Моделирование проводимости ионных каналов на основе методов молекулярной и броуновской динамики (1103919), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Как видно, конфигурация P2X4 канала, при которойни один заряженный или полярный аминокислотный остаток не повернут в18Таблица 1. Заряды и характерные размеры гидрофильной части различных фосфолипидов.Заряд, q V, Å3 <R>, Å+0.76Phosphatidylcholine (PC)286 ± 40−0.78+0.37Phosphatidylethanolamine (PE)205 ± 31−0.37ЛипидPhosphatidylserine (PS)−0.84247 ± 34Phosphatidylinositol (PI)−0.92261 ± 37Phosphatidylglycerol (PG)−0.93205 ± 30Cardiolipin (CL, DPG)−1.6391 ± 50Sphingomyelin (SPH)Lysophosphatidylcholine (LPC)+0.85−0.83+0.78−0.784230 ± 37286 ± 40область ионной поры («без фильтра», БФ) наилучшим образом (9.0 пСм) согласуется с экспериментальными данными («patch clamp» измерениями и PDBструктурой), тогда как наличие остатка аспарагиновой кислоты Asp357 увеличивает величину проводимости канала почти в два раза (16.3 пСм).
Согласноструктуре P2X7 канала, предсказанной моделированием по гомологии, селективный фильтр формируют только два остатка серина Ser339 и Ser342 , обращенных в область ионной поры. Однако, величина проводимости для данной конфигурации (14.3 пСм), полученным на основе нашей модели, будет значительноотличаться от экспериментальных данных (8.3 пСм), тогда как конфигурацияБФ находится в согласии с данными.
Отсюда мы делаем вывод о возможномотличии реальной пространственной организации P2X7 канала от предсказанной поворотом ТМ2 домена на угол в 15-25∘ по часовой стрелки, во избежаниеналичия остатков данных аминокислот в области ионной поры. МоделированиеP2X2 рецептора позволило объяснить его высокий уровень проводимости (32пСм) наличием остатка аспарагиновой кислоты Asp349 в области ионной поры.Поскольку атомистическая структура P2X2 и P2X7 рецепторов на настоя19Таблица 2. Величины проводимости ионных каналов P2X2 , P2X4 и P2X7 типа при различныхконфигурациях селективных фильтров.КаналПроводимость, G (пСм)9.0P2X4P2X7P2X2БФБФБФЭксп.Asp357 16.310.5±±±1.21.81.58.6Ser339 11.112.4±±0.91.71.514.1 Thr339 27.025.4±±1.52.1Ser342Ser34515.9 Ser339 14.3 Ser339 18.3±±Asp352±2.4±Ser342Asp3522.1Asp35230.2 Thr339 36.2 Thr339412.1±Asp349Ser3422.1±19.7 Ser339 24.61.9Ser345±2.7Asp3498.3±Ser342±±2.7Asp3522.80.639.2 Thr3394732±Ser345±Ser345±±2.4Asp3492.4Asp3492.82.0щий момент отсутствует, для проверки нашей гипотезы были использованы ихвольт-амперные характеристики.
Моделирование проводилось с шагом внешнего потенциала в 20 мВ в диапазоне −20 ÷ −120 мВ для P2X7 и −20 ÷ −100мВ для P2X2 канала при различных конфигурациях селективных фильтров.Параметры моделирования не менялись. Как видно (Рис. 2) наилучшим образом экспериментальные зависимости описывают состояния «без фильтра» дляP2X7 и Asp349 для P2X2 , что согласуется с нашими предположениями.Исследование избирательности (селективности) канала к отдельным ионампозволяет охарактеризовать его механизм проводимости. Для этих целей мыпровели моделирование P2X2 с Asp349 конфигурацией селективного фильтрапри внешнем потенциале в −120 мВ для случая различных электролитов одинаковой концентрации (120 мМ/л) в I и III компартментах: KCl, NaCl, LiCl,RbCl и CsCl. Полученные величины ионных токов и проводимости представлены в Таблице 3.Таблица 3.
Амплитуда тока I и проводимость G ионного канала P2X2 типа для различныхкатионовIon+ + + + +I, пА -3.52 -3.92 -4.52 -4.36 -4.38G, пСм 2933383637Как видно, величины проводимости данных ионов возрастают согласно коэффициентам их свободной диффузии: + ≈ + ≈ + > + > + . Этосвидетельствует о том, что ярко выраженной селективности к катионам у данного канала нет, а отношение уровней проводимости для отдельных катионовпозволяет говорить о диффузионном механизме ионного транспорта данного20без фильтраТок, пАМембранный потенциал, мВЭкспериментбез фильтраТок, пАМембранный потенциал, мВЭкспериментРис. 2. Вольт-амперные характеристики P2X2 (сверху) и P2X7 ионных каналов (снизу) дляразличных конфигураций селективных фильтров.канала.
Это косвенно подтверждается и достаточно большим (11 Å в диаметре)размером ионной поры.В заключении отметим, что все компьютерные эксперименты в даннойработе были проведены с использованием авторского программного пакета —интерактивной студии моделирования Patch Clamp Simulation, реализующейописываемую в данной работе методологию мезоскопического моделированияпроводимости ионных каналов (Рис. 3).Данная разработка не имеет аналогов среди существующего на данныймомент ПО для решения подобных задач. Высокая конкурентноспособностьданной программы на отечественном и зарубежном рынке ПО (как проприетарного, так и открытого) достигается за счет следующих преимуществ:∙ полная интерактивность — добавление компонентов системы может осу21ществляется прямо во время моделирования;∙ высокая производительность достигается благодаря использованию комбинированной методологии моделирования и реализации вычислительного ядра на графических видеокартах;∙ длительная эволюция системы — моделируемое время может достигатьнескольких миллисекунд;∙ масштабируемость системы позволяет с легкостью проводить моделирование системы из десятков различных ионных каналов;∙ возможность проводить «patch clamp» эксперименты без использованиядорогостоящего лабораторного оборудования;Рис.
