Механизмы реакций в фоторецепторных белках по результатам расчетов структуры и спектров модельных молекулярных систем

Хренова, Мария Григорьевна

Механизмы реакций в фоторецепторных белках по результатам расчетов структуры и спектров модельных молекулярных систем тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.17 ВАК РФ

Хренова, Мария Григорьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.17 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Механизмы реакций в фоторецепторных белках по результатам расчетов структуры и спектров модельных молекулярных систем»

Автореферат диссертации на тему "Механизмы реакций в фоторецепторных белках по результатам расчетов структуры и спектров модельных молекулярных систем"

На правах рукописи I

Хренова Мария Григорьевна

Механизмы реакций в фоторецепторных белках по результатам расчетов структуры и спектров модельных молекулярных систем

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальность 02.00.17 - математическая и квантовая химия

2 6 МАЙ 2011

Москва-2011

4847882

Работа выполнена на кафедре физической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор химических наук Немухин Александр Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ефремов Роман Гербертовяч Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

доктор физико-математических наук Медведев Эмиль Самуилович Институт проблем химической физики РАН

Ведущая организация:

Центр фотохимии РАН

Защита состоится 16 июня 2011 года в 15:00 в аудитории 446 Химического факультета МГУ на заседании диссертационного совета Д 501.001.50 при МГУ имени М.В. Ломоносова (119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Химический факультет МГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат диссертации размещен на сайте Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова: www.chem.msu.ru

Автореферат разослан «12» мая 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.50 кандидат химических наук

Матушкина Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Множество процессов в живых системах, происходящих при фотовозбуждении белков, лежат в основе таких явлений, как фотосинтез, передача нервных импульсов, регулирование биохимических реакций. Работа посвящена моделированию свойств ряда фоторецепторных белков с различными хромофорными группами. В случае ретиналя в родопсине в результате взаимодействия со светом происходит цис-транс изомеризация хромофора. Во флавин-содержащих белках изменения претерпевает локальное окружение хромофора с формированием новых межмолекулярных связей. При действии света на зеленый флуоресцентный белок происходит переход из одной протонированной формы хромофора в другую. Изменение оптических свойств комплексов светособирающих антенн в бактериальных фотосистемах, в частности, связано с изменением взаимного расположения хромофорных молекул бактерохлорофилла в белке.

Современные методы компьютерного моделирования оказывают существенную поддержку экспериментальным исследованиям сложных биомолекулярных систем, позволяя визуализировать отдельную молекулу, провести расчеты её геометрической конфигурации, оптических и колебательных спектров. На основании результатов расчетов молекулярных систем, моделирующих фоторецепторные белки, можно проводить интерпретацию экспериментальных данных и прогнозировать структуру и свойства новых перспективных вариантов белков.

Фотовозбуждение биомолекулярных систем приводит к каскаду реакций, часть из которых происходят на возбужденных поверхностях потенциальной энергии (ППЭ), после чего система переходит в основное электронное состояние, где и продолжается процесс. Поэтому значительный вклад в изучение фоторецепторных белков можно внести, исследуя поведение системы на ППЭ основного электронного состояния и анализируя интермедиаты фотохимических реакций методами молекулярного моделирования.

Цель работы — прогнозирование механизмов реакций, проходящих в

фоторецепторных белках, основываясь на анализе структуры и свойств модельных

молекулярных систем в основном электронном состоянии. В соответствии с

поставленной целью решались следующие задачи:

1. Моделирование начальной стадии изомеризации ретиналя в родопсине, проходящей под действием света (фотореакция) и без действия света (термическая активация).

2. Анализ состояний с переносом заряда с хромофора на белковую матрицу зеленого флуоресцирующего белка.

3. Детализация механизма фотореакции и идентификация интермедиатов в чувствительном к синему свету домене (BLUF домене) белка АррА.

4. Установление механизма передачи сигнала из фоторецепторного домена BLUF в каталитический домен EAL белка BlrPl.

5. Объяснение наблюдаемых зависимостей спектральных свойств светособирающей антенны LH1 бактериального фотосинтетического комплекса от присутствия ионов металлов.

Научная новизна результатов:

1. Впервые установлено, что первичным интермедиатом в родопсине как в случае фотоиндуцированной реакции, так и реакции, проходящей при термической активации, является батородопсин.

2. Показано, что проявление фотоиндуцированных электронодонорных свойств зеленого флуоресцентного белка связано с возможностью образования состояний с переносом электрона на белковую матрицу.

3. Установлено, что в процессе фотореакции в BLUF домене происходит поворот боковой цепи аминокислотного остатка Gin с изомеризацией функциональной группы из амидной в имидную форму. Более предпочтительным является механизм реакции, при котором система претерпевает изменения, находясь в бирадикальной форме.

4. На основе расчетов методом классической молекулярной динамики показаны пути передачи сигнала от BLUF домена к EAL домену белка BlrPl.

5. Дана интерпретация чувствительности системы LH1 бактерии Thermochromatium tepidum к присутствию ионов кальция. Выявлены наиболее предпочтительные сайты связывания белка с ионами Са2+ .

Личный вклад диссертанта заключается в сборе и анализе литературных данных, постановке задач, разработке путей решения поставленных задач, проведении вычислений методами квантовой химии, комбинированными методами квантовой механики и молекулярной механики, методом классической молекулярной динамики, интерпретации результатов, подготовке публикаций и докладов по теме диссертационной работы.

Научная и практическая значимость данной работы заключается в том, что полученные результаты позволяют детализировать механизмы фотохимических реакций для широкого класса белков с различными хромофорными группами. Результаты данной работы могут быть применены для прогнозирования свойств новых перспективных фоторецепторных белков.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях «Ломоносов» (Москва 2008, 2009, 2010 и 2011), 6-й и 7-й Всероссийских конференциях «Молекулярное моделирование» (Москва 2009, 2011), 3-м Международном семинаре MSSMBS'08 (Дубна 2008), Международной конференции «Преобразование энергии света при фотосинтезе» (Пущино 2008), VIII, IX и X ежегодных международных молодежных конференциях "Биохимическая физика" ИБХФ РАН-ВУЗы (Москва 2008, 2009, 2010), 6 Всероссийской Школе-Симпозиуме «Динамика и Структура в Химии и Биологии» (Москва 2008), XVI международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино 2009), 15-й международной конференции по фотобиологии (Германия 2009), Симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе 2009, 2010), международном форуме по нанотехнологиям (Москва 2010), 1П Всероссийской конференции-школе «Высокоэнергетичные интермедиаты химических реакций. Chemlnt2008» (Москва 2008).

Результаты опубликованы в 24 печатных изданиях, в том числе в 5 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ, в 1 статье, опубликованной в интернет-издании журнала из списка ВАК РФ, в 3 статьях в сборниках научных трудов и в 15 тезисах докладов на конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, б глав, выводов и списка цитируемой литературы из 119 наименований. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста и включает 51 рисунок и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 включает описание современных методов квантовой химии, комбинированных подходов квантовой и молекулярной механики, а также метода молекулярной динамики, применяемых для описания биомолекулярных систем.

Исследуемые объекты насчитывают до нескольких тысяч атомов, что делает невозможным их описание в рамках методов квантовой химии; в то же время моделирование, основанное на использование классических силовых полей, не предполагает изучение химических и фотохимических реакций, при которых происходят разрывы и образования химических связей. Таким образом, методы квантовой химии целесообразно использовать для расчетов свойств молекулярных кластеров, моделирующих хромофор-содержащие фрагменты фоторецепторных белков, а методы классической молекулярной динамики для анализа конформаций белковой матрицы. Применение комбинированного подхода квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) представляется наиболее перспективным при изучении механизмов реакций в фоторецепторных белках. В рамках этого подхода интересующий фрагмент системы - хромофор и его ближайшее окружение -описывается в рамках методов квантовой механики (КМ), а остальная часть системы описывается в рамках молекулярно-механического (ММ) подхода.

Для расчетов методами КМУММ в качестве первичной информации, как правило, используются данные рентгеноструктурного анализа, представляющие наборы координат тяжелых атомов системы. Процедура моделирования предполагает добавление атомов водорода и предварительный поиск равновесных геометрических параметров, который сложно осуществить, учитывая большое число локальных минимумов на поверхности потенциальной энергии рассматриваемых систем. Эта задача решается в рамках классической молекулярной динамики, а именно проводится процедура «отжига-охлаждения», что обеспечивает локализацию модельной системы в районе глобального минимума.

