Моделирование комплексов металлотионеина МТ-2 крысы с различными ионами металлов полуэмпирическим методом PM7

Abstract

Сочетание у металлотионеина (МТ) детоксикационных функций по отношению к токсичным d¹⁰-металлам (Cd, Hg) и функций направленного транспорта по отношению к эссенциальным d¹⁰-металлам (Zn, Cu), ставит на повестку дня поиск структурных предпосылок, позволяющих на молекулярном уровне проводить распознавание по-разному нагруженных молекул МТ, направляя их в лизосомы для утилизации и выведения в случае связывания с токсичными металлами или к рибосомам, ядру и эндоплазматическому ретикулуму в случае связывания с эссенциальными металлами. Основой для такого распознавания может являться структурное различие образуемых комплексов. Для построенных комплексов Zn₇-MT, Cd₇-MT, Hg₇ -MT была проведена оптимизация их геометрии с помощью полуэмпирического квантово-химического пакета MOPAC® методом PM7 с учетом воды как растворителя в виде континуальной модели COSMO. В качестве исходного был выбран металотионенин-2 (МТ-2) крысы, для которого имеются данные рентгеноструктурного анализа и 3D структура которого свободно доступна в ProteinDataBank под кодом 4MT2. Сравнение комплексов Zn₇-MT, Cd₇-MT, Hg₇ -MT показывает их структурную близость, при наличии областей, в которых существуют значительные отличия, которые, вероятно, могут быть основой для внутриклеточного распознавания и транспорта по-разному нагруженных комплексов в соответствующие компартменты для выведения (в случае токсичных металлов) или использования (в случае цинка).

Поєднання у металотіонеїні (МТ) детоксикаційних функцій по відношенню до токсичних d¹⁰- металів (Cd, Hg) і функцій спрямованого транспорту по відношенню до есенціальних d¹⁰-металів (Zn, Cu), ставить на порядок денний пошук структурних передумов, що дозволяють на молекулярному рівні проводити розпізнавання по-різному навантажених молекул МТ, направляючи їх в лізосоми для утилізації та виведення у разі зв’язування з токсичними металами або до рибосом, ядра і ендоплазматичного ретикулуму у разі зв’язування з ессенціальними металами. Основою для такого розпізнавання може бути структурна відмінність утворених комплексів. Для побудованих комплексів Zn₇-MT, Cd₇-MT, Hg₇ -MT була проведена оптимізація їх геометрії за допомогою напівемпіричного квантово-хімічного пакету MOPAC® методом PM7 з урахуванням води як розчинника у вигляді континуальної моделі COSMO. В якості вихідного був обраний металотіонеїн-2 (МТ-2) щури, для якого є дані рентгеноструктурного аналізу і 3D структура якого вільно доступна в ProteinDataBank під кодом 4MT2. Порівняння комплексів Zn₇-MT, Cd₇-MT, Hg₇ -MT показує їх структурну близькість, при наявності областей, в яких існують значні відмінності, які, ймовірно, можуть бути основою для внутрішньоклітинного розпізнавання і транспорту по-різному навантажених комплексів у відповідні компартменти для виведення (у разі токсичних металів) або використання (у разі цинку).

Nowadays it is urgent to consider the combination of the metallothionein‘s (MT) detoxification functions relatively to the toxic d – 10 — metals (Cd, Hg) and functions of the directed transportation relatively to the essential d 10 –metals (Zn, Cu) that puts on the agenda the research of structural conditions, which allow to recognize on the molecular level the differently loaded molecules MT, directing them into the lysosomes for the utilization and excretion in case of binding with toxic metals or with ribosomes, nucleuses and endoplasmic reticulum in case of binding with essential metals. The base of such recognition may be the structural difference of the established complexes. For the formed complexes Zn7-MT, Cd7-MT, Hg7- MT has been hold an optimization of their geometry by the aid of semi-empirical quantum-chemical program Molecular Orbital PACkage (MOPAC®) by the method of PM7 considering the water as solvent in the form of continuum model COSMO. The metallothionein-2 (MT-2) of the rat has been chosen as an initial, for which there are the data of X-ray diffraction analysis and 3D structure of which is freely available in the ProteinDataBank under the code 4MT2. The comparison between complexes Zn7- MT, Cd7-MT, Hg7-MT demonstrates their structural proximity, in the presence of areas, in which there are significant differences that probably might be fundamental for the intracellular recognition and transportation of differently loaded complexes into the appropriate compartments for the excretion (in case of toxic metals) and usage (in case of Zinc).