Молекулярное моделирование структурных и функциональных аспектов взаимодействия АТФаз Р-типа с АТФ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Косинский, Юрий Анзельмович

• Косинский, Юрий Анзельмович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Косинский, Юрий Анзельмович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

АТФазы Р-типа: классификация, структура, механизм работы.

1.1. История вопроса и основные сведения по АТФазам Р-типа.

1.2. Геномика и субстратная специфичность семейства АТФаз Р-типа.

1.3. Исследования пространственной структуры АТФаз Р-типа.

1.4. Молекулярный механизм работы АТФаз Р-типа.

1.5. Регуляция активности АТФаз Р-типа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Молекулярное моделирование структурных и функциональных аспектов взаимодействия АТФаз Р-типа с АТФ»

Для понимания молекулярного механизма работы ферментов необходим анализ их пространственной структуры атомарного разрешения. Более того, часто нужно установить пространственные структуры белка в разных функциональных состояниях: в комплексе с субстратами или их аналогами, ингибиторами и др. Однако во многих случаях определение структуры белков с помощью экспериментальных методов представляет значительную техническую проблему. Наибольшие трудности возникают при структурных исследованиях мембранных белков, к которым относятся множество важнейших ферментов, рецепторов и транспортеров. Экспериментально установлены пространственные структуры высокого разрешения только нескольких типов мембранных белков. В то же время, благодаря успехам геномных исследований, для большинства биологически важных белков известна аминокислотная последовательность.

В связи с этим, широкое применение находит метод построения моделей пространственной структуры белков (3-мерных моделей) на основании гомологии аминокислотной последовательности с родственными белками, для которых пространственная структура установлена экспериментально. Дальнейшее исследование 3-мерных моделей ферментов с помощью методов молекулярного моделирования, таких как молекулярная динамика и докинг лигандов, позволяет эффективнее анализировать экспериментальные данные, осуществлять компьютерный дизайн точечных мутаций белков, а также выдвигать различные гипотезы о структуре и функции белка.

Одно из важных и перспективных направлений структурной биологии связано с изучением мембранных белков из семейства АТФаз Р-типа. Ферменты из этого обширного и широко распространенного в живых организмах семейства осуществляют активный транспорт специфичных для них катионов за счет энергии гидролиза АТФ. Для наиболее изученного представителя АТФаз Р-типа, Са2+-АТФазы саркоплазматического ретикулума, в последние годы был получен ряд кристаллических структур высокого разрешения в различных функциональных состояниях, в том числе в комплексе с аналогами АТФ. Эти структуры используются в качестве основы ("шаблона") для построения моделей пространственной структуры других АТФаз Р-типа на основании гомологии.

Диссертационная работа посвящена построению 3-мерных моделей двух цитоплазматических нуклеотид-связывающих доменов (т. н. Ы- и Р-доменов) Ыа+,К+-АТФазы плазматической мембраны и медь-транспортирующей АТФазы человека, и изучению их структуры, динамики и взаимодействий с АТФ с помощью методов молекулярного моделирования.

Ыа+,К+-АТФаза плазматической мембраны - наиболее распространенный в клетках млекопитающих представитель семейства АТФаз Р-типа. Градиенты концентраций ионов Ыа+ и К+ необходимы для формирования трансмембранного потенциала, поддержания клеточного объема, вторичного активного транспорта других веществ. Пространственная структура Ка+,К+-АТФазы атомарного разрешения до сих пор экспериментально не установлена. Выравнивание аминокислотной последовательности нуклеотид-связывающих доменов фермента с Са -АТФазой показало относительно высокую гомологию. Это дало возможность построить реалистичную 3-мерную модель Ыа+,К+-АТФазы и предложить модель ее комплекса с АТФ, на основе которых были объяснены экспериментальные данные точечного мутагенеза.

Более сложная задача решалась при построении и анализе 3-мерных моделей медьтранспортирующей АТФазы. Для аминокислотной последовательности Ы-домена этого белка гомология с соответствующим участком Са2+-АТФазы практически отсутствует.

Тем не менее, результаты теоретического анализа показали, что укладка пространственной структуры нуклеотид-связывающих доменов обоих ферментов сходна.

