Изучение самоорганизации биополимеров методом молекулярной динамики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Белки и нуклеиновые кислоты - важнейшие биополимеры.Ю

1.2. Методы изучения молекулярной динамики биополимеров.

1.3. Система регуляции клеточного деления.

1.4. Выводы и постановка задачи.

2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1. Использование программы Molecula и её модернизация

2.2. Межатомные потенциалы.

2.3. Описание торсионных взаимодейтвий. Эффективные электроны

2.4. Задание начальной конфигурации биополимера.

2.5. Моделирование нуклеиновых кислот.

3. САМООРГАНИЗАЦИЯ ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПОЧЕК БЕЛКОВ

3.1 Самоорганизация полипептидных цепочек, составленных одного типа аминокислот

3.2 Полиаланин.

3.3 Обсуждение. Феноменологическая теория сворачивания.

4. САМООРГАНИЗАЦИЯ МИОГЛОБИНА И ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ

4.1. Самоорганизация миоглобина из вытянутого состояния.

4.2. Варьирование начальных условий и потенциалов взаимодействия.

4.3. Сворачивание миоглобина в условиях, обеспечивающих устойчивость спиральности.

4.4. Обсуждение и выводы.

4.5. Самоорганизация полинуклеотидов, состоящих из одного типа нуклеотидов

4.6. Молекула фенил-аланиновой тРНК

4.7. Молекула фенил-аланиновой тРНК с добавлением фиктивных атомов

4.8. Обсуждения.

5 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

5.1. Система самоактивирующегося гена E2F

5.2. Система самоактивирующегося гена E2F-1 с E2F независимым синтезом.

5.3. Система с pRb.

5.4. Система с циклинами.

5.5. Система с E2F-4 и р130.

5.6. Результаты и их обсуждение.

Понимание процессов структурной организации биополимеров (главным образом белков) является одной из самых важных проблем молекулярной биологии [1]. Данная проблема включает в себя определение нативной конформации, а также понимание способов достижения этой конформации и ее изменения в ходе функционирования [2].

В то время как экспериментальное определение нативной конформации во многих случаях возможно с помощью рентгено-структурного анализа, о динамике молекулы из эксперимента можно получить лишь косвенную информацию. Поэтому структурную организацию изучают как аналитически, так и с помощью методов компьютерного моделирования

3].

Теоретические исследования в этой области можно разделить на два направления. Первое связано с непосредственным поиском нативной конформации на основе постулата, что потенциальная энергия молекулы биополимера при этом имеет абсолютный минимум, либо используют статистический анализ известных структур. Второе направление связано с изучением динамических свойств молекул, причем основным инструментом является компьютерное моделирование, в особенности метод молекулярной динамики [1,2, 4].

Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет получать такую информацию о процессе, которая, как правило, совершенно недоступна в реальном эксперименте. Это в свою очередь дает широкую возможность для перехода от феноменологического описания к созданию строгой физической теории вплоть до аналитической модели сворачивания биополимеров.

В настоящее время колоссальные преимущества метода молекулярной динамики остаются практически неиспользованными в молекулярной биологии. На сегодняшний день основные работы в этой области направлены лишь на изучение незначительных конформационных изменений биополимеров, либо на модернизацию самого метода молекулярной динамики (т.е. на уменьшение времени вычисления) [5]. При всем этом за последние годы на кафедре физики металлов и компьютерного моделирования в материаловедении был достигнут немалый прогресс в области изучения самоорганизации модельных и простейших органических полимеров, а также в изучении поведения этих полимеров при деформации [6-13].

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. На основе созданной ранее программы и методики [14] разработать программу и методику для изучения самоорганизации основных биополимеров ~ белков и нуклеиновых кислот.

2. Изучить процессы формирования компактных структур полипептидов и нуклеиновых кислот, выяснив, какие факторы и как влияют на этот процесс, а затем на основе п.2 подобрать условия, при которых сформированная компактная структура биополимера соответствовала бы нативной конфигурации.

