Расчет траекторий молекулярной динамики и их анализ для
выявления влияния точечных мутаций на функциональную
динамическую структуру глицеральдегид-3-фосфат
дегидрогеназы
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6
1.1 Метод исследования 6
1.2 Принципы метода МД 6
1.3 Физические основы метода молекулярной динамики 9
1.3.1 Что такое молекулярная динамика 9
1.4 Граничные условия 18
1.5 Температура и термостаты 20
1.6 Численное интегрирование. Метод Верле 22
ГЛАВА 2 ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ НА КЛАСТЕРАХ 25
ГЛАВА 3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 29
3.1 Подготовка к работе 29
3.2 Работа с программным пакетом GROMACS 31
3.3 Описание команд для получения траекторий 32
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ 34
4.1 Анализ RMSD 34
4.2 Метод Главных Компонент 35
4.3 Мономер ГАФД. Метод главных компонент 37
4.4 Анализ среднеквадратичных флуктуаций остатков в тетрамере ГАФД .... 41
4.5 Мутант D237N ГАФД. Анализ среднеквадратичных флуктуаций 43
4.6 Мутант D237N ГАФД. Анализ коллективных движений методом PCA ... 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
ЛИТЕРАТУРА 47
Однажды Фридрих Энгельс сказал, “Жизнь есть способ существования белковых тел”. Это высказывание действительно справедливо. В XX веке в связи с активным ростом новых технологий, человеку открылась возможность исследовать мельчайшие, но от того не менее важные структуры в организме человека - белки. Белки представляют из себя высокомолекулярные вещества соединенные пептидной связью. В организмах живой природы белков невероятное множество и каждый наделен определенными функциями. Так, изучая тот или иной белок, можно говорить какие функции он выполняет в организме. Особенно важны белок-белковые взаимодействия, поскольку они задействованы практически во всех аспектах функционирования организмов, в том числе и в патологических состояниях.
Глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа (ГАФД) -
многофункциональный фермент, задействованный в широком спектре функций живой клетки, в том числе репарации ДНК, апоптозе (явление программируемой клеточной смерти) и многих других клеточных процессах. Повышенная экспрессия тканеспецифичной ГАФД связана с рядом неизлечимых заболеваний. Таким образом, вовлеченность ГАФД в развитие патологических состояний делает его перспективной мишенью в комплексной терапии ряда заболеваний. Возможность регуляции активности фермента открывает пути для разработки новых стратегий лечения этих заболеваний. Однако, что рационального дизайна ингибиторов белка необходимо детальное понимание динамической структуры ГАФД.
Целью данной работы является выяснение функциональной связи между отдаленными участками структуры ГАФД и определение влияния точечной мутации D237N на внутримолекулярную динамику белка.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Ознакомиться с основами метода молекулярной динамики (МД)
2. Ознакомиться с принципом параллельных вычислений на кластерах для ускорения расчетов траекторий МД.
3. Рассчитать траектории МД для мономера и тетрамера ГАФД дикого типа и его мутанта D237N.
4. Проанализировать связанность отдаленных участков белковой структуры методом PCA (метод главных компонент) мономера ГАФД.
5. Проанализировать изменения внутримолекулярной
динамики ГАФД при его олигомеризации на основании сравнения RMSF (средне квадратичных флуктуаций) мономера и тетрамера ГАФД.
6. Проанализировать изменения внутримолекулярной
динамики ГАФД при введении точечных мутаций на основании сравнения RMSF (среднеквадратичных флуктуаций) мономера и тетрамера ГАФД.
1. Методом главных компонент показано, что в мономере ГАФД происходит коррелированное движение участков вторичных структур в области активного центра белка, а также отдельных областей межсубъединичных контактов в тетрамере.
2. При олигомеризации происходит асимметричное изменение внутримолекулярной динамики белка, особенно изменения выражены в R субъединице.
3. Точечная мутация D327N нарушает динамику остатков белка, включая отдаленные от места мутации зоны. При этом увеличивается общая подвижность остатков, особенно в периферийных областях.
