WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Различия в динамическом поведении монопептидов максимальны в столкновительной среде, при переходе к метанолу и водной среде они соответственно уменьшаются. Изменения при вариации растворителя в наименьшей степени испытывают монопептиды с небольшими боковыми радикалами. Цик лизация монопептида при образовании водородной связи между атомами кислорода ацильного остатка и водорода N-метильного остатка наиболее выражена в столкновительной среде.

Таблица 1 Эффективный объём в процентах от всего объёма подпространства торсионных углов, 1 и. M – изменение объёма при переходе метанол столкновительная среда, W – изменение объёма при переходе вода столкновительная среда, WM – изменение объёма при переходе вода метанол.

СтолкновиМонопептид тельная Метанол Вода M W WM среда ala 66,85 74,70 81,30 7,85 14,45 6,arg 42,54 51,97 57,93 9,43 15,39 5,asn 44,37 59,16 60,12 14,79 15,75 0,asp 21,27 31,99 49,54 10,72 28,27 17,cys 47,41 57,15 65,20 9,74 17,79 8,gln 54,69 59,73 62,42 5,04 7,73 2,glu 25,87 39,15 50,27 13,28 24,40 11,his 35,18 49,66 61,72 14,48 26,54 12,ile 35,99 41,12 45,68 5,13 9,69 4,leu 49,54 53,70 53,27 4,16 3,73 -0,lys 48,08 55,53 63,51 7,45 15,43 7,met 53,06 58,75 63,04 5,69 9,98 4,phe 48,76 60,20 62,93 11,44 14,17 2,pro 6,49 7,01 2,89 0,52 -3,60 -4,ser 65,73 64,00 69,92 -1,73 4,19 5,thr 39,57 42,62 50,38 3,05 10,81 7,trp 47,87 59,28 64,27 11,41 16,40 4,ty2 52,10 57,08 61,33 4,98 9,23 4,ty3 55,94 58,23 57,05 2,29 1,11 -1,tyc 57,08 56,08 59,22 -1,00 2,14 3,tyo 49,44 53,90 54,56 4,46 5,12 0,tyr 52,65 57,56 60,31 4,91 7,66 2,tys 52,55 56,36 63,16 3,81 10,61 6,val 37,47 44,93 46,26 7,46 8,79 1,В ряду модифицированных тирозинов дополнительная гидроксильная группа замедляет конформационные переходы по углу 1, а присутствие дополнительной шарнирной группы СН2, напротив, делает движение более свободным. Эти явления наиболее заметны в столкновительной среде. В метаноле и водном окружении наиболее замедлена динамика конформационных переходов по углу для тирозина без шарнирной метильной группы в боковом радикале.

В третьей главе представлены результаты применения метода управляемой молекулярной динамики к процессу изомеризации ретиналя. Методами Хартри-Фока с базисом 6-31ГФ и конфигурационного взаимодействия прово дится изучение барьеров вращения торсионных углов полиеновой цепи ретиналя в основном и возбуждённых состояниях. Методом конфигурационного взаимодействия получены барьеры вращения по связям, участвующим в изомеризации в родопсине и бактериородопсине. Предварительно были проведены расчёты этилена и бутадиена с целью определения метода расчёта и базиса для разложения молекулярных орбиталей, оптимального по соотношению соответствия результатов с экспериментами и возможности их использования при существующих компьютерных мощностях.

Полученные данные были использованы при параметризации силового поля для ретиналь-содержащих систем. При сравнении конформаций ретиналя, соответствующей минимуму потенциальной энергии, с конформацией внутри белкового окружения было показано наличие напряжения в цепи ретиналя внутри белка. Методом управляемой молекулярной динамики было проведено изучение динамики ретиналя. Для имитации напряжения полиеновой цепи ретиналя в белковом окружении концы ретиналя фиксировались на расстояниях от 5 до 14. Было установлено, что напряжения полиеновой цепи и распределение барьеров внутреннего вращения способствуют появлению коллективной степени свободы, вовлекающий в процесс изомеризации сразу две двойные связи. Таким образом, результативное взаимодействие ретиналя и белкового окружения делает эффективность процесса очень высокой (квантовый выход более 67).

