В большинстве биологических систем белковые молекулы играют ключевую роль. С использованием методов рентгеноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса изучены пространственные структуры множества разных белков и их комплексов. Однако, до сих пор остается невыясненным в деталях, в какой степени электростатические и гидрофобные взаимодействия влияют на скорость образования комплексов белков на различных этапах сближения молекул.

Образование белкового комплекса — это сложный многостадийный процесс, требующий учета множества факторов, таких как дальнодействующие электростатические взаимодействия между поверхностями белков, геометрическая и химическая комплементарность областей связывания, молекулярная подвижность в белок-белковом интерфейсе, гидрофобные взаимодействия. Нами разработан оригинальный подход, позволяющий, благодаря совместному использованию методов броуновской и молекулярной динамики, предсказать структуру образовавшегося комплекса и молекулярные механизмы, приведшие к его образованию. В данном подходе метод броуновской динамики используется для моделирования образования двумя белками столкновительного комплекса с учетом процессов диффузии и электростатических взаимодействий, а молекулярная динамика используется для моделирования трансформации предварительного комплекса в финальный с учетом подвижности атомов, конформационных изменений и молекул растворителя.

Данный подход позволил нам выявить роль электростатических и гидрофобных взаимодействий в образовании комплекса белков пластоцианина и цитохрома f в цианобактериях, зеленых водорослях и высших растениях, и показать, что их роль в формировании комплекса меняется вместе с эволюционными изменения в белковых последовательностях.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 21-74-20035.

In most biological systems, protein molecules play a key role. Using the methods of X-ray diffraction analysis and nuclear magnetic resonance, the spatial structures of many different proteins and their complexes have been studied. However, it still remains unclear in detail to what extent electrostatic and hydrophobic interactions affect the rate of formation of protein complexes at various stages of molecular approach.

The formation of a protein complex is a multi-stage process that requires taking into account many factors, such as long-range electrostatic interactions between protein surfaces, geometric and chemical complementarity of binding regions, molecular mobility in the protein-protein interface, and hydrophobic interactions. We have developed an original approach that allows, thanks to the combined use of Brownian and molecular dynamics methods, to predict the structure of the formed complex and the molecular mechanisms that led to its formation. In this approach, the Brownian dynamics method is used to model the formation of a collision complex by two proteins, taking into account diffusion processes and electrostatic interactions, and molecular dynamics is used to model the transformation of a preliminary complex into a final one, taking into account the mobility of atoms, conformational changes, and solvent molecules.

This approach allowed us to reveal the role of electrostatic and hydrophobic interactions in the formation of the complex of plastocyanin and cytochrome f proteins in cyanobacteria, green algae and higher plants, and to show that their role in complex formation changes along with evolutionary changes in protein sequences.

The work was supported by the grant of the Russian Science Foundation #21-74-20035.