Автореферат (1103977)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИмени М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиМанькова Анна АлександровнаНИЗКОЧАСТОТНЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ МОЛЕКУЛБЕЛКОВ КАК ХАРАКТЕРИСТИКИ ИХ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙСпециальность` 03.01.02 – биофизика, 03.01.08 – биоинженерияАВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2017Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультетаМГУ имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководительЧикишев Андрей Юрьевичдокторфизико-математическихпрофессорМЛЦМГУнаук,имениМ.В.ЛомоносоваОфициальные оппоненты:Салецкий Александр Михайловичдокторфизико-математическихнаук,профессор физического факультета МГУимени М.В. ЛомоносоваПершин Сергей Михайловичдокторфизико-математическихглавныйнаучныйсотрудникнаук,научногоцентра волновых исследований ИОФ РАНДоленко Татьяна Альдефонсовнакандидатфизико-математическихнаук,старший научный сотрудник физическогофакультета МГУ имени М.В.
ЛомоносоваЗащита диссертации состоится 8 июня 2017г. в 15 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета МГУ.01.04 Московского государственного университета имениМ.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, д. 1, строение 2.E-mail: biophys.dissovet@physics.msu.ruС диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотеки МГУ имениМ.В.Ломоносова(Ломоносовскийпросп.,д.27)инасайтеИАС«ИСТИНА»:https://istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/28357490/Автореферат разослан «__» ________2017г.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат технических наукА.Э.СидороваОбщая характеристика работыРабота посвящена исследованию изменений терагерцовых и низкочастотныхинфракрасныхспектров,атакжеспектровкомбинационногорассеяниябелков,характеризующих функционально-значимые структурные изменения этих молекул.Актуальность темы исследованияВ современном развивающемся мире существует множество фундаментальных иприкладных задач, находящихся на стыке нескольких наук – физики, химии, биологии имедицины.
Эти задачи позволяют расширять границы познания различных жизненно важныхпроцессов, и направлены на улучшение качества жизни человека. Одной из таких задачявляется изучение биологических объектов – их свойств, функций и способов регулированияих работы. Важнейшими объектами такого рода являются белки, принимающие участие вовсехпроцессахжизнедеятельности.Например,белки-ферментыкатализируютвсехимические, электрохимические и механохимические процессы в клетках и в организмах.Существуютспециализированные ферменты,которые служаткатализаторамивсехметаболических реакций, а также являются и регуляторами генетических функцийнуклеиновых кислот.
Можно сказать, что они являются обязательными участникамипроцессов запасания, передачи, трансформации энергии и рецепции химических сигналов вживых системах [1].Наряду с участием в процессах жизнедеятельности организмов белки играют важнуюпрактическую роль и в современных биотехнологиях – химический синтез новых веществ,создание, транспортировка и хранение медицинских препаратов – во всех этих процессахважную роль играют именно белковые молекулы. Во многих перечисленных технологияхопределяющими являются свойства ферментов, их структура, специфичность и уровеньактивности, которые и позволяют достигать сформулированных целей в биотехнологическихзадачах. Применение методов лиофильной сушки облегчает процесс транспортировкипрепаратов, увеличивает срок хранения образцов.
Лиофилизованные образцы могутприменяться в производстве белковых молекул для диагностических, терапевтических,косметических целей, а также для создания биологических материалов с применениемтехнологий трехмерной печати (3D printing).Исследования, проводимые в рамках нового актуального направления – неводнойэнзимологиипоказали,чтозамена нативного окружения водорастворимогобелкаорганическими растворителями может привести к изменениям в его функциях.
Так,например, водорастворимый фермент химотрипсин, катализирующий гидролиз пептидных3связей в воде, запускает другой процесс и – переэтерификацию при попадании ворганический растворитель. Недостатком функционирования в органических растворителяхявляется существенное снижение каталитической активности ферментов. В исследованияхмодельной реакции переэтерификации при участии химотрипсина показано, что добавлениемолекул краун-эфира, позволяет на несколько порядков увеличить скорость каталитическойреакции в органическом растворителе.Большой интерес к изучению молекул белков, их функционирования и свойств привелк появлению еще в 60-е – 70-е годы XX века понятия «молекулярные машины» и новойконцепции «белок-машина».
В работах [2,3,4] было сформулировано представление офункционировании белков-ферментов. Суть концепции состоит в том, что молекулу белкаможно представить как своего рода машину (механическую конструкцию, состоящую изотдельных частей, обладающих разной подвижностью и упругостью), работа которой идетпо заранее определенному, запрограммированному плану. Основная функция такой машины– обеспечить преобразование, запасание и транспорт энергии без существенной диссипации.Активный центр принимает участие в проведении каталитического акта, в то время какостальные, более жесткие части молекулы составляют ее основной корпус и ответственны заэнергетику процесса. Преобразование энергии происходит благодаря наличию выделенныхмеханических степеней свободы конструкции. Согласно этой теории функционированиебелковых молекул связано с движением крупных фрагментов друг относительно друга.