Четвёртая глава посвящена изучению динамики функционирования ионного канала глицинового рецептора. С помощью приложений Swiss-Model, 3D-JIGSAW и др. было проведено моделирование структуры канальной части глицинового рецептора по гомологии. Наряду с этим проводилось построение модели канала на основании данных о трёхмерной структуре ТМ2-спирали 1-субъединицы. С помощью специальной программы ТМ2-спираль была повёрнуты на 0о, 72о, 144о, 216ои 288о вокруг оси поры, затем были сделаны радиальные смещения. Предварительно спирали были сориентированы вдоль оси Z.

Особое внимание уделялось расположению аминокислотных остатком, играющих ключевую роль в процессе прохождения ионов. Для проверки правильности полученной модели каждая спираль ТМ2-спираль поворачивалась на 5-20о относительно своей оси и проверялось расположение ключевых аминокислотных остатков и взаимная ориентация спиралей. Среди различных структур, полученных по гомологии, были выбраны модели, основанные на данных для никотинового ацетилхолинового рецептора из нервно-мышечного синапса (PDB: 1OED). Эти модели были использованы для получения структуры канала глицинового рецептора. Предположительно была получена структура закрыто го канала. Для устранения краевых эффектов N-конец каждой -спирали был связан с ацетилом, C-конец – с н-метиламином.

Были проведены исследования прохождения ионов и комплексов сквозь канал при различных условиях. Во всёх расчётах использовался метод управляемой молекулярной динамики, включающий в себя стандартный протокол молекулярной динамики, дополненный введением сил, действующих на ионы и комплексы (табл. 2).

Таблица 2 Протокол молекулярной динамики.

Параметр Значение Потенциальное поле AMBER-“Длина траектории” до 20 нс Термостат столкновительный Масса виртуальных частиц m=18 а.е.м.

Частота столкновений виртуальных частиц с атома =55 пс-ми рассчитываемой молекулы Температура термостата 300К Температура релаксации в начальный период расчё- 500К та Режим фиксации атомов включён Диэлектрическая проницаемость среды варьировалась Радиус обрезания для электростатических взаимо- Rel=2 нм действий Интервал обрезания для взаимодействий Ван-дер- RVdW =1,5 - 1,6 нм Ваальса Алгоритм численного интегрирования Верле Метод определения начальных скоростей атомов генератор случайных чисел по распределению Максвелла Шаг интегрирования 1 фс Шаг записи в траекторный файл 0,1 пс Шаг создания файла контрольной точки 0,1 пс Сила, действующая на атом или комплекс варьировалась Силы, прикладываемые к атому или комплексу, были направлены вдоль нормали мембраны с внеклеточной стороны во внутриклеточную. Параметры для иона Cl- соответствовали параметрам атома IM в справочнике AMBER99.

Все расчёты были проведены с помощью программного комплекса PUMA. Силовые константы для валентных связей, валентных углов, торсионных углов гидратированных комплексов ионов находились с помощью программы GAMESS. Проводилась оптимизация геометрии системы методом Хартри-Фока с разложением молекулярных орбиталей по базису 6-31ГФ**. Парциальные заряды на атомах находились методом электростатического потенциала. В некоторых случаях для сравнения были использованы заряды, найденные методом Малликена.