3. Дать аналитическое описание механизма формирования этих структур.

4. Провести аналитическое описание функционирования биополимеров в живой клетке.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые

• методом молекулярной динамики исследован процесс самоорганизации реальных биополимеров в глобулу.

• предложен механизм сворачивания и поддержания стабильности глобулы, и построена феноменологическая теория этого процесса.

• показана важная роль сс-спиралей в процессе самоорганизации белков.

• дано аналитическое описание механизма клеточного деления.

Практическая ценность работы

В результате моделирования были найдены критерии формирования глобулярной конформации, что является необходимым этапом на пути к пониманию реального поведения биомолекулы в клетке и предсказанию нативной конформации.

Предложенная модель клеточного деления позволяет давать наглядную и количественную оценку вклада любого компонента системы в регуляцию клеточного цикла млекопитающих.

Следует отметить, что разработанные методика и программное обеспечение могут быть использованы не только для дальнейшего исследования рассмотренных в данной работе белков и нуклеиновых кислот, но и для других, более сложных, систем.

Основные положения, выносимые на защиту

• методика моделирования биополимеров.

• самоорганизация полипептидов, составленных из одного типа аминокислот, приводящая к появлению трех типов глобул.

• самоорганизация реального белка - миоглобина, роль спиральности при самоорганизации белков.

• моделирование системы регуляции клеточного деления.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, перечня основных результатов и выводов. Она содержит 230 страниц машинописного текста, 88 рисунков и список использованной литературы из 109 наименований.

Основные результаты данной работы заключаются в следующем:

1. Разработано программное обеспечение для исследования самоорганизации белков и нуклеиновых кислот.

2. Методом молекулярной динамики исследован процесс самоорганизации реальных биополимеров в глобулу. Выявлено два способа сворачивая полипептидов: собирание к центру и складки по всей длине. Реализация того или иного способа зависит от начальной деформации молекулы и бокового радикала. Независимо от способа сворачивания, существуют три типа глобул (неустойчивая, устойчивая и частично устойчивая). Тип глобулы также зависит от начальной деформации и бокового радикала.

3. Показано, что кинетическая энергия молекулы во время сворачивания состоит из двух частей: кинетической энергии дрейфа и кинетической энергии колебательного движения атомов. Предложен метод выделения кинетической энергии колебательного движения для оценки истинной температуры молекулы.

4. Построена феноменологическая теория сворачивания. Показано, что энергия крупномасштабного движения переходит в энергию мелкомасштабных флуктуаций, роль которых играют изменения торсионных углов, а весь процесс сворачивания-разворачивания математически эквивалентен осциллятору с трением.

5. Показана важная роль ос-спиралей в процессе самоорганизации белков.

6. Дано аналитическое описание механизма клеточного деления.

Литер ату р а222

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Попов Е.М. Проблема белка. Т.З: Структурная организация белка. М.: Наука, 1997. 604 с.

2. Попов Е.М., Демин В.В., Шибанова Е.Д. Проблема белка. Т.2: Пространственное строение белка. М.: Наука, 1996. 480 с.

3. Мелькер А.И. Моделирование эксперимента. М.: Знание, 1991. 64 с.

4. Еотлиб Ю.Я., Даринский А.А., Светлов Ю.Е. Физическая кинетика макромолекул. Ленинград: Химия, 1986. 272 с.

5. Schlick Т. Computational molecular biophysics today: a confluence of methological advances and complex biomolecular applications // J. Сотр. Phys. 1999. Vol. 151. P. 1-8.

6. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Parametric resonance of the transverse waves in polymer macromolecules: a reason for folding // Nanobiology. 1996. Vol. 4. P. 71-82.

7. Soloviev D.Y., Melker A.I. Formation, structure and deformation of a polyethylene globule in confined geometry // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 1998. Vol. 6. P. 361-368.

