Молекулярное моделирование и структурно-динамические особенности эукариотических катионных каналов

• Автор: Попинако, Анна Владимировна
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Оглавление

Список сокращений

Введение

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1.Концепция ионных каналов

1.1.1.Общее строение ионных каналов

1.1.2.Принципы наименования и классификации каналов

1.1.3. Эволюция ионных каналов

1.2.Тетрамерные потенциал-зависимые калиевые каналы: особенности строения и

функционирования

1.2.1. Структура и конформационные перестройки при активации ПЗ калиевых каналов

1.2.2. Каналы Kv2.1.Kv
1.3.Пентамерные лиганд-зависимые каналы: особенности строения и
функционирования
1.3.1. Структура и конформационные перестройки при активации пентамерных ЛЗ ионных каналов
1.3.2. Серотониновый 5-НТЗ рецептор
Глава II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Комплексный метод моделирования атомной структуры ионных каналов
2.1.1.Метод моделирования по гомологии
2.1.2. Фиттинг
2.2. Метод молекулярной динамики
2.2.1 .Физические основы метода МД
2.2.2 Валентные взаимодействия
2.2.3. Невалентные взаимодействия
2.2.4 Численное интегрирование
2.2.5 Поддержание постоянной температуры
2.2.6. Поддержание постоянного давления
2.2.7. Неравновесная молекулярная динамика
2.2.8. Понятие свободной энергии как потенциала средней силы. Метод Constraint force
2.3. Анализ закрытой и открытой структуры канала. Программа HOLE
ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Моделирование структуры пентамерных и тетрамерных ионных каналов в открытой и закрытой конформациях
3.1.1. Моделирование структуры пентамерных и тетрамерных ионных каналов в открытой и закрытой конформациях
3.1.2. Оптимизация моделирования
3.1.3. Сравнительный анализ моделей ионных каналов с различной симметрией
3.1.4. Особенности строения моделей каналов К
3.1.5. Особенности строения моделей 5-НТЗ рецептора
3.2. Структурные и динамические свойства тетрамерных ионных каналов в разных конформациях на примере канала Ку2
3.3. Структурные и динамические свойства пентамерного ионного канала в разных конформациях на примере 5-НТЗ рецептора
3.4. Структурно-динамические особенности селективности катионных каналов с различной симметрией
3.5. Потенциал средней силы для канала Ку2.1 и серотонинового 5-НТЗ рецептора: анализ энергетических барьеров
Заключение
Выводы
Список литературы
Приложение
Приложение

Список сокращений
а.о. - аминокислотный остаток МД - молекулярная динамика ММ - молекулярное моделирование
МДГФ - метод гибкого фиттинга с использованием молекулярной динамики ЛЗ - лиганд-зависимые ПЗ - потенциал-зависимые
ПОФХ - пальмитоилолеоилфосфатидилхолиновые липиды
СФ - селективный фильтр
УМД — управляемая молекулярная динамика
ТМ - трансмембранный
ЭМ - электронная микроскопия
ЯМР - ядерно-магнитный резонанс
АСЬВР - ацетилхолин связывающий белок (acetylcholine binding protein)
cNBD - домен, связывающий циклические нуклеотиды (cyclic nucleotide-binding domain)
СТА - С-концевой активацонный домен (С-terminal activation domain)
GABA - гамма аминомасляная кислота (aminobutyric acid)
ECD — внеклеточный домен (extracellular domain)
HGNC - Комитет Номенклатуры Генов Человека (The HUGO Gene Nomenclature Committee)
ICD — цитоплазматический домен
IUPHAR - Международный союз фундаментальной и клинической фармакологии (International Union of Basic and Clinical Phannacology)
Kv - потенциал-зависимые калиевые каналы (voltage-gated K+ channels)
LGIC - лиганд-зависимые ионные каналы (ligand-gated ion channel)
nAChR - никотиновый ацетилхолиновый рецептор (nicotinic acetylcholine receptor)
PD - поровый домен (pore domain)
RMSD - среднеквадратичное отклонение координат Са-атомов (root-mean-square deviation)
TMD - трансмембранный домен
VSD - потенциал-чувствительный домен (voltage sensing domain)
WT — дикий тип (wild type)

канала не превышает определенного размера (Beckstein et al., 2006). Гидрофобные ворота создают дссольватационный барьер для ионов. Гидрофобные ворота настолько узкие (радиус пор R < 4 А), что ион должен потерять несколько молекул воды гидратной оболочки, чтобы пройти гидрофобное сужение. Но потеря воды требует большого количества свободной энергии (свободная энергия сольватации для ионов калия составляет около -308 кДж/моль, а для ионов натрия -391 кДж/моль (Schmid et al., 2000)). Прохождение сольватированных ионов на данном участке канала энергетически невыгодно и блокируется, даже если геометрия позволяет проникнуть частично гидратированному иону или молекулам воды. Десольватационный барьер действует только тогда, когда гидратационная оболочка не может быть временно замещена к примеру, гидроксильными группами со стороны цепи белка, как это происходит в узкой части (R ~ 1,5Ä) селективного фильтра Kv каналов.
Позднее было показано участие гидрофильных а.о. в активации каналов. Согласно предложенному Jensen (Jensen et al., 2012) механизму "гидрофобной инактивации", при открытии капала пространство поры расширяется, что позволяет молекулам воды проникать в пору и стабилизировать структуру канала, взаимодействуя с гидрофильным канальным интерьером. Закрытие канала сопровождается сужением поры, что приводит к дегидратации порового пространства: гидрофобные ворота препятствуют прохождению гидратированных ионов и молекул воды. Данный механизм является универсальным для всех ионных каналов (Jensen et al., 2010).
1.3.2. Серотониповын 5-НТЗ рецептор
Серотониновый 5-НТЗ рецептор относится к группе пентамерных лиганд-зависимых ионных каналов, семейству цистеиновой петли (Schreiter et al., 2003), способных открываться или закрываться в ответ на присоединение мессенжера. Все представители данного семейства высокогомологичны (выше 20% идентичности). К этому семейству относятся также никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (nAChR), глициновый рецептор, GABAA рецептор и GABAC рецептор (Thompson, Lummis, 2007; Jansen et al., 2008; Connolly, Wafford, 2004; Reeves, Lummis, 2002). Предполагается, что 5-НТЗ рецептор эволюционно самый древний представитель семейства каналов цис-петли (Reeves et al., 2003). Возможно, этот рецептор является общим предком всего семейства лиганд-зависимых ионных каналов. К тому же он обладает способностью функционировать как гомо-олигомер, что позволяет использовать его в качестве модели для понимания функционирования рецепторов семейства цистеиновой-петли на молекулярном уровне (Reeves, Lummis, 2002).