Отзыв д.ф.-м.н., в.н.с. Ермакова Ю.А. (Исследование топологии гидратных оболочек белков)

ОТЗЫВ официа~~ного оппонента Ермак~~а Ю. А. на диссертационную работу Рубцовой Екатерины Владимировны «Исследование топологии гидратных оболочек белконь, представленной на сОискание ученоЙ степени кандидата ФизикО-математических наук по специальности 03.01.02 — «Биофизика». Поведение молекул воды вблизи любого тела, как правило, согласовано со структурными особенностями его поверхности, тем более, если это поверхность водорастворимого белка, Более того, сама упаковка пептидных цепей некоторых белков, таких как коллагены, в значительной степени может зависеть От неоднорОдиого распределения ВОды В припОВерхиОстном слое.

Поиск структурного Со~~вет~твия ~а~их белков и организованны~ ими водных кластеров представляет собой интересную и Важную биофизическую зада~у, а и~~ен~и~~ое рафаи~~~ мет~д~в ~олекул~рной Ди~а~ики да~от хорощий с~иму~ ~а~~м исс~~дова~и~м, В Дисс~ртаци~нноЙ работе Рубцовой Екатерины Владимировны активно используются несколько вариантов этого метОда и Основное Внимание уделено именно водным кластерам, ОсноВные типы котор~~ были предсказан~ в предыдущи~ иссл~до~аниях В р~~~ах этого направления. Особенности сети водородных связей в свободном обьеме Воды и прибелковом гидратном слое, ~али~ие неоднородн~стеЙ и динами~Сека~ устоЙчивость ряда гетероциклических кластеров систематически исследованы автором Вблизи некоторых белков, различных по своей структуре.

Полу~~нные в ~~~~е результаты значительной мере развивают современные представления о механизме образования и основных ~арактеристиках прип~~ерхностны~ водных СТРУКТУР. Диссертация изло~ена В традиционном с~иле и ~одержи~ краткое введение, обзор литературы и четыре главы с анализом систем возрастающей сложи~с~~ и резюмирующими выводами, а также и*о говый перечень основных результатов и список источников из 94 наименований. В первой главе приведен достаточно подробный обзор основных методов компьютерного моделирования биосистем, таких как метод молекулярной динамики и метод Монте-Карло, перечислены основные параметры и силовые поля водных структур, которые обычно применяются при симуляции молекулярных систем с участием белков.

В главе рассмотрены кристаллограф ическая и параметрическая модели воды, вводится понятие топологии в отношении сетки водородных связей, Обзор литературы завершается постановкой задач данного исследования„ ор~~~тиро~~нн~х на ~с~~~ор~~~ий анализ структуры вод~родны~ с~~зеЙ молекул воды в области, вплотную прилегающей к белкам. Во второй главе анализируются методические аспекты описания динамики молекулярных структур, обоснован выбор алгоритмов численного впали~а и ~ц~н~и с~вбил~ности водных ~~ас~ер~~, Среди ~~огих возложи~~ вариантов водных структур, автор по не вполне понятиым причинам остановил свой выбор на пяти типах водного кластера.

Их структура моделировались в потенциале с нежесткими валентными связями ГЗС, а для численного интегрирования и минимизации энергии системы автором удачно выбран метод Рунге-Кутты 4-ого порядка точности, В соответствии с общим п~аном исследований в дан~ой булав~ ~ок~~~~о, что ~~дные к~ветер~, построенные в р~~~ах параметрической мод~~и, ~~о~обны ~ыдерживат~ тепловые ~о~ебани~, сохраняя структур~ водородных связеЙ. Используя геометрические критерии наличия водородных связей, автор впервые получил численные оценки их энергии для каждого типа кластеров. Интересно отметить, что процедура температурного скачка позволила автору обнаружить достаточно устоЙчивые колебани~ структуры и биение почти сферического Т-кластера. Следует отмети~ь, однако, что температура в этих расчетах задавалась скачком кинетических характеристик молекулярных с~~зеЙ в вакууме, т,е.

при полном от~утстви~ ржанов~сия системы с внешней средой. Тем не менее, полученных в этой главе сведений о стабильности параметрической структуры клас~ер~в до~~аточно, чтобы пос~авит~ и реша~ь задачу поиска таких структур уже в гидратных оболочках белков. 'Гопологические особенности связанной с белком воды автор подробно изучает в третьей главе.

Для описания сетки водородных связей воды испол~зуется граф, вершинами которого выбраны атомы кислорода. Как оказалось, особую роль в гидратной воде играют структуры гексациклов, среди кОторых наиболее интересными Оказываются специфические гексациклы, «твист-ванныи, предсказанные в известноЙ модели Ьульенкова Н.А. Отсюда следует один из наиболее значимых выводов работы о том, что абсолютное большинство молекул воды ~более 95%) вблизи белков при~~длежат по крайней мере одно~у циклу, с~с~о~щему из 6-ти м~~е~у~. Это в свою очередь существенно упрощает анализ различных геометрических характеристик и позволяет в дальнейшем рассматривать гидратные оболочки белков, как систему гексациклов. К сожалению, автор умалчивает зде~~ О присутствии аналогичн~~ структур ~дали От белка в объеме воды. В четвертой главе диссертации приведены результаты расчета статистических распределений валентных и торсионных углов в объем~ОЙ воде и в прибелковом гидратном слое.