Исследование 3-мерной модели медь-транспортирующей АТФазы, построенной на

2+ основе структуры

Са -АТФазы, представляет не только фундаментальный, но и биомедицинский интерес. Мутации гена, кодирующего данный фермент, обусловливают летальный гепато-неврологический синдром - болезнь Вильсона. При этом многие и наиболее часто встречающиеся мутации локализованы в >1- и Р-доменах и являются причиной нарушения связывания АТФ белком и/или процесса каталитического фосфорилирования. Объяснение молекулярного механизма этих мутаций и выявление функционально важных остатков, отвечающих за связывание АТФ, необходимо для поиска путей лечения этого наследственного заболевания.

Результаты моделирования как для

Ыа ,К -АТФазы, так и для медь-транспортирующей АТФазы, помогут планировать эксперименты сайт-направленного мутагенеза и лучше понять механизм работы этих ферментов. Модели нуклеотид-связывающих доменов АТФаз, полученные в данной работе, могут быть в дальнейшем использованы в качестве стартовой точки для построений более подробных молекулярных моделей ферментов.

В диссертации приняты следующие сокращения:

МД — молекулярная динамика; РСА — рентгеноструктурный анализ; СКО — среднеквадратичное отклонение; ЭМ - электронная микроскопия; ЯМР - ядерный магнитный резонанс; PDB - Protein Data Bank; WNDP - WilsoN Disease Protein.

Аминокислотные остатки представлены в однобуквенном обозначении:

Алании Ala A Лейцин Leu L

Аргинин Arg R Лизин Lys К

Аспарагин Asn N Метионин Met M

Аспарагиновая кислота Asp D Фенилаланин Phe F

Цистеин Cys С Пролин Pro P

Глутамин Gin Q Серин Ser S

Глутаминовая кислота Glu E Треонин Thr T

Глицин Gly G Триптофан Trp W

Гистидин His H Тирозин Tyr Y

Изолейцин lie I Валин Val V

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Косинский, Юрий Анзельмович

выводы

1. На основе изучения методами молекулярного моделирования кристаллических структур Са2+-АТФазы саркоплазматического . ретикулума предложена структурно-динамическая модель взаимодействия нуклеотид-связывающих доменов фермента с АТФ. Показано, что разработанные подходы приводят к результатам, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. При изучении взаимодействий

Са -АТФазы с АТФ показана целесообразность сочетания методов молекулярной динамики (МД) и докинга - с целью учета конформационной подвижности белка-мишени, В случае АТФаз Р-типа для предсказания корректной структуры комплекса необходимо рассматривать как медленные доменные движения, так и локальную конформационную подвижность остатков сайта связывания.

3. В результате анализа кристаллических структур белков в комплексе с АТФ выявлены межмолекулярные взаимодействия, определяющие связывание лиганда: гидрофобное окружение аденииового основания АТФ и характерные водородные связи с его ЫНг группой. Сформулированы качественные критерии для ранжирования комплексов белков с АТФ, полученных в результате молекулярного докинга.

4. Методом моделирования по гомологии построены 3-мерные модели нуклеотид-связывающих доменов Ыа+,К+-АТФазы. С помощью методов молекулярного. моделирования предложена модель комплекса Ыа+,К+-АТФазы с АТФ, на основе которой были интерпретированы экспериментальные данные точечного мутагенеза. Предложена гипотеза, объясняющая более высокое сродство к

АТФ Ыа ,К -АТФазы по сравнению с

Са2+-АТФазой.

5. . Предложены 3-мерные модели нуклеотид-связывающих доменов медь-трапспортирующей АТФазы (\VNDP), не имеющей заметной гомологии по

Л I последовательности Ы-домеиа с Са -АТФазой. Разработана модель пространственной структуры комплекса \VNDP с АТФ. Результаты моделирования хорошо согласуются с данными точечного мутагенеза. Это дает основание для дальнейшего использования модели \VNDP для планирования будущих экспериментальных исследований этого белка.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Косинский, Юрий Анзельмович, 2006 год

1. Skou, J. C. The influence of some cations on an adenosine triphosphatase from peripheral nerves. Biochim. Biophys. Acta 23, 394-401 (1957).

