Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования

Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования

Автор: Грудинин, Сергей Владимирович

Шифр специальности: 03.00.02

Научная степень: Кандидатская

Год защиты: 2005

Место защиты: Долгопрудный

Количество страниц: 131 с. ил.

Артикул: 2801191

Автор: Грудинин, Сергей Владимирович

Стоимость: 250 руб.

Оглавление
ф Введение.
Глава 1. Литературный обзор.
1.1 Функциональная роль белков ЬЛ и 8Л II.
1.2 Транспорт протона.
1.3 Структура бактериородопсина
1.3.1 Фотоцикл
1.3.1.1 К и Ь состояния
1.3.1.2 М1, М2 и МЫ состояния.
1.3.1.3 и О состояния.
1.4 Трансмембранные сигнальные белки
1.4.1 Структура ЫрБЛНЫрНЦН комплекса
1.5 Методы получения пространственной структуры белков
1.5.1 Электронная и рентгеновская кристаллография.
1.5.2 Нейтронная дифракция и неупругое рассеяние
1.5.3 ЯМР спектроскопия
1.5.4 Другие методы.
1.6 Динамика молекул воды в белках.
1.7 Методы компьютерного моделирования
1.8 Краткая формулировка целей и подходов диссертационного исследования Глава 2. Материалы и методы.
2.1 Силовые поля
2.1.1 Простая модель силового поля.
2.1.1.1 Типы атомов.
2.1.1.2 Растяжение связей.
2.1.1.3 Колебания углов.
2.1.1.4 Вращательные движения
2.1.1.5 Ложные вращения и движения вне плоскости
2.1.1.6 Непарные взаимодействия. Электростатика.
2.1.1.7 Точечные заряды.
2.1.1.8 Параметризация зарядов для больших систем.
2.1.1.9 Поляризация.
2.1.1. Взаимодействия вандерВаальса.
2.1.1. Водородные связи.
2.1.1. Силовые поля для объединенных атомов.
2.1.2 Модели воды.
2.1.3 Неявно заданные водное окружение и мембрана.
2.1.4 Производные для функции энергии в молекулярной механике.
2.2 Статистическая механика и термодинамика.
2.2.1 Статистические ансамбли в моделировании.
2.3 Вычисление термодинамических параметров системы.
2.3.1 Внутренняя энергия
2.3.2 Теплоемкость
2.3.3 Давление
2.3.3.1 Вывод выражения вириала реального газа
2.3.4 Температура.
2.3.5 Радиальная функция распределения
2.4 Уравнение ПуассонаБольцмана
2.4.1 Сеточное уравнение ПуассонаБольцмана.
2.4.2 Вычисление энергии сольватации и энергии связывания при помощи уравнения ПуассонаБольцмана
2.5 Алгоритмы минимизации структуры.
2.5.1 Метод быстрейшего спуска.
2.5.2 Метод сопряженных градиентов
2.6 Обзор метода МД.
2.6.1 Механика Ньютона и численное интегрирование.
2.6.2 Связи.
2.6.3 Статистические ансамбли в МД
2.6.4 Динамика при постоянной температуре.
2.6.4.1 Методы шкалирования температур. Термостат Берендсена
2.6.4.2 Термостат НозеХувера
2.6.4.3 Цепи термостатов НозеХувера
2.6.4.4 Нагревание системы на границе.
2.6.5 Динамика при постоянном давлении
2.6.5.1 Методы шкалирования давления. Алгоритм Берендсена.
2.6.5.2 Алгоритм Нозе.
2.6.6 Дальние взаимодействия
2.6.6.1 Метод суммирования Эвальда
2.6.7 Периодические условия на границе.
2.6.8 Равновесные характеристики системы
2.7 Подготовка системы для моделирования
2.7.1 Подготовка белка
2.7.2 Недостающие основания
2.7.3 Подготовка олигомеров.
2.7.4 Протонирование перезаряжаемых групп и мутации.
2.7.5 Солевые мостики.
2.7.6 Параметризация новых молекул
2.7.7 Учет воды внутри структуры
2.7.8 Граничные условия.
2.7.9 Подготовка мембраны
2.7. Подготовка водного окружения.
2.8 Анализ Нормальных Мод.
2.8.1 Вычисление Вфакторов.
2.8.2 Проекция нормальных мод.
2.8.3 Квазигармоническое приближение.
2.8.4 Переход между несколькими конформациями.
2.9 Анализ пространственной структуры белка
2.9.1 Лучшее наложение структур друг на друга.
2.9.2 Определение поверхности белка.
2.9.3 Вода внутри белка
2.9.3.1 Первый алгоритм.