Вкачестве таких выделенных частей молекулы могут рассматриваться, например, доменытретичной структуры белка, либо отдельные высокоупорядоченные α-спиральные или βструктурные фрагменты.Основываясь на предположении, что энергия молекулы накапливается в виде упругихдеформаций авторы концепции проводят оценку минимальных размеров корпуса молекулыбелка. Расчет размеров молекулы приводится для случая полностью спирализованноймолекулы и для глобулярной структуры.
Размер молекулы можно оценить через суммарнуюдлину спирализованных участков. Оценка дает значения размеров глобулы ≈10-7 смИспользуя это значение, авторы получили значение частоты собственных колебаний около1010 Гц, то есть, для белков, представляющих собой большие молекулы с массами отнескольких единиц до сотен килодальтон, имеется оценка частот коллективных колебаний,лежащая в диапазоне сотых долей терагерц. Если же рассматривать колебания крупныхфрагментов белков, пространственно стабилизированных друг относительно друга системойводородных связей, то можно ожидать проявления их колебаний в терагерцовом диапазонечастот. Положение и форма линий, их интенсивность сильно зависят от пространственнойструктуры молекулы, напрямую определяемую природой и параметрами внешней среды, в4которой молекула находится.
Таким образом, возможные изменения в функционированиибелков, являющиеся следствием структурных изменений могут быть зарегистрированы ввиде спектральных изменений в низкочастотном диапазоне.В работах [5,6,7,8] выдвинуто предположение о том, что в формировании каркасамолекулы(выделенныхчастеймолекулы)принимаютучастиемолекулярныеинадмолекулярные спиральные структуры, которые позволяют реализовать выделенныемеханические поступательные степени свободы, а также, дополнительно, вращательныестепени свободы, необходимые для функционирования белка. Такие спиральные структурыявляются участниками разных уровней структурной иерархии белка и обладают свойствомзнакопеременной хиральности при переходе между уровнями. Так, первичная структурабелка представляет собой последовательность «левых» аминокислот.
При этом один изглавных элементов вторичной структуры, α-спираль, всегда правая. Такие спирали могутобразовывать левые суперспирали, как элементы третичной структуры белка.Методы лазерной спектроскопии позволяют решать большой круг прикладных задач вобласти изучения биологических объектов. Методы оптической спектроскопии позволяютполучать информацию о составе, строении вещества на атомарном и молекулярном уровне,об особенностях взаимодействия веществ друг с другом.
Так, например, методы оптическойспектроскопии применимы для исследования структуры молекул белков, что являетсяважной частью исследования биологических молекул, так как в подавляющем большинствеслучаев функциональная активность белков связана с их структурой.
Молекула белкапредставляет собой сложную структуру с элементами периодичности, которая весьмачувствительна к внешним факторам. Фактически, белок является колебательной системой сзапрограммированными функциям, при этом перемещение отдельных функциональныхгрупп имеет направленный характер и зависит от структуры молекулы.Методы ИК-Фурье и КР спектроскопии удобны для исследования биологическихобъектов. Преимущества методов – их неразрушающее воздействие, бесконтактноеизмерение спектров, возможность анализа без специфической подготовки проб, скоростьполучения результатов и многие другие. Существуют работы с соотнесением колебанийразличных функциональных групп и частот в спектрах поглощения и рассеяния, чтопозволяет находить различия и сходства в структурах разных белков.
За почти 100-летнююисторию применения этих методов для изучения биологических объектов наработанабольшая информационная база. Например, выделяется диапазон «отпечатков пальцев» (500 –1700 см-1), в котором находятся линии характерных колебаний. В частности, здесьпроявляются линии элементов вторичной структуры, причем каждому типу внутреннейорганизации молекул поставлены в соответствие определенные линии спектра.5В последнее десятилетие рос интерес и к низкочастотному (1 – 600 см-1)спектральному диапазону в связи с его применением в анализе биологических объектов.Отметим прогресс в спектроскопии терагерцового поглощения. Излучение в терагерцовом(ТГц) диапазоне обладает свойствами неинвазивности, а также способностью проходитьчерез различные ткани, пластики, бумагу, а также через кожу, что позволяет применятьметод в совершенно разных отраслях.
Методы ИК-Фурье и КР спектроскопии такжеприменимы для исследования биологических объектов в терагерцовом спектральномдиапазоне, однако наличие сильного релеевского рассеяния в КР спектроскопии и наличиесильных линий поглощения воды в ИК-Фурье спектроскопии делают затруднительныманализ полученных результатов и требуют применения дополнительных методов обработкиэкспериментальных данных.Несмотрянасуществующиесложностивозможностьпримененияметодовнизкочастотной спектроскопии для анализа структуры, состава и строения биологическихобъектов становится все более привлекательной.
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}