Проверка полученных равновесных геометрических параметров модельных систем на их соответствие наблюдаемым структурам проводится при расчетах электронных спектров: рассчитанные энергии и интенсивности вертикальных электронных переходов сравниваются с максимумами полос поглощения. Для

этого в работе применялись следующие расчетные методы квантовой химии: многоконфигурационный метод самосогласованного поля в полном пространстве активных орбиталей с поправками по теории возмущений в варианте aug-MCQDPT2//CASSCF, методы конфигурационного взаимодействия с однократными возбуждениями (CIS), с однократными и выборочными двукратными возбуждениями с поправкой по теории возмущений второго порядка (SOS-CIS(D)), а также полуэмпиричсский метод ZINDO. При наличии экспериментальных данных также сравниваются рассчитанные и экспериментальные колебательные спектры.

Представленный набор вычислительных инструментов был использован для изучения механизмов реакций для выбранных фоторецепторных белков.

Глава 2 посвящена изучению реакции цис-транс изомеризации хромофорной группы ретиналя в белке родопсин, проходящей специфично по двойной связи Cn=Ci2 (рис. 1).

Рис. 1. Хромофорная группа родопсина - ретиналь, образующий протонированное основание Шиффа с боковой цепью Ьух296.

В рамках работы проводилось как изучение фотореакции, так и реакции,

полностью проходящей в основном электронном состоянии (механизм термической

активации). Оптимизация геометрических параметров проводилась методом

КМ/ММ в варианте механического внедрения. Для учета электростатического поля

ближайших аминокислотных остатков в квантовую часть были включены, помимо

молекулы хромофора и боковой цепи остатка 1^296, образующего

протонированное основание Шиффа с ретиналем, боковые цепи аминокислотных

остатков белка 01и113, 01и181, Бег 186, Туг268, пептидные фрагменты А1а292 и

РЬе293, гидроксильная группа Туг 192 и три молекулы воды, участвующие в

образовании стабилизирующих водородных связей и экранировании заряда на

протонированном основании Шиффа. Расчёт энергии и градиента энергии в

квантово-механической части проводился методом функционала электронной

плотности (DFT) с использованием гибридного функционала РВЕО и базиса сс-pVDZ. Для описания молекулярно-механических взаимодействий использовалось силовое поле AMBER. Все расчеты были выполнены с использованием программного пакета PC GAMESS.

В работе проведено определение структуры и спектральных свойств первичного фотопродукта реакции цис-транс изомеризации хромофорной группы в родопсине - батородопсина. В батородопсине хромофорная группа находится в полностью транс форме, однако ее структура не планарная - двугранный угол около изомеризующейся двойной связи составляет 142°. Существование такого интермедиата говорит об особенностях влияния белкового окружения на путь прохождения реакции и возможности стабилизации такой структуры. Рассчитанное значение энергии вертикального S0-Si перехода 519 нм хорошо согласуется с экспериментальным значением максимума полосы поглощения 529-543 нм. Также для структур родопсина и батородопсина были рассчитаны колебательные спектры и проведено соотнесение наблюдаемых и рассчитанных колебательных частот. Характеристичными для этой системы являются внеплоскостные колебания атомов водорода (HOOP) в области изомеризующейся связи (табл. 1).

Таблица 1. Сравнение рассчитанных и экспериментальных характеристик выделенных колебательных мод родопсина и батородопсина. Экспериментальные данные относятся к низкотемпературной КР спектроскопии.

Отнесение частот Родопсин Батородопсин

Эксперимент, см"1 Расчет, см'1 Эксперимент, см'1 Расчет, см'1

С12-Н колебание - - 853 849

Сщ-Н колебание - - 872 859

Сц-Н колебание - - 921 913

Сп-С12НООР 970 1059 - -

В рамках тех же подходов была охарактеризована реакция цис-транс изомеризации ретиналя в родопсине при термической активации в основном электронном состоянии и впервые установлено, что первичным интермедиатом реакции при термической активации также является батородопсин. Была получена стационарная точка, отвечающая переходному состоянию между родопсином и батородопсином. Колебательный анализ показывает, что для неё характерно наличие одной мнимой частоты (283-1 см"1), соответствующей колебаниям в области изомеризующейся двойной связи. Анализ электронной структуры хромофора в

переходном состоянии указывает на его бирадикальный характер, то есть на наличие двух однократно занятых пространственно разделенных тс-орбиталей. Рассчитанный энергетический барьер этой реакции составляет 26 ккал/моль, а энергия активации, учитывающая разницу энергий нулевых колебаний реагента и активированного комплекса, составляет 23 ккал/моль, что хорошо согласуются с экспериментальными данными ( 20-25 ккал/моль). По результатам моделирования построена схема фотоиндуцированной реакции и реакции цис-траис изомеризации в основном электронном состоянии (рис. 2).

Рис. 2. Схема фотоиндуцированной реакции (пунктир) и реакции при термической активации в основном электронном состоянии (сплошная линия).

В главе 3 обсуждается система с хромофором другого класса, а именно, с группой, сформированной из аминокислотных остатков ТЬг-Туг-Иу (вставка на рис. 3) в результате посттрансляционной модификации зеленого флуоресцентного белка (ОРР). До недавнего времени основой интерес проявлялся к флуоресцентным свойствам вРР в связи с возможностью использования белков этого семейства в качестве биомаркеров в живых системах. Одно из последних экспериментальных исследований посвящено другим особенностям зеленого флуоресцентного белка -возможности проявления фотоиндуцированных электронодонорных свойств. При

облучение раствора белка с добавлением окислителей лазером с длиной волны 488 нм, соответствующей максимуму полосы поглощения анионной формы хромофора, наблюдается восстановление окислителя и переход GFP в другую форму с измененными спектральными свойствами - максимумы полос поглощения и флуоресценции смещаются в красную область. Предполагается, что данное явление может быть обусловлено формированием фотоиндуцированных частично ионизованных состояний, в которых электронная плотность локализована в полости вблизи хромофора. Подобные явления наблюдаются для анионов в водных растворах, например, в водном растворе иодид иона образуются состояния с переносом заряда на молекулы растворителя (CTTS - "charge transfer to solvent"), которые наблюдаются экспериментально спектральными методами. В случае белковой молекулы также возможно формирование подобных состояний, которые далее будут называться CTTS-подобными. Мы предлагаем объяснение проявления белком GFP фотоиндуцированных электронодонорных свойств, уделяя внимание анионной форме хромофора в GFP и проводя анализ вертикальных электронно возбужденных состояний.

На основе известных равновесных геометрических параметров GFP с анионной формой хромофора (полученных в рамках метода КМ/ММ) была построена кластерная модель хромофор-содержащей области. Модель включала хромофор (Chro), боковые цепи аминокислотных остатков Arg96, His 148, Ser205 и Glu222, а также две молекулы воды. Для оценки влияния различных молекулярных групп в работе постепенно увеличивался размер модельный системы, начиная с хромофора и заканчивая всем кластером целиком. Для описания CTTS-подобных состояний использовалась техника постепенного увеличения базиса и насыщения его диффузными функциями от 6-31G** до 6-3 lG**(2+,2+). При этом для качественного описания применялся метод CIS, а для количественной оценки -SOS-CIS(D). Из общих закономерностей можно выявить (рис. 3), что добавление в систему положительного заряда приводит к увеличению вертикальной энергии ионизации, но не оказывает влияния на энергию образования CTTS-подобных состояний. При этом насыщение кислорода фенильного фрагмента хромофора водородной связью приводит к значительному увеличению энергии образования CTTS-подобных состояний. Также в работе подробно рассмотрено влияние образования водородных связей с фенильным фрагментом хромофора на

электронные свойства системы. Расчеты были выполнены с использованием программ PC GAMESS и QChem.

Глава 4 посвящена изучению механизма фотореакции в BLUF домене белка АррА. BLUF - фоторецепторный домен с хромофорной группой флавинмононуклеотид (называемой далее флавин или FAD), чувствительный к синему свету. В процессе фотореакции происходит реорганизация сетки водородных связей вокруг хромофора, о чем свидетельствуют данные ИК-спектроскопии. Несмотря на интенсивное изучение данного класса фоторецепторных белков, многие вопросы остаются дискуссионными. В частности, приводятся противоречивые данные, основанные на результатах РСА и ЯМР, относительно структуры рецепторного (до облучения) и сигнального (фотопродукта) состояний (рис. 4). При интерпретации результатов РСА белков, кроме известной проблемы локализации атомов водорода, вообще говоря, плохо отличимы атомы азота и кислорода. Это приводит к сложностям в определении координат таких функциональных групп как амидная в аминокислотных остатках глутамин или аспарагин. В данном случае в активном центре BLUF домена оказывается Gln63, и для установления механизма фотореакций необходимо определить, в какой из таутомерных форм находится остаток GIn63 и как он ориентирован относительно окружающих его остатков в рецепторном и сигнальном состояниях. Первичное исследование системы классическим методом молекулярной динамики выявило наиболее устойчивые конформации системы. На их основе были построены модели для расчетов равновесных геометрических параметров методом КМ/ММ. На рис. 5 показаны структуры рецепторного и сигнального состояний. В рецепторном состоянии Gln63 находится в амидной форме (и вблизи присутствует остаток Metí Об), в то время как в сигнальном состоянии Gln63 находится в имидной форме (и положение Metí 06 занимает Тгр104).