2.9.3.2 Второй алгоритм
2.9.4 Анализ цепочек водородных связей
2.9.5 Анализ молекул воды.
2. Структуры.
Анализ и сравнение структур бактериородопсина
Анализ и сравнение структур сенсорного родопсина И .
Глава 3. МД исследование механизма транспорта протонов в Ы1.
3.1 Мономер.
3.1.1 Подготовка структуры
3.1.2 Молекулярная динамика и вычислительные атгоритмы
3.1.3 Стабильность структуры
3.1.4 Анализ данных.
3.2 Тример
3.2.1 Подготовка структуры
3.2.2 Молекулярная динамика и вычислительные алгоритмы.
3.2.3 Стабильность структуры
3.2.4 Анализ данных.
3.2.4.1 Динамика молекул воды
3.2.4.2 Распределение молекул воды
3.2.4.3 Цепи водородных связей.
3.3 Сравнение результатов мономертример и выводы.
3.3.1 Стабильность структуры
3.3.2 Количество, распределение и динамика внутренних молекул воды
3.3.3 Цепочки водородных связей
3.4 Новые данные, полученные при помощи использованных методов
3.5 Границы применимости используемых методов.
3.6 Перспективы развития метода.
Глава 4. Исследование комплекса .II сИрШг.
4.1 Энергия связывания .II с Шг в липидной мембране
4.1.1 Система дня моделирования.
4.1.2 Вычисление энергии связывания.
4.2 Вычисление нормальных мод для комплекса ИрБЯН с ШгН.
4.2.1 Система дтя моделирования
4.2.2 Вычисление нормальных мод
4.2.2.1 Движение конца спирали Нг.
4.2.2.2 Сравнение нормальных мод основного состояния с вектором смещения из основного в промежуточное состояние
4.3 Новые данные, полученные при помощи использованных методов
4.4 Границы применимости используемых методов.
4.5 Перспективы развития метода
Основные выводы работы
Библиографический список использованной литературы
Введение
Органические соединения, из которых построены все организмы, присущи лишь ф живой природе и в современных земных условиях являются продуктами только биологической активности. Эти соединения, называемые биомолекулами, играют роль строительных блоков при образовании биологических структур они были отобраны в ходе биологической эволюции благодаря пригодности к выполнению строго определенных функций в живых клетках. Во всех организмах эти соединения одинаковы и выполняют одни и те же функции. Для своей работы клетки должны уметь запасать и преобразовывать энергию. Основным переносчиком энергии в клетках являются молекулы АТФ, которые расщепляются до АДФ с выделением энергии. Синтез АТФ возможен при помощи мембранного белка АТФ синтетазы, который для своей работы использует электрохимический градиент на мембране. Этот градиент, в свою очередь, в некоторых бактериях создается мембранным белком бактериородопсином, который является простейшим биологическим преобразователем световой энергии в электрохимическую.
В процессе эволюции клетки научились реагировать на внешнюю среду. На внешней поверхности их мембран появились специфические распознающие участки, функции которых состоят в распознавании определенных молекулярных сигналов. Эти сигналы могут быть достаточно разными и иметь разную природу.
Так, в случае хемотаксиса, клетки чувствуют градиент химического вещества и реагируют на него, изменяя направление своего движения. В процессе фототаксиса клетки реагируют на изменение освещенности падающего света. В году был открыт новый рецептор фототаксиса, который оказался белком гомологичным бактериородопсину и получил название сенсорного родопсина. Этот белок улавливает квант падающего света и передает сигнал на связанный с ним двуспиральный трансмембранный белок, называемый трансдьюсером, который, в свою очередь, передает сигнал к бактериальным моторам.
Актуальность


