Putovi u proteinskoj strukturi

Putovi u proteinskoj strukturi

Auksin skupno je ime za prirodne i sintetičke spojeve koji utječu na rast i razvoj biljaka. Ključnu ulogu u rastu i razvoju biljke ima signalizacijski mehanizam koji joj omogućava brzo prepoznavanje i prilagodbu promjenama u okolišu. Kako biljke nemaju živčanog sustava, komunikacija među biljnim stanicama odvija se putem signalnih molekula. Stoga je razumijevanje mehanizama signalizacije i uloge auksina od velikog značenja za biljnu fiziologiju.

Prva otkrivena skupina signalnih molekula u biljkama su auksini, biljni hormoni rasta. Auksini reguliraju, izravno ili posredno, gotovo sve procese vezane uz rast i razvoj biljke. Bitni su za rast i razvoj stabljike, lišća, cvjetova, plodova i korijena. Biljka odgovara na vanjske podražaje, poput gravitropizma i fototropizma, promjenom u auksinskom transportu. Otpadanje lišća posljedica je smanjenja koncentracije auksina u stanicama peteljke. Na staničnoj razini auksini reguliraju diobu i elongaciju stanice, aktivnost protonskih pumpi i ionskih kanala, hiperpolarizaciju membrane te transkripciju i ekspresiju određenih skupina gena.

U laboratoriju za kemijsku i biološku kristalografiju Instituta Ruđer Bošković istraživanje biljnih hormona rasta provodi se unatrag dvadesetak godina. Najprije eksperimentalnim, a u novije vrijeme i računalnim metodama, nastoji se istražiti mehanizam auksinskog djelovanja na molekularnoj razini. Jedan je od ciljeva istraživanja i razlikovanje supstancija koje potiču rast biljke (auksini) od onih koje ga sprečavaju (antiauksini), a postiže se klasifikacijom molekula i od velike je važnosti za primjenu u poljodjelstvu (supstancije rasta i selektivni herbicidi).

U prvoj fazi istraživanja primjenom računalnih metoda promatrana je auksinska aktivnost različitih molekula te je izgrađen 3D-QSAR (Quantitative Structure-Activity Realationship) model za klasifikaciju molekula prema auksinskoj aktivnosti koji, osim strukture, uzima u obzir i mogućnost molekule da dospije do veznog mjesta receptora razmatrajući njezinu lipofilnost. Tim modelom klasificirane su 92 molekule prema auksinskoj aktivnosti. U svrhu uključivanja bioraspoloživosti molekula u model primjenjivani su, osim standardnih programa, i vlastiti modeli QSPR (Quantitative Structure-Property Realationship) izgrađeni za predviđanje i računanje vrijednosti koeficijenata razdijeljenja logP i logD. Raspodjela vrijednosti koeficijenata razdijeljenja s obzirom na biološku aktivnost molekula, kao i različiti statistički testovi, potvrdili su važnost primjene vrijednosti molekula logP i logD pri njihovoj klasifikaciji prema auksinskoj aktivnosti. Navedeni postupak klasifikacije u velikoj je mjeri automatiziran i poopćen pa se može primjenjivati i za klasifikaciju drugih skupina biološki aktivnih spojeva.

U drugoj fazi istraživanja računalnim simulacijama molekulske dinamike i konformacijskim pretragama algoritmom Monte Carlo istražena je priroda i dinamika interakcija auksinskih i antiauksinskih molekula s potencijalnim auksinskim receptorom – proteinom ABP1 (Auxin Binding Protein 1). Brojna istraživanja potvrdila su važnost toga proteina, osobito njegovog C–kraja, u auksinima potaknutoj elongaciji stanice, hiperpolarizaciji membrane i aktivaciji protonskih pumpi.

Simulacije molekulskom dinamikom slobodnog ABP1 i njegovih kompleksa s auksinskim i antiauksinskim molekulama te simulacije izlaska/ulaska liganda iz veznog mjesta ABP1 omogućile su nam uspostavljanje modela mehanizma djelovanja ABP1 koji je u suglasju s postojećim eksperimentalnim podacima. Rezultati simulacija molekulske dinamike pokazali su postojanje dviju konformacija ABP1, od kojih je jedna stabilizirana vezanjem auksinske molekule. Simulacijama izlaska/ulaska liganda nađeni su putovi u proteinskoj strukturi čija uloga u mehanizmu djelovanja ABP1 postaje jasna kada se pogleda orijentacija ABP1 prema membrani. Otkrivena su dva puta ulaska u vezno mjesto i jedan put izlaska iz veznog mjesta ABP1 (slika). Na temelju rezultata računalnih simulacija uspostavljen je cirkularni model djelovanja ABP1 na molekularnoj razini koji detaljno opisuje interakcije između biljnih hormona i proteina ABP1, važne za njihovu biološku aktivnost. Osim što omogućuje objašnjenje auksinskog djelovanja, model daje i moguće objašnjenje antiauksinske aktivnosti. Saznanja o mehanizmu interakcija na molekularnom nivou mogu pomoći pri sintezi novih supstancija rasta (auksini) i selektivnih herbicida (antiauksini) koji su u skladu s mjerama zaštite okoliša te pridonijeti razumijevanju kompletnog mehanizma auksinske aktivnosti na staničnoj razini.

Rezultati navedenog istraživanja objavljeni su u jednom od vodećih časopisa u području biofizike (»Biophysical Journal«), a posebna čast autorima (B. Bertoša, B. Kojić-Prodić, R. C. Wade, S. Tomić) iskazana je činjenicom da je upravo ilustracija iz te publikacije objavljena na naslovnici časopisa za siječanj.

Branimir Bertoša

Branimir Bertoša (1977) diplomirao je i doktorirao kemiju na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu u Zagrebu. Zaposlen je na Institutu Ruđera Boškovića, a područje je njegova znanstvenog djelovanja izučavanje bioloških sustava primjenom metoda računalne (bio)kemije.