Диссертации » Биологические науки » Биофизика

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Динамика взаимодействия некоторых антимикробных пептидов с биомембранами
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Динамика взаимодействия некоторых антимикробных пептидов с биомембранами"

На правах рукописи

Левцова Ольга Владимировна

ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕКОТОРЫХ АНТИМИКРОБНЫХ ПЕПТИДОВ С БИОМЕМБРАНАМИ

Специальность: 03.00.02. - "Биофизика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 ЗОНТ 2Ш8

Москва 2008 "

003450391

Работа выполнена на кафедре биоинженерии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Шайтан Константин Вольдемарович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Крупянский Юрий Федорович

доктор химический наук Немухин Александр Владимирович

Ведущая организация:

Институт математических проблем биологии РАН, г. Пущино

Защита состоится " 13 " ноября 2008 г. в _:_на заседании

Диссертационного совета Д 501.001.96 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет, кафедра биофизики, аудитория "новая".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан:

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор биологических наук, профессор

"_" октября 2008 г.

Т.Е. Кренделева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время наблюдается рост устойчивости инфекционных заболеваний к применяемым в медицине антимикробным препаратам. В этой связи все большее внимание привлекают мембранактивные антимикробные пептиды, к которым не возникает резистентности микроорганизмов. Изучение механизма действия и выявление закономерностей между первичной последовательностью, структурой и функциональной активностью мембранактивных антимикробных пептидов началось относительно недавно. До сих пор ведутся дискуссии по целому ряду фундаментальных вопросов формирования структуры пептид-мембранных комплексов. В связи с этим, изучение методами полноатомного молекулярного моделирования взаимодействия мембран активных пептидов с биомембранами является актуальным как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. В перспективе эти исследования позволят конструировать принципиально новые мембранактивные агенты с заданной активностью и специфичностью.

Цель исследования. Объектом исследования данной работы является зервамицин ПВ (&уПВ) - представитель класса пептаиболов, продуцируемый грибом ЕтепсеИорж ¡аШовуппетШа, который проявляет каналообразующую активность. Целью настоящей работы было исследование динамики и механизма действия 2пД1В на атомном уровне методами равновесной и управляемой молекулярной динамики (МД). Основные задачи исследования. Определение с помощью полноатомых моделей

1. Стабильности спиральной структуры зервамицина ПВ в воде и в метаноле.

2. Влияния точечных аминокислотных замен на изменение амплитуды шарнирных движений, изгибающих спираль по сравнению с д линными пептаиболами.

3. Сравнение связывания молекулы зервамицина IIB с поверхностью модельных мембран эукариот, состоящих из пальмитоилолеоилфосфатидилхолиновых (ПОФХ) липидов, и мембран прокариот, состоящих из молекул пальмитотлолеоилфосфатидилэтаноламиновых (ПОФЭ) и пальмитоилолеоилфосфатидилглицероловых (ПОФГ) липидов в соотношении 4:1 соответственно, под действием внешнего электрического поля.

4. Оценка взаимовлияния молекул зервамицина IIB на связывание с модельной мембраной прокариот,

5. Изучение динамики встраивания молекул зервамицина IIB в мембрану и оценка эффектов агрегации 4, 5 и 6 молекул зервамицина IIB с образованием проводящего канала в модельной мембране прокариот. Научная новизна и практическая значимость работы. В данной

диссертационной работе впервые:

1. методом МД показана стабильность спиральной структуры в воде, в метаноле и на поверхности мембраны.

2. исследованы шарнирные движения ряда мутантов и определена последовательность аминокислотных остатков, отвечающая за изменение их амплитуды в растворителях различной полярности.