2. Hasselbach, W., Makinose, M. Die Calcium pumpe der Erschlaffungsgrana des Muskels und ihre Abhängigkeit von der ATP-Spaltung. Eur. J. Biochem. 333, 518-528 (1961).

3. Slayman, C. L., Lu, C. Y., Shane, L. Correlated changes in membrane potential and ATP concentrations in Neurospora. Nature 226, 274-276 (1970).

4. Jorgensen, P. L. Purification and characterization of Na+,K+-ATPase V. Conformational changes in the enzyme. Transitions between the Na-form and the K-form studied with tryptic digestion as a tool. Biochim. Biophys. Acta 401, 399-415 (1975).

5. Jencks, W. P. Utilization of binding energy and coupling rules for active transport and other coupled vectorial processes. Methods Enzymol. 171, 145-164 (1989).

6. Kuhlbrandt W. Biology, structure and mechanism of P-type ATPases. Nature 5, 282-295 (2004).

7. Axelsen, K. B., Palmgren, M. G. Evolution of substrate specificities in the P-type ATPase superfamily. J. Mol. Evol. 46, 84-101 (1998).

8. Bult, C. J. et al. Complete genome sequence of the methanogenic archaeon, Methanococcus jannaschii. Science 273, 1058-1073 (1996).

9. Goffeau, A. The inventory of all ion and drug ATPases encoded by the yeast genome. Acta Physiol. Scand. 643, 297-300 (1998).

10. Axelsen, K. B., Palmgren, M. G. Inventory of the superfamily of P-type ion pumps in Arabidopsis. Plant Physiol. 126, 696-706 (2001).

11. Altendorf, K. et al. Structure and function of the Kdp-ATPase of Escherichia coli. Acta Physiol. Scand. 643, 137-146 (1998).

12. Rensing, C., Fan, B., Sharma, R., Mitra, B., Rosen, B. P. CopA: an Escherichia coli Cu(I)-translocating P-type ATPase. Proc. Natl Acad. Sei. USA 97, 652-656 (2000).

13. Okkeri, J., Haltia, T. Expression and mutagenesis of ZntA, a zinc-transporting P-type ATPase from Escherichia coli. Biochemistry 38, 14109-14116 (1999).

14. Rosen, B. P. Transport and detoxification systems for transition metals, heavy metals and metalloids in eukaryotic and prokaryotic microbes. Comp. Biochem. Physiol., Part A Mol. Integr. Physiol. 133, 689-693 (2002).

15. Nelson, N. Metal ion transporters and homeostasis. EMBOJ. 18, 4361-4371 (1999).

16. Lutsenko, S., Petris, M. J. Function and regulation of the mammalian copper-transporting ATPases: insights from biochemical and cell biological approaches. J. Membr. Biol. 191, 1-12 (2003).

17. Tanzi, R. E. et al. The Wilson disease gene is a copper transporting ATPase with homology to the Menkes disease gene. Nature Genet. 5, 344-350 (1993).

18. Odermatt, A., Suter, H., Krapf, R., Solioz, M. Primary structure of two P-type ATPases involved in copper homeostasis in Enterococcus hirae. J. Biol. Chem. 268, 12775-12779 (1993).

19. Bull, P. C., Thomas, G. R., Rommens, J. M., Forbes, J. R., Cox, D. W. The Wilson disease gene is a putative copper transporting P-type ATPase similar to the Menkes gene. Nature Genet. 5,327-337 (1993).

20. Daleke, D. L. Regulation of transbilayer plasma membrane phospholipd asymmetry. J. Lipid Res. 44, 233-242 (2003).

21. Lee, A. G. A calcium pump made visible. Curr. Opin.Struct. Biol. 12, 547-554 (2002).

22. Stokes, D. L. & Green, N. M. Structure and function of the calcium pump. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 32, 445-468 (2003).

23. Toyoshima, C., Nakasako, M., Nomura, H. & Ogawa, H. Crystal structure of the calcium pump of sarcoplasmic reticulum at 2.6 A resolution. Nature 405, 641-655 (2000).

24. Toyoshima, C. & Nomura, H. Structural changes in the calcium pump accompanying the dissociation of calcium. Nature 418, 605-611 (2002).