8. Melker A.I., Efleev A.N. Computer simulation of structure and mechanical properties of polymer liquid crystals // J.Makromol.Sci.-Phys. 1999. Vol. B38, № 5&6. P. 769-785.

9. Мелькер А.И., Иванов A.B. Атомный механизм разрушения термодинамически равновесного напряженного цепочечного кристалла // ФТТ. 1987. Vol. 29. Р. 1556-1559.

10. Мелькер А.И., Иванов А.В., Говоров С.В. Моделирование на ЭВМ флуктуационного проскальзывания в системе двух слабо связанных ангармонических цепочек атомов // Механика композитных материалов. 1988. Vol. 6. Р. 1007-1011.

11. Мелькер А.И., Воробьева Т.В., Говоров С.В. Молекулярно-динамическое исследование деформации полимеров // ФТТ. 1991. Vol. 33. Р. 76-80.1. Литература223

12. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Computer simulation and molecular theory of self-organization and mechanical properties of polymers // Polymer Engineering and Sciences. 1996. Vol. 36. Vol. 163-174.

13. Мелькер А.И., Иванов A.A., Воробьева Т.В., Романов С.Н. Молекулярно-динамические исследования сжатия полимерного кристалла// ФТТ. 1996. Vol. 38. Р. 2558-2573.

14. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Self-organization and the formation of helicoidal polymer structures // Phys. Solid State. 1997. Vol. 39, № 10. P. 1685-1690.

15. Melker A.I., Ivanov A.A., Romanov S.N. Polymer deformation. Computer simulation and theory of compression of polymer crystal // Proc. SPIE. 1998. Vol. 3345. P. 216-223.

16. Соловьёв Д.В. Молекулярно-динамические исследования деформации полиэтилена: Дис. на соиск. ст. к. ф.-м. н. / СПбЕТУ. СПб, 1998. 117 с.

17. Молекулярная биология клетки. Т.1 / Альберте А., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М. и др. М.: Мир, 1994. 517 с.

18. Кочетков Н.К., Членов М.А. Общая органическая химия. Т. 10. Нуклеиновые кислоты, аминокислоты, пептиды, белки. М.: Химия, 1986. 704 с.

19. Проблема белка. Т.1: Химическое строение белка / Попов Е.М., Решетов П.Д., Липкин В.М. и др. М.: Наука, 1995. 496 с.

20. Lewis P.N., Scheraga Н.А. Prediction of structural homology between bovine a-lactalbumin and hen egg white lysozyme // Arch. Biochem. and Biophys. 1971. Vol. 144. P. 584-588.

21. Leszczynski J.F., Rose G.D. Loops in Globular Proteins: A Novel Category of Secondary Structure // Science. 1986. Vol. 234. P. 849-855.1. Литер атур а 224

22. Berezovsky I.N., Kirzhner V.M., Kirzhner A., Trifonov E.N. Protein folding: looping from hydrophobic nuclei // Proteins: Structure, Function, and Genetics. 2001. Vol. 45. P. 346-350.

23. Berezovsky I.N., Grosberg A.Y., Trifonov E.N. Closed loops of nearly standard size: common basic element of protein structure // FEBS letters. 2000. Vol. 466. P. 283-286.

24. Berezovsky I.N., Trifonov E.N. Loop fold nature of globular proteins // Protein Engineering. 2001. Vol.14, № 6. P. 403-407.

25. Гросберг А.Ю., Хохлов A.P. Физика в мире полимеров. М.: Наука, сер. Квант, № 74, 1989. 208 с.

26. Lifson S., Warshel A. Consistent Force Field for Calculations of Conformations, Vibrational Spectra and Enthalpies of Cycloalcane and n-Alcane Molecules // The Journal of Chemical Physics. 1968. Vol. 49. P. 5117.

27. Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул. М.: Химия, 1982. 272 с.

28. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. М.: Наука, 1971. 424 с.

29. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Self-organization and the formation of helicoidal polymer structures // Phys. Solid State. 1997. Vol. 39 № 10. P. 1685-1690.