3. показана склонность молекул зервамицина IIB к димеризации на поверхности мембраны

4. определена динамика встраивания молекулы зервамицина IIB в мембрану

5. предложены модели каналов, состоящие из 4, 5 и 6 молекул зервамицина ПВ

Полученные данные позволили предложить детальную модель механизма действия зервамицина IIB и определить функциональную роль отдельных остатков.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием универсальных законов и уравнений классической и квантовой механики и проведением тестовых расчетов систем, сравнимых с экспериментальными данными

Апробация работы. Результаты данной работы были представлены на международной конференции «Ломоносов-2005» (Москва 2005 г.), на третьем съезде общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (Москва, 2005 г.), на международной школе-конференции молодых ученых «Системная биология и биоинженерия» (Звенигород, 2005 г.), на пятой международной конференции по биоинформатике и геномной регуляции и структуре (Новосибирск, 2006 г.), на международной конференции «Ломоносов-2007» (Москва, 2007 г.), на четвертом международном симпозиуме по компьютерным методам в токсикологии и фармакологии (Москва, 2007 г.), биотехнологической выставке «РосБиоТех-2007», на третьей международной школе по молекулярному моделированию в биологии и науках о материалах (Дубна, 2008 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ, включая 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК для соискателей ученых степеней, 2 статьи находятся в печати.

Личный вклад автора. Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении расчетов, обработке и анализе результатов, подготовке статей и докладов на конференциях, а также в разработке программного обеспечения для проведения, обработки и анализа результатов экспериментов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа ( _

страниц) состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка

литературы (_ссылки), иллюстрирована_рисунками и содержит ._

таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи работы, кратко охарактеризованы методы и их решения, отражены научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе представлен краткий обзор литературы, посвященный биохимии и каналообразующему действию пептаиболов, в частности зервамицина IIB. Также проведен обзор работ по компьютерному моделированию длинного пептаибола - аламетицина.

Во второй главе описаны основные методики проведения вычислительного эксперимента, методами равновесной и управляемой молекулярной динамики и методики экспериментальных исследований для изучения динамики пептид-мембранных систем. Также рассмотрено влияние различных параметров МД-протокола на динамику исследуемых систем.

В третьей главе в полноатомном силовом поле исследована динамика зервамицина IIB и ряда его аналогов в воде и в метаноле и проведено сравнительное изучение стабильности спиральной структуры.

Молекула зервамицина IIB имеет следующую первичную последовательность:

Ace°-Trp1-Ile2-Gln3-Iva4-Ile5-Thrä-Aib7-Leu8-Aib9--Hyp10-Gln!'-Aib12-Hyp13-Aib14-ProI5-Phl16, где Aib - a-аминоизомаслянная кислота, Iva - D-изовалин, Phi - L-

фенилаланинол, Hyp - L-4-транс-гидроксипролин. Начальная структура

зервамицина IIB была взята из Protein Data Bank (код структуры 1IH9).

В отличие от длинных пептаиболов, например аламетицина, которые

не имеют определенной структуры вне поверхности мембраны, молекула

зервамицина IIB обладает достаточно жесткой спиральной структурой в

водном окружении и в метаноле. За 10 не траектории среднеквадратичное

отклонение (RMSD) Са-атомов аминокислотных остатков составило порядка

1,4 А.

Молекула 2гу11В не совершает высокоамплитудных движений, изгибающих спираль (шарнирные движения), которые свойственны для длинных пептаиболов (БЬепкагеу Ъ.О. и др., 2004).

Для определения последовательности, отвечающей за амплитуду шарнирных движений были изучены следующие 3 мутанта с заменами в области изгиба спирали: с заменой АШ-01у в положении 7 (2гу11В-§1у7) и 9 (2гу11В-§1у9) и с добавленным й1у в 8-е положение (2гу11В-§1у8). Амплитуда шарнирных движений оценивалась с помощью распределения плотности вероятности расстояния между И- и С-концами пептидов для всех 4-х пептидов в двух растворителях (вода и метанол).

к 0.020-

О

О.

0)

ш 0.015-

о 0.010-

н о

¡5 0.005-

1,< 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Расстояние, нм

С-конец.