25. Ma, J. J. & Pan, Z. Junctional membrane structure and store operated calcium entry in muscle cells. Front. Biosci. 8, D242-D255 (2003).

26. Harper, J. F. Dissecting calcium oscillators in plant cells. Trends Plant Sci. 6, 395-397 (2001).

27. Palmgren, M. G. Plant plasma membrane H+-ATPases: powerhouses for nutrient uptake. Annu. Rev. Plant Physiol. Mol. Biol. 52,817-845 (2001).

28. Geisler, M., Koenen, W., Richter, J. & Schumann, J. Molecular aspects of higher plant P-type Ca2+-ATPases. Biochim. Biophys. Acta 1456, 52-78 (2000).

29. Kaplan, J. H. Biochemistry of Na,K-ATPase. Annu. Rev.Biochem. 71, 511-535 (2002).

30. Jorgensen, P., Hakansson, K., Karlish, S. Structure and mechanism of Na,K-ATPase: functional sites and their interactions. Annu. Rev. Physiol. 65, 817-849 (2003).

31. Mense, M., Rajendran, V., Blostein, R., Caplan, M. J. Extracellular domains, transmembrane segments, and intracellular domains interact to determine the cation selectivity of Na,K- and gastric H,K-ATPase. Biochemistry 41, 9803-9812 (2002).

32. Vagin, O., Denevich, S., Munson, K., Sachs, G. SCH28080, a K+-competitive inhibitor of the gastric H,K-ATPase, binds near the M5-6 luminal loop, preventing K+ access to the ion binding domain. Biochemistry 41, 12755-12762 (2002).

33. Monk, B. C., Perlin, D. S. Fungal plasma membrane proton pumps as promising new antifungal targets. Crit. Rev. Microbiol. 20, 209-223 (1994).

34. Besancon, M. et al. Membrane topology and omeprazole labeling of the gastric H+,K+-adenosinetriphosphatase. Biochemistry 32, 2345-2355 (1993).

35. Geering, K. The functional role of P subunits in oligomeric P-type ATPases. J. Bioenerg. Biomembr. 33, 425-438 (2001).

36. Eraso, P., Gancedo, C. Activation of yeast plasma membrane ATPase by acid pH during growth. FEBSLett. 224, 187-192 (1987).

37. Skriver, E., Maunsbach, A. B., Jorgensen, P. L. Formation of two-dimensional crystals in pure membrane-bound Na+,K+-ATPase. FEBSLett. 131, 219-222 (1981).

38. Dux, L. & Martonosi, A. Two-dimensional arrays of proteins in sarcoplasmic reticulum and purified Ca2+-ATPase vesicles treated with vanadate. J. Biol. Chem. 258, 2599-2603 (1983).

39. Rabon, E., Wilke, M., Sachs, G., Zampighi, G. Crystallization of the gastric H+,K+-ATPase. J. Mol. Biol. 261, 1434-1439 (1986).

40. Xu, C., Rice, W. J., He, W., Stokes, D. L. A structural model for the catalytic cycle of Ca2+-ATPase. J. Mol. Biol. 316, 201-211 (2002).

41. Rice, W. J. et al. Structure of Na+,K+-ATPase at 11-A resolution: comparison with Ca2+-ATPase in El and E2 states. Biophys. J. 80, 2187-2197 (2001).

42. Auer, M., Scarborough, G. A., Klihlbrandt, W. Threedimensional map of the plasma membrane H+-ATPase in the open conformation. Nature 392, 840-843 (1998).

43. Lahiri, S. D., Zhang, G., Dunaway-Mariano, D., Allen, K. N. The pentacovalent phosphorus intermediate of a phosphoryl transfer reaction. Science 299, 2067-2071 (2003).

44. Hilge, M. et al. ATP-induced conformational changes of the nucleotide-binding domain of Na,K-ATPase. Nature Struct. Biol. 10, 468-474 (2003).

45. Ogawa, H., Toyoshima, C. Homology modeling of the cation binding sites of Na+K+-ATPase. Proc. Natl Acad. Sci. USA 99, 15977-15982 (2002).