30. Brant D.A., Flory P.J. //J. Amer. Chem. Soc. 1966. Vol. 87. P. 2791-2799.

31. Poland D., Scheraga H.A. Energy parameters in polypeptides. I. Charge distributions and the hydrogen bond // Biochemistry. 1967. Vol. 6. P. 37913800.1. Литер атура225

32. Попов Е.М. Структурно-функциональная организация белков. М.: Наука, 1992. 360 с.

33. Scott R.A., Scheraga Н.А. Conformational analysis of macromolecules. III. Helical structures of poly-glycine and poly-L-alanine // J.Chem.Phys. 1966. Vol. 45. P. 2091-2101.

34. Krimm S., Mark J. // Proc. Nat. Acad. Sci. US. 1968. Vol. 60. P. 1122-1128.

35. Флори П. Статистическая механика цепных молекул. М.: Мир, 1971. 440 с.

36. Волькенштейн М.В. Конфигурационная статистика полимерных цепей. М.: Изд. АН СССР, 1959. 446 с.

37. Paulmg L. // Proc. Nat. Acad. Sci. 1958. Vol. 44. P. 211.

38. De Santis P., Giglio E, Liguon A.M., Ripamonti A. // Nature. 1965. Vol. 206. P. 456-460.

39. Попов E.M., Дашевский В.Г., Липкинд Г.М., Архипова С.Ф. Молекуляр. биология. Т. 2. 1968. С. 612-620.

40. Попов Е.М. Проблема белка. Т.4: Структура и функция белка. М.: Наука, 2000. 482 с.43.0hgushi М., Wada A. Molten globule state: A compact form of globular proteins with mobile side-chains // FEBS Lett. 1983. Vol. 164, P. 21-24.

41. Ptitzyn O.B. // J. Protein Chem. 1987. Vol. 6. P. 273-293.

42. Chothita C., Levitt M., Richardson D. // J. Mol. Biol. 1981. Vol. 145. P. 215250.

43. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Мир, 1986. 358 с.

44. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры устойчивости и флуктуаций. М.: Мир, 1973. 320 с.

45. Presell S.R., Cohen B.I., Cohen F.E. //Biochemistry. 1992. Vol. 31. P. 983993.

46. Шайтан K.B. Динамика электронно-конформационных переходов в белках и физические механизмы функционирования биомолекул Н Мол. Биол. 1992. № 26(2). С. 264-284.1. Литература:226

47. Lumry R., Eyring H. Conformational changes of proteins // J. Phys. Chem. 1954. Vol. 58. P. 110-120.

48. Anfinsen C.B. Principles that govern the folding of protein chains // Science. 1973. Vol. 181. P. 223-230.

49. Levinthal C. // J. Chem. Phys. 1968. Vol. 65. P. 44-49.

50. Wetlaufer D.B., Ristow S Acquisition of three-dimensional structure of proteins. //Annu. Rew. Biochem. 1973. Vol. 42. P. 135-158.

51. Иманиси Ю. Биополимеры. М.: Мир, 1988. 554 с.55.3енгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М.: Мир, 1987. 584 с.

52. Leslie A.G.W., Arnott S., Chandrasekaran R., Ratliff R.L. Polymorphism of DNA double helices // J. Mol. Biol. 1980. Vol. 143. P. 49-72.

53. Товбин Ю.К. Метод молекулярной динамики в физической химии. М.: Наука, 1996. 334 с.

54. Allen М.Р., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press, 1987. 385 p.

55. Neumaier A. Molecular Modeling of Proteins and Mathematical Prediction of Protein Structure // SIAM. 1997. Vol. 39, № 3. P. 407-460.

56. Schlick T. Time-Trimming Tricks for Dynamic Simulations: Splitting Force Updates to Reduce Computational Work // Structure. 2001. Vol. 9. P. 45-53.

57. Vitek V., Srolovitz D.J. Atomistic Simulation of Materials: Beyond Pair Potentials. New York: Plenum press, 1989. 122 p.