? 5

расчет в кластере 2.56 эВ

Модельная система

Рис. 3. Вертикальные энергии оптически разрешенных переходов (показаны синим цветом), ионизации (розовым), положения СТТ8-подобных состояний (зеленым).Результаты расчетов методом 808-С18(0)//6-ЗЮ**(2+,+). В левом верхнем углу показан хромофор белка йРР.

С1п63

Н Н

амидная форма

имидная форма

Рис. 4. Фрагмент хромофор-содержащего кармана ВШР домена белка АррА. Здесь и далее зеленым цветом обозначены атомы углерода, синим - азота, красным - кислорода, белым - водорода. Функциональная группа й1п63, а также положения Ме11 Об и Тгр104 показаны схематично.

РАО

Metí06 « Тгр104

Поворот и таутомеризация Gln63

р-н- -

н н

Туг21

^Су Gln63

сн3 Ме!106

Туг21

Gine

Trp104

Рис. 5. Рецепторное (слева) и сигнальное (справа) состояния хромофор-содержащего кармана ВШР домена белка АррА.

Проверка адекватности полученных структур проводилась с помощью расчетов электронных и колебательных спектров. Экспериментально наблюдается сдвиг максимума полосы поглощения в красную сторону при переходе из рецепторного в сигнальное состояние 445 нм (2.78 эВ) —► 460 нм (2.69 эВ). Рассчитанные в рамках метода 508-С18(0)//сс-рУ02 энергии вертикальных 80-81 переходов количественно согласуются с экспериментальными значениями максимумов полос поглощения 426 нм (2.91 эВ) —> 441 нм (2.81 эВ). Также в колебательной спектроскопии наблюдается изменение положения полосы характеристического колебания (валентного колебания С4=0 группы флавина) на 25 см"1 при переходе в сигнальное состояние (1709 см"1 —> 1684 см"1). В рассчитанном колебательном спектре также наблюдается сдвиг величиной в 25 см"1 (1700 см"' —> 1675 см"1). Такое изменение положения полосы в колебательном спектре объясняется появлением водородной связи между имидной группой СТпбЗ и флавином. Таким образом, в работе было проведено соотнесение существующих кристаллических структур с рецепторным и сигнальным состояниями.

Согласно литературным данным облучение системы приводит к фотореакции, в результате которой происходит перенос протона и электрона с Туг21 на флавин через 01п63; при этом происходит таутомеризация С1п63. Эти процессы происходят на поверхностях возбужденных электронных состояний, однако, окончательное формирование бирадикального состояния Туг21» + РАБН* происходит в основном электронном состоянии. Механизм дальнейших превращений, позволяющий перейти из бирадикального состояния в сигнальное выявлен в данной работе. Был рассмотрен молекулярный кластер, описывающий хромофор-содержащий карман ВШР домена. Он состоял из боковых цепей

аминокислотных остатков Tyr21, Asn45, Leu54, Gln63, Leu65, Ile79 и Metí06 и флавина (всего 143 атома).

Переход системы из бирадикального состояния, соответствующего одному из первичных интермедиатов, к сигнальному состоянию, возможен по двум различным схемам:

A. информационные изменения боковой цепи Gln63 в бирадикальном состоянии и последующая рекомбинация радикалов;

B. рекомбинация радикалов с последующими конформационными изменениями, преимущественно с боковой цепью Gln.63.

к R

hiCyyH Vo XX» ¿T **yYTV

нДД^Хн h3C^V'" НзСЛЯ^£-н

й о А1.А2 " : A3 : о

Р А О t»^ fS ¿

Ту/ Gln т W Gin ^

Туг Туг/

Рис. 6. Механизм реакции в BLUF домене по пути А.

На основании рассчитанных в данной работе профилей реакции на ППЭ основного состояния сделан вывод о предпочтительности пути А (рис. 6). На стадиях Al и А2 происходит вращение вокруг одинарной связи Су-Сб и вращение ОН группы вокруг одинарной связи CS-Oe в Gln63, соответственно; на стадии A3 происходит рекомбинация бирадикала, связанная с переносом протона с флавина на Туг21 через Gln63. Барьеры реакций на всех стадиях не превышают 9 ккал/моль, что указывает на высокие скорости элементарных стадий реакции. По пути В скорость лимитирующей является стадия переноса протона в -C=N-H фрагменте; для нее получен барьер в 29 ккал/моль. На рис. 7 показан результирующий профиль реакции.

Известна структура интермедиата фотоцикла BLUF домена, которую удалось

зафиксировать методом РСА при низких температурах (PDB код 2IYI). Для нее

характерна величина максимума полосы поглощения между рецепторным и

сигнальным состоянием около 450 нм. Структура продуктов стадии A3 является

хорошим кандидатом для описания этого интермедиата. Основываясь на данных,

полученных в кластерных моделях, была получена структура, соответствующая

продукту стадии A3 в полной КМ/ММ модели. Для этой структуры была

рассчитана энергия вертикального перехода Sq—которая составила 440 нм (2.82 эВ), что попадает в промежуток между рассчитанными энергиями So—Si переходов для рецепторного (2.92 эВ) и сигнального (2.80 эВ) состояний. 70

Al ПС А2 ПС

50 -

40 -

10 -

АЗ ПС

Al Реагенты А2 Реагенты

АЗ Реагенты

Рецептурное состояние

АЗ Продукты

Рис. 7. Фрагмент профиля реакции перехода из рецепторного состояния в сигнальное в ВШР домене белка АррА.

При изучении фотореакции в ВЫЛ7 домене применялись программные

пакеты ЫАМО (для расчетов методом классической молекулярной динамики), К\УСЬет (для расчетов методом КМ/ММ), РС ОАМЕвв (для квантово-химических расчетов в кластерных моделях), С|СЬет (для расчета электронных спектров).

В главе 5 обсуждаются пути передачи сигнала в мультидоменном белке В1гР1 от фоторецепторного домена ВИЛ7 к каталитическому домену ЕАЬ. При попадании кванта света в фоторецепторный домен происходит фотореакция, вызывающая формирование сигнала, приводящего к изменению скорости реакции-гидролиза специфического субстрата - циклического димера гуанозин монофосфата. В 2009 году была получена кристаллическая структура этого белка; было показано, что он существует в виде димера как в кристалле так и в растворе. Анализ структуры указывает на наличие контактов и возможных путей передачи сигнала именно между мономерами. На основании данных РСА в данной работе была построена модель, состоящая из димерного белка В1гР1, помещенного в ячейку из молекул воды. Анализ возможных путей передачи сигнала проводился на основании изучения стабильности водородных связей и изучения подвижности отдельных фрагментов методом классической молекулярной динамики. Расчеты проводились с использованием программного пакета КАМБ. По результатам

расчетов, согласующихся с экспериментальными результатами ЯМР, было выделено 3 области возможного взаимодействия доменов, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Области взаимодействий BLUFu EAL доменов в белке Blrpl.

