Использование комбинированных подходов математического моделирования для описания каталитического цикла F0F1-АТФсинтазы

• Автор: Машковцева, Елена Валерьевна
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Оглавление
Оглавление

Список сокращений

Введение

Научная новизна работы

Глава I. Описание особенностей структуры и молекулярных механизмов

каталитического цикла протонной АТФ-синтазы Р-типа

1.1. Преобразование энергии в живой клетке

1.2. Описание структуры Р0Р рАТФсинтазы (на примере фермента из Е.соИ)

1.2.1. Структура фактора Р1, катализирующего синтез и гидролиз АТФ

1.2.1.1. Строение каталитических участков а- и (3-субъединиц фактора Р]

1.2.1.2. Строение у-субъединицы из центральной ножки фактора Р[
1.2.1.3. Минорные субъединицы Р]
1.2.2. Структура фактора Рс
1.2.2.1. Структура сг-субъединицы
1.2.2.2. Структура 6-субъединицы
1.2.2.3. Структура с-субъединицы
1.3. Каталитический цикл Р0р1-АТФсинтазы
1.3.1. Гипотеза Бойера
1.3.2. Гидролиз АТФ
1.3.3. Вращение в процессе каталитического цикла
1.4. Особенности строения Р0РрАТФсинтазы митохондрий млекопитающих
1.5. Влияние различных химических соединений на активность Р0р1-АТФсинтазы.
1.6. Изменение активности Р0р1-АТФсинтазы при различных патологических
состояниях
1.7. Математическое описание каталитического цикла Р0р1-АТФсинтазы и анализ существующих моделей
Глава И. Количественная оценка времени переноса протонов через мембранные полуканалы Р0р1-АТФсиитазы
2.1. Определение вероятного расположения протонных полуканалов в Р0 факторе
Р0РрАТФсинтазы по данным литературы
2.2. Возможности оценки среднего времени перемещения протонов в пространстве
полуканалов с использованием квантово-механического подхода
2.3. Применение диффузионного подхода к описанию движения протонов по
полуканалам РоРрАТФсинтазы на примере внешнего полуканала
2.4. Математическое описание протонирования/депротонирования существенных
отрицательно заряженных аминокислотных остатков с-субъединиц Р0Р рАТФсинтазы в процессе ее каталитического цикла
Глава III. Описание вращения подвижных субъединиц Р0РгАТФсинтазы в процессе ее каталитического цикла с помощью уравнений классической механики
3.1. Постановка задачи и описание модели вращения ротора Р0РрАТФсинтазы
3.1.1. Физическая постановка задачи вращения подвижных белковых субъединиц
Б0Р рАТФсинтазы
3.1.2. Применение динамики вращательного движения для описания вращения
ротора Р0РрАТФсинтазы
3.2. Количественное описание динамики вращения ротора Р0РрАТФсинтазы с
учетом различных значений параметров модели
3.2.1. Применимость принципов классической механики для описания вращения
ротора Р0РрАТФсинтазы

3.2.2. Теоретическое решение уравнения динамики вращения ротора при отсутствии воздействия внешних сил
3.2.3. Влияние упругости центральной ножки на параметры вращения ротора F0Fi-АТФсинтазы
3.2.4. Влияние вязкости мембраны на вращение ротора FoFi-АТФсинтазы
Глава IV. Моделирование каталитического процесса FoFi-АТФсинтазы, происходящего на Р-субъединицах, с использованием методов Монте-Карло
4.1. Количественные оценки вероятностей состояний р-субъединиц фактора Fi в процессе каталитического цикла
4.2. Создание алгоритма для описания последовательности конформационных состояний каталитических Р-субъединиц фактора Fj
Г лава V. Компьютерное моделирование синтеза и гидролиза АТФ в митохондриях F0Fi-АТФсинтазами
5.1. Оценка параметров катализа с помощью компьютерной программы РASH по вероятностной схеме
5.2. Расчет синтеза/гидролиза АТФ в реальной системе на примере отдельных клеток и тканей
Заключение
Выводы
Литература

Список сокращений
DCCD - N, N'-дициклогексилкарбодиимид E.coli - Escherichia coli
OSCP - белок, обуславливающий чувствительность к олигомицину (от англ. oligomycin sensitivity conferring protein)
Pi - неорганический фосфат АДФ - аденозиндифосфат АТФ - аденозинтрифосфат ТМС - трансмембранная спираль
Принятые обозначения аминокислот
Ala - аланин
Arg — аргинин
Asn — аспарагин
Asp - аспартат
Cys - цистеин
Gin - глутамин
Glu - глутамат
Gly - глицин
Hys - гистидин
Не - изолейцин
Leu - лейцин
Lys - лизин
Met — метионин
Phe - фенилаланин
Pro - пролин
Ser - серии
Thr — треонин
Тгр - триптофан
Туг-тирозин
Val - валин

В условиях низкой концентрации АТФ и закрепленной актиновой филаменты полный оборот у-субъединицы состоял из трех шагов (по 120 градусов каждый), причем иногда наблюдалось реверсивное вращение [205]. В дальнейшем временная дискретность изменения угла вращения была подтверждена в экспериментах с использованием флуорофора и платиновых бусин, обладающих такими свойствами поверхности, которые обеспечивали хорошее скольжение комплекса при повороте в растворе [206]. Необходимо отметить, что неплавность поворота ротора АТФсинтазы не является следствием низкой концентрации субстрата, поскольку последовательные скачки в ходе вращения наблюдались и при концентрациях АТФ, превышающих Кт в 30 раз [206].
В дальнейшем, используя различные величины нагрузки при вращении центральной ножки, удалось показать, что каждый шаг разделен на подшаги по 90 и 30 градусов [206]. Позднее величины углов малых поворотов были уточнены и составили 80 и 40 градусов, соответственно [167]. Наиболее вероятно предположить, что подобная дискретность обусловлена связыванием АТФ и освобождением фосфата, причем более амплитудный поворот обусловлен именно связыванием нуклеотида, поскольку при уменьшении концентрации АТФ вращение приостанавливается на 80 градусах. Шаги по 120 градусов наблюдаются при более высокой концентрации АТФ [132]. Было показано, что у при вращении проходит четыре стадии: а) пауза для связывания АТФ, б) быстрый подшаг для вращения на 80 градусов, в) промежуточная пауза и г) быстрый поворот на 40 градусов. В промежуточную паузу происходит как минимум два каталитических события продолжительностью по 1 мс, причем одно из них представляет собой освобождение АТФ, поэтому ее можно назвать каталитической паузой [167].
Максимальная скорость актиновой филаменты, присоединенной к у-субъединице, составляет примерно 10 оборотов в секунду [138], т.е. медленнее, чем количество полных циклов в стационарном состоянии.