Конформационные особенности бета-амилоидного пептида 25-35

Агаева Г.А.1, Наджафова Г.З.2



1 – Институт физических проблем, Бакинский государственный университет, AZ-1148, ул. З.Халилова 23;

2 – Азербайджано-Французский Университет УФАЗ, AZ1010, ул.Низами 183, Баку

gulshen@mail.ru





Как известно, болезнь Альцгеймера (БА) является одним из наиболее распространенных нейродегенеративных заболеваний и причиной деменции. Заболевание патологически характеризуется агрегацией двух белков в тканях головного мозга, а именно бета-амилоида (Аβ) и тау-белка, специфичного для мозга. Имеются совокупные доказательства того, что пептиды Aβ самообразуются в растворимые олигомеры и нерастворимые фибриллы [1]. Отдельный фрагмент Aβ (25-35) (с последовательностью GSNKGAIIGLM) считается функциональным доменом амилоидного пептида Aβ, ответственным за его нейротоксические свойства [2], и биологически активной областью Aβ [3]. Пептид Aβ (25-35) обладает многими характеристиками полноразмерного Aβ (1-40/42), включая его амфифильную природу и склонность к агрегации. Его присутствие in vivo было доказано лишь недавно, но токсичность фибриллярного Aβ (25-35) по отношению к нейрональным клеткам in vitro была показана ранее [3]. Имеются также данные о том, что мономерная форма этого пептида сама по себе может быть цитотоксичной [3]. Механизм токсичности амилоидного пептида остается невыясненным. Тем не менее, многие важные детали о растворимом пептиде Aβ, включая его пространственную структуру, отсутствуют или противоречат друг другу. Следовательно, изучение конформационных свойств пептида Аβ (25-35) в его растворимой мономерной форме может сыграть существенную роль в определении природы более ранних его видов до олигомерации. Можно сделать предположение, что конформации, принимаемые пептидом Aβ (25-35) в растворе, чрезвычайно чувствительны к используемым методам и экспериментальным условиям.

В представленном исследовании мы использовали методы молекулярного моделирования (ММ) - методы молекулярной механики (ММ) и молекулярной динамики (МД), чтобы получить информацию о пространственной организации пептида Aβ (25-35) и его конформационной динамике. Преимущество ММ молекулярного моделирования перед другими теоретическими подходами заключается в учете энергетических вкладов всех типов внутри- и межмолекулярных контактов в стабильных конформациях пептида и его фрагментов, что позволяет идентифицировать более стабильные конформации пептида. Конформационные свойства пептида амилоида-β (25-35) были изучены с помощью метода молекулярной механики, который позволяет успешно решать задачи о структурных характеристиках молекул пептидов. Программа расчета была основана на матричном методе определения координат атомов и потенциальных функциях с соответствующей параметризацией. В текущей версии этой программы энергия рассчитывается как сумма независимых вкладов энергий невалентных, электростатических взаимодействий, энергий торсионных барьеров и водородных связей. Конформационный анализ каждого пептидного сегмента С-концевой части выявил ограниченное число наиболее вероятных конформаций и достаточно четко определил силы, стабилизирующие структуры. Также было показано, что возможность образования развернутых структур по сравнению с α-спиральной структурой выше на N-конце и ниже на С-конце. Наши результаты показывают, что пептид Aβ (25-35) энергетически предпочтительно принимает α-спиральную конформацию на С-концевом октапептидном сегменте. Среди стабильных структур с общей α-спиральной конформацией на С-конце наблюдается значительное разнообразие различных конформаций на N-концевом тетрапептиде. Для моделирования картины внутримолекулярной подвижности молекулы пептид Aβ (25-35) был применен метод молекулярной динамики. В качестве начальных приближений были использованы стабильные конформационные состояния молекулы. Было показано, что гибкие структуры в N-концевой области Aβ (25-35) по-разному ориентированы по отношению к структурам в C-концевой части в низкоэнергетических конформациях. Эти результаты согласуются с гипотезой о том, что содержащий спираль конформер является важным промежуточным звеном в сборке фибрилл Aβ [4]. В дальнейшем будет обсуждаться возможная роль α-спиральной структуры в инициации агрегации пептида Aβ.



ЛИТЕРАТУРА

1.L. N. Zhao, L. Lu, L. Y. Chew, Y. Mu,Alzheimer's disease-A panorama glimpse, International Journal of Molecular Sciences, 15 (2014) 12631-12650.

2.R. Resende, C. Pereira, P. Agostinho, A. P. Vieira, J. O. Malva, C. R. Oliveira, Susceptibility of hippocampal neurons to A-beta peptidetoxicity is associated with perturbation of Ca2+ homeostasis, Brain. Res, 1143 (2007)11-21.

3.M. E. Clementi, S. Marini, M. Coletta, F. Orsini, B.Giardina, F. Misiti, A-beta(31-35) and A-beta(25-35) fragments of amyloid beta-protein induce cellular death through apoptotic signals: Role of the redox state of methionine-35. FEBS Lett, 579 (2005) 2913-2918.