46. Toyofuku, T., Kurzydlowski, K., Tada, M., MacLennan, D. H. Amino acids Lys-Asp-Asp-Lys-Pro-Val402 in the Ca2+-ATPase of cardiac sarcoplasmic reticulum are critical for functional association with phospholamban. J. Biol. Chem.269, 22929-22932 (1994).

47. Toyoshima, C., Mizutani, T. Crystal structure of the calcium pump with a bound ATP analogue. Nature 430, 529-535 (2004).

48. Gitschier, J., Moffat, B., Reilly, D., Wood, W. I., Fairbrother, W. J. Solution structure of the fourth metal-binding domain from the Menkes copper-transporting ATPase. Nature Struct. Biol. 5,47-54(1998).

49. Banci, L. et al. A new zinc-protein coordination site in intracellular metal trafficking: solution structure of the Apo and Zn(II) forms of ZntA(46-l 18). J. Mol. Biol. 323, 883-897 (2002).

50. Wakabayashi, S. & Shigekawa, M. Role of divalent cation bound to phosphoenzyme intermediate of sarcoplasmic reticulum ATPase. J. Biol Chem. 259, 4427^1436 (1984).

51. Portillo, F. Regulation of plasma membrane H+-ATPase in fungi and plants. Biochim. Biophys. Acta 1469, 31^2 (2000).

52. Petris, M. J. et al. Ligand-regulated transport of the Menkes copper P-type ATPase efflux pump from the Golgi apparatus to the plasma membrane: a novel mechanism ofregulated trafficking. EMBOJ. 15, 6084-6095 (1996). '

53. East, J. M. Sarco(endo)plasmic reticulum calcium pumps: recent .advances in our understanding of structure/function and biology. Mol. Membr. Biol. 17, 189-200 (2000).

54. MacLennan, D.H., Kranias, E.G. Phospholamban: a crucial regulator of cardiac contractility. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 4, 566-577 (2003).

55. Toyoshima, C., Asahi, M., Sugita, Y., Khanna, R., Tsuda, T-, MacLennan D.H. Modeling of the inhibitory interaction of phospholamban with the Ca -ATPase. Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 467—472 (2003).

56. Carafoli, E. Biogenesis: plasma membrane calcium ATPase: 15 years of work on the purified enzyme. FASEBJ. 8, 993-1002 (1994).

57. Curran, A. C. et al. Autoinhibition of a calmodulin-dependent calcium pump involves a structure in the stalk that connects the transmembrane domain to the ATPase catalytic domain.

58. J. Biol. Chem. 275, 30301-30308 (2000).

59. Sze, H., Liang, F., Hwang, I., Curran A. C., Harper J. F. Diversity and regulation of plant Ca2+ pumps: insights from expression in yeast. Annu. Rev. Plant Physiol. Mol. Biol. 51, 433-462 (2000).

60. Palmgren, M. G., Sommarin, M., Serrano, R., Larsson, C. Identification of an autoinhibitory domain in the C-terminal region of the plant plasma membrane H+-ATPase. J. Biol.Chem. 266, 20470-20475 (1991).

61. Palmgren, M. Regulation of plant plasma-membrane H+-ATPase activity. Physiol. Plantarum 83,314-323 (1991).

62. Serrano, R., Portillo, F., Monk, B. C., Palmgren, M. G. The regulatory domain of fungal and plant plasma membrane H+-ATPase. Acta Physiol. Scand. Suppl. 607, 131-136 (1992).

63. Morsomme, P., Slayman, C. W., Goffeau, A. Mutagenic study of the structure, function and biogenesis of the yeast plasma membrane H+-ATPase. Biochim. Biophys. Acta 1469, 133-157 (2000).

64. Aducci, P., Marra, M., Fogliano, V., Fullone M. R. Fusicoccin receptors: perception and transduction of the fusicoccin-signal. J. Exp. Bot. 46, 1463-1478 (1995).

65. Goossens, A., de la Fuente, N., Forment, J., Serrano, R., Portillo, F. Regulation of yeast H+-ATPase by protein kinases belonging to a family dedicated to activation of plasma membrane transporters. Mol. Cell. Biol 20, 7654-7661 (2000).

