ВВЕДЕНИЕ 3
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6
1.2 Метод исследования 6
1.3 Описание классического метода молекулярной динамики 6
1.3.1 Уравнения движения 7
1.3.2 Выбор интервала дискретизации 9
1.3.3 Интегрирование уравнений движения, алгоритм Верле 10
1.3.4 Алгоритм Верле в скоростной форме 11
1.3.5 Граничные условия 11
1.3.6 Статистические ансамбли 14
1.3.7 Термостаты и Баростаты 15
1.3.8 Силы и ускорения частиц 19
1.3.9 Потенциалы взаимодействия 21
1.3.10 Потенциал Леннард - Джонса 24
1.3.11 Потенциал Джугутова 25
1.3.12 Потенциал Стиллинжера - Вебера 26
2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 28
2.1 Подготовка к работе 28
2.2 Работа с программным пакетом GROMACS 30
2.3 Описание команд для получения траекторий 32
2.4 Расчеты на кластерах суперкомпьютера «Ломоносов» 33
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 34
3.1 Анализ траекторий мономера ГАФД 34
3.2 Анализ траекторий димера ГАФД 39
3.3 Анализ траекторий тетрамера ГАФД 41
ВЫВОДЫ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 44
В основе многих процессов, протекающих в клетке, лежат белок- белковые взаимодействия. Эти взаимодействия и их роль в регуляции жизнедеятельности клетки известны достаточно хорошо, однако часто открывается новая информация о новых процессах, в которых принимают участие белок-белковые взаимодействия. Поскольку большое количество патологических заболеваний связаны с нарушением функций белков, детальное исследование их структуры и динамики, лежащих в основе нормального функционирования белков, представляет большой практический интерес.
Глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа (ГАФД)- фермент гликолиза, катализирующий окислительное фосфорилирование глицеральдегид-3-фосфата в 1,3-дифосфоглицерат, сопряженное с восстановлением НАД+ до НАДН. Было установлено, что этот белок также задействован в ряде клеточных процессов, в том числе репарации ДНК и апоптозе [1]. Однако, играя важную роль в жизнедеятельности клетки, избыточная экспрессия ГАФД связана также и с некоторыми заболеваниями, которые, на данный момент, всё ещё являются неизлечимыми, например, некоторыми формами рака [2]. Данную проблему могут решить новые подходы к регуляции активности этого белка, которые заложат фундамент для разработки эффективных методов лечения данных заболеваний. На сегодняшний день полного понимания взаимосвязи между структурой ГАФД и её физико-химическими свойствами, еще не достигнуто.
ГАФД состоит из четырех идентичных субъединиц, состоящих из 335 аминокислотных остатков. Исторически сложилось так, что субъединицы были названы буквами латинского алфавита: O, P, Q, КСогласно
кристаллографическим данным, каждая субъединица человеческого ГАФД включает два домена: каталитический и NAD-связывающий. В природе данный белок не встречается ни в форме мономера, ни в форме димера. Однако, путем дестабилизации межмолекулярных контактов (путем сайт-направленного мутагенеза [3] и иммобилизации на гидрофобной подложке [4]) исследователям удалось синтезировать мономеры и димеры ГАФД и изучить их свойства. Оказалось, что мономер и все димеры сохраняют активность, а вот явление кооперативности сохраняется только у димера OP [3]. Под кооперативностью понимается следующее: при связывании лиганда активным центром одной из субъединиц, афинность других его субъединиц к лиганду меняется. При этом связывание лиганда может либо возрастать (положительный кооперативный эффект) или убывать (отрицательный кооперативный эффект). Наиболее ярким примером положительного кооперативного эффекта может служить связывание кислорода гемоглобином. Причина неэквивалентности субъединиц ГАФД по связыванию лигандов в активном центре при условии их структурной эквивалентности до сих пор не ясна. Какова роль тетрамеризации ГАФД? Именно кооперативность, проявляющаяся в тетрамере и димере, может являться ключом к управлению активности белка и созданию лекарственных препаратов.
Целью моей работы было установить влияние степени олигомеризации (количества субъединиц) на подвижность остатков белка и исследовать функциональную связь между отдаленными участками структуры ГАФД.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
• Рассчитать траектории молекулярной динамики длиной 50 нс для мономера, димеров и тетрамеров ГАФД;
• Провести анализ данных траекторий на основании результатов вычисления величин rmsd для белка целиком и для каждого остатка белка, а также величин rsmf по остаткам;
• Построить ковариационную матрицу;
• Написать дополнительные программы, для оптимизации процесса анализа результатов расчетов.
Работа включает в себя три главы. В первой главе приведено описание метода молекулярной динамики. Во второй главе описывается практическая часть работы. Третья глава содержит анализ, полученных траекторий молекулярной динамики.
На основании проделанной работы, мы можем сделать следующие выводы:
1. В подвижности аминокислотных остатков мономера и димера существуют существенные различия, при этом в разных субъединицах эти различия проявляются неодинаково.
2. При образовании димера в области интерфейса связывания наблюдается понижение подвижности аминокислотных остатков, что компенсируется увеличением подвижности в периферийных областях.
3. Повышенная подвижность, сообщающаяся областям в активном центре белка при его олигомеризации, может являться структурно-динамическим основанием для наблюдаемой кооперативности, как в димере, так и в тетрамере.
4. Анализ ковариационной матрицы показал, что движения пространственно удалённых друг от друга остатков происходят коррелировано.