58. Даринский А.А., Неелов И.М. Исследование молекулярного движения в полимерах методом броуновской динамики. Пущино: Изд. Науч. Центра Биолог. Исслед. АН СССР, 1981.148 с.1. Литература227

59. Балабаев Н.К., Гривцов А.Г., Шноль Э.Э. Численное моделирование движения молекул. Ч.З. Движение изолированной полимерной цепи. М.: ИПМ АН СССР, 1972. 234 с.

60. Gotlib Yu.Ya., Balabaev N.K., Darinski A.A., Neelov I.M. Investigation of Local Motions in Polymers by the Method of Molecular Dynamics // Macromolecules. 1980. Vol. 13. P. 602-608.

61. КаушГ. Разрушение полимеров. M.: Мир, 1981. 440 с.

62. Журков С.Н., Веттегрень В.И., Новак И.И., Кашинцева К.Н. Изучение механически напряженных связей в полимерах методом инфракрасной спектроскопии // ДАН СССР. 1967. № 176. С. 623-626.

63. Hymphreys D.D, Friesner R.A, Berne B.J. A multiple-time-step molecular dynamics algorithm for macromoleculs // J. Phis. Chem. 1994. Vol. 98. P. 6885-6892.

64. Saito M. Molecular dynamics simulations of proteins in solution: artifacts caused by the cutoff approximation // J. Сотр. Phys. 1994. Vol. 101. P. 4055-4061.

65. Bercowitz M., McCammon J.A. Molecular dynamics with stochastic boundary conditions // Chem. Phys. Lett. 1982. Vol. 90. P. 215-217.

66. Калос M. Методы Монте-Карло в статистической физике. М.: Мир, 1984. 134 с.

67. Metropolis N., Rosenbluth A.W, Rosenbluth M.N. Quantum classical molecular dynamics simulation of phospholipid hydrolysis // J. Chem. Phys. 1953. Vol. 21 P. 1087-1095.

68. Li Z., Scheraga H.A. Monte Carlo-mmimization approach to the multiple-minima problem in protein folding // Proc. Nat. Acad. Sci. US. 1987. Vol. 84. P. 6611-6615.

69. Saunders M. A Stochastic Method for Searching Conformation Space // J. Comput. Chem. 1991. Vol. 12. P. 645.

70. Ripoll D.R., Scheraga H.A. On the multiple-minima problem in the conformational analysis of polypeptides. II. An electrostatically driven1. Литература 228

71. Monte Carlo method-tests on poly(L-alanine) // Biopolymers. 1988. Vol 27. P. 1283-1303.

72. Abagyan R., Totrov M. Biased probability Monte Carlo conformational searches and electrostatic calculations for peptides and proteins // J. Mol. Biol. 1994. Vol. 235. P. 983-1002.

73. Basu A., Frazer L.N. Rapid determination of critical temperature in simulated annealing inversion//Science. 1990. Vol. 249. P. 1409-1412.

74. Go N., Taketony H. // Proc. Nat. Acad. Sci. US. 1978. Vol. 75. P. 559-563.

75. Молекулярная биология клетки. Т.З / Альберте А., Брей Д., Льюис Дж. и др. М.: Мир, 1994.334 с.

76. Murray A.W. Creative blocks: cell cycle checkpoints and feedback control // Nature. 1992. Vol. 359. P. 599-604.

77. Morgan O.D. Principles of CDK regulation//Nature. 1995. Vol. 374. P. 131134.

78. Novak В., Tyson J J. Numerical analysis of a comprehensive model of M-phase control in Xenopus oocyte and mtact embryos // J. Cell Sci. 1993. Vol. 106. P. 1153-1168.

79. Tyson J.J., Novak В., Odell G.M., Chen K., Thron C.D. Chemical kinetic theory: understanding cell-cycle regulation // TIBS. 1996. Vol. 21, № 3. P. 89-96.

