Диссертация (Моделирование структуры липополисахаридов и их роли в процессе патологического свертывания крови)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВАБИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиГалочкина Татьяна ВладимировнаМоделирование структуры липополисахаридови их роли в процессе патологического свертывания крови03.01.02 — БиофизикаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор биологических наук,профессор, член-корреспондент РАН А. Б. РубинМосква, 2017ОглавлениеВведение51 Обзор литературы1213Система свертывания крови. .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131.1Распространение волны свертывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141.2Механизмы остановки роста тромба. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161.3Активация системы свертывания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171.4Пороговое поведение системы свертывания крови . . .

. . . . . . . . . .181.5Активация системы свертывания при сепсисе22. . . . . . . . . . . . . . .Клеточная стенка грамотрицательных бактерий: липополисахариды. . . . .25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262.1Структура ЛПС2.2Влияние структуры ЛПС на биологическую активность2.3Пространственная структура ЛПС: эксперимент и модели. . . . . . . .29. . .

. . . .322 Методы137Подготовка и проведение МД расчетов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371.1Создание молекулярных топологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371.2Расчеты1.3Протоколы МД расчетов1.4Обработка результатов расчетовab initio. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2Численное решение уравнений в частных производных3Метод Лере-Шаудера доказательства существований решений типа пульс4Интегрирование и оценка параметров для кинетической модели активации контактной системы. . . .

. . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Математическое моделирование режимов свертывания крови1Распространение волны тромбина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2384045474748515232341.1Математическая модель. . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .521.2Автоволновые решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .551.3Существование решений типа пульс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .631.4Неустойчивость решений типа пульс. . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .84Режим полной и частичной закупорки сосуда. . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1Математическая модель: химические реакции2.2Модель потока2.3Результаты численного моделирования2.4Роль скорости потока в формировании тромба2.5Теоретический анализ упрощенной модели2.6Заключения о результатах моделирования активации внешнего пути. . . .

. . . . . . . . . .86. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89. . . . . . . . . . . . . . . . . .90. . . . . . . . . . . . . .93. . . . . . . . . . . . . . . .94.98Активация контактного пути системы свертывания . . . . . . . . . . . . . . .

.993.1Математическая модель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1003.2Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1043.3Заключения о результатах моделирования активации контактного пути110МД моделирование структуры ЛПС, ЛПС-агрегатов и ЛПС-мембран185113Моделирование поведения свободного О-антигена в растворе. . . . . .

. . . .1151.1Конформационный анализ дисахаридных фрагментов. . . . . . . . . .1151.2Конформационная подвижности длинной цепи О-антигена1.3Роль остатка рамнозы в подвижности цепи О-антигена1.4. . . . . . .124. . . . . . . . .138Заключение о конформационой динамике цепи О-антигена в растворе .1392Валидация параметров липидного слоя. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .3Параметры полярных головок и центрального олигосахарида140. . . . . . . . .1433.1Корректировка парциальных зарядов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1443.2Корректировка параметров потенциалов двугранных углов . . . . . . .1484Модель молекулы ЛПС. . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1505Модели агрегатов ЛПС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1506Модели фрагмента внешней мембраны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1546.1Модели R-LPS бислоев. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1546.2Модели S-LPS мембран .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1566.3Общая структура мембран . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1566.4Влияние арабинозы на структуру мембраны162. . . . . . . . . . . . . . .4Заключение166Список литературы168Приложение1991Численное интегрирование модели из раздела 2 главы 3. . . . . . .

