Диссертация (Молекулярно-механическая модель динамики микротрубочки)

ЦЕНТР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙФАРМАКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУКНа правах рукописиЗахаров Павел НиколаевичМОЛЕКУЛЯРНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИМИКРОТРУБОЧКИСпециальность 03.01.02. – БиофизикаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д.б.н., профессор Ф.И. АтауллахановМосква – 20162ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................... 5ГЛАВА 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................. 111.1Общие сведения о микротрубочках .................................................................... 111.2Строение и свойства микротрубочек ..................................................................

121.2.1Cтруктура микротрубочек. ........................................................................... 121.2.2Динамическая нестабильность ..................................................................... 151.2.3Феномен «старения» микротрубочек .......................................................... 171.2.4Размер слоя ГТФ-димеров на конце микротрубочки ................................. 211.2.5Структурные данные .....................................................................................

261.3Математическое моделирование микротрубочки ............................................. 271.3.1Общие принципы моделирования микротрубочки .................................... 271.3.2Молекулярно-кинетические модели ............................................................ 291.3.3Кинетико-механические модели ..................................................................

351.3.4Механическиемодели.СтатическоемоделированиеиметодМетрополиса Монте-Карло................................................................................................ 38ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ........................................................................... 422.1Описание модели .................................................................................................. 422.1.1Типы взаимодействий в решетке микротрубочки ...................................... 422.1.2Продольные и поперечные взаимодействия ............................................... 4232.1.3Изгибные взаимодействия. ........................................................................... 442.1.4Нахождение полной энергии системы......................................................... 452.1.5Вычисление градиента энергии ...................................................................

452.2Алгоритм вычислений .......................................................................................... 462.2.1Метод броуновской динамики ..................................................................... 462.3Определение параметров модели ........................................................................ 512.4Обработка результатов вычислений ................................................................... 542.4.1Нахождение скоростей роста и разборки микротрубочки ........................ 542.4.2Нахождение времени катастрофы ................................................................ 542.4.3Переход от ускоренной к реалистичной константе гидролиза .................

552.5Численная характеристика конфигурации конца микротрубочки ................... 562.6Упрощенная модель эволюции микротрубочки ................................................ 59ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ................................................................................................. 603.1Сравнение результатов моделирования с имеющимися экспериментальнымиданными ……………………………………………………………………………………..603.2Феномен «старения» в модели ............................................................................

633.2.13.3Неэкспоненциальное распределение времен жизни микротрубочек ....... 63Существующие в литературе гипотезы, направленные на объяснение«старения» ...............................................................................................................................

673.3.1Модель накопления необратимых дефектов............................................... 673.3.2Отсутствие медленных изменений конформации конца микротрубочки 7043.4Влияние конфигурации конца микротрубочки на ее стабильность ................

743.4.1Метастабильное состояние микротрубочки в отсутствии ГТФ-колпачка743.4.2Влияние искривленных олигомеров на переход к катастрофе ................. 783.4.3Связь между процессом «старения» и накоплением искривленныхпротофиламентов ................................................................................................................ 81ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ................................................................... 854.1Броуновская динамика в моделировании микротрубочки ...............................

854.2Катастрофы как результат флуктуаций в состоянии конца микротрубочки .. 864.3В основе механизма катастрофы лежат короткоживущие обратимыемолекулярные события на конце микротрубочки ............................................................... 88ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................................. 93ВЫВОДЫ............................................................................................................................ 94БЛАГОДАРНОСТИ ...........................................................................................................

95СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ..................................... 95СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................................. 965ВВЕДЕНИЕМикротрубочки играют важную роль в клеточных процессах. Они участвуют вобразовании цитоскелета, поддержании формы клетки, в клеточном движении,разделении и перемещении хромосом в процессе митотического деления клетки.Микротрубочки обладают свойством динамической нестабильности – способностьюспонтанно переключаться между фазами медленного роста и быстрого укорочения.Переход от роста к разборке называется «катастрофой», а обратный переход от разборки кполимеризации – «спасением».

Микротрубочки и взаимодействующие с ними белкиобразуют митотическое веретено – устройство, которое во время клеточного деленияраспределяет удвоенный набор генетического материала пополам между двумя новымидочерними клетками. При этом динамическая нестабильность позволяет микротрубочкампостоянно расти и укорачиваться в веретене деления, таким образом эффективно обследуяпространство внутри клетки. В результате чего микротрубочки находят хромосомы,прикрепляются к ним и таким образом обеспечивают функционирование этогосложнейшего механизма.С помощью математического моделирования были сделаны попытки исследоватьмеханизм переключения микротрубочек между ростом иукорочением.

Однакозначительный недостаток в таких исследованиях представляет отсутствие описания всегонабора свойств микротрубочек в рамках единой модели и одного набора параметров.Одним из таких свойств является увеличение вероятности катастроф с увеличениемвремени роста – так называемое «старение микротрубочки». Кроме того, до сих пор неясно какие молекулярные механизмы лежат в основе процесса катастроф.Цель и задачи исследованияЦель работы - создание молекулярно-динамической модели микротрубочки и анализ с еепомощью механизма катастрофы и процесса «старения» микротрубочки.Задачи исследования:1.Построить новую модель микротрубочки, основанную на молекулярномеханическомалгоритмеброуновскойдинамикиивключающую6присоединение ГТФ-димеров тубулина, гидролиз ГТФ, разрыв связей междусубъединицами под действием тепловых флуктуаций.2.Проверить возможность воспроизведения с помощью этой модели в рамкаходногонаборахарактеризующихпараметровосновныхмикротрубочку,экспериментальныхвключаяфеноменданных,«старения»микротрубочки.3.Предложить на молекулярном уровне объяснение механизмов возникновениякатастрофы и «старения» микротрубочки.Научная новизна1.

Была разработана принципиально новая молекулярно-механическая модельмикротрубочки, включающая присоединение субъединиц из раствора, гидролизГТФ, разрыв связей и диссоциацию субъединиц.2. Впервые описание взаимодействие субъединиц и разрыв связей в моделиопределяется решением уравнения броуновской динамики и происходит поддействиемтермодинамическихфлуктуацийинапряженийвстенкемикротрубочки. Это значит, что подобное рассмотрение динамики данногополимера впервые позволяет одновременно учесть всевозможное многообразиевозникающихконфигурацийнаконцерастущейиукорачивающейсямикротрубочки и силовые взаимодействия между субъединицами.3.