С-конец

N-конец

N-конец

Б в

Рис. 1 А. Распределение расстояний между Св-атомами первого и последнего остатков для молекулы зервамицина IIB (при замене aib9 на gly9) в воде и в метаноле. Структура зервамицина IIB с заменой aib9-gly9 в воде (Б) и в метаноле (В), (выделен GIy9)

В нативном зервамицине ПВ и зервамицине IIB с заменой Aib-Gly в 7-ом и 9-ом положениях не наблюдается высокоамплитудных шарнирных движений изгибающих спираль. Отметим, что ZrvIIB-gly9 в метаноле компактизуется за счет изгиба в области Gly9 (Рис. 1) благодаря реорганизации водородных связей. В воде подобных структурных изменений не наблюдалось.

Добавление Gly в положение 8 полностью воссоздает консервативную последовательность Aib-Gly-Leu-Aib-Pro, ответственную за наличие высокоамплитудных движений в длинных пептаиболах. Для ZrvIIB-gly8 наблюдается появление значительных флуктуаций дайны пептида в метаноле, в воде амплитуда колебаний значительно меньше. Это свидетельствует о том, что данная замена делает зервамицин IIB чувствительным к полярности растворителя: при уменьшении полярности жесткость структуры уменьшается, и появляются движения, изгибающие спираль.

Рис. 2. Распределение плотности вероятности расстояния между С атомами первого и последнего остатка молекулы зервамицина IIB с добавленным остатком gly в 8-е положение в воде и в метаноле.

Таким образом, в мутантах ZrvIIB-gly9 ZrvIIB-gly8 наблюдаются определенные структурные изменения при уменьшении полярности растворителя. Это может критически повлиять на активность зервамицина II,

так как длина молекулы ZrvIIB составляет около 24А, при наличии шарнирных движений длина молекулы может уменьшаться до 16Ä, как в случае с ZrvIIB-gly9, что недостаточно для образования мембранного канала. Также в данной главе определены водородные связи, которые отвечают за структурные изменения и подвижность в разных растворителях в каждом из четырех пептидов.

В четвертой главе изучалось взаимодействие молекулы зервамицина IIB с модельными мембранами эукариот и прокариот. В качестве модели эукариотической клетки использовался липидный бислой, состоящий из молекул ПОФХ, а для моделирования мембраны бактериальной клетки липидный бислой из ПОФЭ и ПОФГ в соотношении 1:4. Проводились 2 типа эксперимента: равновесная МД для изучения связывания зервамицина IIB с поверхностью мембраны и управляемая МД для изучения процесса встраивания пептида в липидный бислой, причем внешнее ускорение прикладывалось к различным атомам пептида. В начальной конформации молекула ZrvIIB помещалась выпуклой (полярной) стороной к поверхности мембраны на расстоянии 0,7 нм. При изучении поверхностного связывания молекулы зервамицина IIB с мембраной особое внимание уделялось ориентации пептида относительно поверхности, стабильности спиральной структуры и образованию водородных связей между аминокислотными остатками и молекулами липидов.

Для определения положения пептида относительно поверхности мембраны в первые и последние 500 пс траектории было определено среднее положение Са-атомов для каждого аминокислотного остатка молекулы зервамицина ПВ относительно поверхности мембраны. Граница мембраны определялась как z координата (вдоль оси нормали мембраны) центра масс атомов фосфора.

При взаимодействии ZrvIIB с липидным бислоем ПОФХ молекула ориентируется параллельно поверхности мембраны вогнутой (неполярной стороной), при этом молекула ZrvIIB не взаимодействует с гидрофобными

хвостами липидов, а остается в водном окружении, взаимодействуя с полярными головками липидов. Особую роль в стабилизации данной конформации пептида относительно мембраны играют остатки 01пЗ и 01п11, которые взаимодействуют с полярными головками липидов и образуют три водородные связи. Остальные полярные аминокислотные остатки ТЬгб, НурЮ и Нур13 обращены в воду. Также наблюдается небольшое структурное изменение в области КГ-конца пептида, которое вызвано поворотом остатка ИпЗ к поверхности мембраны.