66. Brooks, B.R., Bruccoleri, R.E., Olafson, B.D., States, D.J., Swaminathan, S. and Karplus, M., CHARMM: A Program for Macromolecular Energy, Minimization, and Dynamics Calculations. J. Comp. Chem. 4, 187-217(1993).

67. Jorgensen, W.L. and Tirado-Rives, J., The OPLS Potential Functions for Proteins. Energy Minimizations for Crystals of Cyclic Peptides and Crambin. J. Am. Chem. Soc., 110, 1657-1666 (1988).

68. Berendsen, H. J. C., Postma, J. P. M., DiNola, A., Haak, J. R. Molecular dynamics with coupling to an external bath. J. Chem. Phys. 81, 3684-3690 (1984).

69. Berendsen, H.J.C., van der Spoel, D., van Drunen, R. GROMACS Сотр. Phys. Comm. 91, 43-56 (1995).

70. Полянский А.А., Косинский Ю.А., Ефремов P.Г. Локальные температурные изменения подвижности в молекулах тиоредоксинов влияют на их термостабильные свойства. Биоорганическая химия 30(5), 470-480 (2004).

71. Polyansky А.А., Kosinsky Yu.A., Efremov R.G. Molecular dynamics as a powerful tool in design of thermostable protein mutants. Proceedings of the III International Moscow Conference on Computational Molecular Biology 1, 190-191(Moscow 2003).

72. Essmann, U., Perera, L., Berkowitz, M. L., Darden, Т., Lee, H., Pedersen, L. G. A smooth particle mesh ewald potential. J. Chem. Phys. 103, 8577-8592 (1995).

73. Kosinsky Yu.A., Volynsky P.E., Lagant P., Vergoten G., Suzuki E., Arseniev A.S., Efremov R.G. Development of the Force Field Parameters for Phosphoimidazole and Phosphohistidine. J. Comput Chem. 25(11), 1313-1321 (2004).

74. Sali, A. & Blundell, T. L. Comparative protein modelling by satisfaction of spatial restraints. J. Mol. Biol. 234, 779-815 (1993).

75. Sali, A. and Overington, J.P. Derivation of rules for comparative protein modeling from a database of protein structure alignments. Protein Sci. 3, 1582-1596 (1994).

76. Altschul, S. F. et al. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res. 25, 3389-3402 (1997).

77. Jones, D.T. GenTHREADER: an efficient and reliable protein fold recognition method for genomic sequences. J. Mol. Biol. 287, 797-815 (1999).

78. Rost, B., Sander, C. Prediction of protein secondary structure at better than 70% accuracy. J. Mol. Biol. 232, pp. 584-599 (1993).

79. Bowie, J.U., Luthy, R. and Eisenberg, D. A method to identify protein sequences that fold into a known three-dimensional structure. Science 253, 164-170 (1991).

80. Luthy, R., Bowie, J.U. and Eisenberg, D. Assessment of protein models with three-dimensional profiles. Nature 356, 83-85 (1992).

81. Valler, M.J. and Green, D. Diversity screening versus focused screening in drug discovery. Drug Discov. Today 7, 286-293 (2000).

82. Lengauer, T., Lemmen, C., Rarey, M., Zimmermann, M. Novel technologies for virtual screening. Drug Discov. Today 9, 27-34 (2004).

83. Wang J., Kollman P.A., Kuntz I.D. Flexible Ligand Docking: A Multistep Strategy Approach Proteins 36, 1-19 (1999).

84. Nissink, J.W.M., Murray, C., Hartshorn, M., Verdonk, M.L., Cole, J.C. and Taylor, R. A new test set for validating predictions of protein-ligand interaction, Proteins, 49, 457-471 (2002).

85. Jones, G., Willett, P., Glen, R. C., Leach, A. R. and Taylor, R. Development and validation of a genetic algorithm for flexible docking. J. Mol. Biol. 267, 727r748 (1997).

86. Perola, E., Walters, W.P., and Charifson, P.S. A Detailed Comparison of Current Docking and Scoring Methods on Systems of Pharmaceutical Relevance. Proteins 56, 235-49 (2004).

87. Hansson, T., Marelius, J., Aqvist, J. Ligand binding affinity prediction by linear interaction energy methods. J. Comput. Aided Mol. Des. 12,27-35 (1998).

