Автореферат (Исследование топологии гидратных оболочек белков)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМ. М. В. ЛОМОНОСОВАНа правах рукописиРУБЦОВА ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНАИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ ГИДРАТНЫХОБОЛОЧЕК БЕЛКОВСпециальность 03.01.02 — биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква2015Работа выполнена на кафедре математики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.

В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорЛобышев Валентин ИвановичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудникЕрмаков Юрий Александрович,Федеральное государственное бюджетноеучреждение наукиИнститут физической химии иэлектрохимии им.

А.Н. Фрумкина РАНкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникМазо Михаил Абрамович,Федеральное государственное бюджетноеучреждение наукиИнститут химической физикиим. Н.Н. Семенова РАНВедущая организация:Институт молекулярной биологииим. В.А. Энгельгардта РАНЗащита диссертации состоится 17 декабря 2015 г. в ЦФА в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1,Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 2, физический факультет МГУС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и на сайте диссертационного совета http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-00211/Автореферат разосланУченый секретарьдиссертационного советакандидат технических наукоктября 2015 г.Сидорова Алла ЭдуардовнаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена исследованию топологии гидратных оболочек белков различных типов с использованием параметрической модели воды.Установлено наличие параметрических структур определённого типа вслое воды, прилегающем к белку. В работе рассмотрены статистическиераспределения внутренних параметров гидратных оболочек белков: «валентных» и торсионных углов, функции плотности и электростатическогопотенциала, проведено сравнение полученных статистических характеристик гидратных оболочек белков с соответствующими характеристикамиобъёмной воды.Актуальность темы.Процесс гидратации белков чаще всего рассматривается с энергетической точки зрения, но структуры с различными распределениями внутренних параметров («валентных» и торсионных углов, функции плотности и электростатического потенциала) могут не отличаться друг отдруга энергетически, а лишь иметь топологические различия.

Рассмотрение топологии структур гидратных оболочек белков важно для понимания свойств водного слоя, процесса гидратации, а также для пониманияпричин функциональных различий белков, в связи с чем тема работыявляется актуальной.Литературные данные о гидратации белков свидетельствуют о существовании водной оболочки, средняя плотность которой на 10% больше,чем в объёмной воде при аналогичных условиях [1]. Таким образом, наповерхности макромолекул появляется слой связанной воды, физическиесвойства которой существенно отличаются от свойств объёмной воды.В данной работе гидратная оболочка белка рассматривается не с точки зрения статистических закономерностей, а с точки зрения детерминированных координат (положения в пространстве и скоростей), основнойхарактеристикой при рассмотрении параметрических структур являютсяпаттерны связывания модулей.Цель исследования.Целью диссертационной работы является исследование существования3водных кластеров, построенных в рамках параметрической модели, с учётом тепловых колебаний, установление факта наличия параметрическихструктур в гидратных оболочках белков, сравнение структур гидратныхоболочек белков и объёмной воды, объяснение возможных причин существующих характерных особенностей разных систем.Предмет и объект исследования.Объектом исследования в диссертационной работе являются смоделированные биологические структуры.

Предмет исследования состоит в анализе различных структур, установлении характерных различий и объяснении найденных особенностей.В нашей работе для исследования были выбраны белки, по-разномувзаимодействующие с водой: белки коллагена и его фрагменты, определённые с различным разрешением (структуры взяты из PDB-банка).Результаты, полученные для структурных белков, коллагенов, сравнивались с аналогичным характеристиками для небольшого белка убиквитина.В работе проводилось изучение следующих структур:∙ 1CAG.pdb — тройная спираль коллагена, определённая с разрешением 1.9 Å, длина каждой цепочки — 30 аминокислот, количествомолекул растворителя — 10062∙ 1BKV.pdb — тройная спираль коллагена, определённая с разрешением 2 Å, длина каждой цепочки — 30 аминокислот, количество молекул растворителя — 7164∙ 1ITT.pdb — тройная спираль коллагена, определённая с разрешением 1.9 Å, длина каждой цепочки — 7 аминокислот, количество молекул растворителя — 2292∙ 1UBQ.pdb — белок убиквитин, определённый с разрешением 1.8 Å,количество молекул растворителя — 9630Убиквитин — один из самых распространённых белков в природе, синтез данного белка происходит во всех эукариотических клетках.

