Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов (1097885), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В первую очередь это относится к молекулярным структурам, присутствующим в отдельных клетках в незначительных количествах,как, например, в белковых ион-транспортных системах мембран. Тем более, когда изменение знака хиральности захватывает аминокислотные группы, укрытыев их гидрофильных ион-связывающих полостях. При этом принципиально важнов рамках единого численного эксперимента выполнить сравнение функций нормальных и хирально модифицированных молекулярных структур.Таким образом, представляется перспективным исследование структуры имеханизмов функционирования ионных каналов по следующим направлениям:1) Выбор и обоснование метода расчета энергетических профилей ионов вканалах, не требующего значительных затрат расчетного времени и выявляющего с хорошей точностью функциональные характеристики природных и модифицированных ионных каналов.2) Исследование функциональных характеристик природных ионных каналов, для которых известны их электрохимические характеристики.3) Построение хирально модифицированных1 модельных ионных каналов,исследование их структуры и функциональных характеристик.4) Исследование влияния неферментативной модификации остатков Asn иAsp в ионных каналах на их структуру и функциональные характеристики.Цель и задачи исследования.
Целью настоящего исследования являлось теоретическое исследование структурных и функциональных характеристик природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов синвариантной и измененной аминокислотной последовательностью.Для достижения цели исследования решались следующие задачи:1) Выбор и обоснование метода расчета энергетических профилей ионов вмембранных каналах, не требующего значительных затрат расчетного времени и1Под хирально модифицированными ионными каналами мы понимаем каналы, в которых проведена замена их L-аминокислот на соответствующие D-аминокислоты.предсказывающего с хорошей точностью функциональные характеристики каналов.2) Построение хирально модифицированных модельных каналов с первичной структурой, инвариантной природным каналам, исследование их структурных и функциональных характеристик.3) Разработка метода построения структуры хирально модифицированныхмодельных каналов с модифицированной первичной структурой и функциональными характеристиками, адекватными характеристикам природных каналов.4) Построение математической модели изменения содержания остатковiAsp и D-Asp в белках, а также оценка степени аккумуляции остатков iAsp в белках, время обновления которых больше времени образования остатков iAsp.5) Исследование влияния посттрансляционных неферментативных модификаций остатков Asn и Asp в ионных каналах на их структурные и функциональные характеристики.Объект и предмет исследования.
Объектом теоретического исследования являлись:1) ионные каналы клетки (потенциал-независимый калиевый канал KcsAиз Streptomyces lividans, потенциал-зависимый калиевый канал KvAP из Aeropyrum pernix, потенциал-зависимый калиевый канал Kv1.2 из Rattus norvegicus,комплекс α- и β-субъединицы калиевого канала из Homo sapiens);2) NR1-центр связывания NMDA-рецептора из Rattus norvegicus в комплексе с Gly, D-Ser и D-cSer;3) модельные D-аминокислотные каналы с модифицированной и инвариантной природной первичной структурой;4) модельные ионные каналы, содержащие остатки D-Asp и iAsp.Сведения о четвертичной структуре природных белков получены из Банкабелковых структур2. Выбор выше указанной группы каналов обусловлен тем,что для них существуют надежные экспериментальные данные по структуре ифункциональным характеристикам.Предметом исследования являлись механизмы функционирования природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов.2Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory, USAПредпосылки и направление исследования.
Экспериментальнообнаруженная и теоретически изучаемая модификация отдельных аминокислотных остатков каналов приведет не к ожидаемой инвариантности их третичнойструктуры, а к ее нарушению. Последнее обстоятельство является причиной изменения функциональных характеристик каналов. Для построения хирально модифицированных модельных каналов с природной функциональностью необходима модификация их первичной структуры.
Появление остатков D-Asp и iAsp вионных каналах, обусловленное старением организма или его патологическимсостоянием, повлечет изменение их функциональных характеристик и в определенных случаях нарушение механизмов их функционирования.Научная новизна и значимость полученных результатов. Врезультате исследований впервые:1) Теоретически обоснован и применен для расчета энергетических профилей ионов в каналах комбинированный квантово-классический метод. Установлено расстояние, характеризующее разделение аминокислотных остатковионных каналов на ближние и дальние.2) Установлено, что использование полученных комбинированных энергетических профилей дает возможность вычислять функциональные характеристики каналов с хорошей точностью, что показано на примере ионной специфичности калиевых каналов клетки. Предложена и теоретически обоснована модельная структура ионного канала в виде комплекса α и β субъединиц, согласующаяся с экспериментально наблюдаемой структурой гомологичного потенциал-зависимого калиевого канала Kv 1.2.3) Построены хирально модифицированные модельные каналы с инвариантной природной аминокислотной последовательностью, которые являютсяэнергетически менее стабильными, чем их природные антиподы с нарушеннымифункциональными характеристиками.4) Предложен метод, основанный на вариации первичной структуры иэнергетическом выравнивании третичных структур, позволяющий моделироватьатомную структуру хирально модифицированного модельного канала с природной функциональностью.