В области петли аЗа4 BLUF и EAL домены образуют несколько стабильных водородных связей. Область этой петли может быть подвижна при фотореакции и отвечать за передачу сигнала. Спираль а4 BLUF домена образует множество прочных водородных связей с EAL доменом и отвечает за связывание доменов. В результате фотореакции в BLUF доменах значительно изменяется конформация петли ß4ß5 - происходит ее укорачивание в результате смещения положения ß5 листа. Так как в рецепторном состоянии отсутствуют контакты между BLUF и EAL доменами, то петля ß4ß5 не может участвовать в передаче сигнала. В работе также моделируется влияние точечных мутаций на формирование путей передачи сигнала от BLUF домена к EAL,

Глава 6 посвящена изучению зависимости фотофизических свойств светособирающей антенны LH1 фотоситемы бактерии Thermochromatium tepidum от присутствия ионов металлов. Бактерия Thermochromatium tepidum выделяется среди остальных пурпурных фотосинтезирующих бактерий своей термостабильностью, которая, возможно, обусловлена наличием ионов кальция в белковом комплексе. Наличие ионов Са2+ также приводит к красному сдвигу максимума полосы

BLUF аЗа4 петля

BLUF :х4 спираль

BLUF ß4ß5 петли -

поглощения Qj,(915hm) в LH1 комплексе светособирающей антенны бактерии Thermochromatium tepidum по сравнению с величиной, характерной для LH1 комплексов других бактерий - 880 нм. При этом, вымывание ионов Са2+ приводит к сдвигу максимума полосы Qy в область 889 нм. Белковый комплекс LH1 представляет собой систему, состоящую из 16 субъединиц, каждая из которых состоит из двух а-спиралей, двух молекул бактериохлорофилла-а (BChl-a) и одной молекулы каротиноида; при этом ионы Са2> связываются с LH1 стехиометрически в соотношении 16:1, что соответствует одному иону кальция на одну субъединицу LH1 комплекса. Банк данных белковых структур не содержит информации о кристаллической структуре исследуемой системы. Ранее в нашей лаборатории была предложена структура одной субъединицы комплекса, основанная на данных о первичной последовательности и шаблонах из схожих систем. В данной работе была построена полная трехмерная модель LH1 комплекса, основываясь на ранее полученных данных о структуре мономера и данных РСА низкого разрешения (4.8 А) для LH1 комплекса бактерии Rhodopseudomonaspalustris (PDB ID: 1PYH).

В рамках подходов классической молекулярной динамики были изучены возможные сайты связывания ионов кальция; для этого ионы Са2+ помещались в выбранные сайты и проводилась процедура «отжига-охлаждения» в системе LH1 комплекса, погруженного в ячейку из молекул воды; аналогичная процедура проводилась в реперной системе, не содержащей ионов кальция. Наиболее устойчивыми оказались 3 сайта, представленные на рис. 9. Полученные модели с кальций-связанным LH1 комплексом сравнивались с моделью системы без ионов кальция. Для этого проводилась оценка изменения спектров поглощения: в рамках полуэмпирического метода ZINDO рассчитывались энергии вертикальных электронных переходов; а также оценивалось изменение расстояний между двумя ионами Mg2+ соседних молекул бактериохлорофиллов как показателя термической устойчивости (рис. 10). Модель считалась более адекватной, если для большего числа молекул бактериохлорофилла наблюдался красный сдвиг энергий вертикальных S0—St переходов и уменьшение расстояния между ионами магния двух соседних молекул бактериохлорофилла. Таким требованиям удовлетворяет сайт связывания III. Таким образом, наиболее вероятный сайт связывания ионов кальция светособирающей антенной LH1 бактериальной фотосистемы находится на N-конце петли в спирали ß. Расчеты методом молекулярной динамики проводились

i?c'(Mg---Mg)-i(Mg --Mg), A

с использованием программного пакета NAMD; электронные рассчитывались с использованием программы ORCA. 111 сайт связывания Са2+

димер Bclil-a

спектры

каротиноид

спираль а I сайт связывания Са2+

II сайт связывания Са2+

Рис. 9 Схема расположения возможных сайтов связывания ионов Са2 субъединицей комплекса Ы11.

Рис. 10. Сайт связывания ионов кальция III. Расстояния Са-О показаны в А. На диаграммах справа показаны изменения рассчитанных величин вертикальных электронных переходов для каждой молекулы ВСМ ЬН1 комплекса сверху и изменения расстояний Mg-Mg между всеми парами соседних молекул ВСЫ снизу.

Выводы

1. Первичным продуктом и фотоиндуцированной, и термически активированной реакции цис-транс изомеризации хромофора в родопсине является батородопсин с энергией 16 ккал/моль по отношению к исходному состоянию белка.

2. Впервые исследованный механизм цис-транс изомеризации ретиналя в родопсине при термической активации предполагает бирадикальный характер переходного состояния. Энергия активации составляет 23 ккал/моль.

3. Показана возможность образования частично ионизованных состояний хромофора зеленого флуоресцентного белка, что объясняет наблюдаемые фотоиндуцированные электронодонорные свойства.

4. Превращения в хромофор-содержащей области BLUF домена белка АррА при переходе из рецепторного в сигнальное состояние согласуются с механизмом, при котором происходит таутомеризация и поворот боковой цепи аминокислотного остатка Gln63 с последующей рекомбинацией синглетного бирадикала. Проведена идентификация интермедиатов фотореакции белка АррА.

5. Показано, что передача сигнала из BLUF домена в EAL домен происходит между разными субъединицами димера белка BlrPl, при этом передача сигнала осуществляется через аЗа4 петлю BLUF домена.

6. Показано, что наиболее вероятный сайт связывания ионов кальция светособирающей антенной LH1 бактериальной фотосистемы находится на N-конце петли в спирали ß.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Khrenova M.G., Bochenkova A.V., Nemukhin A.V. Modeling reaction routes from rhodopsin to bathorhodopsin II Proleins 2010. V. 78. P. 614-622.

2. Фельдман Т.Б., Холмуродов X.T., Островский M.A., Хренова М.Г., Немухин A.B. Изучение конформационного состояния хромофорной группы, И-цис-ретиналя, в родопсине методами компьютерного молекулярного моделирования // Биофизика 2009. Т. 54. С. 660-667.

3. Khrenova M.G., Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Krylov A.I., Domratcheva

T.M. Quantum chemistry calculations provide support to the mechanism of the

light-induced structural changes in the flavin-binding photoreceptor proteins И J. Chem. Theory Comput. 2010, V. 6. P. 2293-2302.

4. Khrenova M.G., Domratcheva T.M., Schlichting I., Grigorenko B.L., Nemukhin A.V. Computational Characterization of Reaction Intermediates in the Photocycle of the Sensory Domain of the AppA Blue Light Photoreceptor // Photochem. Photobiol. 2011. V. 87. P. 564-573.

5. Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Поляков И.В., Морозов Д.И., Хренова М.Г. Алгоритмы метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов для моделирования превращений в активных центрах ферментов // Вестник Моск. Ун-та. Сер. Химия 2010. Т. 65. С. 427-429.

6. Khrenova M.G., Domratcheva Т.М., Grigorenko B.L., Nemukhin A.V. Coupling between the BLUF and EAL domains in the blue light-regulated phosphodiesterase BlrPl II J. Mol. Mod. DOI 10.1007/s00894-010-0842-1, опубликовано в интернет издании журнала с 14.09.2010.

7. Хренова М.Г., Григоренко А.В., Немухин А.В. Суперкомпьютеры и квантовая биохимия // Сборник статей "Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности". Москва 2009. С. 176-180.

8. Khrenova M.G., Bochenkova A.V., Nemukhin A.V. Theoretical Characterization of Bathorhodopsin // Molecular Simulation in Material and Biological Research. Nova Science Publishers. 2009. P. 19-27.

9. Grigorenko B.L., Khrenova M.G., Nemukhin A.V., Zhang J.-P. Modeling Structure of the Light Harvesting Complex LH1 from the Bacterial Photosynthetic Center of Thermochromatium tepidum // Molecular Dynamics of Nanobiostructures. Nova Science Publishers. 2011. Chapter 9.

10. Khrenova M.G., Bochenkova A.V., Nemukhin A.V. Computational study of the primary photoproducts of rhodopsin. // Molecular simulation studies in material and biological sciences. 3rJ International Workshop MSSMBS'08. Russia, Dubna 2008. Book of abstracts. P. 21.

11. Хренова М.Г., Боченкова A.B., Немухин А.В. Моделирование процесса цис-транс изомеризации хромофорной группы в родопсине. // VIII ежегодная международная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ. Россия, Москва 2008. Материалы. С. 234-235.

12. Хренова М.Г., Боченкова A.B., Немухин A.B. Первичные интермедиа™ фотоцикла родопсина. // III Всероссийская конференция-школа. Высокоэнергетичные интермедиа™ химических реакций. Chemlnt2008. Россия, Москва 2008. Материалы. С. 89.

13. Хренова М.Г., Боченкова A.B., Грановский A.A., Конюхов С.С., Григоренко Б.Л., Немухин A.B. Моделирование структуры и спектров батородопсина -первичного интермедиата в цикле зрительной рецепции. // Международная конференция «Преобразование энергии света при фотосинтезе». Россия, Пущино 2008. Материалы. С. 127.

14. Хренова М.Г. Моделирование структуры и спектров батородопсина -первичного интермедиата в цикле зрительной рецепции. // XV Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Россия, Москва 2008. Материалы. С. 697.

