Исследование механических свойств белковых комплексов

• Автор: Кононова, Ольга Геннадиевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Оглавление
Введение

Актуальность темы исследования

Цели и задачи работы

Научная новизна

Теооретнческая и практическая значимость работы

Методология и методы исследования

Положения, выносимые на защиту

Соответствие специальности 05.13.

1 Обзор белковых ассамблей

1.1 Вирус Cowpea Chlorotic Mottle Virus
1.2 Микротрубочки
2 Обзор существующих вычислительных методов для описания механики биомолекул
2.1 Метод конечных элементов, метод нормальных мод, полпоатомпос моделирование молекулярной динамики
2.2 Упрощенные (крупнозернистые) модели
3 Крупнозернистая модель на основе нативной топологии
3.1 Наноиндентирование in silico: обоснование использования крупнозернистого моделирования для описания биомолекулярных ассамблей
3.2 Модель Саморганизующегося Полимера
3.3 Параметризация модели СОП.для капсида CCMV
3.4 Параметризация модели СОП для полимера МТ
3.5 Программный пакет SOP-GPU
4 Наноманипулирование in vitro и in silico
4.1 Динамическая силовая спектроскопия на одной частице
4.2 Метод наноиндентированпя in silico

5 Биомеханика капсида ССМУ
5.1 Силовое наноиидентироваиие т вШсо капсида ССМУ
5.2 Механические свойства ССМУ зависят от локальной симметрии
5.3 Термодинамические характеристики процесса индеитирования ССМУ .
5.4 Механическая реакция капсида в зависимости от геометрии приложенной силы
5.5 Динамика ССМУ в равновесии и вдали от равновесия
5.6 Основные выводы и обсуждение результатов исследоваЕшя биомеханики ССМУ
6 Биомеханика полимера МТ
6.1 Силовое наноиидентироваиие гп вгИсо полимера МТ
6.2 Структурные переходы в полимере МТ под воздействием внешнего механического напряжения
6.3 Механизм деформации и коллапса МТ
6.4 Термодинамика тубулиновых взаимодействий в полимере МТ
6.5 Определение жесткости при изгибе протофиламентон и полимера МТ .
6.6 Основные выводы и обсуждение результатов исследования биомеханики МТ
7 Аналитическая модель деформации биологической частицы
7.1 Обоснование разработки аналитической модели
7.2 Определение степеней свободы деформируемой частицы
7.3 Модель Флуктуирующих Нелинейных Пружин
7.4 Применение модели Флуктуирующих Нелинейных Пружин
7.5 Обсуждение полученных результатов
Заключение
Список литературы

Введение

Актуальность темы исследования
Большие белковые; супрамолскулярцые комплексы обладают уникальными спо-собостями самостоятельно собираться, разбираться, изменять свою форму и выполнять самостоятельное восстанавление под влиянием контролируемиого механизма. Эти особенности играют фундаментальную роль в биологии и детальное изучение таких биомолекулярных систем позволяет решить ряд прикладных задач в области биофизических наук.
Одним из наиболее ярких примеров комплексных биомолекулярных структур являются вирусы. Будучи повсеместно распространенными в природе, вирусы представляют собой биологические инфицирующие нанострукутуры, которые, во многих случаях, состоят лишь из нуклеиновой кислоты, упакованной внутри белковой оболочки — к апсида. В зависимости от специфики вируса, нуклеиновая кислота может быть ДНК или РНК в форме одной или двух спирален. Белковая оболочка, содержащая внутри себя нуклеиновую кислоту, может состоять всего лишь из небольшого количества белков, называемых капсидными белками, или же, как бывает в случае некоторых классов вирусов, внешняя часть оболочки может быть покрыта мембраной. Сами по себе вирусы не содержат метаболическоих механизмов, полностью полагаясь на инфицирования клетки “хозяина” и последующую деятельность его метаболических процессов. А это означает, что вся информация о функциях вируса, включая его репликацию и распространение, уже закодированна в небольшом геноме нуклеиновой кислоты вируса.
Главное отличие между животными и растительными вирусами заключается в их механизме; инфицирования. Животные вирусы обычно инфицируют клетки путем привлечения молекулярного распознавания клетки “хозяина”. Это происходит благодаря специальному распознавательному событию, включающему в себя выборочное взаимодействием поверхности клетки “хозяина” с белками вирусного капсида, гли-копротеинами или липидными компонентами. В отличие от животных растительные вирусы не имеют специального механизма инфицирования клетки “хозяина”, осно-

между прямым индеитироваиием н релаксацией при уменьшении прилагаемой силы [15, 18]. Последнее может быть использовано для моделирования повторяющихся циклов индентировапия и релаксации, чтобы исследовать процесс возникновения механической “усталости” и структурного коллапса в рассматриваемой биологической системе.
В т зШсо экспериментах по измерению динамической силы, кантилевер представляется виртуальным сферическим шариком, привязанным с помощью гармонической пружины к сферическому шарику радиуса 7Д!р, имитирующиему зонд кантилевера (Рис. 3). Взаимодействие зонда с биологической частицей описывается потенциалом Леппарда-Джонса:
производя, таким образом, индентирование внешней поверхности частицы. В Ур. 6 г* и гцр - координаты г-ого шарика ((Д,-атома) биологической частицы и центра зонда,
а суммирование выполняется по всем частицам, взаимодействующих с зондом или другим иидентирующим объектом.
Для зонда кантилевера (сфера на Рпс. 3), мы численно решаем следующее уравнение движения Ланжевена:
В Ур. 7 г%р - это начальное положение центра сферического зонда (:и; - это скорость движения базы кантилевера; к - жесткость пружины кантилевера), и коэффициент вязкости 77=7.0 х 10® пН пс/пм (£ = 500 - безразмерная константа вязкости для сферического зонда в воде). Чтобы сгенерировать динамику рассматриваемой биологической частицы, подверженной механическому воздействию, мы решаем Ур. 1 -5 для частицы (см. Раздел 3.2) и Ур. 6-7 для индентирующего объекта (сферического зонда).
Двигаясь с постоянной скоростью (г//), база кантилевера (виртуальная частица на Рпс. 3) через свой зонд создает линейно зависимую от времени силу ї(і)=/(і)п в на-

соответственно; £цр = 4.18 ккал/моль и оДр = 1.0 А— параметры взаимодействия,
%^ + к((г°р-иД)-г