Автореферат (1150550)
Текст из файла
На правах рукописиРАБДАНО Севастьян ОлеговичРАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ЯМР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХМОЛЕКУЛ В УСЛОВИЯХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ01.04.11 — физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2018РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномобразовательномучреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»Научный руководитель:Скрынников Николай РуслановичPhD, профессор, заведующий лабораторией биомолекулярногоЯМР ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет»Официальные оппоненты:Польшаков Владимир Ивановичдокторхимическихнаук,ведущийнаучныйсотрудник,лаборатория магнитной томографии и спектроскопии, факультетфундаментальной медицины, ФГБОУ ВО «МГУ имени М.В.Ломоносова»Николаев Борис Петровичкандидат физико-математических наук, руководитель группы,ФГУП «Государственный научно‑исследовательский институтособо чистых биопрепаратов» ФМБА РоссииВедущая организация:ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им.
Б.П.КонстантиноваНациональногоисследовательскогоцентра«Курчатовский институт»Защита состоится «20» июня 2018 г. в ___ часов на заседании диссертационного советаД 212.232.44 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соисканиеученой степени доктора наук на базе Санкт-Петербургского государственного университета поадресу: 199034, Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., д. 41/43, ауд. 304.Отзывынаавторефератв2-хэкземплярахпросимнаправлятьпоадресу:198504, Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д.
1, ученому секретарю диссертационного советаД 212.232.44 Комолкину Андрею Владимировичу.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. Горького СанктПетербургскогогосударственногоуниверситетапоадресу:199034,Санкт-Петербург,Университетская наб., д. 7/9.
Диссертация и автореферат диссертации размещены на сайтеwww.spbu.ru.Автореферат разослан «___»_____________2018 г.Ученый секретарь диссертационного советакандидат физ.-мат. наук, доцентА.В. Комолкин2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияМногие процессы и системы остаются недоступными для изучения по методологическимпричинам. Одним из примеров подобных систем является гидратное окружение биологическихмолекул. Такие функции, как энзиматический катализ, связывание и распознавание целей,сопровождаются специфическими взаимодействиями с отдельными молекулами воды вгидратном окружении молекулы белка.
Кинетика этих процессов определяется подвижностьюмолекул воды в гидратных оболочках, поэтому развитие методов изучения микроструктуры идинамики растворителя чрезвычайно важно.Существующие модели гидратации недостаточно подробно описывают водное окружениегидрофильных и гидрофобных групп органических молекул. Авторы либо рассматриваютгидратное окружение как единое целое (см. обзор литературы в A2 и ссылки внутри), либопренебрегают малыми вкладами от определенных функциональных групп в измеряемыевеличины [1]. Для корректного описания гидратного окружения амфифильных молекулнеобходимы адаптированные модели гидратации гидрофобных и гидрофильных фрагментов.Метод ЯМР имеет ряд преимуществ перед другими экспериментальными методамиизучения гидратного окружения органических молекул [2]. Он использует сравнительно слабыемагнитные взаимодействия ядер, это позволяет не возмущать наблюдаемые величиныинструментом измерения.
Ядерная магнитная релаксация намного чувствительнее кподструктурам растворителя, составляющим гидратные оболочки, чем такие методы, как,например, диэлектрическая релаксация.Другим примером сложных для изучения с точки зрения методологии систем являютсябелки в агрессивных условиях окислительного стресса. Важность процессов протекающих сучастием белков в таких условиях сложно переоценить. Одним из важных элементов системыредокс сигнализации и регулирования является антиоксидантная защита [3]. Общеизвестно, чтоокислительный стресс может отрицательно влиять на липиды, белки и ДНК. В случае белковтипичными симптомами окислительного повреждения являются дестабилизация, нарушениефункции и усиленный протеолиз [4, 5]. В общем случае, случайные окислительныемодификации имеют тенденцию нарушать целостность и активность белка.
Однако на данныймомент опубликовано относительно мало работ, описывающих методы для детальнойструктурной характеризации окислительно поврежденных белков.Основными мишенями окислительной модификации в белках являются тиольные группыцистеина, которые образуют дисульфидные связи. Зачастую этот процесс становится3критически важным в контексте болезни.
Окислительный стресс приводит к образованиюдисульфид-связанных агрегатов супероксиддисмутазы SOD1, которые связаны с боковымамиотрофическим склерозом [6, 7]. Тот же механизм применим для телец включений,образованных нейропатологическим белком TDP-43, которые также связаны с боковымамиотрофическим склерозом, а также лобно-височной дегенерацией [8]. По всей видимости,такие дисульфид-связанные белковые отложения образуются, когда клетка приближается ксмерти, а редокс-гомеостаз сильно нарушен. Тем не менее, они явно остаются ключевымэлементом нейродегенерации и потенциальной терапевтической мишенью [9].Спектроскопия ядерного магнитного резонанса для глобулярных белков позволяетполучить большой объем информации о процессах, происходящих при окислительном стрессе.Однако формирование агрегатных частиц делает невозможным применение стандартногоарсенала многомерной гетероядерной спектроскопии ЯМР.
