Диссертация (1103763), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Например, частота обмена субъединиц наконце микротрубочки как в модели, так и в эксперименте, имеет характерный временноймасштаб порядка миллисекунды [103,44]. Тот же по порядку величины временноймасштаб соответствует времени разрыва связи между молекулами тубулина. Далее, хотявремя гидролиза молекулы ГТФ в тубулине порядка секунд, оно все еще значительнобыстрее, чем характерное время «старения» микротрубочки. Таким образом, врассматриваемой системе все процессы протекают с характерным временем на 2 и болеепорядков быстрее, чем происходит «старение». Таким образом, причина медленногоувеличения частоты катастроф со временем остается неясной.В данной работе было показано, что более сложные комплексные события, состоящие изэлементарных быстрых событий, могут иметь характерные времена, значительнопревышающие по длительности времена элементарных событий.
Это утверждениевыглядит интуитивно неочевидным и для того, чтобы его проиллюстрировать, быласоздана сильно упрощенная модель катастрофы микротрубочки.В более простой схематической модели микротрубочка может обратимо переходитьмежду N состояниями, где начало расчета соответствует состоянию 1 и катастрофапроисходит по достижении состояния с максимально возможным номером N (Рис. 45А,2.6 Упрощенная модель эволюции микротрубочки).90Рис.
45. Экспериментальное распределение времени жизни микротрубочек [44] и аппроксимациис помощью упрощенной кинетической схемы с 3 наборами параметров. Бесконечно большоевремя обратного перехода для N=3 состояний соответствует гипотезе о трех необратимыхдефектах (Рис. 8А). Для N > 3 наилучшая аппроксимация достигается когда отношение tb/tf лежитв диапазоне 1.0 -1.3, то есть при обратимых событиях, исчезающих почти так же часто, как онивозникают.Каждый переход от состояния n к состоянию n+1 добавляет некое свойство, котороедестабилизирует микротрубочку. Когда в данной схеме есть всего один возможныйпереход и N = 1, катастрофа является процессом, происходящим за один шаг или, другимисловами, одностадийным процессом, а распределение времен жизни микротрубочки имеетэкспоненциальное распределение.
Когда N = 3 и время обратного перехода бесконечнобольшое, данная схема дает результат, соответствующий предложенной ранее модели 3необратимых дефектов, «запоминаемых» в микротрубочке [48]. Распределение временжизни микротрубочки при этом имеет форму распределения с пиком и аппроксимируетэкспериментальное распределение (Рис.
45). Но подобная аппроксимация может бытьполучена и без условия необратимости событий и при различных N, при этом характерноевремя таких переходов будет сильно меньше характерного времени старения и будетубывать с увеличением N как ~1/N2 (Рис. 46).91А.Б.Рис.
46. А. Время перехода tf как функция полного количества состояний N в системе, прикотором аппроксимация простой моделью описывает экспериментальное распределение временижизни микротрубочек (см. Рис. 45А-Б). Черная кривая – аппроксимация функцией Y=A/N2. Б.Кинетика изменения заселенности отдельных состояний в процессе эволюции системы, начиная смомента времени t=0 и состояния n=0 для параметров N=13, tf = 12.5 с, tb = 20с.
Заселенностьсостояний n =8 – 12 медленно растет со временем.Таким образом, неэкспоненциальное распределение времен жизни микротрубочки можетбыть объяснено множественными быстрыми обратимыми переходами, происходящими наконце микротрубочки.
Хотя неочевидно как данные дестабилизирующие события можноописать в терминах единообразных простых переходов, но в рамках данной работы былопоказано, что частота образования в популяции растущих микротрубочек искривленныхпротофиламентов на конце полимеров возрастает с характерным временем, совпадающимс характерным временем увеличения частоты катастроф, то есть старением (Рис. 43).Итак,увеличениеколичестваискривленныхпротофиламентовпредшествовалокатастрофе, а кинетика частоты обнаружения в популяции микротрубочек полимеров с 10и более искривленными протофиламентами на конце имеет кинетику как у зависимостичастоты катастроф от времени.