88. Miyamoto, S., and Kollman, P.A. Absolute and relative binding free energy calculations of the interaction of biotin and its analogs with streptavidin using molecular dynamics/free energy perturbation approaches. Proteins 16, 226-245 (1993).

89. Rader, S.D., Agard, D.A. conformational substates in enzyme mechanism: the 120K structure of alpha-lytic protease at 15 A resolution. Protein Sci. 6, pp. 1375-1386 (1997).

90. Volkman, B.F., Lipson, D., Werner, D.E., Fern, D. Two-state allosteric behavior in a singledomain signaling protein. Science 291, 2429-2433 (2001).

91. Zhao, S., Goodsell, D.C., Olson, A.J. Analysis of data set of paired uncomplexed protein structures: new metrics of side-chain flexibility and model evaluation. Proteins 43, 271r279 (2001).

92. Lin, J.H., Perryman, A.L., Schames, J.R., McCammon, J.A. Computational drug design accomadating receptor flexibility: the relaxed complex scheme. J. Am. Chem. Soc. 124, 56325633 (2002).

93. Erickson, J.A., Jalaie, M., Robertson, D.H., Lewis, R.A., Vieth, M. Lessons in molecular recognition: the effects of ligand and protein flexibility on molecular docking accuracy. J. Med. Chem. 47, 45-55 (2004).

94. Betts, M.J., Sternberg, M.J.E. An analysis of conformational changes upon protein-protein association: implications for predictive docking. Protein Eng. 12, pp. 271-283 (1999).

95. Murray, C.W., Baxter, C.A., Frenkel, A.D. The sensitivity of the results of molecular docking to induced fit effects: application to thrombin, thermolysin and neurominidase. J. Comput. AidedMol. Des. 13,547-562(1999).

96. Najmanovich, R., Kuttner, J., Sobolev, V., Edelman, M. Side-chain flexibility in proteins upon ligand binding. Proteins 39, 261 -268 (2000).

97. Carlson, H.A. Protein flexibility and drug design: how to hit a moving target. Curr, Opin. Chem. Biol. 6,447-452 (2002).

98. Ferrari, A.M., Wei, B.Q., Costantino, L., Shoichet, B.K. Soft docking and multiple receptor conformations in virtual screening. J. Med. Chem. 47, 5076-5084 (2004).

99. Ghose, A. K., Viswanadhan, V.N., Wendoloski, J.J. Prediction of Hydrophobic (Lipophilic) Properties of Small Organic Molecules Using Fragmental Methods: An Analysis of ALOGP and CLOGP Methods. J. Phys. Chem. 102, 3762-3772 (1998).

100. Fauchere, J.L., Quaredon, P., Kaetterer, L., Estimating and representing hydrophobicity potential. J. Mol. Graphics 6, 203-206 (1988).

101. Xu, C., Rice, W.J., He, W., Stokes, D.L. A Structural Model for the Catalytic Cycle of Ca2+-ATPase. J. Mol. Biol. 316,201-211 (2002).

102. Olesen, C., Sorensen, T. L.-M., Nielsen, R. C., Moller, J. V., Nissen, P. Dephosphorylation of the Calcium Pump Coupled to Counterion Occlusion. Science 306, 2251-2255 (2004).

103. Sorensen, T. L.-M., Moller, J. V., Nissen, P. Phosphoryl Transfer and Calcium Ion Occlusion in the Calcium Pump. Science 306, 1672-1675 (2004).

104. Hayward, S. and Berendsen, H.J.C. Systematic Analysis of Domain Motions in Proteins from Conformational Change; New Results on Citrate Synthase and T4 Lysozyme. Proteins 30, 144-154(1998).

105. Abu-Abed, M., Mai, T.K., Kainosho, M., MacLennan, D.H., Ikura, M. Characterization of the ATP-Binding Domain of the Sarco(endo)plasmic Reticulum Ca2+-ATPase: Probing Nucleotide Binding by Multidimensional NMR. Biochemistry 41, 1156-1164 (2002).

106. Clarke, R. J., Kane, D. J., Apell, H.-J., Roudna, M., Bamberg, E. Kinetics of Na+-Dependent Conformational Changes of Rabbit Kidney Na,K-ATPase. Biophys. J. 75, 1340— 1353 (1998).