При этом информация о структуре испособе формирования этих агрегатных частиц может быть чрезвычайно полезной дляразработки лекарств от нейродегенеративных болезней, сопровождаемых формированием телецвключения. По этой причине развитие методов ЯМР для изучения молекул белка вагрегированном состоянии является актуальной проблемой.Третьим типом систем, обсуждаемых в диссертации, являются нативно разупорядоченныебелки (IDP). IDP являются белками без четко определенной вторичной и третичной структуры.Они составляют около 25% всехбелковых последовательностей[10, 11]. В IDPконформационная гибкость является основной характеристикой, которая сохраняется впроцессе эволюции [12].
Знание динамики IDP необходимо для лучшего понимания функцийIDP при нормальном гомеостазе и патологиях. Множество конформаций IDP в некоторыхслучаях включает в себя патогенные формы. IDP являются основной составной частьюбелковых включений при болезнях Альцгеймера, Паркинсона и других нейродегенеративныхзаболеваниях [13, 14].ЯМР релаксация15N позволяет изучать динамику белков через функции спектральнойплотности для пептидной плоскости в белках. Тем не менее, зачастую сложно определитьвклады от различных мод движения белковой цепи. Для решения этой задачи представляетсяперспективным использовать совместный анализ экспериментальных данных ЯМР имоделирования МД. Как будет показано ниже, нам удалось разобраться в иерархиидинамических мод.Все вышеописанное дает ответ, почему различные области биофизики и медициныпроявляют интерес к развитию новых методов и подходов в ЯМР спектроскопии,4релаксометрии и диффузометрии для получения информации о сложных для изучениясостояниях биологических молекул.Цель и задачи работыЦелью данной работы является разработка методик ЯМР для изучения биологическихмолекул в состояниях, не позволяющих прямого наблюдения спектроскопией ядерногомагнитного резонанса.
Методики продемонстрированы на примере аминокислот и их водногоокружения, олигомеров и агрегатных частиц белков, а также нативно разупорядоченныхбелков. Для достижения цели были поставлены следующие задачи.1. На основе изучения данных ЯМР релаксации ядер растворителя разработать методику,позволяющую построить модель гидратного окружения ω-аминокислот и отдельныхмолекулярных групп, входящих в их состав.2.
Идентифицировать моды молекулярного движения ответственные за процесс ЯМРрелаксации атомов 15N в основной цепи нативно разупорядоченных белков.3. На основе методов ЯМР по возможности полно охарактеризовать структурные идинамические свойства белковых молекул при переходе из глобулярного состояния кразупорядоченному, агрегированному состоянию под воздействием окисляющих соединений.Научная новизнаПрименен новый подход к совместному анализу данных ЯМР релаксации и квантовохимических расчетов, который позволил описать водное окружение органических молекул ввиде системы, в которую входят гидратные оболочки отдельных гидрофильных и гидрофобныхмолекулярных групп. Получены новые данные о координационных числах и временахкорреляции вращательного движения, а также их температурные и концентрационныезависимости, для молекул воды вблизи отдельных молекулярных групп органических молекулв водных растворах.С помощью предложенного нового варианта ЯМР эксперимента для наблюдения H/Dобмена амидных протонов основной цепи белка был доказан факт разупорядочивания белков напримере второго РНК-распознающего домена (RRM2) белка TDP-43 в составе агрегатныхчастиц, а также наличие обмена между состояниями глобулярного растворимого белка иагрегатами по механизму, основанному на реакции обмена тиол-дисульфид.Данные о коэффициентах диффузии в полидисперсной системе, полученные методом ЯМРс импульсным градиентом магнитного поля и методом динамического рассеяния света, впервые5были совместно интерпретированы для определения функции распределения частиц поразмеру.Впервые для двух доменов глобулярных белков, связанных в ненативный димерпосредством дисульфидной связи, проведено моделирование молекулярной динамики.Разработан метод анализа траекторий МД для нативно разупорядоченного белка, которыйпозволил выделить и изучить различные моды молекулярного движения в полипептидной цепи.Практическая ценностьРазработанные методы исследования подвижности молекул воды вблизи отдельныхмолекулярныхгруппаминокислот,основанныенаизученииЯМР-релаксацииядеррастворителя, могут быть использованы для получения параметров гидратации широкогоспектра органических соединений.С помощью новой методологии, развитой в диссертационной работе, становитсявозможным исследовать белки, подвергающиеся различным ковалентным модификациям,которые приводят к нарушению структурной целостности и к возникновению агрегированногосостояния, изучение которого другими методами не представляется возможным.Результаты, относящиеся к дестабилизации белка и формированию агрегатных частиц,позволяют по новому взглянуть на область рационального дизайна лекарственных препаратовна основе пептидов, связывающихся ковалентно со своей мишенью.
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}