15. Хренова М.Г., Боченкова A.B., Немухин A.B. Моделирование первичного процесса зрительной рецепции с использованием комбинированного подхода квантовой и молекулярной механики. // бая Всероссийская конференция «Молекулярное моделирование». Россия, Москва 2009. Материалы. С. 40.

16. Хренова М.Г., Боченкова A.B., Немухин A.B. Моделирование фото и термической активации родопсина. // Математика компьютер образование МКО-2009. Россия, Пущино 2009. Материалы. С. 301.

17. Хренова М.Г. Исследование реакции гидролиза циклического димера гуанозинмонофосфата фосфодиэстеразой. // XVI Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Россия, Москва 2009. Электронный ресурс ISBN 978-5-317-02774-2.

18. Khrenova М., Domratcheva Т., Grigorenko В., Schlichting I., Nemukhin A. Molecular mechanism of light-regulated phosphodiesterase activity in BlrPl. // 15th International Congress on Photobiology. Germany, Dusseldorf 2009. Book of abstracts. P. 61.

19. Хренова М.Г., Домрачева T.M., Григоренко Б.Л., Немухин A.B. Изучение механизма передачи сигнала в мультидоменном белке BlrPl. // IX ежегодная международная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ. Россия, Москва 2009. Материалы С. 258-259

20. Хренова М.Г. Домрачева Т.М., Григоренко Б.Л., Немухин A.B. Моделирование реакции гидролиза цикличесого димера гуанозинмонофосфата фосфодиэстеразой каталитического домена белка BlrPl. // Симпозиум «Современная химическая физика». Россия, Туапсе 2009. Материалы. С. 24.

21. Хренова М.Г. Исследование механизма фотовозбуждения BLUF домена белка АррА. // XVTI Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Россия, Москва 2010. Электронный ресурс ISBN 978-5317-03197-8.

22. Хренова М.Г. Исследование механизма фотореакции BLUF доменов фотороцепторных белков. // XXII Симпозиум «Современная химическая физика». Россия, Туапсе 2010. Материалы. С. 88-89.

23. Хренова М.Г. Сайты связывания ионов кальция комплексом LH1 комплексом фотосистемы бактерии Thermochromatium tepidum. II Международный молодежный форум «Ломоносов-2011», секция «Химия». Россия, Москва 2011. Материалы. С. 389.

24. Хренова М.Г., Григоренко Б.Л., Немухин A.B. Электронодонорные свойства зеленого флуоресцентного белка. // 7ая Всероссийская конференция «Молекулярное моделирование». Россия, Москва 2011. Материалы. С. 150.

Подписано в печать 04 мая 2011 г.

Формат 60x90/16

Объём 1,00 п. л.

Тираж 100 экз.

Заказ № 050511355

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт»

ИНН/КПП 7728572912\772801001

Адрес: г. Москва, улица Ивана Бабушкина, д. 19/1.

Тел. 740-76-47, 989-15-83.

http://www.univerprint.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Хренова, Мария Григорьевна

Введение.

1. Современные методы компьютерного моделирования строения и свойств фоторецепторных белков.

1.1. Изучение конформационной подвижности белка и поиск минимумов на поверхностях энергии.

1.2. Поиск равновесных геометрических параметров.

1.2.1. Комбинированный подход квантовой и молекулярной механики.

1.2.2. Методы описания молекулярно-механической подсистемы.

1.2.3. Методы описания квантовой подсистемы.

1.3. Расчёт электронных спектров.

1.4. Расчёт колебательных спектров.

2. Реакция цис-транс изомеризации хромофорной группы в родопсине.

2.1. Анализ литературных данных.

2.2. Структуры и свойства родопсина и батородопсина.

2.2.1 Структура батородопсина.

2.2.2. Энергия вертикального 80—81 перехода.

2.2.4. Колебательные спектры родопсина и батородопсина.

2.2.5. Термодинамические параметры перехода ЯНО - ВАТНО.

2.3. Реакция изомеризации при термической активации.

3. Фотоиндуцированные электронодонорные свойства зеленого флуоресцентного белка.

3.1. СТТБ-подобные состояния в кластерных моделях.

3.2. Влияние водородных связей с фенильным фрагментом хромофора на его электронные свойства.

4. Изучение фотореакции в ВИШ доменах.

4.1. Рецепторное и сигнальное состояния ВЬиР домена белка АррА.

4.1.1. Анализ литературных данных.

4.1.2. Структуры сигнального и рецепторного состояний, полученные методом КМ/ММ.!.

4.1.3. Особенности динамики рецепторного состояния.

4.2. Механизм фотореакции в ВШР домене.

4.2.1. Анализ литературных данных.

4.2.2. Полученный механизм.

4.3. Точечные мутации в BLUF домене белка АррА.

4.4. Методический аспект.

5. Изучение путей передачи сигнала в белке BlrPl.

5.1. Нативная форма белка BlrPl.

5.2. Мутанты белка BlrPl.

6. Бактериальная светособирающая антенна LH1.

Выводы.

Введение диссертация по химии, на тему "Механизмы реакций в фоторецепторных белках по результатам расчетов структуры и спектров модельных молекулярных систем"

Множество процессов в живых системах, происходящих при фотовозбуждении белков, лежат в основе таких явлений, как фотосинтез, передача нервных импульсов, регулирование биохимических реакций. Работа посвящена моделированию свойств ряда фоторецепторных белков с различными хромофорными группами. В случае ретиналя в родопсине в результате взаимодействия со светом происходит цис-транс изомеризация хромофора. Во флавин-содержащих белках изменения претерпевает локальное окружение хромофора с формированием новых межмолекулярных связей. При действии света на зеленый флуоресцентный белок происходит переход из одной протонированной формы хромофора в другую. Изменение оптических свойств комплексов светособирающих антенн в бактериальных фотосистемах, в частности, связано с изменением взаимного расположения хромофорных молекул бактерохлорофилла в белке.

Фотовозбуждение биомолекулярных систем приводит к каскаду реакций, часть из которых происходят на возбужденных поверхностях потенциальной энергии (1111Э), после чего система переходит в основное электронное состояние, где и продолжается процесс. Поэтому значительный вклад в изучение фоторецепторных белков можно внести, исследуя поведение системы на ППЭ основного электронного состояния и анализируя интермедиаты фотохимических реакций методами молекулярного моделирования.

Цель работы — прогнозирование механизмов реакций, проходящих в фоторецепторных белках, основываясь на анализе структуры и свойств модельных молекулярных систем в основном электронном состоянии. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

2. Анализ состояний с переносом заряда с хромофора на белковую матрицу зеленого флуоресцирующего белка.

4. Установление механизма передачи сигнала из фоторецепторного домена BLUF в каталитический домен EAL белка BlrPl.

Научная новизна результатов:

Пущино 2009), 15-й международной конференции по фотобиологии (Германия 2009), Симпозиумах «Современная химическая физика» (Туапсе 2009, 2010), международном форуме по нанотехнологиям (Москва 2010), III Всероссийской конференции-школе «Высокоэнергетичные интермедиаты химических реакций. СЬеш1п12008» (Москва 2008).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы из 119 наименований. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста и включает 51 рисунок и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме "Математическая и квантовая химия"

Выводы

4. Превращения в хромофор-содержащей области ВЫЛ7 домена белка АррА при переходе из рецепторного в сигнальное состояние согласуются с механизмом, при котором происходит таутомеризация и поворот боковой цепи аминокислотного остатка С1п63 с последующей рекомбинацией синглетного бирадикала. Проведена идентификация интермедиатов фотореакции белка АррА.

5. Показано, что передача сигнала из ВЫЛ7 домена в ЕАЬ домен происходит между разными субъединицами димера белка В1гР1, при этом передача сигнала осуществляется через аЗа4 петлю ВЫЛ7 домена.

6. Показано, что наиболее вероятный сайт связывания ионов кальция светособирающей антенной ЬН1 бактериальной фотосистемы находится на И-конце петли в спирали (3.

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата физико-математических наук, Хренова, Мария Григорьевна, Москва

1. Jensen F. 1.troduction to Computational Chemistry. John Wiley & Sons Ltd. 2007.619 р.

2. Phillips J., Braun R., Wang W., Gumbart J., Tajkhorshid E., Villa E., Chipot C., Skeel R., Kale L., Schulten K. Scalable molecular dynamics with NAMD // J. Comput. Chem. 2005. V. 26. P. 1781-1802.

3. Нолъде Д.Е., Волынский П.Е., Арсенъев А.С., Ефремов Р.Г. Моделирование пептидов и белков в мембранном окружении. I. Модель сольватации, имитирующая липидный бислой // Биоорг. химия 2000. Т. 26. С. 130-140.

