Моделирование структуры и спектров красных флуоресцентных белков методами квантовой химии и молекулярной динамики

• Автор: Миронов, Владимир Андреевич
• Шифр специальности: 02.00.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Современные методы моделирования структуры и свойств белковых систем
1.1. Моделирование структуры белков
1.1.1. Метод молекулярной механики
1.1.2. Методы квантовой механики
1.1.3. Комбинированный метод квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ)
1.2. Методы исследования возбужденных электронных состояний
1.3. Классическая молекулярная динамика
2. Экспериментальные и теоретические исследования красных флуоресцентных белков а8РР595 и семейства тРгиИв
2.1. Структура и фотофизические свойства белка азРР
2.1.1. Общие сведения о фотопереюночаемых белках
2.1.2. Строение белка а8БР
2.1.3. Схема фотопереключения
2.1.4. Оптические свойства белка аэРР
2.1.5. Теоретические исследования белка азРР
2.2. Белки семейства тРгикв
3. Моделирование спектров белка а8РР
3.1. Анион и цвиттерион хромофора
3.1.1. Равновесные геометрические конфигурации
3.1.2. Спектры поглощения
3.2. Нейтральная форма хромофора
3.3. Колебательная структура спектров поглощения белка азБР
3.4. Флуоресценция активной формы белка азРР

4. Исследование процессов безызлучателыюй деактивации хромофора белка а8РР
4.1. Методика расчетов
4.2. Результаты
4.2.1. Влияние фотовозбуждения на электронную структуру хромофора
4.2.2. Изучение процесса релаксации транс-изомера хромофора на ППЭ состояния Б і
5. Влияние окружения на оптические свойства хромофора
5.1. Зависимость энергий электронных переходов от окружения хромофора
5.2. Влияние окружения на возбужденное состояние хромофора
6. Исследование влияния давления на белки семейства тРгийя
6.1. Методика расчетов
6.2. Результаты
6.2.1. Проверка модели
6.2.2. Зависимость структурных факторов от давления
6.2.3. Спектры поглощения белка т81гауЬегту
6.3. Заключение
7. Термическая изомеризация хромофора белка аяЕР595 и
его мутантов
7.1. Методика расчетов
7.2. Результаты
7.2.1. Анион хромофора в белках аяРР595 и КТР
7.2.2. Нейтральная форма хромофора в белке азРР
Выводы
Список литературы
Список сокращений

Введение
Флуоресцентные белки находят широкое применение в современной биотехнологии в качестве маркеров для исследования процессов в живой клетке. Общим структурным элементом флуоресцентных белков семейства зеленого флуоресцентного белка (ОБР) является хромофор, формирующийся на стадии посггрансляционной модификации белка. Именно молекуле хромофора флуоресцентные белки обязаны своими уникальными оптическими свойствами.
В последнее время активно исследуются красные флуоресцентные белки, полосы поглощения и флуоресценции которых лежат в области окна прозрачности (650-1300 нм) биологических тканей. С помощью красных флуоресцентных белков можно изучать намного более крупные объекты, чем при использовании СТР. Особенно интересным классом красных флуоресцентных белков являются фотоактивируемые белки, которые способны к изменению своих фотофизических свойств под воздействием излучения с определенной длиной волны. Причиной такого поведения являются фотохимические процессы, одним из которых является изомеризация молекулы хромофора на поверхности потенциальной энергии (ППЭ) возбужденного электронного состояния. Использование белка с подобными свойствами в качестве флуоресцентной метки способно значительно повысить разрешающую способность методов детектирования и предоставляет новые возможности исследования биологических систем. Такие белки также являются перспективным материалом для изготовления трехмерных носителей информации.
Понимание процессов, протекающих во флуоресцентных белках необходимо для создания новых вариантов фотопереключаемых белков с нужными свойствами и расширения границ их применения. Современные методы компьютерного моделирования предоставляют данные, существенно дополняющие экспериментальные результаты и позволяющие прогнозировать более эффективные бномаркеры.

погрешности методов расчета. Основной вклад в ошибку расчета методом ТОБРТ, по мнению авторов [71], вносит погрешность нахождения структуры в приближении 1ИП Значительная переоценка энергии электронного перехода при расчете в приближении СА88СР вызвана отсутствием учета эффекта динамической электронной корреляции.
В работе [72] тоже было приведено сравнение различных протонированных состояний модели хромофора в белке. Для получения равновесной геометрической конфигурации использовался КМ/ММ подход с использованием схемы ОМОМ, при этом квантовая часть описывалась методом 1ШР/3-2Ш*, механическая часть - полем ОРЬ8. Расчеты спектров поглощения были проведены с помощью метода ТОЕ)РТ (ВУР86/6-310*) и полуэмпирического метода 21МЮ. Полученные спектры качественно соответствуют результатам [71], однако рассчитанные величины значительно отличаются.
В работе [75] было проведено моделирования спектра поглощения хромофора белка азРР595 с помощью многокопфигурационной квазивырожденной теории возмущений. Использование подобного уровня теории позволяет произвести расчет энергии электронного перехода 80-81 с высокой точностью, что уже было показано ранее на примере белка вРР [60,76]. В этой работе были получены энергии первого электронного перехода для всех вариантов хромофора в газовой фазе. Согласно более ранним расчетам [70-72] с использованием приближения ТОБСТ, в наиболее длинноволновой области спектра должна поглощать цвиттерионная форма хромофора. При этом полоса поглощения анионной формы лишь незначительно смещена в сишою область относительно полосы поглощения цвитгериоиа. Применение многокопфигурационной теории возмущений показало, что анион хромофора обладает наименьшей энергией перехода 80-8[ среди всех протонированных форм. Распределение малликеновских частичных зарядов на атомах хромофора свидетельствует в пользу этого факта. В основном электронном состоянии аниона заряд в основном локализован на имидазольном фрагменте, в состоянии