4. Y. Fezoui, D.B. Teplow, Kinetic studies of amyloid beta-protein fibril assembly - differential effects of -helix stabilization, J. Biol. Chem, 277 (2002) 36948-36954.

Conformational Particuliarities of Beta-Amiloid Peptide 25-35

Agaeva G.A.1, Najafova G.Z.2



1 – Institute for Physical Problems, Baku State University, AZ-1148, Z/Khalilov Str. 23;

2 – French-Azerbaijan University , UFAZ, University, AZ1010, Nizami Str.183, Baku

gulshen@mail.ru



It is known, Alzheimer's disease (AD) is the most common neurodegenerative disease and causes dementia. This disease is the pathological development of aggregation of two proteins in brain tissues, namely beta-amyloid (Aβ) and tau protein, characteristic of the brain. There is accumulated evidence that Aβ peptides self-form in soluble oligomers and insoluble fibrils [1]. A small fragment of Aβ (25-35) (with the sequence GSNKGAIIGLLM) is functional domain of the amyloid peptide Aβ responsible for its neurotoxic properties [2] and the biological active region of Aβ [3]. The Aβ(25-35) peptide has many of the characteristics of full-length Aβ(1-40/42), including its amphiphilic nature and tendency to aggregate. It is presence in vivo has only recently been proven, but the toxicity of fibrillar Aβ (25–35) to neuronal cells in vitro has been shown previously [3]. There is also evidence that the monomeric form of this peptide itself can be cytotoxic [3]. The mechanism of amyloid peptide toxicity remains unclear. However, many important details about the soluble Aβ peptide, including its spatial structure, are missing or contradictory. Therefore, the study of the conformational properties of the Aβ(25-35) peptide in its soluble monomeric form can play a significant role in determining the nature of its earlier species before oligomeration. It can be assumed that the conformations adopted by the Aβ(25-35) peptide in solution are extremely sensitive to the methods used and experimental conditions.

In our study, we used the methods of molecular modeling (MM) - methods of molecular mechanics (MM) and molecular dynamics (MD) to obtain information about the spatial organization of the Aβ peptide (25-35) and its conformational dynamics. The advantage of MM molecular modeling over other theoretical approaches is that it takes into account the energy contributions of all types of intra- and intermolecular contacts in stable conformations of the peptide and its fragments, which makes it possible to identify more stable conformations of the peptide. The conformational properties of the amyloid-β peptide (25-35) were studied using the method of molecular mechanics, which makes it possible to successfully solve problems on the structural characteristics of peptide molecules. The calculation program was based on the matrix method for determining the coordinates of atoms and potential functions with the appropriate parametrization. In the current version of this program, the energy is calculated as the sum of independent contributions from the energies of non-valence, electrostatic interactions, energies of torsion barriers and hydrogen bonds. Conformational analysis of each peptide segment of the C-terminal part revealed a limited number of the most probable conformations and quite clearly defined the forces stabilizing the structures. It was also shown that the possibility of the formation of unfolded structures compared to the α-helical structure is higher at the N-terminus and lower at the C-terminus. Our results show that the Aβ(25-35) peptide energetically adopts an α-helical conformation at the C-terminal octapeptide segment. Among the stable structures with a common α-helical conformation at the C-terminus, there is a significant variety of different conformations at the N-terminal tetrapeptide. The molecular dynamics method was used to simulate the pattern of intramolecular mobility of the Aβ peptide (25-35) molecule. The stable conformational states of the molecule were used as initial approximations. It was shown that the flexible structures in the N-terminal region of Aβ (25-35) are differently oriented with respect to the structures in the C-terminal part in low energy conformation. These results are consistent with the hypothesis that the helix-containing conformer is an important intermediate in the assembly of Aβ fibrils [4]. In what follows, the possible role of the α-helical structure in the initiation of Aβ peptide aggregation will be discussed.



REFERENCES

1.L. N. Zhao, L. Lu, L. Y. Chew, Y. Mu,Alzheimer's disease-A panorama glimpse, International Journal of Molecular Sciences, 15 (2014) 12631-12650.

2.R. Resende, C. Pereira, P. Agostinho, A. P. Vieira, J. O. Malva, C. R. Oliveira, Susceptibility of hippocampal neurons to A-beta peptidetoxicity is associated with perturbation of Ca2+ homeostasis, Brain. Res, 1143 (2007)11-21.

3.M. E. Clementi, S. Marini, M. Coletta, F. Orsini, B.Giardina, F. Misiti, A-beta(31-35) and A-beta(25-35) fragments of amyloid beta-protein induce cellular death through apoptotic signals: Role of the redox state of methionine-35. FEBS Lett, 579 (2005) 2913-2918.

4. Y. Fezoui, D.B. Teplow, Kinetic studies of amyloid beta-protein fibril assembly - differential effects of -helix stabilization, J. Biol. Chem, 277 (2002) 36948-36954.