Probing the specifics of substrate binding for cytochrome c oxidase: a computer assisted approach / Investigación de las especifidades de la unión de substrato para la citocromo-c-oxidasa: un enfoque asistido por computadora

ABSTRACT

A deficiency of cytochrome c oxidase (COX) is associated with a number of diseases but details of the enzyme's mechanism of action especially the interaction with its substrate, ferrocytochrome c, remain unclear. It is known that the transfer of electrons from ferrocytochrome c to COX is facilitated by the formation of enzyme-substrate (ES) complexes which are stabilized by intermolecular salt bridges, however the identity of residues participating in the salt bridges remains obscure. Using the published structures of the two proteins, computer simulations were employed to model their interactions and to attempt to identify residues that participate in intermolecular salt bridges. The simulation process was guided in the main by cross-linking studies which proposed that Lys-13 of cytochrome c is paired with Asp-158 of COX. The initial enzyme-substrate complex, created by computer assisted manipulation of the two structures exhibited three salt bridges; following the application of energy minimization procedures, the number of salt bridges increased to seven and there were twenty-four intermolecular hydrogen bonds. The salt bridges emanated from: Glu-119 and Asp-221 of subunit I; Glu-114, Asp-115 and Asp-158 of subunit II and Asp-73 and Glu-78 of subunit VIb. These were paired with Lys-87, 8, 25, 27, 13, 22 and 100 respectively of cytochrome c. These results suggest that subunits I, II and VIb play direct roles in substrate binding. The results also suggest that hydrogen bonds contribute significantly to the stability of the ES-complex.

RESUMEN

La deficiencia de la citocromo-c-oxidasa (COX) se halla asociada con un número de enfermedades, pero los detalles del mecanismo de acción - especialmente la interacción con su substrato, el ferrocitocromo c - no está aún claro. Se sabe que la transferencia de electrones del ferrocitocromo c a la COX, es facilitada por la formación de los complejos enzima-substrato (ES), los cuales son estabilizados por puentes intermoleculares de sal. No obstante, la identidad de los residuos que participan en los puentes sigue sin estar clara. Recurriendo a las estructuras publicadas de dos proteínas, se emplearon simulaciones por computadora a fin de obtener un modelo de sus interacciones, en un intento por identificar los residuos que toman parte en los puentes de sal. El proceso de simulación fue guiado principalmente por estudios de reticulación, que proponen que el Lys-13 del citocromo c está pareado con el Asp-18 de la COX. El complejo enzima-sustrato inicial creado mediante la manipulación asistida por computadora de las dos estructuras, exhibía tres puentes de sal. Tras aplicar los procedimientos de minimización de la energía, el número de puentes de sal aumentó a siete y hubo veinticuatro enlaces intermoleculares de hidrógeno. Los puentes de sal emanaron de: Glu-119 y Asp-221 de la subunidad I; Glu-114, Asp-115 y Asp-158 de la subunidad II y Asp-73 y Glu-78 de la subunidad VIb. Estos fueron pareados con Lys-87, 8, 25, 27, 13, 22 y 100 respectivamente del citocromo c. Estos resultados sugieren que las subunidades I, II y VIb juegan un papel directo en la unión del substrato. Los resultados también sugieren que los enlaces de hidrógeno contribuyen significativamente a la estabilidad del complejo-ES.