Оцінка ролі великомасштабних рухів та деформацій ліпідної мембрани у трансмембранній дифузії кластерів проникаючих пептидів. Методика створення концепції динамічних доменів у білках, які є одиницями колективної дифузійної динаміки білкової глобули.
Аннотация к работе
Білки та мембранно-пептидні комплекси містять рухи з характерними часами у діапазоні від 10-12 с до секунд і навіть хвилин, що робить їх динаміку надзвичайно складною. До колективних дифузійних рухів відносяться зміни положення та орієнтації елементів вторинної структури (?-спіралей, ?-шарів та невпорядкованих петель) а також зміщення, обертання та деформації білкових доменів. Добре відомо, що саме колективні дифузійні рухи у більшості випадків відповідають за функціонування білків та мембранно-пептидних комплексів. Молекула кальмодуліну здатна звязувати іони кальцію, після чого її конформація глобально змінюється шляхом деформації довгої ?-спіралі та зближення двох глобулярних доменів білку. Метою дисертаційної роботи є дослідження фізичних механізмів, що лежать в основі колективних дифузійних рухів білків та мембранно-пептидних комплексів.У дисертаційній роботі досліджено фізичні механізми, що лежать в основі колективних дифузійних рухів білків та мембранно-пептидних комплексів, зокрема, калієвий іонний канал KCSA, бактеріальні періплазматичні транспортні білки, кальмодулін, тирозил-ТРНК синтетаза людини та комплекси пептидів, які проникають у клітину, з ліпідними мембранами. Створено ряд нових теоретичних та обчислювальних методів дослідження різних аспектів колективної дифузійної динаміки білків та мембранно-пептидних комплексів. Найбільш результативним підходом до дослідження фізичних механізмів колективних дифузійних рухів у білках та мембранно-пептидних комплексах є використання комбінації аналітичних та обчислювальних методів, які описують колективну динаміку в обраному діапазоні характерних часів та просторових масштабів. Трансмембранна дифузія пептидів, що проникають у клітину, може відбуватися спонтанно з характерними часами порядку секунд за рахунок двох механізмів: утворення гідрофільних пор у мембрані при її нековалентній взаємодії з поодинокими пептидами та утворення великомасштабних (порядку 10 нм) деформацій мембрани при її взаємодії з кластерами пептидів. Провідність іонних каналів з множинною заселеністю забезпечується класичними квазічастинками - суперіонами, які формуються за умов специфічного вигляду енергетичного профілю каналу та характеру міжіонної взаємодії і відповідають колективному дифузійному руху іонів у порі.
Вывод
дифузійний кластер ліпідний білковий
У дисертаційній роботі досліджено фізичні механізми, що лежать в основі колективних дифузійних рухів білків та мембранно-пептидних комплексів, зокрема, калієвий іонний канал KCSA, бактеріальні періплазматичні транспортні білки, кальмодулін, тирозил-ТРНК синтетаза людини та комплекси пептидів, які проникають у клітину, з ліпідними мембранами. Створено ряд нових теоретичних та обчислювальних методів дослідження різних аспектів колективної дифузійної динаміки білків та мембранно-пептидних комплексів. Розвязано супутню теоретико-фізичну задачу однорядної багаточастинкової дифузії у вузьких порах. Створений при цьому теоретичний підхід застосовано до пор іонних каналів. Основними висновками роботи є такі: 1. Найбільш результативним підходом до дослідження фізичних механізмів колективних дифузійних рухів у білках та мембранно-пептидних комплексах є використання комбінації аналітичних та обчислювальних методів, які описують колективну динаміку в обраному діапазоні характерних часів та просторових масштабів.
2. Трансмембранна дифузія пептидів, що проникають у клітину, може відбуватися спонтанно з характерними часами порядку секунд за рахунок двох механізмів: утворення гідрофільних пор у мембрані при її нековалентній взаємодії з поодинокими пептидами та утворення великомасштабних (порядку 10 нм) деформацій мембрани при її взаємодії з кластерами пептидів.
3. Пенетратин має більшу здатність до спонтанної трансмембранної дифузії ніж пептид ТАТ через те, що висота потенціального барєру для трансмембранної дифузії пенетратину на ~50-60 КДЖ/моль менша за висоту барєру для пептиду ТАТ.
4. Наближення миттєвої втрати кореляцій на границях каналу є необхідним для створення замкненого аналітичного підходу до багаточастинкової однорядної дифузії у вузьких порах іонних каналів у нерівноважних умовах.
