Молекулярные механизмы конформационной стабильности белков при высоких температурах

• Автор: Петухов, Михаил Геннадьевич
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 242 с. : ил.

1.1 Методы моделирования гидратации белков

1.1.1 Модели, использующие полноатомное представление молекул

1.1.2 Модели гидратации на основе электростатических эффектов

1.1.3 Модели, основанные на расчете площади поверхности белка, доступной растворителю ПДР

1.1.4 Гидрофобные взаимодействия

1.1.5 Сравнительный анализ моделей гидратации

1.1.6 Методы расчета ПДР

1.2 Использование гермостабильных ферментов в биотехнологии

1.3 Молекулярные механизмы термостабильпости белков

1.3.1 Изменения в аминокислотном составе термофильных белков

1.3.2 Ионные пары

1.3.3 Водородные связи
1.3.4 Внутренняя стабильность альфаспиралей
1.3.5 Образование дисульфидных мостиков
1.3.6 Гидрофобные взаимодействия
1.3.7 Влияние кинетики сворачиванаия и разворачивания
1.3.8 Замены на остатки в петлях термофильных белков
1.3.9 Связывание с ионами металлов
1.3. Увеличение количества третичных взаимодействий
1.3. Посттрансляционные модификации
1.3. Активность термостабильных белков
1.3. Направленная эволюция
1.3. Вычислительные методы для рационального конструирования термостабильных белков
Г лава 2. Материалы и методы
2.1 Синтез пептидов
2.2 КД спектроскопия
2.3 Статистический анализ белкового банка данных
2.4 Вычисления, основанные на статистической физике
2.5 Молекулярное моделирование
Глава 3. Молекулярные механизмы гидратации белков
3.1 ЖА новый метод расчета доступной растворителю поверхности
макромолекул
3.1.1 Алгоритм ЖА
3.1.2 Аналитические выражения для расчета производных
площади Г1ДР но координатам атомов
3.1.3 Оценка точности расчета ПДР молекулярных объектов
различной химической структуры с помощью алгоритма Ж А
3.1.4 Оценка вычислительная эффективности метода ЖА
3.2 Зависимость свободной энергии водородных связей между белком и
молекулами воды от ПДР полярных и заряженных групп белка
3.2.1 Случаи, где атомы белка выступают в роли акцептора
водородной связи
3.2.2 Случаи, где атомы белка выступают в роли донора
водородной связи
3.2.3 Образование водородных связей 8Н и БСНЗ группами белка
3.2.4 Вклад водородных связей в энергию гидратации
3.3 Влияние водных мостиков на конформациоинуга стабильность белка
3.3.1 Расчет положения всех возможных водных мостиков
в пептидах и глобулярных белках
3.3.2 Свободная энергия образования водных мостиков в белках
3.3.3 Исследование стабильности водных мостиков в белках
с помощью МД
3.3.4 Водные мостики в глобулярных белках
3.4 Приближенный метод расчета энергии электростатической
поляризации растворителя
3.5 Энергетические составляющие, пропорциональные ПДР
3.6 Влияние гидратации на свободную энергию сворачивания
глобулярных белков
Глава 4. Факторы, влияющие на конформационную стабильность альфаспиралей
белков
4.1 Позиционная зависимость СТ аминокислот в альфаспиралях
4.1.1 Консгруирование пептидов на основе поли
4.1.2 Анализ спектров КД аспиральных пептидов
4.1.3 Определение СТ аминокислот с помощью модели I
4.1.4 Энергетические вклады в СТ аминокислот
4.1.5 Позиционная зависимость СТ и данные белковой базы данных
4.1.6 Значение позиционной зависимости СТ для стабильности альфаспиральных конформаций в белках
4.1.7 Заключение
Глава 5. Влияние стабильности альфаспиралей на термостабильность белков.
5.1 Стабильность схспиралей белков есА термофильных бактерий
5.2 Оптимальная жесткость белковой структуры три класса стабильности семейства белков КесА эубактерий
5.3 Заключение
Глава 6. Конструирование стабильных альфаспиралей белков с помощью глобальной оптимизации их аминокислотных последовательностей
6.1 Интерполяция энергетических парамет ров модели и глобальная оптимизация аминокислотных последовательностей
6.2 Глобальная оптимизация аминокислотных последовательностей
коротких пептидов
6.3 Синтез и КДизмерения коформационной стабильности пептидов
с оптимальными аминокислотными последовательностями
6.4 Заключение
Глава 7. Рациональное конструирование термостабильных мутантов глюкоамилазы из гриба . i
7.1 Конструирование термостабильных форм глюкоамилазы и МД
7.2 Исследование активности мутантных форм глкжоамилазы при повышенной
Общие выводы
Благодарности
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Список нит руемой литературы
Введение


