Решеточные модели белков с усложненным механизмом укладки, их энергетические поверхности и кинетика укладки

• Автор: Пальянов, Андрей Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 93 с. : ил.

Глава 1. Укладка белка: актуальные проблемы и анализ предшествующих
исследований
1.1. Общие сведения
1.2. Современное состояние исследований
1.3. Парадокс Левинталя'
1.4. Парадигма энергетического ландшафта
1.5. Поверхность свободной энергии и модель энергетической воронки
1.6. Термодинамика и кинетика укладки системы с двумя состояниями
1.7. Ансамбль переходных состояний
1.8. Сворачивание белков через образование промежуточных состояний
1.9. Переходное состояние и ядро укладки
1.10. Представление белка при разных уровнях детализации
1.11. Компьютерное моделирование укладки белка
1.11.1. Молекулярная динамика
1.11.2. Метод Монте-Карло
1.12. Белки с усложненным механизмом укладки
1.12.1. Полимеры, содержащие узлы
1.12.2. Альтернативные стабильные состояния, прионовые белки и ошибки укладки22
Глава 2. Методика исследований
2.1. Решеточное представление белка
2.2. Энергетическая модель
2.3. Кодирование структуры белка, инвариантное сдвигам, поворотам и отражениям
2.4. Алгоритм Мстрополиса
2.5. Дизайн белков
2.6. Построение поверхности свободной энергии (ПСЭ)
2.7. Построение поверхности вероятности укладки
2.8. Идентификация бассейнов и переходных состояний
Глава 3. Белок, содержащий узел в составе нативной структуры
3.1. Методика
3.2. Результаты
3.3. Поверхности свободной энергии
3.4. Выводы
Глава 4. Белок с латентным состоянием
4.1. Поверхность свободной энергии
4.2. Поверхность вероятности укладки
4.3. Мутационный анализ
4.4. Определение бассейнов
4.5. Матрица переходов между бассейнами
4.6. Кинетическая модель
4.7. Выводы
Глава 5. Прионоподобный белок
5.1. Дизайн белка

5.2. Взгляд на укладку с точки зрения равновесного моделирования
5.2.1. Поверхности свободной энергии
5.3. Карты контактов
5.4. Вероятности укладки в нативное и латентное состояния
5.5. Результаты равновесного моделирования
5.6. Кинетическая модель
5.7. Распределения времени укладки
5.8. Влияние мутаций на укладку
5.9. Выводы
Глава 6. Влияние латентного состояния на процесс укладки в нативное
6.1. Методика
6.2. Результаты
6.3. Оценка в рамках теории переходного состояния
6.4. Детализация роли латентных контактов
6.5. Выводы
Глава 7. Гидродинамическое описание укладки белка
7.1. Методика
7.2. Поверхность свободной энергии
7.3. Потоки изображающих точек системы и линии тока
7.4. Результаты
7.5. Выводы
Основные результаты работы:
Литература

Актуальность работы. Белки представляют собой широкий класс биологических макромолекул, интерес к которым вызван как изучением процессов жизнедеятельности организмов и растений, так и большой практической важностью при решении задач, связанных с биотехнологией и медициной.
Диссертационная- работа посвящена исследованию укладки белка - актуальной-проблеме молекулярной биологии, привлекающей внимание специалистов из различных областей науки - биологии, физики, химии - более 4-х десятилетий. Укладка - сворачивание белковой цепи из развернутого состояния в нативную структуру, обладающую биологической активностью. Укладка происходит в живой клетке, но при всем разнообразии механизмов укладки, подчиняется общему принципу - нативная структура белка определяется его аминокислотной последовательностью (Анфинссн, 1973).
Хотя общие принципы уже достаточно хорошо известны (Финкельштейн, Птицын, 2002; Whitford, 2005), сценарии укладки конкретных белков варьируются в широких пределах: от простого процесса «ничего/все» до гораздо более сложного поведения, связанного с усложненной конформацией нативного состояния и/или наличием метастабильных промежуточных состояний (интермедиатов). В последние годы были обнаружены два новых класса белков: белки, содержащие узлы в составе нативной структуры (Taylor, 2000; Ahn et al., 2003; Vimau et al., 2006) и белки, обладающие помимо нативного конкурирующим латентным состоянием, в частности, прионы (Prusiner, 1996).
Диссертация посвящена исследованию укладки этих двух белков с помощью компьютерного моделирования. Поскольку современные компьютеры не позволяют решить данную задачу на атомном уровне разрешения, для моделирования используется простейшее приближение - белок представляется в виде последовательности мономеров, моделирующих аминокислоты, которые размещены в узлах кубической решетки, а взаимодействие между мономерами определяется конфигурацией нативного (и латентного) состояния с помощью модели Го (Go, 1983). Хотя такое приближение является весьма грубым, оно хорошо себя зарекомендовало для выявления общих закономерностей укладки белков в ходе многочисленных исследований за последние 20 лет (Dill, 1985; Sali et al., 1994; Onuchic et al., 1996; Gutin et al., 1998; Pande, Rokhsar, 1999; Borrero, Escobedo, 2006), и, по-существу, является единственно возможным приближением, которое позволяет получить статистически значимые результаты по кинетике укладки за разумное время моделирования.
Рис.5.3.
^ 2,6x10" ш
£ 2,4x10"

0 2,2x10“
2,0x10"
1,8x10"
0 -8-о:
1 1,6x10"
| 1.4x10"

0,65

0,66
—, 1—
0,67 0,68
температура
0,69
0,70
Среднее время укладки в нативное состояние в зависимости от температуры.