Одна из4форм убиквитина является маркером деградации белков, выполнившихсвою функцию. Однако система убиквитина вовлечена и в другие важныепроцессы в клетке, например, развитие, реакция на стресс и т.д.Структура и функции коллагена достаточно хорошо изучены. Экспериментальные данные дают нам представление об основных мотивах(паттернах) третичной структуры коллагена.

Вода играет важную рольв формировании структуры нативной конформации коллагена. С помощью различных экспериментальных техник (например, ЯМР и диэлектрической релаксации) было показано, что молекулы воды в структурахволокон коллагена менее подвижны, чем в объёмной воде [2]. Экспериментальные исследования подтверждают, что молекулы воды формируютцепочки водородных связей вокруг молекулы коллагена [3].Всё это дало основания для выбора коллагена в качестве основногообъекта исследования, и сравнения характеристик коллагенов с характеристиками убиквитина.Методы исследования.При выполнении диссертационного исследования использовались современные методы математического моделирования биосистем: применялись готовые программные пакеты (NAMD, SOLVATE, HyperChem, библиотека CGAL, Gromacs), а также были разработаны собственные библиотеки на языках Python, C++, Matlab с применением численных схемрешений уравнений движения высоких порядков.Научная новизна.При экспериментальном исследовании гидратации белков топологиясвязанной воды не подвергается подробному анализу, чаще всего доминирует представление о связанной воде как о структуре льда.

В теоретических исследованиях, как правило, анализируются парные взаимодействияближнего порядка, поэтому вопрос о топологии также не рассматривается. Определение топологии или характера связей молекул воды в гидратной оболочке — непростая задача для численного моделирования, а такжедля доказательства соответствия результатов моделирования и реальныхфизических свойств объектов.5В диссертации были разработаны новые подходы к исследованию структуры слоя воды вокруг белка: было показано, что гидратная оболочка может быть представлена как система гексациклов.

Данный факт позволяетупростить получение таких статистических характеристик водного прибелкового слоя, как функции распределений «валентных» и торсионныхуглов.Достоверность научных положений обусловлена получением статистически достоверных характеристик рассматриваемых структур и использованием апробированных научных методов.Практическая значимость работы.Для улучшения и упрощения качества обработки существующих экспериментальных данных, полученных для систем «белок + вода», необходимо использовать как можно более точную модель воды, учитывающуюособенности взаимодействия с белком. Таким образом понимание особенностей структуры гидратного слоя воды представляет собой практическизначимую задачу для определения белковой структуры с высокой точностью.Апробация результатов.Основные результаты работы докладывались автором на следующихроссийских и международных конференциях:∙ 9th Annual Conference on the Physics, Chemistry, and Biology of Water(Bulgaria, 2014)∙ 18-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология — наука XXI века» (Пущино, Россия, 2014)∙ XXI международная научная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых «Ломоносов-2014» (Москва, Россия, 2014)∙ XIII ежегодная международная молодежная конференция ИБХФ РАНВУЗы «Биохимическая физика» (Москва, Россия, 2013)∙ 8th Annual Conference on the Physics, Chemistry, and Biology of Water(Bulgaria, 2013)6∙ XX международная научная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых «Ломоносов-2013» (Москва, Россия, 2013)∙ XIX международная научная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых «Ломоносов-2012» (Москва, Россия, 2012)∙ 7th Annual Conference on the Physics, Chemistry and Biology of Water(USA, 2012)∙ IV Съезд биофизиков России (Нижний Новгород, Россия, 2012)Публикации.Полученные в диссертации результаты опубликованы в 9 работах, список которых приведен в конце автореферата.