WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Федик Игорь Викторович ДИНАМИКА СТРУКТУРНОЙ САМООРГАНИЗАЦИИ МОДЕЛЬНЫХ БИОПОЛИМЕРОВ Специальность 03.00.02. - "Биофизика"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре биоинженерии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Шайтан Константин Вольдемарович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Севастьянов Леонид Антонович (Факультет физико-математических и естественных наук РУДН) кандидат химических наук, с. н. с.

Чилов Гермес Григорьевич (Институт физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского, МГУ)

Ведущая организация: Институт химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН, г. Москва

Защита состоится " 17 " _апреля_ 2008 г. в часов на заседании Диссертационного совета Д 501.001.96 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г.

Москва, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет, кафедра биофизики, аудитория "Новая".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан: " " февраля 2008 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета доктор биологических наук, профессор Т. Е. Кренделева 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Биологические полимеры участвуют во всех основных процессах в живом организме. При всем их разнообразии, работа биомакромолекул обычно базируется на высоко специфическом взаимодействии типа ключ - замок. Для этого необходима достаточно жесткая пространственная структура. Поэтому правильное функционирование белков, ДНК и РНК тесно связано с их трехмерной структурой. Даже небольшие изменения этих структур, как правило, ведут к утере или резкому изменению активности.

Базовые принципы специфического сворачивания (фолдинга) биомакромолекул и строения их энергетической поверхности исследуются весьма интенсивно как в России, так и за границей (О.Б. Птицын, А.В.

Финкельштейн, Е.И. Шахнович, M. Karplus, P.G. Wolynes, Y. Levy, J. Jortner, O.M. Becker, В.А.Аветисов, К.В.Шайтан и др.). Каждая биополимерная цепь способна сформировать практически бесчисленное множество устойчивых пространственных конфигураций, хотя функциональной активностью может обладать лишь одна из них, которая называется нативной. С учетом средней скорости перемещения атомов в молекуле белка при нормальных условиях для нахождения единственной нативной конформации путем случайного перебора всех устойчивых состояний может не хватить времени жизни всей Вселенной. Эта проблема известна как парадокс Левинталя.

Для разрешения этого парадокса были предложены две не противоречащие концепции. Согласно одной из них, фолдинг начинается с формирования относительно жестких элементов вторичной структуры, из которых далее собирается третичная структура биополимера (Fersht и др., 1985; Ptitsyn, Finkelstein, 1983; Murzin, Finkelstein, 1988; Rumbley и др., 2001;

Zhou, Karplus, 1999). Таким образом, фолдинг представляет собой последовательный процесс, на каждом этапе которого уменьшается эффективный объем доступной области конфигурационного пространства, вследствие чего задача поиска функционально активной конформации существенно упрощается (Levy и др., 2001).

Позже была предложена концепция воронкообразного энергетического ландшафта. Согласно этой теории гиперповерхность конформационной свободной энергии имеет глобальный или локальный минимум, который соответствует нативной конформации биомакромолекулы. (Zhou, Karplus, 1999; Guo и др., 1997; Dill, Chan, 1997; Socci и др., 1998). При таком ландшафте свободной энергии система за счет релаксации должна самопроизвольно переходить в нативное состояние независимо от начальной конфигурации (Sali и др., 1994; Zhou, Karplus, 1999; Hubner и др., 2006; Guo и др., 1997; Dill, Chan, 1997). Однако в моделях, опирающихся на данную теорию в силу кинетических ограничений подобная релаксация происходит за времена от десятков наносекунд для коротких пептидов, до миллисекунд для белков и длинных пептидов. Для детализированных моделей расчеты в таком масштабе времени являются весьма ресурсоемкой задачей.

Классическая и более новая схемы процесса фолдинга не противоречат друг другу. Поведение молекулы в соответствии с двумя данными концепциями можно наблюдать и в рамках одной модели.

Необходимость развития теории пространственной укладки и, в последствии, функции белков и нуклеиновых кислот делает разработку модельного динамического подхода к проблеме фолдинга весьма актуальной.

