ホスホグリセレートキナーゼ

インフォメーション

PDB ファイル

PDB ファイルは，RCSB PDB: Homepage から入手した．
このページでは，PDB ID 13PK，PDB ID 2PAA の 2 個の PDB ファイルを使う．
前者は Trypanosoma brucei（ブルーストリパノソーマ）由来，後者は Mus musculus（ハツカネズミ）由来である．

ソフトウェア

分子モデルの作成は Builcule，一部の分子モデルの表示には Detrial を使った．
密度汎関数法による計算は PSI4で，分子軌道の表示は Gabedit でおこなった．

目次（ページ内リンク）

モノマーの単離

PDB ファイルには 4 量体として記述されていたので，Builcule でモノマーを単離した．

画像は，13PK から単離したモノマーを Detrial で表示したものである．
ADP と 3-ホスホグリセリン酸は空間充填様式で CPK 色に着色した．タンパク質はリボン様式で二次構造で色分けした．
緑色の球は Mg²⁺ である．

ホスホグリセレートキナーゼは，2 個のドメインを有し，片方は ADP を保持し，他方は 3-ホスホグリセリン酸を保持している．
これらのドメインは，→ で示した部分で， 2 本のペプチドにより連結している．
連結部分の構造が変化して ADP と 3-ホスホグリセリン酸が衝突するとか，そういうことだろうか？

試料とした PDB ファイルに含まれている基質をまとめておく．

• 13PK：ADP と 3-ホスホグリセリン酸
• 2PAA：ATP

タンパク質の重ね合わせ

2PAA モノマーと 13PK モノマーをアラインメントし，配列にしたがって重ね合わせた．
以下，煩雑になるので，「モノマー」を省略する
重ね合わせたようすを画像に示す．赤色が 2PAA，青色が 13PK である．

上側のドメインを見ると，青色の 13PK が赤色の 2PAA より，下側のドメインに接近しているように見える．
13PK の方が，反応機構のモデリングには適しているのかもしれない．
含まれている基質と相対的な構造の違いをまとめると，

• 13PK：ADP と 3-ホスホグリセリン酸，反応中のモデル用？
• 2PAA：ATP，反応前（3-ホスホグリセリン酸捕獲前）のモデル用？

ADP/ATP の重ね合わせ

画像は，13PK の ADP と 2PAA の ATP をリボースの炭素を基準にして重ね合わせたようすである．
ATP の γ-リン酸と 3-ホスホグリセリン酸の位置関係では，反応しそうにない．
ADP と ATP を入れ替えて反応モデルを構築することは不適当と判断した．

活性中心の抽出

画像は，13PK の ATP と 3-ホスホグリセリン酸，およびそれらから 5Å 以内に非水素原子が存在するアミノ酸である．
ATP と 3-ホスホグリセリン酸は空間充填様式で，アミノ酸残基は棒球様式で示した．
2 個の基質は酵素によって強固に包囲されているように見える．

反応モデルの構築

ADP と 3-ホスホグリセリン酸にリン酸を結合

上の観察で， ADP と 3-ホスホグリセリン酸のコンフォメーションは固定されていると仮定した．
そこで，ADP と 3-ホスホグリセリン酸を単離し，それぞれにリン酸を結合することにより反応モデルを構築した．
画像の (1) は ADP にリン酸を結合したモデル，(2) は3-ホスホグリセリン酸にリン酸を結合したモデルである．
解糖経路では (2) → (1) の反応，還元的ペントースリン酸回路では (1) → (2) の反応が触媒される．

このモデルが反応中間体からどの程度ずれているか把握しておく．
(1) と (2) のモデルを重ね合わせれば，新たに付加されたリン酸の「移動距離」を測定できる．
測定してみたところ，約 1.5Å であった．
このモデルと反応中間体のずれは，高々約 1.5Å となる．

モデル化合物酢酸-リン酸無水物の分子軌道

このページ作成時点で，反応機構を理解できていない．
上の分子モデルから反応機構を下のように考えた．

1. ADP の β-位の酸素が 1,3-ジホスホグリセリン酸の 1-位のリンを攻撃
2. 1,3-ホスホグリセリン酸のカルボン酸とリン酸との結合が開裂
3. ATP と 3-ホスホグリセリン酸が生成

3-ホスホグリセリン酸はリン酸が 2 個あって，部分解離型にすると処理が難しい．
例えば，構造を最適化している間にプロトンがリン酸間を移動したりする．
ここでは，モデル化合物として酢酸-リン酸無水物の計算結果を示す．

画像 (1) は，リン酸が 2 解離型である酢酸-リン酸無水物の LUMO である．
メチル基の水素が引き抜かれそうな軌道である．

画像 (2) は，リン酸が 1 解離型である酢酸-リン酸無水物の LUMO である．
リン酸のヒドロキシ基上に LUMO が広がっており，水素と酸素の軌道は反結合性である．
プロトンが引き抜かれ易いと解釈する．

画像 (3) は，リン酸が非解離型である酢酸-リン酸無水物の LUMO である．
カルボニル炭素上に LUMO が広がっており，この炭素が求核攻撃を受けやすいと解釈する．

いずれもリン原子の上には LUMO は分布しておらず，リンが求核攻撃されるモデルは構築できていない．
タンパク質の側鎖か Mg²⁺ の力を借りるしかないのかもしれない．