----Р атомы липидов

-—- начальная конформации -конформ. через 10 не

хю,о to

6 95

6 S 10 1? 14 16 16

Номер аминокислотного остатка

А

Номер аминокислотного остатка

Рис. 3 Положение Са-атомов относительно атомов фосфора липидных головок бислоя ПОФХ (А) и ПОФЭ/ПОФГ (Б) в начальной конформации и после 10нс равновесной динамики

Молекула зервамицина IIB за счет ориентации внутримолекулярных водородных связей, стабилизирующих спираль, обладает дипольным моментом, направленным от С-конца к N-концу и приблизительно равным 50D, что эквивалентно зарядам +0,4е и -0,4е на N- и С-концах. Фосфатидилглицероловые липиды придают поверхности мембраны суммарный отрицательный заряд. Таким образом, N-конец молекулы ZrvIIB, несущий локальный положительный заряд, притягивается к поверхности мембраны, а С-конец удаляется от поверхности мембраны на расстояние ~ 1,7 нм. Внешнее электрическое поле также способствует такой ориентации пептида. Также как и в случае с мембраной ПОФХ, пептид взаимодействует исключительно с полярной частью мембраны, но в данном эксперименте N-конец входит в область липидных головок и образует как минимум четыре

водородные связи с молекулами липидов. В образовании водородных связей с полярными головками липидов участвуют остатки АсеО, С1пЗ и ТЬгб.

Также было исследовано взаимовлияние двух молекул 2гу11В на процесс связывания с поверхностью модельной мембраны прокариот. В начальной конформации пептиды располагались параллельно друг другу на расстоянии 2,4 нм между центрами масс. Расстояние между молекулами зервамицина ПВ сократилось за первые 6 не с 2,4 нм до 1 нм. При этом молекулы образовали димер. В димере пептиды расположены параллельно друг другу. Две молекулы зервамицина ПВ взаимодействуют гидрофобными областями, изолируя тем самым неполярные аминокислотные остатки от молекул воды и полярных головок липидов. Предположительно, образование такого димера должно облегчить прохождение молекул через область липидных головок. Как видно из Рис. 4, взаимодействие молекул зервамицина ПВ в данном эксперименте с мембраной сильнее, чем в случае одиночной молекулы. Обе молекулы приблизились №-концами к липидам и расположены под углом ~ 20° к поверхности мембраны. КГ-конец основной цепи одной молекулы димера входит в область липидных голов ниже плоскости атомов фосфора. У второй молекулы основная цепь находится в водном окружении, но боковые радикалы четырех аминокислотных остатков находятся в области липидных голов. Вероятно, для дальнейшего встраивания в мембрану димер должен претерпеть конформационные изменения, чтобы гидрофобные аминокислотные остатки оказались снаружи и могли взаимодействовать с гидрофобными хвостами жирных кислот.

А Б

Рис. 4 Положение Са-атомов относительно атомов фосфора липидных головок бислоя в начальной конформацим и после 10нс равновесной динамики отдельно для каждой молекулы (А, Б).

При взаимодействии с липидными головками молекулы зервамицина ПВ образуют порядка 8 водородных связей. Молекула, которая глубже проникла в липидный бислой образует 3 водородные связи с участием боковых радикалов остатков в1пЗ и ТЬгб. Второй пептид образует 5 связей с участием АсеО, 01пЗ, ТЪг6 и ИпП. Первая молекула, проникая в область липидных головок, стерически расталкивает молекулы липидов, тем самым, удаляя потенциальных доноров и акцепторов водородных связей.

При взаимоперпендикулярном расположении двух молекул ггуПВ на поверхности мембраны ПОФЭ/ПОФГ, через 16 не наметилась тенденция к образованию комплекса. Таким образом, при высокой концентрации молекулы зервамицина ПВ образуют димеры, однако при произвольном начальном положении пептидов на это требуется достаточно большое время, и не смотря на то, что этот процесс облегчает взаимодействие пептидов с мембраной, он не является обязательным.

Для исследования динамики встраивания зервамицина в модельные мембраны прокариот и эукариот с помощью метода управляемой молекулярной динамики был проведен ряд численных экспериментов, в которых внешняя сила прикладывалась отдельно к С и И-концам и к Са-атомам. В качестве начальной структуры использовались системы,

состоящие из липидного бислоя и молекулы зервамицина ПВ после 10нс релаксации на поверхности мембраны.

