Диссертация (1102344)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТна правах рукописиТолстова Анна ПавловнаАНАЛИЗ ДАННЫХ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ СПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯСпециальность 03.01.02 - БиофизикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата физико-математических наукНаучные руководители:д. ф.-м. н., профессор Твердислов В.А.к.ф.-м.н.
Дубровин Е. В.Москва - 2015г.ОглавлениеВведение ............................................................................................................... 4Глава 1.Анализ состояния методов молекулярной динамики и атомно-силовой микроскопии в приложении к исследованию класса белков снеструктурированными участками ................................................................... 141.1 Компьютерное моделирование биомакромолекул методоммолекулярной динамики ................................................................................. 141.2 Стадии компьютерного моделирования биополимеров методоммолекулярной динамики.
................................................................................ 171.3 Некоторые ограничения и проблемы метода молекулярной динамики 251.4 Сканирующая зондовая микроскопия и ее возможности ....................... 281.4.1Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов ............ 291.4.2Атомно-силовая микроскопия.........................................................
321.4.3Особенности зондовой микроскопии белков ................................. 341.5 Существующие методы коррекции и уточнения изображений атомносиловой микроскопии биополимеров ............................................................ 37Глава 2.Разработка метода молекулярной динамики в приложении ксравнению данных с данными атомно-силовой микроскопии ..................... 422.1 Исследование качества локальной энергетической минимизации дляуточнения структур, полученных методом РСА ........................................... 422.1.1Методы .............................................................................................
432.1.2Результаты и обсуждение ................................................................ 492.1.3Выводы ............................................................................................. 542.2 Исследование проблемы предсказания структуры нерасшифрованныхчастей белка ..................................................................................................... 552.2.1Методы ............................................................................................. 5622.2.2Результаты и обсуждение ................................................................
612.2.3Выводы ............................................................................................. 662.3 Создание силовых полей для подложек .................................................. 662.3.1Строение и параметризация силовых полей в среде Gromacs....... 672.3.2Параметризация для графита. .........................................................
702.3.3Параметризация для молекулы GM. ............................................... 712.3.4Параметризация для подложек из оксида кремния........................ 742.3.5Результаты и обсуждение ................................................................ 77Глава 3.Исследование биологически важных конформаций классабелков, имеющих неструктурированные участки, методами МД и АСМ ...
793.1 Фибриллообразование σ70-субъединицы РНК полимеразы E.coli ......... 793.1.1Результаты и обсуждение ................................................................ 823.1.2Выводы .............................................................................................
893.2 Исследование адсорбции фибриногена на модифицированныеповерхности слюды и графита. ...................................................................... 893.2.1Материалы и методы ....................................................................... 923.2.2Результаты и обсуждение ................................................................
933.2.3Выводы ............................................................................................. 953.3 Исследование адсорбции лизоцима на поверхность слюды методамиАСМ и МД ....................................................................................................... 963.3.1Материалы и методы ....................................................................... 973.3.2Результаты и обсуждение. ............................................................. 1063.3.3Выводы ...........................................................................................
108Заключение ....................................................................................................... 109Благодарность................................................................................................... 112Список литературы .......................................................................................... 1133ВведениеВ настоящее время в связи с ростом производительности компьютероввозрослоколичествоэкспериментовпоизучениюконформационныхпреобразований белков in silico, дающих результаты, превосходящиеэкспериментальные.
Полноатомная молекулярная динамика (МД) – метод,позволяющийатомистическоймоделироватьточностью.структурныеОднако,онапревращенияограниченабелкаскачествомиколичеством белковых структур в банках данных. На сегодняшний день надолю структур белков, полученных методом рентгеноструктурного анализа(РСА), приходится 89.7% [1]. Разрешение этого метода составляет в среднем2,5 Å. Большинство исследуемых белков имеют подвижные области, которыене могут быть кристаллизованы, что приводит к появлению пропусков вструктуре.Моделированиетакихструктур,вкоторыхотсутствуютнекоторые аминокислоты, приводит к спорным результатам. В настоящеевремя ведется активная разработка теоретических методов, позволяющихпредсказывать структуру этих участков.Например, гомологическоемоделирование – весьма успешный метод предсказания, опирающийся насуществующую "шаблонную" структуру, сходную по аминокислотнойпоследовательности с моделируемым белком. Однако, получаемая в итогеструктура будет ближе к шаблону, чем к белку-цели.