. . . . .1992Параметры расчетов в главе 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201ВведениеРазвитие системного воспалительного ответа (сепсиса) при инфекционном заражении является одной из наиболее распространенных причин смертности в больницах. По данным,полученным для пациентов, поступивших в отделения интенсивной терапии больниц США,общая смертность при развитии септической реакции составляет около 30 %, при том, чтодля более тяжелого синдрома септического шока это значение составляет 50 % [1,2]. Однимиз серьезнейших физиологических осложнений при сепсисе является синдром диссеминированного внутрисосудистого свертывания (ДВС-синдром), который характеризуется образованием тромбов по всему организму, ведущему к закупорке сосудов и отказу жизненноважных органов [2].Активация системы свертывания крови в ответ на заражение представляет собой защитный механизм, основная задача которого — иммобилизация патогена.

Диссеминированныйтромбоз является следствием выхода из-под контроля этой физиологической реакции, чтосвязано, прежде всего, с распространением чужеродных клеток по всему организму с токомкрови. Наиболее распространенным патогеном, вызывающим сепсис, являются грамотрицательные бактерии (∼ 60 % случаев заражения [3]).

Реакция организма на заражение грамотрицательной инфекцией связана, в первую очередь, с попаданием в кровь компонентовклеточной стенки бактерий — липополисахаридов (ЛПС), высвобождающихся при разрушении бактериальных клеток. ЛПС представляют собой крайне иммуногенные молекулы,способные активировать как врожденный, так и приобретенный иммунитет. Помимо активации иммунного ответа, ЛПС связываются со специальными клеточными рецепторами наповерхности моноцитов и нейтрофилов, актвивируя их, а также вызывают воспаление и апоптоз клеток эндотелия [2]. В результате, попадание ЛПС в кровяное русло ведет к активацииплазменного звена системы свертывания крови, что, в совокупности с обсуждаемой рольюЛПС в активации тромбоцитов [4,5], провоцирует образование тромбов [6].Основным событием, ведущим к образованию тромба при активации плазменного звенасистемы свертывания крови, является локальный переход плазмы в гелеобразное состояние56за счет образования нерастворимых волокон полимерного фибрина.

Образование фибрина изего предшественника фибриногена происходит в результате запуска каскада биохимическихреакций взаимной активации присутствующих в крови проферментов с образованием активных ферментов, который называется каскадом свертывания крови. Ключевым ферментомкаскада является тромбин, способный активировать фибриноген. За счет наличия положительных обратных связей в каскаде свертывания наработка тромбина в ответ на начальныйстимул происходит лавинообразно, обеспечивая быстрое формирование тромба вблизи активатора. Запуск реакций каскада свертывания при сепсисе происходит в ответ на два основныхтипа событий: появление в кровяном русле тканевого фактора (ТФ) при нарушении целостности эндотелия или активации моноцитов (внешний путь), и попадание в кровоток чужеродной поверхности бактерий или ЛПС (внутренний путь).

Взаимодействие ЛПС с клеткамикрови также дополнительно ведет к образованию прокоагулянтных микрочастиц, которыеспособны усиливать динамику образования тромбов [7].На сегодняшний день показано, что подавление развития спонтанного тромбообразования через ингибирование системы свертывания может снижать уровень воспалительногоответа и улучшать выживаемость при развитии сепсиса [2]. Влияние различных факторовна динамику образования тромбов активно изучается экспериментально с целью разработкирегулирующих ее препаратов. Несмотря на значительный прогресс в описании отдельныхкомпонентов системы свертывания, суммарный ответ этой сложной системы на точечныевозмущения часто оказывается невозможным предсказать, исходя из доступных экспериментальных наблюдений.

В связи с этим, на протяжении нескольких десятилетий ключевуюроль в исследовании процесса образования тромбов играет математическое и компьютерноемоделирование. Модели образования тромбов в различных условиях позволяют воспроизвести два основных свойства системы свертывания — пороговый ответ на возмущение и быстрый рост сгустка в случае активации каскада свертывания. Основополагающая гипотеза,объясняющая подобное поведение системы, была сформулирована в работе Атауллаханова иГурии в 1994 году [8]. Было предположено, что процесс нарастания концентрации тромбина впространстве, обеспечивающий рост тромба, имеет автоволновую природу.