Normal mode analysis of human lysozyme : study of the relative motion of the two domains and characterization of the harmonic motion

Department of Chemistry, Faculty of Science, Kyoto University, Kyoto, 606, Japan.

Abstract

A normal mode analysis of Human Lysozyme has been carried out at room temperature. Human Lysozyme is an enzyme constituted of two domains separated by an active site cleft, the motion of which is thought to be relevant for the biological function. This motion has been described as a hinge bending motion. McCammon et al.¹ have determined the characteristics of the hinge bending motion but they assumed a prior knowledge of the hinge axis. In this work we propose a method which is free from this assumption and determines the hinge axis and root-mean-square (r.m.s.) rotation angle which give the best agreement with the pattern of changes in all the distances between nonhydrogen atoms in the two domains, obtained by the normal mode analysis. The hinge axis we found is notably different from the one previously determined and goes, roughly, through the C^α 55 and C^α 76, i.e., it is located at the base of the p sheet of the second domain. The r.m.s. value for the rotation angle is also twice as large as the previous one: 3.37 degrees. It is shown that this hinge bending motion provides a fairly good approximation of the dynamics of Human Lysozyme and that the normal mode with the lowest frequency has a dominating contribution to this hinge bending motion.

Résumé

Nous avons effectué une analyse des modes normaux du lysozyme humain. Le lysozyme humain est un enzyme constitué de deux domaines séparés par une fente où se trouve le site actif. Le mouvement relatif de ces deux domaines est vraisemblablement important pour expliquer l’activité biologique. Ce mouvement a été décrit comme un mouvement "charnière". McCammon et al.1 ont déterminé les caractéristiques du mouvement charnière mais en supposant connu a priori la position de l’axe de rotation. Nous proposons ici une méthode permettant de déterminer la position de l’axe et l’angle de rotation moyen autour de cet axe qui ne nécessite aucune connaissance préalable des caractéristiques du mouvement charnière. L’axe ainsi déterminé est assez différent de celui déterminé précédemment et passe par les C^α 55 et C^α 76. L’angle de rotation moyen est de 3.37°. Nous montrons aussi que ce mouvement charnière fournit une bonne approximation de la dynamique de la protéine et que le mode normal de plus basse fréquence décrit pratiquement à lui seul ce mouvement charnière.