مطالعه خواص مكانيكي پروتئين اكتين تحت بارگذاري كششي با استفاده از شبيه سازي ديناميك مولكولي

Mechanical behavior of actin monomers under axial tensile loads: A molecular dynamics study

اكتين فراوان ترين پروتئين درون ياخته اي و يكي از سه جز اصلي چارچوب ياخته است كه در مقابل بارهاي كششي از ياخته محافظت مي كند. بدين منظور، با توجه به دقت و اعتبار روش هاي مبتني بر رفتار اتمي مانند ديناميك مولكولي، در اين مقاله با استفاده از شبيه سازي ديناميك مولكولي به بررسي رفتار مكانيكي پروتئين اكتين پرداخته شده است. اكتين در داخل ياخته به دو صورت تكپار ATP و ADP وجود دارد. در همين راستا در اين پژوهش رفتار مكانيكي هر دو فرم تكپار اكتين مطالعه شده است. با استفاده از شبيه سازي ديناميك مولكولي هدايت شده، تكپار اكتين تحت بارگذاري كششي قرار گرفته و تاثير ضريب ثابت فنر مجازي ديناميك مولكولي هدايت شده بر رفتار مكانيكي اكتين بررسي شده است. نتايج شبيه سازي ها حاكي از است كه با افزايش ضريب ثابت فنر مجازي ديناميك مولكولي هدايت شده، سختي معادل تكپار اكتين افزايش يافته در حالت اكتين ADP به 215.16 pN/Å و براي حالت ATP به 228.24 pN/Å همگرا مي شود. همچنين نشان داده شد كه تكپار اكتين ATP در بارگذاري كششي، رفتار سخت تري نسبت به تكپار ADP نشان مي دهد. به منظور مطالعه دقيق تر رفتار تكپار ATP و ADP، تعداد پيوندهاي هيدروژني و انرژي غير پيوندي ميان اين مولكول نوكلئوتيدي و پروتئين اكتين مطالعه شده است. صحه گذاري نتايج پژوهش بر مبناي مقايسه طول پايسته محاسبه شده و مطالعات گذشتگان، صورت گرفته است. طول پايسته محاسبه شده براي اكتين برابر 15.61 آنگستروم است كه خطاي قابل قبول 2.38 درصدي با مقادير گزارش شده در مطالعات گذشتگان دارد.

This paper deals with atomistic modeling of nanomechanical behavior of actin monomer. The major cytoskeletal protein of most cells is actin, which is responsible for the mechanical properties of the cells. Actin also plays critical mechanical roles in many cellular processes which give structural support to cells and links the interior of the cell with its surroundings. Based on the accuracy of atomistic-based methods such as molecular dynamics simulations, in this paper, we perform a series of steered molecular dynamics simulations on both ATP and ADP single actin monomers to determine their intrinsic molecular strength. The effect of virtual spring of steered molecular dynamics on the mechanical behavior of actin monomer is investigated. The results reveal increasing the virtual spring constant leads to convergence of the stiffness. The stiffness of ADP actin and ATP actin is calculated as 215.16 and 228.24 pN/Å, respectively. The results also show higher stiffness and Young’s modulus for ATP G-actin in comparison to ADP G-actin. In order to compare the behavior of ATP and ADP Gactins, the number of hydrogen bonds and nonbonded energies between the nucleotide and the protein are analyzed. The obtained persistent length is 15.61 μm which is in good agreement with the other reported literature values