Расчёт ядер сворачивания в глобулярных белках

• Автор: Гарбузинский, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 96 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы
1.1. Открытие явления самоорганизации белка
1.2. Открытие одностадийного перехода («все или ничего») в кинетике
1.3. Экспериментальное изучение ядер сворачивания
1.4. Теоретические подходы к изучению самоорганизации белка
Глава 2. Описание модели
2.1. Условия моделирования: точка термодинамического равновесия
2.2. Сеть путей сворачивания/разворачивания
2.3. Оценка свободной энергии
2.4. Поиск переходных состояний на путях разворачивания белка
2.5. Анализ сети путей сворачивания/разворачивания белка при помощи метода динамического программирования: поиск оптимального переходного состояния
2.6. Анализ сети путей сворачивания/разворачивания белка при помощи метода динамического программирования: полный набор возможных переходных состояний31
# 2.7. Ограничения, присущие поиску переходных состояний методом динамического
программирования
2.8. Поиск переходных состояний методом Монте-Карло
Глава 3. Предсказание локализации ядер сворачивания и сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными
3.1. Вычисление величин Ф
3.2. Создание базы данных белков с экспериментально исследованной локализацией ядер сворачивания
3.3. Сравнение экспериментально полученных величин Ф с вычисленными при помощи метода динамического программирования
3.4. Предсказание ядер сворачивания в белках, для которых экспериментальных данных по ядрам сворачивания пока нет
3.5. Сравнение качества предсказаний ядер сворачивания при использовании метода динамического программирования и метода Монте-Карло
Глава 4. Сравнение контактов в структурах белков, расшифрованных методами рентгеноструктурного анализа и ЯМР
♦ 4.1. Создание базы данных
4.2. Контакты аминокислотных остатков в ЯМР и РСА структурах
4.3. Анализ водородных связей в РСА и ЯМР структурах
Глава 5. Расчёт скоростей сворачивания и сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными
5.1. Оценка скорости сворачивания белка по вычисленной свободной энергии переходного состояния
5.2. Вычисление скоростей сворачивания методом Монте-Карло
Заключение
Выводы
Список литературы

Выяснение механизма самоорганизации белковых молекул - одна из важных и по сей день не решенных проблем биофизики. Помимо своей фундаментальной значимости, понимание механизма сворачивания белка имеет огромное значение для решения многих практических задач, таких как разработка лекарств и создание искусственных белков с заданными свойствами. Нарушение правильного сворачивания белков in vivo, а также часто сопутствующий этому процесс агрегации во многих случаях приводят к заболеваниям.
Ключевым этапом процесса сворачивания белка является формирование ядра сворачивания. В процессе сворачивания (или разворачивания) белковая молекула преодолевает свободноэнергетический барьер. Максимально нестабильное состояние белковой цепи на пути ее сворачивания называют переходным состоянием. Ядро сворачивания представляет собой структурированную часть молекулы в переходном состоянии. Так как ядро сворачивания соответствует максимуму свободной энергии на пути сворачивания белка, то скорость образования ядра сворачивания определяет скорость всего процесса сворачивания белковой молекулы. Таким образом, знание ядер сворачивания позволяет:
1) определить скорость сворачивания белка;
2) найти пути его сворачивания;
3) выяснить, образование каких структурных элементов лимитирует скорость сворачивания белковой молекулы.
Из-за того, что ядро сворачивания белковой молекулы отвечает максимуму свободной энергии и потому крайне нестабильно, исследовать его в эксперименте непросто. В настоящее время существует единственный экспериментальный подход к поиску ядер сворачивания -Ф-анализ Фёршта [Matouschek et al., 1990]. Суть Ф анализа - введение в изучаемый белок точечных мутаций и выявлению тех аминокислотных
остатков, замена которых меняет стабильность переходного состояния белка столь же сильно, как и стабильность нативного состояния.
Поскольку этот экспериментальный подход к определению ядер сворачивания очень трудоемок, полезно уметь предсказывать ядра сворачивания теоретически. В данной работе для расчета ядер сворачивания используется «ландшафтная» теоретическая модель, созданная в нашей лаборатории [Galzitskaya and Finkelstein, 1999]. В рамках этой модели процессы сворачивания и разворачивания белка представляются в виде движения по сети путей сворачивания/разворачивания на свободноэнергетическом ландшафте. Поиск переходных состояний в такой сети в данной работе осуществляется методами динамического программирования и Монте-Карло.
Целью работы является развитие методов предсказания ядер и скоростей сворачивания белков. Задачи данной работы следующие:
1) определение потенциальных возможностей «ландшафтной» модели с точки зрения предсказания ядер и скоростей сворачивания;
2) сравнение результатов использования методов динамического программирования и Монте-Карло в рамках «ландшафтной» модели для предсказания ядер сворачивания и скоростей сворачивания белка.
Основываясь на «ландшафтной» модели, в данной работе мы определили ядра сворачивания в белках, для которых в настоящее время уже есть экспериментальные данные по ядрам сворачивания, чтобы сравнить теорию и эксперимент и таким образом выяснить возможности расчетов, основанных на «ландшафтной» модели. Кроме того, были сделаны предсказания локализации ядер сворачивания в нескольких белках, для которых экспериментальных данных по ядрам сворачивания пока еще нет, но они будут получены в ближайшее время.

Номер остатка в ТІ 127 домене титина
Номер остатка в БНЗ домене Бгс
Номер остатка в домене 1 виллина
= СНІ □ = □
Номер остатка в В1 домене белка Ь
сп о
Номер остатка в барстаре
Номер остатка в Р№п10 домене фибронектина
Рис. 3.2. Профили величин Ф для 17 исследованных белков. Светлые кружки, соединённые пунктирной линией - экспериментальные Ф; чёрные кружки, соединённые сплошной линией - теоретические Ф. Над графиками показано расположение элементов вторичной структуры (белые прямоугольники - а-спирали; серые - р-участки) в нативной структуре соответствующего белка. Для белка Ш А под профилем показано положение нескольких «оптимальных» ядер сворачивания.