107. Babes, A., Fendler, K. Na+ Transport, and the E1P-E2P Conformational Transition of the Na+/K+-ATPase Biophys. J. 79, 2557-2571 (2000).

108. Wang, K., Farley, RA. Lysine 480 is not an essential residue for ATP-binding or hydrolysis by Na,K-ATPase. J. Biol. Chem. 267, 3577-3580 (1992).

109. Jacobsen, M.D., Pedersen, P.A., Jorgensen, P.L. Importance of Na,K-ATPase residue al-Arg544 in the segment Arg544-Asp567 for high-affinity binding of ATP, ADP, or MgATP. Biochemistry 41, pp. 1451-1456 (2002).

110. Herbert, H., Purhonen, P., Vorum, H., Thomsen, K., Maunsbach, A.B. Three-dimensional structure of renal Na,K-ATPase from cryo-electron microscopy of two-dimensional crystals. J. Mol. Biol. 314, 479-494 (2001).

111. Hakansson, K.O. The crystallographic structure of Na,K-ATPase N-domain at 2.6 A resolution. J. Mol. Biol. 332, pp. 1175-1182 (2003).

112. Jones, S., Thornton, J. M. Principles of protein-protein interactions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 13-20(1996).

113. Gilson, M.K., Sharp, K. and Honig, B. Calculating the Electrostatic Potential of Molecules in Solution: Method and error assessment. J. Сотр. Chem. 9, 327-335 (1987).

114. Fatemi, N., Sarkar, В. Structural and Functional Insights of Wilson Disease Copper-Transporting ATPase. J. Bioenerg. Biomembr. 34, 339-349 (2002).

115. Lutsenko, S., Efremov, R.G., Tsivkovskii, R., Walker, J.M. Human Copper-Transporting ATPase ATP7B (The Wilson's Disease Protein): Biochemical Properties and Regulation. J. Bioenerg. Biomembr., 34, 351-362 (2002).

116. Gitlin, J.D. Wilson disease. Gastroenterology 125, 1868-1877 (2003).

117. Ferenci, P., Caca, K., Loudianos, G., Mieli-Vergani, G., Tanner, S., Sternlieb, i., Schilsky, M., Cox, D. and Berr, F. Diagnosis and phenotypic classification of Wilson disease. Liver Int. 23,139-142(2003).

118. Petrukhin, K., Lutsenko, S., Chernov, I., Ross, В. M., Kaplan, J. H., and Gilliam, Т. C. Hum. Mol. Genet. 3(9), 1647-1656(1994).

119. Kim, E. K., Yoo, O.J., Song, K. Y., Yoo, H.W., Choi, S.Y., Cho, S.W. and Hahn, S.H. (1998) Identification of three novel mutations and a high frequency of the Arg778Leu mutation in Korean patients with Wilson disease. Hum. Mutat. 11, 275-278

120. Nanji, M.S., Nguyen, V.T., Kawasoe, J.H., Inui, K., Endo, F., Nakajima, T., Anezaki, T. and Cox, D.W. (1997) Haplotype and mutation analysis in Japanese patients with Wilson disease. Am. J. Hum. Genet. 60, 1423-1429

121. Tsivkovskii, R., Eisses, J.F., Kaplan, J.H. and Lutsenko, S. Functional properties of the copper-transporting ATPase ATP7B (the Wilson's disease protein) expressed in insect cells. J. Biol. Chem. 277, 976-983 (2002).

122. Tsivkovskii, R., Efremov, R.G., Lutsenko, S. The Role of the Invariant His-1069 in Folding and Function of the Wilson's Disease Protein, the Human Copper-transporting ATPase ATP7B. J. Biol. Chem. 278, 13302-13308 (2003).

123. Kabsch, W. and Sander, C. Dictionary of protein secondary structure: pattern recognition of hydrogen-bonded and geometrical features. Biopolymers 22,2577-2637 (1983).

124. Okkeri, J., Laakkonen, L., Haltia, T. The nucleotide-binding domain of the Zn -transporting P-type ATPase from Escherichia coli carries a glycine motif that may be involved in binding of ATP. Biochem. J. 377, 95-105 (2004).