| Молекулярное моделирование пептидов в мембранах : от изучения механизмов связывания с бислоем к направленному изменению активности
Диссертация
Автор: Полянский, Антон Александрович
Название: Молекулярное моделирование пептидов в мембранах : от изучения механизмов связывания с бислоем к направленному изменению активности
Справка: Полянский, Антон Александрович. Молекулярное моделирование пептидов в мембранах : от изучения механизмов связывания с бислоем к направленному изменению активности : диссертация кандидата физико-математических наук : 03.00.02 Москва, 2006 126 c. : 61 07-1/104
Объем: 126 стр.
Информация: Москва, 2006
Содержание:
СОДЕРЖАНИЕ 2Глава
II Моделирование поведения МАП в явно заданных гидратированныхмембранных системах (обзор литературы) 13111 МД расчеты водно-липидных систем 13II 11 Цвитгерионные мембранные системы 14II12 Заряженные бислои и мицеллы 15II 13 Многокомпонентные мембраны 17112 МД расчеты пептидов в мембранах 19113 Резюме 20Глава
III Результаты и обсуждение 211111 Разработка моделей явно заданных гидратированных заряженных и нейтральныхмембранных систем 21III 11 Роль заряда полярной головки в структурной организации модельноймембраны Сравнительное моделирование заряженного и цвиттерионного бислоев22III 12 Создание базы данных (БД) модельных водно-липидных систем и изучениеих структурно-динамических свойств 34III 13 Создание смешанных бислоев, имитирующих реальные клеточныемембраны 431112 Определение структуры МАП в модельных мицеллах, сравнение сэкспериментом Влияние гидрофобной организации водно-липидного интерфейса наконформацию пептида в связанном состоянии 451113 Влияние динамического состояния мембраны на характер встраивания МАП (напримере фузионного пептида Е5) 4911131 Конформация пептида в связанном состоянии 5011132 Мода встраивания в липидные бислои 5211133 Связывание пептида на поверхности мембраны Роль гидрофобныхсоответствий 5411134 Мембранный ответ, вызванный встраиванием ФП 5611135 Резюме
1114 Роль специфических контактов остатков пептида с полярными головкамилипидов в дестабилизации заряженных и нейтральных мембран 6011141 Расчеты МД пенетратина и его аналогов 6311142 Взаимодействие pAntp с цвиттерионными (ДОФХ) и заряженными (ДОФС)бислоями 6311143 Мембранный ответ, вызываемый пептидом 7111144 Взаимодействие аналогов пенетратина с бислоем ДОФС 7411145 Влияние гидрофобной организации поверхности мембраны на характерсвязывания пептида 7711146 Резюме 781115 Особенности аминокислотной организации МАП, обусловливающие различныемеханизмы связывания с мембраной (на примере антимикробных пептидов) 83III 51 Основные результаты моделирования Ltc2a и Ltd в мембранах«Эритроциты» и«Грам-» 85III52 Разработка аналогов Ltc2a с измененной активностью 941116 Краткое описание разработанной технологии моделирования МАП 97Этап
I Создание и оптимизация теоретических моделей полноатомныхгидратированных мембран-имитирующих систем 98Этап
II Моделирование периферически связывающихся пептидов в присутствииполноатомных гидратированных мембранных систем 100Глава
IV Заключение 103IV 1 Обзор проведенных исследований и полученных результатов 103IV2 Научно-практическое значение работы 106IV3 Перспективы 108V Методы 109VI Используемые теоретические подходы 109V 11Метод молекулярного гидрофобного потенциала (МГП) 109V12Meтoд молекулярной динамики (МД) явно заданных гидратированныхмембранных систем 109V2 Используемые МАП 111V3 Вычислительные протоколы 111V3I Получение равновесных структур бислоев и мицелл 111V32 МД Ltc2a с мицеллой ДСНбо 112V33 МД Е5 с бислоями ДМФХ и ДПФХ 112V34 МД pAntp в воде и с бислоями ДОФХ / ДОФС 113V35 МД Ltd и Ltc2a с бислоями «Эритроциты» / «Грам-» 113V4 Анализ данных МД 113V4I Картирование структурно-динамических свойств на поверхности модельныхмембран 113V42 Расчет основных параметров для пептидов и мембран 115V43 Визуализация молекулярных структур 115VI ВЫВОДЫ
Введение:
Мембранные процессы чрезвычайно важны для функционирования живой клетки.При этом огромную роль выполняет липидный бислой, который является сложной гетерогенной структурой, гибко реагирующей на внешние воздействия и тем самым влияюший на работу мембранных и мембрано-активных белков и пептидов. Мембраноактивные пептиды (МАП) представляют класс соединений, выделенных из природныхисточников или синтезированных de novo, которые обладают широким спектром биологической активности, часто связанной с изменением физико-химических параметров клеточной мембраны. Действие таких агентов модулируется набором многих факторов(конформация пептида, мода связывания, рП, фазовое состояние и липидный составмембраны, и др.). Понимание структурных предпосылок, определяющих различныефункциональные особенности МАП - одна из важнейших фундаментальных задач в изучении белок-мембранных взаимодействий. Помимо фундаментального значения для современной структурной биологии (установление основных принципов функционирования белков в мембранах, их фолдинг в неполярном окружении и др.), исследования вданной области важны для оптимизации и разработки новых соединений, имеющихпрактическое применение в современной биотехнологии и фармацевтической промышленности - направленная доставка лекарств через клеточную мембрану, создание МАП сзаданной активностью, генная терапия и борьба с различными заболеваниями, в частности, инфекционными и онкологическими.Изучение свойств природных белок-липидых систем экспериментальными методами сильно затруднено ввиду их сложности. Поэтому широкое распространение получили модельные мембранные системы (мицеллы, везикулы, бицеллы), имитирующие реальные мембраны. Па данный момент эти системы хорошо изучены с помощью различных экспериментальных методик (электронная микроскопия, нейтронное рассеяние,рентгеноструктурный анализ, ЯМР, ЭПР) (Chapman, 1988; Auger, 2000). Однако частоэкспериментальные данные являются противоречивыми и при этом отражают лишь общую (усредненную) картину организации мембранных систем (геометрия системы, параметры упаковки и подвижность липидов). Паряду с экспериментальными работами, впоследние годы стало возможным исследовать модельные мембранные системы с помощью техники компьютерного моделирования, основанного на применении высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных платформ. Наиболее информативными из них являются расчеты молекулярной динамики (МД) явно заданных воднолипидных систем и метод Монте-Карло (МК), которые позволяют детально описыватьструктурные и динамические параметры исследуемых объектов. В настоящее время спомощью указанных методик исследован целый ряд модельных бислоев и мицелл (Ash etal, 2004; Saiz & Klein, 2002; Chiu et al, 1999; Tieleman et al., 1997). При этом подавляющеечисло работ посвящено изучению «чистых» цвиттерионных насыщенных и ненасыщенных бислоев и нейтральных мицелл. В то же время существуют лишь несколько примеров успешного моделирования систем, которые наиболее приближены к реальным биологическим мембранам - заряженных бислоев и мембран, содержащих смеси липидов(Pandit & Berkowitz, 2002; Polyansky et al., 2005; Murzyn et al., 2005). Это объясняется целым рядом технических трудностей, возникающих при изучении заряженных систем.Еще более сложным является моделирование взаимодействий модельных бислоев и мицелл с МАП. Для решения подобных задач могут эффективно применяться методы МД иМК (Wong & Kamath, 2002; Bond & Sansom, 2003), которые позволяют исследовать картину взаимодействий на атомном уровне. Тем не менее, во многих современных работах,посвященных моделированию МАП в мембранном окружении, ряд важных аспектовпептид-мембранных взаимодействий остается за рамками проводимых исследований.Например, роль различных аминокислотных остатков в дестабилизации бислоя, специфическое влияние пептидов на структурно-динамические свойства мембраны («мембранный ответ»), гетерогенность поверхностных свойств границ раздела (интерфейсов)водно-липидных систем и др. Одним из возможных объяснений этому является сложность моделируемых объектов и отсутствие общих системных подходов к проблеме белок-мембранных взаимодействий.Таким образом, основной целью настоящей работы стало создание новых подходов в моделировании МАП, позволяющих детально описывать картину взаимодействияпептидов с водно-липидными системами, и их применение в теоретическом изучениимембранного связывания ряда объектов, обладающих важной биологической активностью (фузионные и антимикробные пептиды (ФП, АМП), неспецифические пептидныепереносчики через клеточные мембраны (ППК)).