5. Провідність іонних каналів з множинною заселеністю забезпечується класичними квазічастинками - суперіонами, які формуються за умов специфічного вигляду енергетичного профілю каналу та характеру міжіонної взаємодії і відповідають колективному дифузійному руху іонів у порі. Наближення суперіонів є окремим випадком аналітичної теорії багаточастинкової однорядної дифузії у вузьких порах.
6. Феномен безбарєрної виштовхувальної провідності у селективному фільтрі каналу KCSA пояснюється тим, що глибока потенціальна яма одноіонного енергетичного профілю компенсується міжіонною взаємодією при русі суперіону.
7. Фізичним механізмом виникнення нерівноважних стаціонарних станів провідності та субпровідності в іонних каналах є динамічна самоорганізація, яка виникає за рахунок самоузгодженої взаємодії проникаючих іонів зі структурою каналу.
8. Провідний стан каналу KCSA може виникати за рахунок динамічної самоорганізації (ДСО). Геометрія ворітних процесів у цьому каналі відповідає необхідним умовам появи ДСО, а зникнення провідного стану за умови малих іонних потоків відповідає моделі ДСО та підтверджується експериментальним даним.
9. Динамічні домени є великомасштабними одиницями колективної динаміки білків, які зберігають незалежний характер колективних дифузійних рухів у широкому інтервалі зовнішніх факторів. Динамічні домени можна визначити на основі кореляційних матриць рухів амінокислотних залишків або на основі траєкторій МД.
10. Динамічні домени у білках у середньому мають абсолютний розмір не більше 400-500 залишків, відносний розмір близький до 0.5 розміру білку та значення коефіцієнту внутрішньодоменних кореляцій рухів залишків більші за 0.2, що обумовлено співвідношенням енергій міждоменних та внутрішньодоменних нековалентних взаємодій амінокислотних залишків.
11. Білки кальмодулін, DPBP, LAOBP, GLNBP та PHBP є кандидатами для створення ефективних біосенсорів для їх лігандів. Характер рухів їх динамічних доменів сильно змінюється при звязуванні лігандів, що може використовуватися для переносу сигналу від місця звязування ліганду до ефекторної групи біосенсора.
12. Компактні конформації багатодоменних білків мають структуру, що відповідає мінімуму енергії взаємодії їх динамічних доменів. Динамічні домени при цьому поводяться як ієрархічна система твердих тіл поєднаних механічними шарнірами.
13. На поверхні динамічних доменів тирозил-ТРНК синтетази людини існують ділянки переважного формування міждоменних контактів. На поверхні С-модуля виділено одну таку ділянку (залишки ILE 445 - ILE 448, GLU 489 - LYS 496, GLN 504 - GLN 507, LYS 523, ASP 526), а на поверхні N-модуля три (залишки TYR 79 - LEU 89; PRO 200 - TYR 204 та LYS 335, SER 338, ALA 339).
Список литературы
1. Yesylevskyy S.O. Barrier-less knock-on conduction in ion channels: peculiarity or general mechanism? / S.O. Yesylevskyy, V.N. Kharkyanen // Chem. Phys. - 2005. - V. 312. - P. 127-133.
2. Yesylevskyy S.O. Semi-empirical study of two-color fluorescent dyes based on 3-hydroxychromone. / S.O. Yesylevskyy, A.S. Klymchenko, A.P. Demchenko // J. Mol. Struct. - 2005. - V. 755. - P. 229-239.
3. Yesylevskyy S.O. Hierarchical clustering of the correlation patterns: New method of domain identification in proteins / S.O. Yesylevskyy, V.N. Kharkyanen, A.P. Demchenko // Biophys. Chem. - 2006. - V. 119. - P. 84-93.
4. Yesylevskyy S.O. Dynamic protein domains: identification, interdependence and stability. / S.O. Yesylevskyy, V.N. Kharkyanen, A.P. Demchenko // Biophys. J. - 2006. - V. 91. - P. 670-685.
5. Yesylevskyy S.O. The change of protein intradomain mobility on ligand binding, is it a commonly observed phenomenon? / S.O. Yesylevskyy, V.N. Kharkyanen, A.P. Demchenko // Biophys. J. - 2006. - V. 91. - P. 3002-3013.
6. Yesylevskyy S.O. The blind search for the closed states of hinge-bending proteins. / S.O. Yesylevskyy, V.N. Kharkyanen, A.P. Demchenko // Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. - 2007. - V. 71. - P. 831-843.
7. Yesylevskyy S.O. PROTSQUEEZE: simple and effective automated tool for setting up membrane protein simulations. / S.O. Yesylevskyy // J. Chem. Inf. Model. - 2007. - V. 47. - P. 1986-1994.