4. Волынский П.Е., Нолъде Д.Е., Арсенъев А.С., Ефремов Р.Г. Моделирование пептидов и белков в мембранном окружении. II. Структурные и энергетические аспекты гликофорина А в бислое // Биоорг. химия 2000. Т. 26.1. C. 163-172.

5. Cornell W., CieplakP., Bayly С., Gould I., MerzK., Ferguson D., Spellmeyer

6. D., Fox Т., Caldwell J., Kollman P. A second generation force field for the simulation of proteins, nucleic acids, and organic molecules // J. Am. Chem. Soc. 1995. V. 117. P. 5179-5197.

7. Wang J., Wang W., Kollman P. A., Case D. A. Automatic atom type and bond type perception in molecular mechanical calculations // J. Mol. Graph. Model. 2006. V. 25. P. 247-260.

8. Wang J., WolfR., Caldwell J., Kollman P., Case D. Development and testing of a general amber force field II J. Comput. Chem. 2004. V. 25. P. 1157-1174.

9. Warshel A., Levitt M. Theoretical studies of enzymic reactions: dielectric, electrostatic and steric stabilization of the carbonium ion in the reaction of lysozyme II J. Mol. Biol. 1976. V. 103. P. 227-249.

10. Bakowies D., Thiel W. Hybrid Models for Combined Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Approaches II J. Phys. Chem. 1996. V. 100. P. 1058010594.

11. Rosta E., Klahn M., Warshel A. Towards Accurate Ab Initio QM/MM Calculations of Free-Energy Profiles of Enzymatic Reactions // J. Phys. Chem. B 2006. V. 110. P. 2934-2941.

12. Lin II., Truhlar D. QM/MM: what have we learned, where are we, and where do we go from here? // Theor. Chem. Acc. 2007. V. 117. P. 185-199.

13. Day P., Jensen J., Gordon M., Webb S., Stevens W., Krauss M., Garmer D., Basch H., Cohen D. An effective fragment method for modeling solvent effects in quantum mechanical calculations II J. Chem. Phys. 1996. V. 105. P. 1968-1986.

14. Gordon M.S., Freitag M.A., Bandyopadhyay P., Jensen J.H., Kairys V., Stevens W.J. The Effective Fragment Potential Method: A QM-Based MM Approach to Modeling Environmental Effects in Chemistry // J. Phys. Chem. A 2001. V. 105. P. 293-307.

15. Nemukhin A.V., Grigorenk, B.L., Topol I.A., Burt S.K. Flexible effective fragment QM/MM method: Validation through the challenging tests // J. Comput. Chem. 2003. V. 24. P. 1410-1420.

16. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Topol LA., Burt S.K. Modeling of Biomolecular Systems with the Quantum Mechanical and Molecular Mechanical

17. Method Based on the Effective Fragment Potential Technique: Proposal of Flexible Fragments И J. Phys. Chem. A 2002. V. 106. P. 10663-10672.

18. Koch W., Holthausen M.C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory // Wiley-VCH. 2001. 306 p.

19. Adamo С., Barone V. Toward reliable density functional methods without adjustable parameters: The РВЕ0 model // J. Chem. Phys. 1999. V. 110. P. 61586170.

20. Stephens P.J. Devlin F.J. Chabalowski C.F. Frisch M.J. Ab Initio Calculation of Vibrational Absorption and Circular Dichroism Spectra Using Density Functional Force Fields // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. P. 11623-11627.

21. Grafenstein J., Kraka E., Filatov M., Cremer D. Can Unrestricted Density-Functional Theory Describe Open Shell Singlet Biradicals? // Int. J. Mol. Sci. 2002. V. 3. P. 360-394.

22. Hollas J. M. Modern Spectroscopy // John Wiley & Sons, Ltd 2004. 483 p.

23. Медведев Э.С., Ошеров, В.В. Теория безызлучательных переходов в многоатомных молекулах. Москва: Наука. 280 с.

24. Foresman J.B., Head-Gordon М., Pople J.A., Frisch M.J. Toward a systematic molecular orbital theory for excited states // J. Phys. Chem. 1992. V. 96. P. 135-149.

25. Distasio R. A., Head-Gordon M. Optimized spin-component scaled second-order Moller-Plesset perturbation theory for intermolecular interaction energies // Molecular Physics 2007. V. 105. P. 1073-1083.

26. Grimme S. Improved second-order Moller-Plesset perturbation theory by separate scaling of parallel-and antiparallel-spin pair correlation energies // J. Chem. Phys. 2003. V. 118. P. 9095-9102.

27. Rhee Y. M., Head-Gordon M. Scaled Second-Order Perturbation Corrections to Configuration Interaction Singles: Efficient and Reliable Excitation Energy Methods II J. Phys. Chem. A 2007. V. 111. P. 5314^-5326.

28. Nakano H., Uchiyama R., Hirao K. Quasi-degenerate perturbation theory with general multiconfiguration self-consistent field reference functions // J. Comput. Chem. 2002. V. 23. P. 1166-1175.

29. Chai J., Head-Gordon M. Systematic optimization of long-range corrected hybrid density functional И J. Chem. Phys 2008. V. 128. P. 084016(1)-084106(15).

30. Zerner M. C. Semiempirical Molecular Orbital Methods // Rev. Сотр. Chem. 1990. V. 2. P. 313-365.

31. Li H., Jensen J.H. Partial Hessian vibrational analysis: the localization of the molecular vibrational energy and entropy // Theor. Chem. Acc. 2002. V. 107. P. 211-219.

32. Голъдстейн Г. Классическая механика Москва: Наука. 1975. 409 с.

33. Head J. D. Computation of vibrational frequencies for adsorbates on surfaces Hint. J. Quantum Chem. 1997. V. 65. P. 827-838.

34. Немухин A.B., Григоренко Б.Л., Грановский A.A. Молекулярное моделирование с программой PC GAMESS: от двухатомных молекул до ферментов // Вестник Моск. Ун-та, Сер. Химия 2004. Т. 45. С. 75-102.

35. Computational Chemistry Package for Parallel Computers, Version 5.0, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 99352-0999, USA. 2006.37. http://www.thch.uni-bonn.de/tc/orca/

36. Островский M. А. Молекулярные механизмы, повреждающего действия света на структуры глаза и системы защиты от такого повреждения. // Успехи биол. хим. 2005. V. 45. Р. 173-204.

37. Kandori Н., Shichida Y, Yoshizawa Т. Photoisomerization in rhodopsin. // Biochemistry (Moscow) 2001. V. 66. P. 1197-1209.

38. Kandori H., Shichida Y., Yoshizawa T. Absolute absorption spectra ofbatho-and photorhodopsins at room temperature. Picosecond laser photolysis of rhodopsin in polyacrylamide // Biophys. J. 1989. V. 56. P. 453-457.

39. Shichida Y., Matuoka S., Yoshizawa T. Formation of photorhodopsin, a precursor of bathorhodopsin, detected by a picosecond laser photolysis at room temperature. // Photobiochem. Photobiophys. 1984. V. 7. P. 221-228.

40. Kukura P., McCamant D.W., Yoon S., Wandschneider D., Mathies R.A. Structural Observation of the Primary Isomerization in Vision with Femtosecond-Stimulated Raman // Science 2005. V. 310. P. 1006-1009.

41. Loppnow G.R., Mathies R.A. Excited-state structure and isomerization dynamics of the retinal chromophore in rhodopsin from resonance Raman intensities // Biophys. J. 1988. V. 54. P. 35-43.

42. Peteanu L.A., Schoenlein R. W., Wang Q., Mathies R.A., Shank C. V. The first step in vision occurs in femtoseconds: complete blue and red spectral studies // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1993. V. 90. P. 11762-11766.

43. Jager F., Ujj L., Atkinson G.H. Vibrational Spectrum of Bathorhodopsin in the Room-Temperature Rhodopsin Photoreaction // J. Am. Chem. Soc. 1997. V. 119. P.12610-12618.

44. Nakamichi H., Okada T. Local peptide movement in the photoreaction intermediate of rhodopsin II Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006. V. 103. P. 1272912734.

45. Nakamichi H., Okada T. Crystallographic Analysis of Primary Visual Photochemistry // Angew. Chem. Int. Ed. 2006. V. 45. P. 4270-4273.

46. Ala-Laurila P., Donner K., Koskelainen A. Thermal Activation and Photoactivation of Visual Pigments II Biophys. J. 2004. V. 86. P. 3653-3663.