При этом были созданы новые методики анализа данных МД, дающих важнуюинформацию о характере мембранного ответа, вызванного встраиванием пептидов, гетерогенной структурно-динамической организации интерфейсов водно-липидных систем,распределении поверхностных гидрофобных свойств модельных мембран, специфических взаимодействиях различных аминокислотных остатков пептидов с молекулами ли8пидов и детергентов, а также их роли в дестабилизации мембраны. Особое внимание было уделено разработке и апробации теоретических моделей разных мембранных систем,отличающихся по своим физико-химическим свойствам и липидному составу. Среди нихбыли рассмотрены заряженные и нейтральные бислои и мицеллы с разной химическойструктурой полярной головки и ацильных цепей (ДМФХ, ДПФХ, ПОФХ, ПОФЭ, ДОФХ,ДМФС, ПОФС, ПОФГ, ДОФС, ДФС, ДСН). Подобные системы часто используют в экспериментальных исследованиях с помощью методов ЯМР, ЭПР, рентгеноструктурногоанализа (Nagle «& Tristram-Nagle, 2000), поэтому сопоставление результатов моделирования и имеющихся экспериментальных данных позволило произвести оптимизацию вычислительных алгоритмов для получения наилучшего согласия между ними. Также былапроведена разработка смешанных бислойных систем, по своим физико-химическимсвойствам (поверхностный заряд, ненасыщенность и пр.) и липидному составу приближенных к реальным биологическим мембранам (эукариотические, бактериальные). Моделирование МАП в различных мембранных системах позволило учесть влияние рядафакторов на процесс их взаимодействия (химическая стурктура и заряд полярной головки, насыщенность ацильных цепей, динамическое состояние мембраны и др.). При этомбыла создана база данных (БД) бислоев и мицелл различного липидного состава, разработано новое программное обеспечение (ПО) на основании стандартного пакета МДGROMACS (Lindahl et al., 2002), позволяющее в полуавтоматическом режиме создаватьявно заданные гидратированные пептид-мембранные системы и проводить анализ данных МД. На основании полученных результатов была создана технология, оптимизирующая задачу моделирования периферически связывающихся пептидов в явно заданных мембрано-имитирующих системах (см. далее).Рассмотрение МАП, обладающих различной биологической и функциональнойактивностью, позволило выявить ряд интересных и важных аспектов их взаимодействияс мембранами. Встраивание вглубь интерфейса сопровождается реорганизацией пространственной структуры пептида в соответствии с аминокислотным составом и поверхностным распределением гидрофобных и гидрофильных свойств. Дополнительное влияние на структуру пептида оказывают невалентные взаимодействия аминокислотных остатков внутри молекулы и с мембранным окружением. Это придает определенную конформационную подвижность МАП, которая может быть связана с его биологической активностью. Полученные данные расширяют традиционные представления о процессесворачивания полипептидной цепи на границе полярной и неполярной фаз, основанныеисключительно на амфифильных свойствах последовательностей. Установлено, что мембранный ответ на действие МАП имеет локальный характер, то есть изменение структурно-динамических параметров наблюдается только в области контакта пептида с бислоем, зачастую, не влияя на интегральные характеристики мембраны. Для разных МАПдействие на мембрану характеризуется наличием как общих черт (уменьшение подвижности липидов в области контактов, нарушение характера их упаковки и др.), так и особенностей, связанных с функциональной активностью пептида. При этом в дестабилизации мембраны ключевую роль часто играют специфические контакты остатков пептидовс липидными молекулами. Указанные эффекты зависят от аминокислотного состава пептидов и химического строения полярных головок липидов. Это позволяет выявлять молекулярные основы селективности МАП к различным типам клеточных мембран.В целом, широкое рассмотрение проблемы мембранного ответа на действие биологически-активных пептидов и сравнительное изучение разных мембранных систем,проведенное в рамках настоящей работы, позволило сделать существенный шаг в понимании функционирования липидной составляющей клеточной мембраны, а также расширить представления о механизмах белок-мембранных взаимодействий. Полученныерезультаты могут стать необходимой теоретической базой для направленного дизайнапептидов, обладающих разной биологической активностью (АМП, противораковые, переносчики и пр.), которые могут быть использованы в медицинской биоинженерии новых лекарственных препаратов. В частности первые результаты по направленному изменению активности АМП на основании данных молекулярного моделирования были по
|