В результатенесовершенства содержащихся в банках данных исходных структур белков,полученных методом РСА, возникает проблема верификации данныхмолекулярной динамики с помощью эксперимента.Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является на данный моментодним из наиболее адекватных методов изучения морфологии отдельныхбелков с субмолекулярным разрешением в условиях, приближенных кфизиологическим (в растворах). Она позволяет получать уникальные данныео структуре, свойствах и динамике различных белков и их комплексов.Однако как влияние подложки, так и недостижимость атомного разрешенияАСМнамягкихобъектах(какими4являютсябелки)затрудняютинтерпретацию результатов, и зачастую не позволяют определить структуруи ориентацию тех или иных белковых доменов на АСМ-изображении илилокализоватьобластивзаимодействиябелковыхмолекул.Дляосуществления такой интерпретации требуется научно обоснованныйподход, который бы учитывал взаимодействие белковых молекул междусобойисповерхностьюподложки.Применениедляэтихцелейполноатомной молекулярной динамики позволит не только выяснитьособенности взаимодействия белков in vitro в разных биологически важныхконформациях, но также и в условиях пространственных ограничений (наподложке) и развить подходы для совместного анализа данных АСМ и МД.Цель и задачи исследованияЦель работы - выяснить физические особенности взаимодействиякласса белков, имеющих неструктурированные участки, in vitro и в условияхпространственных ограничений (на подложке) с помощью атомно-силовоймикроскопии и полноатомной молекулярной динамики для развитияметодологии анализа данных (преодоление молекулярного разрешения, учётароли подложки) атомно-силовой микроскопии.Для этого были выбраны два белка, σ70-субъединица РНК-полимеразыEscherichia coli и фибриноген человека.
Оба белка обнаруживают склонностьк амилоидному фибриллообразованию в нативных условиях, которое былохорошо изучено в АСМ исследованиях. Оба белка имеют нерасшифрованныеучастки трехмерной структуры. Так у фибриногена отсутствует информацияоб αС-цепях, предполагаемых участках связывания между белками внутрифибриллы. В данной диссертации исследовался процесс адсорбции одноймолекулы фибриногена на различные по своим физическим свойствамповерхности методами АСМ и молекулярной динамики с последующимсравнением полученных результатов.У σ70-субъединицы РНК-полимеразы E.coli не расшифрованы дванебольших участка внутри белковой глобулы (с 1по 5, с 66 по 94 и с 155 по5211аминокислотноеоснование).Вданнойработеисследовалосьфибриллообразование σ70-субъединицы методами АСМ и компьютерногомоделированияметодоммолекулярнойдинамикиспоследующимсравнением результатов.Для выяснения возможности применять результаты компьютерногомоделирования к трактовке и повышению информативности данных АСМбыло проведено моделирование адсорбции молекулы белка лизоцима изкуриного белка, и сравнение полученных результатов с данными АСМ.Лизоцим хорошо изучен и не имеет нерасшифрованных участков.Были поставлены следующие научные задачи:1) Анализ состояния методов молекулярной динамики и атомносиловой микроскопии в приложении к исследованию классабелков с неструктурированными участками.2) Разработка метода молекулярной динамики в приложении ксравнению данных с данными атомно-силовой микроскопии3) Исследование биологически важных конформаций класса белков,имеющихнеструктурированныеучастки,методамимолекулярной динамики и атомно-силовой микроскопии1.Научная новизнаВпервые построена молекулярная модель фибриллы σ70-субъединицы РНК полимеразы E.coli.2.Впервыепостроенымоделиσ70-субъединицыРНКполимеразы E.coli с восстановленными участками структуры приразной ионной силе.3.ПостроенамодельсинтетическоймолекулыGraphiteModifier(GM).4.Впервые промоделирована адсорбция GM на поверхностьграфита.65.Впервыепостроенамодельслюды,покрытойгексаметилдисилозаном.6.Получена модель адсорбции лизоцима на поверхностьслюды.7.Предложенметодполучениятопологииповерхностиадсорбированного белка.Научная и практическая значимость работыРезультаты работы имеют как практическую, так и научнуюзначимость.
Результаты экспериментов, а именно выяснение характерныхмест связывания молекулформирующихструктурыσ70-субъединицы РНК полимеразы E.сoli ,типа«бусинананити»,которыезатемпредположительно сворачиваются в спираль, формирующую фибриллу,представляют ценность как для ученых, занимающихся исследованиемкомплекса бактериальной РНК полимеразы и выяснением свойств и функцийотдельных белков в этом комплексе, так и для ученых, решающих общую длямногих белков проблему возникновения амилоидных фибрилл.Данные об адсорбции фибриногена на различные поверхности хорошокоррелируют с данными АСМ-исследований и дополняют их, позволяясделать вывод о характере взаимодействия с подложками αС-цепей,подтверждая таким образом одну из двух теорий, разрабатываемых наданный момент ведущими учеными в этой области.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