47. Cooper A. Energy uptake in the first step of visual excitation // Nature 1979. V. 282. P. 531-533.

48. Boucher F., Leblanc R.M. Energy stirage in the primary photoreaetion of bovine rhodopsin. A photoacoustic study // Photochem. Photobiol. 1985. V. 41. P. 459—465.

49. Andruniow T., Ferre N., Olivucci M. Structure, initial excited-state relaxation, and energy storage of rhodopsin resolved at the multiconflgurational perturbation theory level // Proc. Natl. Acad. Set U.S.A. 2004. V. 101. P. 17908 -17913.

50. Frutos L.M., Andruniow T., Santoro, F., Ferre N., Olivucci M. Tracking the excited-state time evolution of the visual pigment with multiconflgurational quantum chemistry // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007. V. 104. P. 7764-1769.

51. Strambi A., Coto P.B., Frutos L.M., Ferre N., Olivucci M. Relationship between the Excited State Relaxation Paths of Rhodopsin and Isorhodopsin // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 3382-3388.

52. Gascon J.A., Batista V.S. QM/MM Study of Energy Storage and Molecular Rearrangements Due to the Primary Event in Vision // Biophys. J. 2004. V. 87. P. 2931-2941.

53. Gascon J.A., Sproviero E.M., Batista V.S. Computational Studies of the Primary Phototransduction Event in Visual Rhodopsin // Acc. Chem. Res. 2006. V. 39. P. 184-193.

54. Schreiber M., Sugihara M., Okada T., Buss V. Quantum Mechanical Studies on the Crystallographic Model of Bathorhodopsin // Angew. Chem. Int. Ed. 2006. V. 45. P. 4274-4277.

55. Bravaya K., Bochenkova A., Granovsky A., Nemukhin A. An Opsin Shift in Rhodopsin: Retinal So-Sj Excitation in Protein, in Solution, and in the Gas Phase // J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. P. 13035-13042.

56. Birge R.R., Cooper T.M. Energy storage in the primary step of the photocycle of bacteriorhodopsin // Biophys. J. 1983. V. 42. P. 61-69.

57. Tsien R.Y. The green fluorescent protein // Annu. Rev. Biochem. 1998. V. 67. P. 509-544.

58. Zimmer M. Green Fluorescent Protein GFP: Applications, Structure, and Related Photophysical Behavior // Chemical Reviews 2002. V. 102. P. 759-782.

59. Wang Y., Shyy J.Y.-J., Chien S. Fluorescence Proteins, Live-Cell Imaging, and Mechanobiology: Seeing Is Believing // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2008. V. 10. P. 1-38.

60. Bogdanov A.M., Mishin A.S., Yampolsky I.V., Belousov V.V., Chudakov D.M., Subach F.V., Verkhusha V.V., Lukyanov S., Lukyanov K.A. Green fluorescent proteins are light-induced electron donors // Nat. Chem. Biol. 2009. V. 5. P. 459461.

61. Blandamer M.J., Fox M.F. Theory and applications of charge-transfer-to-solvent spectra // Chem. Rev. 1970. V. 70. P. 59-93.

62. Bradforth S.E., Jungwirth P. Excited States of Iodide Anions in Water: A Comparison of the Electronic Structure in Clusters and in Bulk Solution // J. Phys. Chem. A 2002. V. 106. P. 1286-1298.

63. Simons J. Molecular Anions II J. Phys. Chem. A 2008. V. 112. P. 6401-6511.

64. Sobolewski A.L., Domcke W. Computational studies of aqueous-phase photochemistry and the hydrated electron in finite-size clusters // Phys. Chetn. Chem. Phys. 2007. V. 9. P. 3818.

65. Feng D.-F., Kevan L. Theoretical models for solvated electrons // Chemical Reviews 1980. V. 80. P. 1-20.

66. Jacobson L.D., Herbert J.M. Polarization-Bound Quasi-Continuum States Are Responsible for the Blue Tail in the Optical Absorption Spectrum of the Aqueous Electron // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 10000-10002.

67. Grigorenko B., Savitsky A., Topol I., Burt S., Nemukhin A. Ground-State Structures and Vertical Excitations for the Kindling Fluorescent Protein asFP595 // J. Phys. Chem. B 2006. V. 110. P. 18635-18640.

68. Gomelsky M., Klug G. BLUF: a novel FAD-binding domain involved in sensory transduction in microorganisms // Trends Biochem. Sci. 2002. V. 27. P. 497500.

69. Gomelsky M., Kaplan S. AppA, a novel gene encoding a trans-acting factor involved in the regulation of photosynthesis gene expression in Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 II J. Bacteriol 1995. V. 177. P. 4609^1618.

70. Masuda, S., Bauer, C. E. AppA Is a Blue Light Photoreceptor that Antirepresses Photosynthesis Gene Expression in Rhodobacter sphaeroides // Cell 2002. V. 110. P. 613-623.

71. Masuda S., Hasegawa K., Ono T. Light-Induced Structural Changes of Apoprotein and Chromophore in the Sensor of Blue Light Using FAD (BLUF) Domain of AppA for a Signaling State // Biochemistry 2005. V. 44. P. 1215-1224.

72. Anderson S., Dragnea V., Masuda S., Ybe J., Moffat K., Bauer C. Structure of a Novel Photoreceptor, the BLUF Domain of AppA from Rhodobacter sphaeroides II Biochemistry 2005. V. 44. P. 7998-8005.

73. Obanayama K., Kobayashi H., Fukushima K., Sakurai M. Structures of the Chromophore Binding Sites in BLUF Domains as Studied by Molecular Dynamics and Quantum Chemical Calculations // Photochem. Photobiol. 2008. V. 84. P. 1003-1010.

74. Sadeghian K., Bocola M., Schutz M. A Conclusive Mechanism of the Photoinduced Reaction Cascade in Blue Light Using Flavin Photoreceptors // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 12501-12513.

75. Grinstead J.S., Avila-Perez M., Hellingwerf K.J., Boelens R., Kaptein R. Light-Induced Flipping of a Conserved Glutamine Sidechain and Its Orientation in the AppA BLUF Domain // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. P. 15066-15067.

76. Grinstead, J. S., Hsu S.T., Laan W., Bonvin A. M. Hellingwerf K.J., Boelens R., Kaptein R. The Solution Structure of the AppA BLUF Domain: Insight into the Mechanism of Light-Induced Signaling // ChemBioChem 2006. V. 7. P. 187-193.

77. Laan W., Gauden M., Yeremenko S., van Grondelle R., Kennis J.T.M., Hellingwerf K.J. On the Mechanism of Activation of the BLUF Domain of AppA // Biochemistry 2006. V. 45. P. 51-60.

78. Domratcheva T., Grigorenko B.L., Schlichting I., Nemukhin A. V. Molecular Models Predict Light-Induced Glutamine Tautomerization in BLUF Photoreceptors II Biophys. J. 2008. V. 94. P. 3872-3879.

79. Wu Q., Gardner K.H. Structure and Insight into Blue Light-Induced Changes in the BlrPl BLUF Domain II Biochemistry 2009. V. 48. P. 2620-2629.

80. Dragnea V., Waegele M., Balascuta S., Bauer C., Dragnea B. Time-Resolved Spectroscopic Studies of the AppA Blue-Light Receptor BLUF Domain from Rhodobacter sphaeroides II Biochemistry 2005. V. 44. P. 15978-15985.

81. Dragnea V., Arunkumar A.I., Yuan H., Giedroc D.P., Bauer C.E. Spectroscopic Studies of the AppA BLUF Domain from Rhodobacter sphaeroides:

82. Addressing Movement of Tryptophan 104 in the Signaling State // Biochemistry 2009. V. 48. P. 9969-9979.

83. Unno M., Sano R., Masuda S., Ono T., Yamauchi S. Light-Induced Structural Changes in the Active Site of the BLUF Domain in AppA by Raman Spectroscopy // J. Phys. Chem. B 2005. V. 109. P. 12620-12626.

84. Jung A., Reinstein J., Domratcheva T., Shoeman R.L., Schlichting I. Crystal Structures of the AppA BLUF Domain Photoreceptor Provide Insights into Blue Light-mediated Signal Transduction // J. Mol. Biol. 2006. V. 362. P. 717-732.

85. Udvarhelyi A., Domratcheva T. Photoreaction in BLUF Receptors: Protoncoupled Electron Transfer in the Flavin-Gln-Tyr System // Photochem. Photobiol. DOI: 10.1111/j. 1751-1097.2010.00884.x.

86. Nagai H., Fukushima Y., Okajima K, Ikeuchi M., Mino H. Formation of Interacting Spins on Flavosemiquinone and Tyrosine Radical in Photoreaction of a Blue Light Sensor BLUF Protein TePixDBT) // Biochemistry 2008. V. 47. P. 1257412582.