Целью работы является изучение методом молекулярной динамики закономерностей структурной самоорганизации в модельных биополимерах, происходящей за короткие времена (десятки и сотни пикосекунд), выяснение детерминированности процессов последовательных структурных перестроек и их зависимости от начальной конфигурации.

Постановка задачи.

Необходимо поставить и решить следующие задачи:

• Изучить влияние начальной конфигурации на ход структурной самоорганизации и конечную пространственную укладку модельного биополимера • Исследовать зависимость типа конечной пространственной укладки модельной полимерной цепи от параметров взаимодействия между ее звеньями.

• Разработать модельную молекулярную конструкцию, способствующую формированию полимерной цепью регулярной пространственной конфигурации определенного типа.

• Сравнить поведение упрощенных и полноатомных моделей биополимеров с точки зрения процесса структурной самоорганизации.

Научная новизна.

Впервые методом молекулярной динамики был исследован процесс быстрой структурной самоорганизации простой модельной гомополимерной цепи из леннард-джонсовских частиц с формированием регулярных пространственных конфигураций. Было обнаружено, что в такой модельной системе могут самопроизвольно формироваться структурные элементы различных типов, некоторые из них имеют геометрическое сходство с элементами вторичной структуры белков и нуклеиновых кислот.

Формирование регулярных пространственных укладок в малом временном масштабе наблюдается только при определенных начальных конфигурациях.

Показано, что тип конечной структуры зависит от соотношения двух параметров взаимодействия: длины связей между звеньями и эффективного леннард-джонсовского радиуса мономерных звеньев.

Впервые была разработана модельная молекулярная система, способствующая специфическому сворачиванию упрощенной модельной полимерной цепи. Данная система была представлена нанотрубкой, специфически взаимодействующей с линейным полимером. При определенных параметрах взаимодействия, полимерная цепь, проходя через нанотрубку, разворачивается, а затем формирует новую упорядоченную структуру. Показано, что система функционирует только при определенном строении гиперповерхности потенциальной энергии взаимодействия нанотрубки с цепочкой.

Была продемонстрирована возможность быстрого фолдинга в компактную конформацию -спирали полноатомной модели пептида додекаланина (Ala12) в вакууме при старте из вытянутой конфигурации нити. Показано, что при сворачивании полиаланин претерпевает ту же последовательность элементарных структурных перестроек, что и упрощенная модельная полимерная цепь.

Проведены численные эксперименты по денатурации белка альбебетина во внешнем силовом поле, разводящим N- и С- концевые участки цепи. были исследованы внутренние силы, ответственные за формирование вторичной структуры и третичной структуры полипептида Ala12 и. Продемонстрировано, что зависимость конечного удлинения альбебетина, что говорит об иерархии энергий взаимодействия между различными элементами структуры белка.

Практическая значимость.

Результаты исследований позволяют расширить представления о процессах фолдинга и могут быть использованы для предсказания конформации биополимеров и молекулярного дизайна биологических систем, а также интерпретации результатов экспериментов деформации белковых структур в атомно-силовой микроскопии.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием универсальных законов и уравнений механики и проведением тестовых расчетов систем, сравниваемых с экспериментальными данными.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Структурная самоорганизация модельных биополимеров может протекать как ряд последовательных структурных перестроек, зависящих от начальной пространственной конфигурации цепи.

2. Тип регулярной пространственной укладки модельных биополиперов зависит от отношения длин связей между последовательными звеньями в цепи и эффективных Ван-дер-ваальсовых радиусов мономерных звеньев в их составе.

3. Конформации, реализуемые при сворачивании пептидов из вытянутой конфигурации проявляют геометрическое сходство с пространственными укладками простых полимеров из леннард-джонсовских частиц на каждом этапе процесса фолдинга.

4. Величина сил, ответственных за формирование вторичной и третичной структуры в белках может существенно различаться.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на 3-й Всероссийской Каргинской конференции «ПОЛИМЕРЫ - 2004» (Москва, 2004 г.), Международной конференции «Ломоносов 2004» (Москва, 2004 г.), 3-й Всероссийской школе-симпозиуме «Динамика и структура в химии и биологии», Москва, 2005, 4-й всероссийской школе-симпозиуме «Динамика и структура в химии и биологии» (Москва, 2006 г.), Международной конференции «Ломоносов 2006» (Москва, 2006 г.), Рабочем совещании по компьютерному моделированию конденсированных фаз, включая биосистемы (Москва, 2006 г.). Доклады о результатах работы были представлены на семинарах кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для соискателей ученых степеней.