Непрерывная модель предполагает, что реакционное поле, создаваемое в диэлектрической среде в ответ на внесение в не заряда, линейно пропорционально этому заряду, в то время как в полноатомной модели реакционный ответ является нелинейным. При расчте iv внешнему диэлектрику присваивается значение е равное , а для v е1 Обе энергии рассчитываются при использовании одной и той же кубической рештки. Модели, основанные на расчете площади поверхности белка, доступной растворителю ПДР. Большой интерес к расчтам ПДР обусловлен найденной экспериментально примерной пропорциональностью свободной энергии гидратации, и ПДР для многих небольших органических молекул 9. Действительно, водородные связи, вандерваальсовые взаимодействия и изменения конфигурационной энтропии молекул воды на поверхности белка являются короткодействующими взаимодействиями, поэтому их энергии, так или иначе, пропорциональны контактной поверхности между белком и растворителем. Эксперименты по переносу неполярных гидрофобных соединений, таких как линейные и разветвленные углеводороды, из неполярных растворителей в воду показали, что основной вклад в энергию переноса ДО г характеризующую энергию гидратации, вносит первый слой молекул воды, находящийся в непосредственном контакте с гидрофобным соединением . Физические взаимодействия между неполярной молекулой и молекулами воды из первого слоя можно достаточно точно аппроксимировать площадью поверхности, доступной растворителю для данной неполярной группы атомов. Эта поверхность представляет собой множество точек пространства, которые могут занимать центры молекул воды, находящиеся в прямом контакте с вандерваальсовой поверхностью белка рисунок. Рисунок 1. Двухмерная иллюстрация поверхности, доступной растворителю. Незакрашенные окружности представляют атомы рассматриваемой молекулы. Молекула воды представлена окружностью, закрашенной серым цветом. ГТДР обозначена пунктирной линией. При этом молекула воды обычно представляется сферой с радиусом 1. ЛПГ, Л ПДР го атома белка. Суммирование ведется по всем атомам белка. Принципиальным отличием здесь является выделение нескольких базисных типов атомов в структуре аминокислот, каждому из которых соответствует свой АПГ в зависимости от степени его гидрофобности. Неполярные атомы увеличивают свободную энергию системы при их переносе из неполярной внутренней части белка на его поверхность, где они контактируют с полярными молекулами воды и уменьшают их энтропию. Поэтому АПГ для них имеют положительный знак. Полярные атомы, наоборот, уменьшают свободную энергию системы, причм заряженные атомы снижают е в наибольшей степени. Таким образом, АПГ таких атомов имеют отрицательный знак, а значения ЛПГ у заряженных атомов больше по модулю, чем у полярных. Значения ДСг определяют экспериментально из опытов по переносу модельных химических соединений, имитирующих основную и боковые цепи аминокислот из вакуума пара в воду , . Зная экспериментальные значения ДОт и ПДР атомов модельных соединений, величины . ЛПГ для каждого типа атомов, входящих в состав аминокислот, обычно определяются с помощью подгонки параметров. А2, А суммарная ПДР молекулы. Процесе сворачивания белка в нативную структуру происходит в водной среде. Необходимо заметить, что в этом уравнении предполагается взаимная независимость внугрибелковых взаимодействий и взаимодействия белка с растворителем. Основой для такого приближения являются экспериментальные данные, свидетельствующие, что времена релаксации молекул растворителя отличаются от времени конфор. ДА обозначает изменение ПДР атома при переходе белка из разврнутого в сврнутое состояние, а, его АПГ. Если сврнутое состояние белка в процессе гидратации более предпочтительно с энергетической точки зрения, то АОхбудет иметь отрицательный знак, в противном случае положительный. Считается, что один из основных вкладов в энергию гидратации белков вносят гидрофобные взаимодействия, главным образом за счт изменения энгролии системы водабслок 2. Известно, что одна молекула воды может образовывать от одной до четырх водородных связей с соседними молекулами воды. При внесении неполярных углеводородов в воду наблюдается отрицательное изменение энтропии и суммарного объма.