План презентации на предзащиту:
advertisement
Гарбузинский Сергей Александрович. Расчёт ядер сворачивания в глобулярных белках. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Выяснение механизма самоорганизации белковых молекул − одна из важных и по сей день не решенных проблем биофизики. Помимо своей фундаментальной значимости, понимание механизма сворачивания белка имеет огромное значение для решения многих практических задач, таких как разработка лекарств и создание искусственных белков с заданными свойствами. Нарушение правильного сворачивания белков in vivo, а также часто сопутствующий этому процесс агрегации во многих случаях приводят к заболеваниям. Ключевым этапом процесса сворачивания белка является формирование ядра сворачивания. В процессе сворачивания (или разворачивания) белковая молекула преодолевает свободноэнергетический барьер. Максимально нестабильное состояние белковой цепи на пути ее сворачивания называют переходным состоянием (иными словами, переходное состояние соответствует перевалу через свободноэнергетический барьер). Ядро сворачивания представляет собой структурированную часть молекулы в переходном состоянии. Так как ядро сворачивания соответствует максимуму свободной энергии на пути сворачивания белка, скорость образования ядра сворачивания определяет скорость всего процесса сворачивания белковой молекулы. Таким образом, знание ядер сворачивания позволяет определить скорость сворачивания белка; найти пути его сворачивания; выяснить, образование каких структурных элементов лимитирует скорость сворачивания белковой молекулы. Из-за того, что ядро сворачивания белковой молекулы отвечает максимуму свободной энергии и потому крайне нестабильно, исследовать его в эксперименте непросто. В настоящее время существует единственный экспериментальный подход к поиску ядер сворачивания − Ф-анализ Фёршта [Matouschek et al., 1990, Nature, 346, 440–445] и производные от него методы, суть которых сводится к введению в изучаемый белок множества точечных мутаций и выявлению тех аминокислотных остатков, замена которых меняет 1 стабильность переходного состояния белка столь же сильно, как и стабильность нативного состояния. Поскольку этот экспериментальный подход к определению ядер сворачивания очень трудоемок, полезно уметь предсказывать ядра сворачивания теоретически. В данной работе для расчета ядер сворачивания используется «ландшафтная» теоретическая модель (рис. 1), созданная в нашей лаборатории [Galzitskaya & Finkelstein, 1999, PNAS, 96, 11299–11304]. В рамках этой модели процессы сворачивания и разворачивания белка представляются в виде движения по сети путей сворачивания/разворачивания на свободноэнергетическом ландшафте. Основываясь на этой модели, в данной работе мы определили ядра сворачивания в белках, для которых в настоящее время уже есть экспериментальные данные по ядрам сворачивания, чтобы сравнить теорию и эксперимент и таким образом выяснить возможности расчетов, основанных на «ландшафтной» модели. Кроме того, были сделаны предсказания локализации ядер сворачивания в нескольких белках, для которых экспериментальных данных по ядрам сворачивания пока еще нет, но они будут получены в ближайшее время. Цель исследования: Развитие методов предсказания ядер и скоростей сворачивания белков. Научная новизна диссертационной работы. Впервые применен метод Монте-Карло для определения локализации ядер сворачивания в белках с известной пространственной структурой, а также для определения скоростей сворачивания белков в точке термодинамического равновесия. Оптимизирован основанный на методе динамического программирования подход к локализации ядер сворачивания в белках с известной пространственной структурой, а также к оценке эффективной величины свободноэнергетического барьера на пути сворачивания белка. В результате сравнения результатов расчета с экспериментальными данными показано, что оба метода (метод динамического программирования и метод Монте-Карло) позволяют удовлетворительно предсказывать ядра и скорости сворачивания глобулярных белков. Впервые проведено систематическое сравнение структур одних и тех 2 же белков, расшифрованных методами рентгеноструктурного анализа, с одной стороны, и ядерного магнитного резонанса, с другой, и найдены тонкие различия между такими структурами. 3