В обеих исследуемых системах (с липидными бислоями ПОФХ и ПОФЭ/ПОФГ) под действием силы 4,3 ккал/(моль-А), приложенной к С-концу ггуПВ, в течение 10нс развернулся С-концом к мембране, но не углубился в область гидрофобных хвостов. Вероятно, это связано с торможением за счет образования водородных связей между остатками НурЮ, 01п11, Нур13, РЫ16 и липидными головками. В эксперименте, где сила 0,27 ккал/(моль-А) была приложена ко всем Са-атомам пептида, Хгч\Ш в течение 10 не оставался в области липидных головок параллельно поверхности бислоя. Когда сила была приложена к М-концу, пептид за 10 не вошел в область липидных головок, не вызвав при этом структурных изменений в липидном бислое. Таким образом, данные численные эксперименты подтверждают гипотезу, что встраивание в мембрану происходит Ы-концом. Так как приложение силы ко всем Са-атомам не привело к встраиванию пептида, можно сделать вывод, что воздействие на пептид, переводящее его из поверхностного состояния в трансмембранное, в основном направлено на Ы-конец молекулы, что хорошо согласуется с моделью потенциал-зависимой активации канала, согласно которой трансмембранный потенциал разворачивает дипольный момент молекулы, то есть «тянет» несущий локальный положительный заряд М-конца внутрь мембраны.

На следующем этапе работы более детально был исследован процесс встраивания молекулы зервамицина ПВ в липидные бислои. Для этого были рассчитаны три траектории, в которых к И-концу (к Са-атому остатка АСЕО) были приложены силы, равные 4,3; 5,7 и 8,6 ккал/(моль-А) соответственно, с целью определить оптимальное значение силы для моделирования встраивания. При ускорении эквивалентном 4,3 ккал/(моль-А) встраивание происходит медленно, и за 10 не Ы-конец преодолевает только верхний монослой. Под действием 5,7 ккал/(моль-А) гМГО полностью встраивается

за 7 нс и остается в трансмембранной положении. При значении силы 8,6 ккал/(моль-А) пептид проходит сквозь мембрану и выходит в водное окружение, не испытывая значительного торможения от энергетических барьеров. Таким образом, для изучения динамики встраивания 2гуПВ в липидный бислой было выбрано использовать значение внешней силы 5,7 (ккал/моль-А).

Рис. 5 Изменение z-координаты N-конца зервамицина IIB относительно границы мембраны ПОФХ под действием внешней силы

Динамика встраивания ZrvIIB в липидный бислой ПОФХ происходит неравномерно. Можно выделить три стадии. В начале N-конец движется в водном окружении, приближаясь к липидным головкам. На первой стадии аминокислотные остатки Ace0-Tprl-Ile2 входят в гидрофобную область мембраны. Далее Gln3 и Thr6 образуют водородные связи с полярными головками липидов и тем самым замедляют дальнейшее встраивание пептида. На второй стадии в гидрофобную область входят остатки Gln3-Dva4-Ile5-Thr6-Aib7~Leu8-Aib9, a Hyp 10 и Gin 11 взаимодействуют с полярной областью мембраны и вызывают замедление динамики встраивания. На третьей (заключительной) стадии весь пептид встраивается в липидный бислой.

-200 •

^................"