Сенсорные родопсины I и И, однако, являются светопритягивающими рецепторами для оранжевого света I и светоотталкивающими для ультрафиолета I и зеленого света II, соответственно 2,3. Ковалентная связь между хромофором и основанием лизином через протонированное Шиффово основание, а также взаимодействия пакета связывания протона с близлежащими основаниями позволяют широко варьироваться максимуму спектра поглощения. Вызванная светом изомеризация хромофора запускает фотоцикл белков, что влечет за собой депротонирование Шиффового основания в и и конформационные изменения в структуре белка, которые очевидны если принять во внимание сильный гипсохроматический сдвиг в максимуме поглощения для депротонорованного промежуточного состояния называемого М в 2. В бактериородопсине репротонирование или вторичное протонирование Шиффового основания происходит из цитоплазматической области, противоположной к направлению транспорта протона, вызывая таким образом направленный транспорт протонов 4. Напротив, в сенсорных родопсинах репротонирование Шиффового основания происходит из внутриклеточной области, в которую переходит протон на ранних стадиях фотоцикла 3, и, таким образом, цикл переноса протона получается замкнутым внутри белка и неэлектрогенным. Следует однако отметить, что направленный не очень интенсивный по сравнению с бактериородопсином транспорт протонов возможен в II, когда он не связан с двуспиральным трансмембранным белком II 3,5. Функция последнего состоит в передаче сигнала к флагелярным моторам 6. В галородопсине Шиффово основание не депротонируется, что вполне согласуется с функцией этого белка по транспорту ионов хлора 7. Ионные насосы отличаются от фоторецепторов еще и кинетикой фотоцикла они завершают фотоцикл за время меньшее мс при комнатной температуре, выполняя эффективный перенос заряда через мембрану. Более того, долгоживущее сигнальное М состояние белка I зтз может поглощать второй фотон и вести себя в двухфотоноактивированном цикле как отталкивающий сенсор для ультрафиолетового света 8. Светочувствительные белки, т. Вопервых, такие белки могут быть активированы лазерной вспышкой, и поэтому можно добиться очень высокого временного разрешения в экспериментах связанных с динамическим изменением структуры. Вовторых, т. В третьих, изменение цвета этих белков часто является отличным индикатором структурных изменений в фотоактивном центре, и также может давать информацию о временах этих структурных изменений. В последнее время был сделан огромный рывок в понимании функционирования некоторых фоторецепторных белков. Они же могут служить важным объектом дня изучения общих механизмов функционирования белковых молекул и комплексов. Всевозможные фоторецепторные белки, описанные в литературе, могут быть разбиты на несколько семей. Наиболее разумный подход заключается в классификации белков согласно химической структуре их светопоглощающего хромофора. Также для классификации белков, содержащих производные флавина, используются результаты выравнивания их структур. Так, наиболее важные семьи это родопсины 2,, фитохромы , ксантопсины , криптохромы , фототрофины и белки . Первичные фотохимические процессы активации этих фоторецепторов изменяют конформацию их хромофора. Для первых трех семей это конформационное изменение трансцис изомеризация хромофора . Не так давно были открыты также и другие типы фотохимических процессов, например временное образование комплексов цисгеинила в Vдоменах фитотрофинов . Конфигурационные изменения в хромофоре инициируют образование сигнального состояния, обладающего достаточной стабильностью и временем жизни для передачи сигнала далее своим партнерам. Объяснение высокой скорости диффузии протонов в воде которая в два раза выше скорости диффузии самих молекул воды началось с идеи Гроттхуса о структурной диффузии ,. Последующие теории строились на том же предположении, включая в себя также некоторые дополнения, такие как температурные скачки ,, туннелирование протонов , и эффекты сольватации . Не так давно остались только две структурные модели которые можно встретить до сих пор транспорта протона в воде.

Рекомендуемые диссертации данного раздела

28.06.2016

+ 100 бесплатных диссертаций

Дорогие друзья, в раздел "Бесплатные диссертации" добавлено 100 новых диссертаций. Желаем новых научных ...

15.02.2015

Добавлено 41611 диссертаций РГБ

В каталог сайта http://new-disser.ru добавлено новые диссертации РГБ 2013-2014 года. Желаем новых научных ...


Все новости

Время генерации: 0.201, запросов: 145