Molecular simulations of enzymes in solutions of various composition

Abstract

Typically, enzymes are studied in dilute solutions, where the complex cellular environment is not completely replicated. Synthetic polymers can be used as crowding agents that mimic the densely packed cellular milieu. To get detailed insight into the buffer-polymer- enzyme interactions, we employ all-atom molecular dynamics simulations. We start with the effect of commonly used buffer TRIS (also in protonated form) on crowding agent dextran. TRIS and its protonated form TRIS-H interact differently with dextran, altering its polymer conformation and radius of gyration in comparison with aqueous dextran solutions. This confirms that crowding agents have specific interactions on top of the excluded volume effect. Next, we studied the behaviour of malate dehydrogenase in crowded environment and effects of crowding agent dextran on its structure and flexibility. Simulations reveal that dextran restricts the flexibility of the active site mobile loop, particularly affecting the orientation of residue Arg110. These findings highlight that macromolecular crowding is a valuable factor in enzyme studies, bridging the gap between traditional in vitro assays and complexity of cellular milieu. Keywords Macromolecular crowding, dextran, TRIS buffer, malate dehydrogenase, molecular dy- namics simulations

Enzymy jsou obvykle studovány ve zředěných roztocích, které plně nepostihují veškerou komplexitu buněčného prostředí. K napodobení hustě uspořádaného buněčného prostředí lze využít syntetické polymery. Za účelem získání detailního vhledu do interakcí mezi pufrem, polymerem a enzymem jsme v této práci využili molekulární dynamiku s atom- árním rozlišením. Prvním krokem bylo studium vlivu běžně používaného pufru TRIS (včetně jeho protonované formy) na zahušťovací činidlo dextran. Výsledky ukazují, že TRIS a jeho protonovaná forma TRIS-H interagují s dextranem odlišným způsobem, což vede ke změnám konformace polymerního řetězce a gyračního poloměru ve srovnání s vod- nými roztoky dextranu. To potvrzuje, že zahušťení makromolekulárními činidly vykazuje specifické chemické interakce nad rámec pouhého efektu vyloučeného objemu. Dále jsme studovali chování enzymu malátdehydrogenázy v zahuštěném prostředí a vliv dextranu na strukturu a dynamiku zmíněného enzymu. Simulace odhalily, že dextran omezuje flexibilitu mobilní smyčky nacházející se v blízkosti aktivního místa, přičemž výz- namně ovlivňuje zejména orientaci rezidua Arg110. Tato zjištění zdůrazňují, že zahuštění makromolekulami je klíčovým faktorem při studiu enzymů, který pomáhá překlenout rozdíly mezi tradičními in vitro experimenty a komplexitou...