Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов

На правах рукописиДМИТРИЕВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧСТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИРОДНЫХ И ХИРАЛЬНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ МОДЕЛЬНЫХ ИОННЫХКАНАЛОВСпециальность 03.00.02 – биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре гуманитарных и естественнонаучных дисциплинФилиала Орловской региональной академии государственной службы в г. ЛипецкеНаучный консультант: доктор физико-математических наук,профессорТвердислов Всеволод АлександровичОфициальные доктор физико-математических наукоппоненты: Быстров Владимир Сергеевичдоктор физико-математических наукЕрмаков Юрий Александровичдоктор биологических наукЛопина Ольга ДмитриевнаВедущая организация: Институт биохимической физикиимени Н.М.

Эмануэля РАНЗащита состоится « 16 » апреля 2009 года в 1530 часов на заседании Совета позащите диссертаций Д 501.002.11 по физико-математическим наукам при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Ленинские горы, Москва, ГСП-1, 119991, МГУ, Физический факультет, кафедра биофизики, ауд. 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекеФизического факультета МГУ им. М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан « ___ » _________________ 2009 годаУченый секретарьДиссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукГ.Б. ХомутовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Перенос ионов через биологические мембраны является одним из наиболее важных процессов, происходящих в живых клетках. Обеспечивая общую термодинамическую неравновесность клетки, он играет основополагающую роль в таких важнейших физиологических процессах, какпреобразование энергии, поддержание постоянного химического состава внутренней среды, регуляция и рецепция, биологическая подвижность, распространение импульса и др.

Так как липидный бислой мембраны создает исключительно высокий энергетический барьер для прохождения ионов, то осуществлениеионного транспорта требует наличия специализированных макромолекулярныхструктур, которые могли бы существенно уменьшить этот энергетический барьер. Именно эту роль выполняют ионные насосы, ионные каналы, ионообменники, антибиотики. Среди различных ион-транспортных систем ионные каналы характеризуются относительно высокой скоростью транспорта в сочетании с высокой селективностью к транспортируемым ионам.Центральной проблемой в исследовании физических свойств ионных каналов является установление связи между их структурой и функциями. Появление экспериментальной информации по структуре ионных каналов стимулировало разработку различных теоретических подходов к исследованию механизмовпереноса ионов в каналах, основывающихся, прежде всего, на уравнениях молекулярной и броуновской динамики, теории абсолютных скоростей реакций Эйринга и теории диффузии Пуассона-Нернста-Планка.

Вместе с тем прогресс втеоретическом исследовании механизмов переноса ионов существенно затруднен из-за отсутствия единого подхода к оценке энергетических профилей ионовв канале, которые, в явном или неявном виде, включены во все вышеуказанныеуравнения. Следствием этого является физически неоднозначная калибровка параметров энергетических профилей и уравнений для расчета функциональныххарактеристик каналов, таких как проводимости, ионные токи, вольтамперныехарактеристики и отношения коэффициентов проницаемостей для различныхионов.Ионная асимметрия в содержании важнейших катионов во внутреннейсреде клеток относительно внешней среды, формируемая при участии ионныхнасосов и ионных каналов, непосредственным образом связана с другой фунда-ментальной асимметрией – хиральной асимметрией важнейших биомолекул вовсей биосфере, которая проявляется в построении нуклеиновых кислот из Dэнантиомеров (дезокси)рибозы, а синтезируемых в рибосомах белков – из Lэнантиомеров аминокислот.

Так существуют близкие значения свободной энергии, необходимой для формирования хирально чистых биополимеров и ионнойасимметрии клеток (Твердислов и Яковенко, 2003).Рассматривая общие структурные и функциональные особенности живойклетки, целесообразно выделить два аспекта нарушения зеркальной симметриибиомолекул. Во-первых, это эволюционно востребованная необходимость гомохиральности, во-вторых – эволюционно закрепившийся знак хиральности.Физико-химические и биологические основы гомохиральности биополимеров в последнее время изучены достаточно разносторонне (Аветисов, Гольданский, 1996; Чернавский, 2000; Твердислов, Яковенко, 1992, 2008). Так гомохиральность белков и нуклеиновых кислот определяет их стереоспецифичность– необходимое условие матричного синтеза, обусловливает стабильность ихструктур, обеспечивающих их функционирование. Для биохимических преобразований гомохиральных соединений требуется значительно меньший наборферментов, чем для таких же преобразований гетерохиральных соединений.