80. Borisuk M.T., Tyson J.J. Bifurcation analysis of a model of mitotic control in frog eggs //J. Theor. Biol. 1998. Vol. 195. P. 69-85.

81. Weinberg R.A. The retinoblastoma protein and cell cycle control // Cell. 1995. Vol. 81. P. 323-330.

82. Sherr J.C. Cancer cell cycles // Science. 1996. Vol. 274. P. 1672-1677.1. Литер атура229

83. Mittnacht, S. Control of pRb phosphorylation // Curr. Opin. Cell Biol. 1998. Vol. 8. P. 21-27.

84. Helm K. Regulation of cell proliferation by the E2F transcription factors // Curr. Opm. Cell Biol. 1998. Vol. 8. P. 28-35.

85. Novak В., Tyson J.J. Modeling the control of DNA replication in fission yeast//Prot. Nat. Acad. Sci. 1997. Vol. 94. P. 9147-9152.

86. Obeyesekere M.N., Herbert J.R., Zimmerman S.O. A model of the G1 phase of the cell cycle incorporating cyclin E/cdk2 complex and retinoblastoma protein//Oncogene. 1995. Vol. 11. P. 1199-1205.

87. Obeyesekere M.N., Knudsen E.S., Wang J.Y., Zimmerman S.O. A mathematical model of the regulation of the G1 phase of Rb+/+ and Rb-/-mouse embryonic fibroblasts and an osteosarcoma cell line // Cell Prolif. 1997. Vol. 30, №3-4. P. 171-194.

88. Novak В., Tyson J.J. Modeling the control of DNA replication in fission yeast //Proc. Natl. Acad. Sci. 1997. Vol. 94. P. 9147-9152.

89. Vorobyeva T.V., Melker A.I., Knudsen K.D., Elgsaeter A. A molecular dynamics study of linear polymer self-organization into condensed amorphous and crystalline globules // Acta Chemica Scandmavica. 1996. Vol. 50, №1. P. 18-23.

90. Привалко В.П. Молекулярное строение и свойства полимеров. Ленинград: Химия, 1986. 240 с.

91. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.1: Механика. М.: Наука, 1988. 216 с.1. Литератур а 230

92. Melker A.I., Ivanov А.А., Vorobyeva T.V., Romanov S.N. Molecular dynamics study of compression of a polymer crystal // Solid State Physics. 1996. Vol. 38, № 8. P. 2558-2573.

93. Melker A.I., Ivanov A.A., Romanov S.N. Polymer deformation. Computer simulation and theory of compression of a polymer crystal // Proceeding of SPIE. 1998. Vol. 3345. P. 216-223.

94. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6: Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 736 с.

95. Melker A.I., Vorobyeva T.V. Self-organization of chain macromolecules and formation of partially crystalline polymers // Phys. Solid State. 1995. Vol. 37 № i. p. 123-129.

96. Томпсон Дж.М.Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике. М.: Мир 1985. 254 с.

97. Melker A.I., Kornilov D.A., Vorobyeva T.V., Ivanov A.A. Conformation transitions in cyclohexane and benzol // Proceedings of SPIE (в печати).

98. Волькенштейн M.B. и др. Колебания молекул. М.: Наука, 1972. 669 с.

99. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974. 504 с.

100. Эльсгольц Л.Е. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1963. 424 с.

101. Sherr, J.C., Roberts, J.M. Inhibitors of mammalian G1 cyclin-dependent kinases //Genes Dev. 1995. Vol. 9. P. 1149-1163.

102. Geng Y., Eaton E.N., Picon M., Roberts J.M., Lundberg A.S., Gifford A., Sardet C., Weinberg R.A. Regulation of cyclin E transcription by E2Fs and retinoblastoma protein // Oncogene. 1996. Vol. 12. P. 1173-1180.

103. Moberg K., Starz M.A., Lees J.A. E2F-4 swithes from pl30 to pl07 and pRb in response to cell cycle reentry // Mol. Cell Biol. Vol. 16, № 4. P. 14361449.