Для контрольных расчётов ионной проводимости созданных моделей канала значение диэлектрической проницаемости среды бралось равным двум, значение силы составляло 6 ккал/(моль). Это связано с тем, что при таком значении силы возможно прохождение ионов сквозь закрытый канал без потери его селективности. Изучалась миграция ионов Cl- и Na+, гидратированных шестью молекулами воды. Ниже приведены графики миграции ионов сквозь пору рецепторов, полученных по гомологии (рис. 1). В первой модели (рис. 1а) радиус канала в самом узком месте составляет 2,2, во второй модели (рис. 1б) – 2,5; модели отличаются поворотом спиралей. На обоих рисунках заметно, что время прохождения иона Cl- в 34 раза больше времени прохождения иона + Na+ (на втором рисунке обозначен как Na1 ). Для того чтобы исключить возможные артефакты, связанные с парциальными зарядами на атомах, во второй модели был также проведён расчёт миграции иона натрия с увеличенным в 1,раза по абсолютной величине зарядом (обозначен как Na+ ). Однако существенного уменьшения скорости иона в канале добиться не удалось.

ClNa+ Na+ Na+ Cl0 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 t, пс t, пс а б Рис. 1 Миграция ионов Cl- и Na+ сквозь пору канала глицинового рецептора в моделях канала, полученных по гомологии с ацетилхолиновым рецептором. См. объяснения в тексте.

Таким образом, было установлено, что модели, полученные по гомологии, нуждаются в серьёзной корректировке. Одним из факторов изменения селективности может служить то обстоятельство, что в полученных моделях боковые радикалы остатков аргинина, играющие предположительно ключевую Z, Z, роль в процессах миграции ионов, не обращены внутрь канала. Указанные недостатки модели были устранены после изменения геометрии -спиралей на основе данных о трёхмерной структуре -спиралей вторых трансмембранных доменов глицинового рецептора (PDB: 1MOT). Радиус канала в узкой части был взят 2,1. На рис. 2а показаны графики движения ионов Cl- и Na+ в модели закрытого канала. Замедление иона Na+ происходит на уровне первого аргининового кольца; затем ион полностью останавливается в области канала с обращёнными внутрь боковыми радикалами остатков метионина. Ион хлора почти не чувствителен к присутствию первого аргининового кольца при больших силах. Заметным потенциальным барьером служит второе аргининовое кольцо. Для сравнения показана динамика прохождения иона Cl- при =1. Ион останавливается в области остатков метионина и треонина. Тот же эффект был обнаружен для ионов I-, Br-, F-, модельного иона Cl2-, K+, Li+, Cs+, Mg2+, Rb+. Следует заметить, что молекулы воды могут проходить через канал при действии на порядок меньших сил, что может говорить об электростатической природе ворот канала.

ArgNa+ =Met* Cl- =-ArgCl- =-0 200 400 600 800 1000 1200 а t, пс MDAAPAR2VGLGITTVLTM*TTQSSGSR1A б MDAA-ER2VGLGITTVLTM*TVQSSGSR1A Рис. 2 Миграция ионов Cl- и Na+ сквозь пору канала глицинового рецептора в модели открытого канала: показан общий вид рецептора, обозначены остатки Arg (первое - вверху и второе – внизу аргининовые кольца) и Met (а); выравнивание последовательностей ТМ2-домена глицинового рецептора дикого типа (верхняя последовательность) и рецептора с мутацией STM (б). Индексами 1, 2 и * обозначены первое, второе аргининовые и метиониновое кольцо соответственно.

Z, По гомологии с моделью закрытого канала была построена модель канала глицинового рецептора с мутацией STM (рис. 2б).

При моделировании открытого канала были проведены повороты -спиралей относительно их оси на 20о. Затем были проведены повороты спиралей друг относительно друга с образованием суперспирали. Радиальные смещения после поворота спиралей были сделаны таким образом, чтобы диаметр канала стал равным 5,2. Измерения радиуса канала проводились в программе HOLE. Структура TM2-спиралей были скорректирована на основании данных PDB: 1VRY. Эта запись содержит данные о структуре второго и третьего трансмембранных доменов 1-субъединицы глицинового рецептора человека. При построении модели рецептора были использованы только второй и третий трансмембранные домены, перед проведением расчётов третий трансмембранный домен был удалён. Из имеющихся в файле PDB:1VRY 20 моделей были выбраны первая и шестая модели, наиболее сильно отличающиеся ориентацией верхних и нижних частей спиралей. В качестве конечной была выбрана структура, основанная на первой модели из файла PDB:1VRY. Изучалось влияние различных факторов на динамику ионов.