Основы механизмов сопряжения ионной и хиральной асимметрий рассмотрены вработах Твердислова, Яковенко, Дмитриева (1988 - 2008).Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области исследованиягомохиральности биополимеров, физико-химическое и биологическое основытого, что белки-ферменты и нуклеиновые кислоты имеют строго определенныйзнак хиральности, остаются недостаточно выясненными. Интерес к этой проблеме усиливается тем, что, согласно гипотезам спонтанной дерацемизации ирешающей роли глобального фактора преимущества (Гольданский и Кузьмин,1989), повторение всей совокупности событий, приведших к появлению хиральной чистоты, равновероятно способно привести к такой гипотетическойбиосфере, которая использовала бы D-аминокислоты и L-сахара.Следует отметить, что, помимо сахаров и аминокислот, другие хиральныекомпоненты клетки в определенных случаях могут встречаться как в одной, таки в другой изомерной форме.

В некоторых бактериях обнаружены L-сахара и Dаминокислоты. D-аминокислоты достаточно широко распространены в живойприроде и, более того, входят в состав ряда биологически значимых короткихолигопептидов. Встречаются бактерии, которые содержат D-глютаминовую кислоту и D-Ala в своих клеточных стенках, а в организме человека вырабатывается в качестве нейромедиатора D-Ser. Некоторые пептидные антибиотики, а также плазма крови высших организмов, имеют в своем составе D-аминокислоты.Некоторые термофилы используют высокие концентрации D-Ala в качестве осморегулятора.

В нервных клетках высших организмов находят D-Ala, D-Asp иD-Ser, иногда в значительных концентрациях. Поэтому в деталях биологическиймир не обнаруживает хиральной чистоты, но все, что относится к рибосомальному синтезу полипептидов, характеризуется абсолютной хиральной чистотой.Нарушение хиральной чистоты аминокислот в белках является следствиемих посттрансляционной модификации – неферментативной рацемизации и изомеризации аминокислот в белках. Причем из двадцати аминокислот, участвующих в рибосомальном синтезе, прежде всего Asp- и Asn-остатки в белках являются наиболее подверженными неферментативной модификации: рацемизации иизомеризации.

Если накопление остатков D-Asp в белках – достаточно долгийпроцесс, который является наиболее значимым для очень медленно обновляющихся белков и белков организма, вовлеченных в патофизиологические процессы при заболеваниях пожилого возраста, то появление остатков iAsp в белках –существенно для функционирования медленно обновляющихся белков даже внорме.Посттрансляционные неферментативные модификации аминокислот вбелках играют существенную роль в патогенезе болезней, характерных для людей пожилого возраста. Так установлено появление значительного содержанияостатков D-Asp в белках организмов с болезнью Альцгеймера, Паркинсона, атакже при склеротических изменениях в сердечно-сосудистой системе, при глазной катаракте и т.д. Некоторые исследователи рассматривают содержание остатков D-Asp в белках как патофизиологический фактор в патогенезе болезней пожилого возраста, таких как атеросклероз, эмфизема легкого, катаракта, дегенеративные заболевания хряща и возрастная дисфункция головного мозга и др.Исследование влияния посттрансляционных модификаций аминокислотных остатков белков на их структуру и механизмы функционирования остаётсямалоисследованным направлением в биофизике.

Прежде всего, это относится кбиологически активным соединениям стереоспецифичного действия, которыемогут оказывать как более, так и менее активное действие на белки организмов,подверженным возрастным изменениям.Отдавая должное значительным успехам экспериментальной молекулярной геронтологии последних лет, достигнутым в данном направлении, следуетотметить, что в ряде случаев функциональные нарушения, связанные с хиральными нарушениями, можно исследовать исключительно в модельных компьютерных экспериментах.