Protein intrinsic normal modes are correlated with pre-existing equilibrium conformer populations

Abstract

Proteinler hücresel fonksiyonların vazgeçilmez elemanlarıdırlar. Çoğu protein yapıolarak durağan bir resme sahip olmasına rağmen, protein dinamiği, bir başka deyişlezamana bağlı protein davranışı protein fonksiyonuna önemli derecede katkıda bulunur.Liganda bağlı, yapısal hareketlerin dışında, proteinler içerdikleri termal enerji sayesindekendilerine özgü hareketler gerçekleştirebilirler. Liganda bağlı olmadan proteinde yeralan bu yapısal hareketler fonksiyonel olarak önem taşımaktadırlar ve farklı proteinleriçin yapılan deneysel çalışmalara gore bu hareketler ile fonksiyonel hareketler arasındayapısal ve hareketin süreci bakımından ilişki bulunmaktadır. Bu içsel salınımlar, normalmod analizinin basitleştirilmiş bir versiyonu olan ANM ile belirlenen düşük frekanslı,protein modları tarafından açığa çıkarılabilmektedir. Biz bu çalışmada içerisinde enzim,antikor ve sinyal proteinlerinin bulunduğu 11 farklı proteine mod analizi uyguladık vemod analizi ile protein hareketleri arasında kinetik olarak herhangi bir bağlantı olupolmadığını irdeledik. Bu amaçla Hessian matriksinden elde ettiğimiz özdeğerlerikullandık. Bu özdeğerler modların titreşim frekanslarına dair bilgi içermekte ve ayrıcaANM çalışmalarında özdeğerler düşük ve yüksek frekanslı modları belirlemektedir.Bizim elde ettiğimiz sonuçlar özdeğerler ile protein hareketlerinin kinetik vetermodinamik özellikleri arasında bir bağlantıyı işaret etmektedir. Önceden debelirtildiği gibi bu içsel hareketler, proteine ait farklı yapılar arasında dinamik bir dengeoluşturmaktadır ve çalışmamızda önerdiğimiz gibi Hessian matriksinin özdeğerleri,protein hareketlerinin zaman periyodu ve termodinamik özellikleriyle bağdaşmaktadır.

Proteins are indispensible components of cellular functions. Although proteinstructure is determined as a static picture for most of the proteins, the dynamics or thetime-dependent behavior of proteins act as main contributors to protein function. Inaddition to ligand induced structural motions proteins also bear intrinsic motions arisingfrom thermal energy they contain. These ligand-independent motions possess functionalimportance according to experimental evidences for a large number of proteins and alink between these motions and functional motions are established both in terms ofstructure and timescale. These intrinsic fluctuations are revealed by low-frequencyindividual modes of proteins which are determined using a simplified version of normalmode analysis termed as Anisotropic Network Model (ANM). In this study, we applymodal analysis to eleven proteins including enzymes, antibodies and signal proteins.We investigate a kinetic relation between modal analysis and protein motions. For thispurpose we employ eigenvalues of Hessian matrix which carry information about thevibrational frequencies of these modes. In ANM studies these eigenvalues are used todetermine the low and high frequency modes of protein. Our findings imply acorrespondence between eigenvalues and kinetic/thermodynamic properties of proteinmotions. These intrinsic motions establish a dynamic equilibrium between distinctconformers of the protein and as we have proposed eigenvalues of Hessian matrixcorrelate well both with the timescales of these motions and thermodynamics of thesemotions.