot – apuproteiinilla on avainasema biokonversiossa
Rakennebiologian, biokemian ja monitasoisten molekyylidynamiikkasimulaatioiden yhdistäminen johti tutkijat Saksasta ja Suomesta havaitsemaan, että apualayksiköllä on keskeinen tehtävä bioenergetiikan keskeisen entsyymin, hengitysketjun kompleksi I:n, energiantuotannossa.
Soluhengitys on biologinen perusprosessi, jossa happimolekyyli muuntuu vedeksi ATP:n, energian biologisen valuutan, synteesiä varten. Sähköpiirissä tapahtuvat monimutkaiset hapetus-pelkistysreaktiot solujen mitokondrioissa johtavat lopulta ATP:n syntymiseen. Tämän ”biologisen akun” ensimmäinen ainesosa on mitokondriaalinen kompleksi I, erittäin suuri proteiini 1 mega Daltonin massallaan. Tämän entsyymin pistemutaatioiden tiedetään aiheuttavan useita hermoston rappeutumis- ja mitokondriosairauksia.
Goethe-yliopiston ja Max Planck -instituutin biofysiikan tutkijat Frankfurtista, Saksasta sekä Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tutkijat selvittivät tässä tutkimuksessa kompleksi I:n toimintaa keskittyen yhteen entsyymin apualayksikköön (NDUFA6/LYRM6).
Tiedossa on, että apualayksiköt vaikuttavat entsyymin rakenteeseen vakauttaen suuria makromolekyylikokonaisuuksia. Yllätys kuitenkin oli, että korkeavarauksinen apualayksikkö (NDUFA6/LYRM6) osallistuu tämän lisäksi kompleksi I:n ydinenergian muuntoreaktioihin. Molekyylimallinnuksen ja monitasosimulaatioiden avulla havaittiin oletustenmukainen protonien siirtoreitti, jonka kautta substraatin pelkistymisreaktiossa vaadittavat protonit voivat siirtyä, mutta sen havaittiin olevan tukkeutunut apualayksikön pistemutaatioiden aiheuttamien rakennehäiriöiden takia.
Molekyylisimulaatiot toteutettiin Helsingin yliopiston fysiikan osastossa Vivek Sharman tutkimusryhmässä hyödyntäen Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n uusinta superkoneympäristöä, Puhti- ja Mahti-supertietokoneita. Laajat laskennalliset resurssit mahdollistivat kompleksi I:n laajojen atomististen mallien (n. 500 000 atomia) mikrosekuntien simulaation. Simulaatioita olivat toteuttamassa myös PRACE-verkosto (Marenostrum ja Marconi100 BSC:sta, Espanjasta ja CINECA Italiasta).
Työ osoittaa rakennebiologian lähestymistapojen ja molekyylisimulaatioiden yhdistämisen vahvuudet mitokondriaalisen kompleksi I:n, biokonversion ja biolääketieteen kannalta merkittävän entsyymin, toiminnan selittämisessä.
Artikkelin kirjoittajat ovat Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tutkijoita.
Lue lisää
Etienne Galemou Yoga, Kristian Parey, Amina Djurabekova, Outi Haapanen, Karin Siegmund, Klaus Zwicker, Vivek Sharma, Volker Zickermann & Heike Angerer: Essential role of accessory subunit LYRM6 in the mechanism of mitochondrial complex I, Nature Communications 11, 6008 (2020)