Построенные из 10 D-аминокислотных остатков каналы являются энергетически эквивалентными по полной механической энергиисоответствующим природным каналам и с аналогичными функциональными характеристиками.5) Построена математическая модель, описывающая изменение содержания остатков iAsp и D-Asp в белках, с помощью которой показано, что аккумуляция остатков iAsp – значимый процесс не только для очень медленно обновляющихся, но и для медленно обновляющихся белков, таких как ионные каналы.6) В численном эксперименте показано, что появление остатков iAsp в калиевых ионных каналах приводит к уменьшению их энергетической стабильности, незначительному увеличению ионных токов при сохранении их калиевойизбирательности.
Появление остатков D-Asp в NR1-центре связывания NMDAрецептора, обусловленное патофизиологическими процессами при хроническихзаболеваниях пожилого возраста, приводит к появлению дополнительных алифатических аминокислотных лигандов (D-Ala, D-Leu, D-Ile и D-Pro), что несвойственно для немодифицированного NR1-центра связывания.Методология и методы проведенного научного исследования.
В работе использовались как традиционные методы расчета энергетических профилей ионов (силовые поля молекулярной механики) и функциональных характеристик каналов (теория абсолютных скоростей реакций Эйринга),так и:1) адаптированный и теоретически обоснованный нами для расчета энергетических профилей ионов в поре канала комбинированный квантовоклассический метод;2) разработанный нами метод «энергетического выравнивания» третичныхструктур белков как метод построения хирально модифицированных модельныхканалов с измененной первичной структурой, структурно и функционально эквивалентных соответствующим природным каналам.Практическая значимость полученных результатов.
Разработанные подходы позволяют изучать функциональные характеристики ионныхканалов, моделировать атомные структуры хирально модифицированных модельных ионных каналов с функциональными характеристиками, свойственными природным каналам.Теоретически установленные изменения в работе каналов, обусловленныеin vivo появлением в них остатков D-Asp и iAsp в результате старения организмаили при патологических состояниях, позволяют наметить пути поиска эффективных лекарственных препаратов, в качестве активных центров которых служатрецепторы ионных каналов.Учитывая, что значительное число заболеваний связано с «каналопатологиями» - нарушениями функционирования ионных каналов или связанных с ними рецепторов, полученные результаты и разработанные подходы могут бытьиспользованы при разработке стратегии и средств лечения этих заболеваний.Полученные результаты могут применяться при исследовании биологическогоотклика организмов на хиральные фармпрепараты и модификацию аминокислотных остатков каналов под воздействием антропогенных внешних факторовпри решении проблем хиральной безопасности биосферы.Полученные результаты расширяют представления о физических механизмах происхождения хиральной асимметрии биосферы, функционированияионных каналов и могут быть использованы в курсах лекций по биофизике, биохимии и физиологии в университетах и вузах медико-биологического профиля.Основные положения диссертации, выносимые на защиту.1) Теоретическое обоснование комбинированного квантово-классическогометода для расчета энергетических профилей, с помощью которого установлено,что в клетке с хирально модифицированными калиевыми каналами с природнойпервичной структурой будут нарушены многие биологические процессы, обусловленные функционированием калиевых ионных каналов.
Появление остатковiAsp в калий-избирательных каналах и остатков D-Asp в NR1-центре связыванияNMDA-рецептора, обусловленное посттрансляционными неферментативнымимодификациями аминокислотных остатков, приводит к нарушению структуры ифункциональных характеристик каналов.2) Разработанный и теоретически обоснованный нами метод энергетического выравнивания структур каналов, с помощью которого были построены Dаминокислотные модельные каналы с природными функциональными характеристиками и модифицированной аминокислотной последовательностью из 10 Dаминокислот: Gly, Ala, Ser, Cys, Asp, Asn, Lys, His, Phe, Pro.Личный вклад соискателя. Выбор и обоснование научной тематикиисследования, получение результатов, приведенных в диссертации, их анализ иинтерпретация, как и основные публикации, сделаны при решающем участиисоискателя.Апробация работы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