На рис. 3 представлен график зависимости миграции иона Cl- вдоль оси канала при различных значениях диэлектрической проницаемости среды () под действием силы F=-5z. Кривая, соответствующая расчёту с =1 не показана, так как на приведённом интервале времён она совпадает с кривой, соответствующей =2. Видно заметное увеличение времени прохождения иона при переходе от =2 к =3, связанное с ослаблением электростатических взаимодействий между аргининовыми кольцами (z8 и 20 ) и ионом. Дальнейшее увеличение диэлектрической проницаемости среды приводит к сильному ослаблению (=4; 5) и полному исчезновению (=6) вклада электростатических взаимодействий в динамику иона. При =6 и выше скорость иона не изменяется при выходе из канала и движении в столкновительной среде. Похожую картину можно наблюдать при изменении силы, действующей на ион (рис. 3б-г), здесь =2.

На рис. 3в показан общий вид графика. Видно, что при силах, больших 5 ккал/(моль) (ток хлора направлен из внеклеточной области внутрь клетки) и меньших -6 ккал/(моль) (обратный ток) зависимость скорости иона от приложенной силы описывается прямой линией. В случае большой по модулю силы происходит быстрый отрыв гидратной оболочки иона. При силах около 5 ккал/(моль) по модулю ион становится нечувствительным к заряженным атомам внутри канала. Кривая зависимости скорости иона от силы не симмет рична относительно нуля. При силах, двигающих ион внутрь канала, наблюдается более резкое повышение скорости иона Cl-. Этот эффект связан с процессом отрыва гидратной оболочки иона. При уменьшении радиуса канала с 2,(рис. 3г, сплошная линия) до 2,3 (пунктирная линия) скорость Cl- уменьшается. В случае периодической силы (рис. 3б) время прохождения иона определяется начальным значением силы, частотой и амплитудой.

=0 3,5+1,5sin(2t/10) -10 -10 5+0,1sin(2t/50) 6 4 5+0,1sin(2t/10) -20 3 --0 50 100 150 0 200 400 600 800 1000 t, пс t, пс а б 3 0.0.0.0 r = 2,2,--0.--3 -0.-10 -5 0 5 10 -6 -4 -2 0 2 4 F, ккал/(моль) F, ккал/(моль) в г Рис. 3 Зависимость миграции иона Cl- от времени: а) при различных значениях диэлектрической проницаемости среды; б) при постоянной и периодической силах. Зависимость скорости движения иона Cl- от приложенной силы в каналах диаметра и 2,3:

в) для канала радиуса 2,6 показаны прямолинейные участки, г) подробная картина при малых силах: пунктирная линия – для канала 2,6, сплошная линия – для канала 2,3.

На рис. 4 представлены данные по коэффициентам диффузии ионов, рассчитанным при разных действующих на ион силах, диэлектрическая проницаемость среды для приведённых расчётов была взята равной двум. Коэффициент диффузии рассчитывался согласно уравнению Эйнштейна:

kT D = Z, Z, v, /пс v, /пс F Здесь – коэффициент трения: =, v где v – средняя скорость комплекса, F – действующая сила.

-x 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0. 1/F, (моль /ккал) Рис. 4 Зависимость коэффициентов диффузии ионов от величины, обратной действующим силам. Приведённые данные соответствуют расчётам гидратированных ионов с двумя вариантами зарядов атомов в молекулах воды гидратной оболочки (M – расчёта по Малликену, E – c помощью метода электростатического потенциала) в каналах радиусов 2,3 (r) и 2,6 (R): – BF4 (M,r); – Br- (M,r); – Br- (E,r); – Br- (E,R); – Cl- (M,r); –Cl- (E,R, обратный ток); –Cl- (E,r); –Cl- (E,R); –Cl(H2O)- (E,r);

Pages:     | 1 || 3 |






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