Поэтому мы предполагаем, что молекулярную основупроцесса старения микротрубочки представляют связанные с образованием изогнутыхпротофиламентов короткоживущие обратимые изменения.В заключение, наши результаты демонстрируют важность влияния конфигураций,связанных с образованием искривленных протофиламентов на конце микротрубочки надинамику исследуемого биополимера.Это исследование должно помочь анализумеханизма действия различных белковых и низкомолекулярных веществ, которые влияют92на динамическое поведение микротрубочки.Согласно результатам данной работы, взаимодействующие с микротрубочкой белки,которые стабилизируют и увеличивают длину искривленных протофиламентов урастущих микротрубочек, должны способствовать возникновению катастрофы. При этомте воздействия, которые наоборот уменьшают время существованияолигомеров,должныуменьшатьвероятностьизогнутыхвозникновения катастрофы.Далее,увеличение частоты ГТФ-гидролиза и как следствие увеличение частоты появленияискривленных протофиламентов может иметь независимый дестабилизирующий эффект,как было предложено в недавнем исследовании [127].
Таким образом, дальнейшееразвитие молекулярно-динамических моделей микротрубочки будет способствоватьдетальному исследованию механизмов влияния низкомолекулярных соединений и белковна динамику микротрубочки.93ЗАКЛЮЧЕНИЕМолекулярный механизм переключения микротрубочки между фазами роста иукорочения остается одним из нерешенных вопросов. Было создано большое множествомоделей микротрубочки, но до сих пор все еще не удавалось численно воссоздать весьспектр экспериментальных наблюдений свойств микротрубочки. С помощью созданной вданной работе моделиудалосьописать основные экспериментальные свойствамикротрубочки в рамках одного набора параметров.Представленная модель является принципиально новой, так как она использует алгоритмброуновскоймикротрубочки,динамикичтодлявоспроизведенияпозволяетописатьдинамическойвсевозможныенестабильностиконфигурацииконцамикротрубочки, не ограничиваясь набором вероятностей переходов (как в кинетическихсхемах), и содержит в явном виде время (в отличие от псевдо-динамических моделей, какнапример алгоритм Монте-Карло).
Недостатком данного подхода является очень большиевременные затраты на вычисления. Но во многом эту проблему удалось решить спомощью технологии параллельных вычислений и использования суперкомпьютерногокомплекса МГУ им. М.В. Ломоносова.Полученные результаты демонстрируют важность влияния конфигураций, связанных собразованием искривленных протофиламентов на конце микротрубочки на динамикуисследуемого биополимера.Это исследование должно помочь анализу механизмадействия различных белковых и низкомолекулярных веществ, которые влияют надинамическое поведение микротрубочки.94ВЫВОДЫ1.С помощью созданной молекулярно-механической модели была воспроизведенадинамика микротрубочки, включающая присоединение ГТФ-димеров тубулина,гидролиз ГТФ, разрыв связей между субъединицами под действием тепловыхфлуктуаций.2.В данной модели в рамках одного набора параметров удалось описать основныеэкспериментальные свойства микротрубочки.
А именно, зависимости скоростейполимеризации, скоростей деполимеризации и частот катастроф от концентрациитубулина, увеличение частоты катастроф со временем («старение»), конфигурацииконцов микротрубочки в фазах роста и укорочения, время до начала катастрофыпри удалении растворимого тубулина.3.Было показано, что предложенная модель способна описать катастрофы и«старение», не включая в себя дополнительные предположения о необратимыхдефектах.4.Было показано, что обратимые молекулярные события на конце микротрубочки,такие как возникновение отгибающихся протофиламентов, могут объяснитьявление «старения».95БЛАГОДАРНОСТИЯ искренне благодарю своего научного руководителя доктора биологических наукпрофессора Фазоила Иноятовича Атауллаханова за глубокий вклад в мое образование и завсестороннюю помощь в работе, а также благодарю профессора Екатерину ЛеонидовнуГрищук из университета штата Пенсильвания, США.
Я хотел бы выразить огромнуюпризнательность Никите Борисовичу Гудимчуку, без непосредственного участия которогоэта работа была бы невозможна. Большое спасибо Владимиру КонстантиновичуАржанику за помощь в оформлении рисунков, Владимиру Алексеевичу Волкову закритическое чтение текста диссертации, Максиму Игоревичу Молодцову за помощь наначальной стадии исследования.СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙАТФ – аденозинтрифосфатГДФ – гуанозиндифосфатGMPCPP – (англ.: guanosine 5′-α,β-methylenetriphosphate) негидролизуемый аналог ГТФTIRF - (англ.: total internal reflection fluorescence) флуоресценция под углом полноговнутреннего отражения96СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ[1]Kline-Smith S.L. and Walczak C.E.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