87. Gauden M., van Stokkum I.H. Key J. M., Luhrs D.C., van Grondelle R., Hegemann P., Kennis J.T.M. Hydrogen-bond switching through a radical pair mechanism in a flavin-binding photoreceptor // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006. V. 103. P. 10895-10900.

88. Dragnea V., Arunkumar A.I., Lee C. W., Giedroc D.P., Bauer C.E. A Q63E Rhodobacter sphaeroides AppA BLUF Domain Mutant Is Locked in a Pseudo-Light-Excited Signaling State // Biochemistry 2010. V. 49. P. 10682-10690.

89. Jenal U., Malone J. Mechanisms of cyclic-di-GMP signaling in bacteria // Annu. Rev. Genet. 2006. V. 40. P. 385^107.

90. Tarutina M., Ryjenkov D.A., Gomelsky M. An unorthodox bacteriophytochrome from Rhodobacter sphaeroides involved in turnover of the second messenger c-di-GMP II J. Biol. Chem. 2006. V. 281. P. 34751-34758.

91. Romling U., Amikam D. Cyclic di-GMP as a second messenger // Curr. Opin. Microbiol. 2006. V. 9. P. 218-228.

92. Cotter P.A., Stibitz S. c-di-GMP-mediated regulation of virulence and biofilm formation // Curr. Opin. Microbiol. 2007. V. 10. P. 17-23.

93. Romling U., Gomelsky M., Galperin M. Y. C-di-GMP: the dawning of a novel bacterial signalling system // Mol. Microbiol. 2005. V. 57. P. 629-639.

94. Hoffman L.R., D'Argenio D.A., MacCoss M.J., Zhang Z., Jones R.A., Miller S.I. Aminoglycoside antibiotics induce bacterial biofilm formation // Nature 2005. V. 436. P. 1171-1175.

95. Schmidt A.J., Ryjenkov D.A., Gomelsky M. The ubiquitous protein domain EAL is a cyclic diguanylate-speciflc phosphodiesterase: enzymatically active and inactive EAL domains II J. Bacteriol. 2005. V. 187. P. 4774-4781.

96. Rao F., Yang Y., Qi Y., Liang Z.X. Catalytic mechanism of cyclic di-GMP-specific phosphodiesterase: a study of the EAL domain-containing RocR from Pseudomonas aeruginosa // J. Bacteriol. 2008. V. 190. P. 3622-3631.

97. McDonald I.K., Thornton J.M. Satisfying Hydrogen Bonding Potential in Proteins // J. Mol. Biol. 1994. V. 238. P. 777-793.

98. Torshin I. Y., Weber I. T., Harrison R. W. Geometric criteria of hydrogen bonds in proteins and identification of'bifurcated' hydrogen bonds I I Protein Eng. 2002. V. 15. P. 359-363.

99. Fabiola F., Bertram R., Korostelev A., Chapman, M. S. An improved hydrogen bond potential: Impact on medium resolution protein structures // Protein Sci. 2002. V. 11. P. 1415-1423.

100. Aakeroy C.B., Evans T.A., Seddon K.R., Palinko I. The C—H . CI hydrogen bond: does it exist? // New J. Chem. 1999. V. 23. P. 145-152.

101. Rao F., Qi Y., Chong H.S., Kotaka M., Li B., Li J., Lescar J., Tang K, Liang Z.X. The functional role of a conserved loop in EAL domain-based cyclic di-GMP-specific phosphodiesterase II J. Bacteriol. 2009. V. 191. P. 4722-4731.

102. Roszak A.W., Howard T.D., Southall J., Gardiner A.T., Law C.J., Isaacs N.W., Cogdell R.J. Crystal structure of the RC-LH1 core complex from Rhodopseudomonas palustris II Science 2003. V. 302. P. 1969-1972.

103. Madigan M.T. Anoxygenie phototrophic bacteria from extreme environments II Photosyn. Res. 2003. V. 76. P. 157-171.

104. Ma F., Kimura Y, Zhao X.H., Wu Y.S., Wang P., Fu L.M., Wang Z. Y., Zhang, J. P. Excitation dynamics of two spectral forms of the core complexes fromphotosynthetic bacterium Thermochromatium tepidum // Biophys. J. 2008. V. 95. P. 3349-3357.

105. Григоренко Б., Немухин А., Жан Ж.-П., Ванг П. Моделирование связывания кальция в светособирающем комплексе фотосинтетического центра бактерий // Вестник Моск. Ун-та, Сер. Химия 2011. Т. 52. С.99-101.

106. Основные публикации по теме диссертации

107. Khrenova M.G., Bochenkova A.V., Nemukliin A.V. Modeling reaction routes from rhodopsin to bathorhodopsin // Proteins 2010. V. 78. P. 614-622.

108. Фельдман Т.Б., Холмуродов X.T., Островский M.A., Хренова М.Г., Немухин А.В. Изучение конформационного состояния хромофорной группы, 11-*<ис-ретиналя, в родопсине методами компьютерного молекулярного моделирования // Биофизика 2009. Т. 54. С. 660-667.

109. Хренова М.Г., Григоренко А.В., Немухин А.В. Суперкомпьютеры и квантовая биохимия // Сборник статей "Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности". Москва 2009. С. 176-180.

110. Khrenova M.G., Bochenkova A.V., Nemukhin A.V. Theoretical Characterization of Bathorhodopsin // Molecular Simulation in Material and Biological Research. Nova Science Publishers. 2009. P. 19-27.

111. Хренова М.Г., Боченкова A.B., Немухин A.B. Моделирование процесса цис-транс изомеризации хромофорной группы в родопсине. // VIII ежегодная международная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ. Россия, Москва 2008. Материалы. С. 234-235.

112. Хренова М.Г., Боченкова А.В., Немухин А.В. Первичные интермедиаты фотоцикла родопсина. // III Всероссийская конференция-школа. Высокоэнергетичные интермедиаты химических реакций. Chemlnt2008. Россия, Москва 2008. Материалы. С. 89.

113. Хренова М.Г. Моделирование структуры и спектров батородопсина — первичного интермедиата в цикле зрительной рецепции. // XV Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Россия, Москва 2008. Материалы. С. 697.

114. Хренова М.Г., Боченкова А.В., Немухин А.В. Моделирование фото и термической активации родопсина. // Математика компьютер образование МКО-2009. Россия, Пущино 2009. Материалы. С. 301.

115. Хренова М.Г. Исследование реакции гидролиза циклического димера гуанозинмонофосфата фосфодиэстеразой. // XVI Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Россия, Москва 2009. Электронный ресурс ISBN 978-5-317-02774-2.

116. Khrenova М., Domratcheva Т., Grigorenko В., Schlichting I., Nemukhin A. Molecular mechanism of light-regulated phosphodiesterase activity in BlrPl. // 15th International Congress on Photobiology. Germany, Dusseldorf 2009. Book of abstracts. P. 61.

117. Хренова М.Г., Домрачева T.M., Григоренко Б.Л., Немухин А.В. Изучение механизма передачи сигнала в мультидоменном белке BlrPl. // IX ежегодная международная конференция ИБХФ РАН-ВУЗЫ. Россия, Москва 2009. Материалы С. 258-259

118. Хренова М.Г. Исследование механизма фотовозбуждения BLUF домена белка АррА. // XVII Международная конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Россия, Москва 2010. Электронный ресурс ISBN 978-5-317-03197-8.

119. Хренова М.Г. Исследование механизма фотореакции BLUF доменов фотороцепторных белков. // XXII Симпозиум «Современная химическая физика». Россия, Туапсе 2010. Материалы. С. 88-89.

120. Хренова М.Г. Сайты связывания ионов кальция комплексом LH1 комплексом фотосистемы бактерии Thermochromatium tepidum. II Международный молодежный форум «Ломоносов-2011», секция «Химия». Россия, Москва 2011. Материалы. С. 389.

121. Хренова М.Г., Григоренко Б.Л., Немухин A.B. Электронодонорные свойства зеленого флуоресцентного белка. // 7ая Всероссийская конференция «Молекулярное моделирование». Россия, Москва 2011. Материалы. С. 150.1. Благодарности

122. Автор благодарит д.ф.-м.н. Григоренко Б.Л., доц. к.ф.-м.н. Боченкову А.В., доц. к.ф.-м.н. Ермилова А.Ю., проф. Крылову А.И., к.х.н. Домрачеву Т.Н., к.ф.-м.н. Бравую К.Б., а также других соавторов публикаций за помощь в проведении работы.