3. Patch Clamp Simulation. Вид моделируемой системы: растворенные ионы во внутрии внеклеточных компартментах, фосфолипиды на внутренней стороне мембраны, желтымцветом выделена область ионный поры (молекулы воды не отображены).Подробные характеристики, возможности разработанного ПО, и используемые методологии рассмотрены в Главе 6.22Выводы∙ Разработана новая математическая модель, описывающая движение ионови нейромедиаторов в вязкой среде на основе комбинирования методов молекулярной и броуновской динамики. На ее основе разработана интерактивная студия моделирования, позволяющая получать характерные величины ионных токов и проводимости ионных каналов.∙ Показано, что асимптотические значения среднего квадрата скорости иперемещения броуновской частицы для разностных схем Эйлера и Хейназависят от размера шага.
Выявлена область применимости ( < 1)существующих на данный момент основных разностных схем численногоинтегрирования уравнения Ланжевена.∙ Показана необходимость учета зависимостей диэлектрической проницаемости и вязкости раствора от концентраций растворенных электролитовпри > 0.5 М/л и введения поправок к закону Стокса на диэлектрическое трение для частиц, радиусом < 1.5 Å.∙ Предложена новая разностная схема численного интегрирования уравнения Ланжевена в пространстве координат и скоростей с учетом скоррелированности стохастических приращений на каждом итерационном шаге,не имеющая ограничений на шаг интегрирования, с асимптотическимизначениями среднего квадрата скорости и перемещения, соответствующими точному решению.∙ Показано, что существующая пространственная структура P2X7 рецептора, полученная моделированием по гомологии, приводит к величинам проводимости, отличным от экспериментальных данных, что свидетельствуетоб отличии реальной пространственной организации P2X7 канала от предсказанной поворотом ТМ2 домена на угол в 15-25∘ по часовой стрелки, воизбежание наличия остатков Ser339 и Ser342 в области ионной поры.∙ Объяснено высокое (30.2 ± 2.0 pS) значение проводимости P2X2 каналаналичием Asp349 в области селективного фильтра, выявлена избирательность к катионам: + ≈ + ≈ + > + > + , свидетельствующая одиффузионном характере проводимости данного канала.23Список работ, опубликованных по теме диссертации1.
Turchenkov D. A., Bystrov V. S. Conductance Simulation of the Purinergic P2X2, P2X4,and P2X7 Ionic Channels Using a Combined Brownian Dynamics and Molecular DynamicsApproach // The Journal of Physical Chemistry B. 2014. Vol. 118, no. 31. P. 9119–9127.2. Турченков Д. А., Бороновский С. Е., Нарциссов Яр. Р. Моделирование диффузии ионов всинаптической щели с использованием стохастической модели Ланжевена в приближениидиэлектрического трения // Биофизика. 2013.
Т. 58, № 6. С. 1013–1021.3. Турченков Д. А., Турченков М. А. Aнализ упрощения разностных схем для уравненияЛанжевена, влияние учета корреляции приращений // Компьютерные исследования имоделирование. 2012. Т. 4, № 2. С. 325–338.4. Турченков Д. А., Быстров В. С. Экспериментальные и теоретические методы изученияионных каналов // Математическая биология и биоинформатика. 2014. Т. 9, № 1.С. 112–148.5.
Шайтан К. В., Шайтан А. К., Турченков Д. А. и др. Алгоритмы и методы исследованиятрехмерных атомистических моделей молекул белков на основе анализа картины рассеяния мощного рентгеновского лазерного излучения // Наноструктуры. Математическаяфизика и моделирование. 2013. Т. 9, № 2. С. 33–74.6. Turchenkov D. A. Determination of System Diffusion Coefficient // Journal of Nature Scienceand Sustainable Technology. 2013. Vol. 7, no. 4.
P. 327–333.7. Turchenkov D. A., Turchenkov M. A. Simulation of conductivity of ionic channel purinergicP2X2 receptor using combined Brownian and molecular dynamic approach // Computational and Theoretical Modeling of Biomolecular Interactions / Ed. by y Rubin A. B. et al.;Moscow-Izhevsk: Institute of Computer Science. 2013. P. 77–79.8. Turchenkov D. A. Determination diffusion coefficient of Brownian particles using velocity orforce autocorrelation function in molecular dynamic simulations // Quantitative Chemistry,Biochemistry and Biology. Steps Ahead / Ed. by y Gennady E.
Zaikov et al.; New-York:Nova Publishers. 2013. P. 271–277.9. Турченков Д. А., Быстров В. С., Турченков М. А. Анализ конфигурации селективного фильтра ионных каналов методами квантовой химии // Актуальные вопросы естественных наук: физика, химия, биология / Под ред. проф. Обухова А.Г.; Москва. 2014.С. 35–38.10. Турченков Д. А., Быстров В. С., Турченков М. А. Применение методов квантовой химиидля анализа молекул фосфолипидов в биологических мембранах // Актуальные вопросысовременных физико-математических наук / Под ред.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