При этом под «валентным» углом автор понимает угол между тремя атОмами кислорода соседних МОлекул воды, соединенных водородными связ~~и, Анализ гидратных кластеров проведен автором на основе белок-водных систем с использованием библиотечных молекулярных структур глобулярного белка ~убиквинтин) и двух фибриллярных коллагенов разноЙ данины. Обнару~ено достоверное различие в распределении этих углов в объемноЙ воде и прибелковом слое. С~гласно приведенн~м в этой ~лаве данным, это разли~и~ про~~ляется в появлении в гидратном слое белка характерного минимума распределения валентных углов вблизи 60-70 градусов, на удивление похожее для столь отличающихся по структуре белкОв.

Автор анализирует вклад в функцию распределения «Валентных» уГлОВ От тополОГически различных молекулярных кластеров, и приходит к выводу, что ~акси~а~~н~Й В~л~д в распределение Вносят водные структуры с тремя водородными связями. В пятой главе автор предлагает алгоритм расчета плотности и электростатического потенциала В зависимости от расстояния до белка, ~р~~одит Кр~~~рии ~с~ановк~ рабо~~ э~ого ал~~р~~~а при дости~ении удовлетворительного уровня точности. Выбранный автором метод количественного анализа молекулярной структуры комплекса белок-вода позволил ему показать, что плотность воды вблизи белка распределена с периоДичностью ОколО 3 А, СоответстВующей нескольким ГНДратным с.лоям.

В заключительиОм разделе диссертации сформулироВаны Основные результаты и выводы по итогам предыдущих глав. Подтверждение опубликованных основных результатов диссертации в научной печати. Основные результаты диссертации Опубликованы В научных изданиях и приведены В списке публикаций в автореферате ~9 научных работ, В том Ч~~~~ 3 статьи), из Которых два на~одя~с~ В р~~омендованно~ С~и~~С ВАК.

ОснОвные публикации доступны В анГлоязычнОЙ Версии и приведенные В них результаты Открыты для мировоГО сообщестВЭ, Автореферат диссертации адекватно Отражает Основные положения диссертации, Результаты работы были представлены на нескольких Вс~российс~и~ и межд~~ародн~х конфере~ц~ях, Диссертация написана хОрошим русским языком с минимальными опечатками и практически без использования обычного в таких работах профессионального слэнга, К форм~л~ным недостат~а~ работы Следуе~ отнести слабо аргументированный выбор объектов исследования - типов кластеров и белков.

По всей видимости, автор„увлекаясь решением инструментальных проблем, оставил без должного внимания стратегическую общенаучную ценность своей работы, которая, безусловно, присутствует, и могла бы прозвучать уже в формулировке цели исследования и В заключительных выводах. Нельзя назвать удачным также представление графических данных на болыпой сер~и однот~пн~~ рисун~о~ ~~~~то того, чтобы сравнивать кривые на одном графике.

Однако перечисленные замечания относятся только к редакторскому оформлению текста и не влияют на общее полож~~е~~ное впечатление о рабо~е, Из замечаний по существу можно отметить следующее," 1, Во всех расчетах использованы структуры в виде «капли», окруженной вакуумом. Непонятно, почему автор пренебрег возможностью решагь те же задачи в общепринятых для молекулярной динамики ~ериоди~ески~ системах. При б~~~~~м объеме ~оле~ул в ~~~оЙ ~а~л~ результаты могут оказаться близкими к «периодическим», но в этом следовало бы убедиться экспериментально.

2. Как справедливо отмечено автором в гла~~ 4, п~о~~~с~ь в гидратном слое белка должна быть выше, чем в объеме воды. Однако на рисунках 69-72 понижения плотности в распределении воды не наблюдается, Весьма вероятно, что этот факт обусловлен пр~ч~~ам~, указанными в ~редыдуше~ замечании. 3. Наиболее слабым разделом работы является расчет электрического потенциала.

Облает~ интегрирования уравнений Пуас~~на выбрана неправомерно узкой. Здесь более информативным и физически оправданным мог бы оказаться анализ распределения амплитуд и ориентации напряженности электрического поля, Чем не менее, перечисленные выше недостатки не влияют на главн~е результаты диссертации и не портят хорошее впечатление о работе.

Заключение. Работа Рубцовой Е.В. вы~ол~ена на ~ыс~~ом профессиональном уровне с использованием самых современных методов. По актуальности поставленных проблем, детальной разработке подхода к их решению, объему и новизне полученных результатов, а также по их фу~дам~нта~~н~Й ~ау~ной зн~~и~~с~~, дисс~р~аци~ Рубцо~оЙ Екатерины Владимировны «Исследование топологии гидратных оболочек белков», предстаВленная на соискание уче*ИОЙ степени кандидата физикоматематических наук по специальности 03.01.02 — «Биофизика», яаляется закОнченноЙ научнО-каалификационнОЙ работой, а ее аатор заслужиаает присуждения искомой ученой степени кандидата физико-математических Адрес: 119071, Москиа, Ленинский пр-т 31„ корп.

4 тел.: 8~495)952-55-82 е-пза11: уеппа1со~фе1С1зепз,ас.п~ .