Личный вклад автора.

Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении расчетов их обработке и анализе, подготовке статей и докладов на конференциях, а так же в разработке программного обеспечения для проведения, обработки и анализа результатов вычислительных экспериментов.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа ( _ страниц) состоит из введения, _ глав, выводов, списка литературы ( _ ссылки) и 2 приложений, иллюстрирована _ рисунками и содержит _ таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи работы, кратко охарактеризованы методы их решения, отражены научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе представлен краткий обзор литературы, посвященный текущему состоянию исследования проблемы фолдинга in vitro, в вычислительных экспериментах и существующим моделям и концепциям, относящимся к структурой самоорганизации биополимеров. Также подробно описан метод молекулярной динамики и другие методы молекулярного моделирования.

Во второй главе методами молекулярной динамики исследуются закономерности формирования регулярных пространственных структур в простых модельных полимерах, представляющих собой цепи с относительно жесткими связями и дополнительным леннард-джонсовским (LD) взаимодействием между звеньями.

В качестве начального состояния были взяты вытянутые конфигурации цепей со свободными концевыми участками и циклические структуры, в которых для каждого звена ближайший сосед по цепи и ближайший сосед в пространстве совпадают.

Прежде всего, было исследовано влияние параметров системы на тип конечной структуры. Вычислительные эксперименты показали, что вытянутая цепь может формировать целый ряд упорядоченных структур. Тип конечной структуры зависит от отношения параметра LD-потенциала rmin, к равновесной длине b валентной связи. Среди возникающих структур наблюдаются правые и левые спирали, двойные спирали, шпильки, а также структуры, состоящие из свернутых петель. Целый ряд этих структур имеет геометрическое сходство с элементами вторичной структуры полипептидов и нуклеиновых кислот.

Рассмотрены результаты для цепочки из 100 звеньев при =ккал/моль. При включенных LD-взаимодействиях между звеньями с индексами i и i+2, при значениях rmin < b, образуются очень компактные структуры, которые не поддаются определенной классификации. На интервале b rmin < 2b образуются спиральные (точнее, винтовые) структуры, напоминающие -спирали пептидов. В силу сферической симметрии LDпотенциалов левые и правые спирали образуются с равной вероятностью.

Кроме того, могут формироваться структуры, в которых сочетаются и левые, и правые спирали. При значениях rmin > 2b простые спирали становятся менее компактными и менее устойчивыми и могут легко перестроиться в более сложные структуры, такие как двойные спирали в составе шпилек, сходных со шпильками, которые формируются у РНК и ДНК. Здесь же могут формироваться различные структуры другого уровня сложности, где структурной единицей являются петли. Подобные структуры наблюдаются у молекул РНК.

При отключенных LD-взаимодействиях между звеньями с индексами i и i+2 (Рис. 1) все конечные структуры схожи с конфигурациями, полученными в первом варианте, однако они формируются при других значениях rmin.

Рис. 1 Типы конечных структур, формирующихся при разных значениях параметра rmin из вытянутой цепочки с выключенными LD-взаимодействиями между звеньями с индексами i и i+2.

Слева направо: rmin = 3, rmin = 5, rmin = 6, rmin = 6.5. Во всех случаях равновесная длина валентной связи b = 2.

Инициирование структурной самоорганизации происходит на концах линейного полимера, как на наиболее подвижных участках цепи. Показано, что модуль суммарной силы, действующей на звенья цепи максимален на концевых участках.

По той же причине, в замкнутых цепочках инициирование структурообразования происходит в местах конфигурационных дефектов (резкого изгиба). Были рассмотрены две модели: замкнутая в виде плоского кольца цепь из 200 звеньев, а также замкнутая цепь, лежащая в двух пересекающихся под углом 60 плоскостях.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»