1Ш) /!МХ1 3(100 4ИХ1 50«) 6000 7000 0(100 Чооо 10000

Время, пс

А

Рис. 6 Кулоновская, ван-дер-ваальсовская энергии взаимодействия и их сумма (энергия взаимодействия) для молекулы зервамицина ПВ с липидами ПОФХ (А) и водой (Б)

При встраивании молекулы 2г/НВ в липидный бислой энергия взаимодействия пептида с липидами, рассчитанная как сумма кулоновских и ван-дер-ваальсовских взаимодействий, уменьшилась на величину ~800 кДж/моль (Рис. 6). А энергия взаимодействия пептида с водой возросла примерно на 800 кДж/моль. Как видно из графиков, основной составляющей энергии взаимодействия пептида с водой является кулоновское взаимодействие, а пептида с липидами - ван-дер-ваальсовское. Однако в сумме они дают примерно одинаковые вклады в изменение энергии при встраивании. Таким образом, потенциальная энергия взаимодействия зервамицина ПВ с окружением при встраивании в липидный бислой практически не изменяется. На графике зависимости энергии взаимодействия от времени видно изменение энергии на каждой стадии процесса встраивания. Так на первой стадии энергия падает приблизительно на 200 кДж/моль, на второй стадии на ~370 кДж/моль, а на третьей - на -230 кДж/моль. Изменение энергии на каждой стадии пропорционально количеству аминокислотных остатков, вошедших в липидный бислой на данной стадии.

При встраивании 2гу11В в липидный бислой ПОФЭ/ПОФГ динамика движения Ы-конца пептида более линейна и стадийность не так ярко выражена. На первой стадии ггуНВ погружается в липидный бислой до йпЗ,

который, образуя водородные связи с липидными головками, удерживает пептид на поверхности. При этом пептид ориентируется перпендикулярно поверхности мембраны, так как сила дополнительно разворачивает пептид вдоль действия поля. В случае с ПОФХ мембраны из липидов такой сильный разворот не наблюдался. Это может быть объяснено отталкиванием отрицательно заряженного С-конца от поверхности мембраны. Дальнейшее продвижение пептида вызывает деформацию мембраны и изгиб спирали пептида за счет сильного взаимодействия положительного N-конца с отрицательно заряженной поверхностью мембраны. Липидные головки, находящиеся рядом с пептидом, двигаются вместе с ним в гидрофобную область мембраны. Через 7 не Hyp 10 образует водородные связи с липидными головками и частично разворачивает пептид к поверхности бислоя. В течение следующих 2-х не разрываются водородные связи между Gln3 и липидными головками, и структура бислоя нормализуется. Пептид встраивается до НурЮ, который вместе с Glnll взаимодействует с липидными головками. Последующие 5 не продвижение N-конца в гидрофобную область мембраны вызывается распрямлением спирали пептида. Все это время НурЮ и Glnll находятся в области липидных головок. На последней стадии НурЮ и Glnll разрывают водородные связи с полярными головками и пептид полностью встраивается в липидный бислой.

год 4Ш) йш> aiwo ¡даю lsooo мою 1«юо Время, пс

гооо лот awu аооо кюоо imiwü 1*000 юооо Время, пс

Рис. 7 Кулоновская, Ван-дер-Ваальсова энергии взаимодействия и их сумма (энергия взаимодействия) для молекулы зервамицина IIB с липидами ПОФЭ/ПОФГ (Л) и водой (Б)

На Рис. 7 видно, что энергия взаимодействия пептида с липидами при встраивании уменьшилась на величину порядка 600 кДж/моль, а энергия взаимодействия с молекулами воды увеличилась приблизительно на 400 кДж/моль. Следовательно, в процессе встраивания потенциальная энергия взаимодействия пептида с окружением уменьшается на ~200 кДж/моль. Потенциальная энергия трансмембранного состояния в случае с мембраной ПОФЭ/ПОФГ меньше, чем для пептида, связанного с поверхностью бислоя. Однако, при одинаковой внешней силе времени на встраивание пептида в ПОФЭ/ПОФГ мембрану требуется больше, чем в случае с мембраной ПОФХ, что свидетельствует о том, что пептиду необходимо преодолеть более высокий энергетический барьер. При сравнении Рис. 6А и Рис. 7А видно, что во втором случае минимумы кулоновской энергии более выражены, что свидетельствует о более сильном взаимодействии полярных остатков с липидными головками. На суммарной энергии взаимодействия также видны энергетические барьеры, соответствующие образованию водородных связей остатков ИпЗ, НурЮ, в1п11 с липидными головками.

Потенциальная энергия взаимодействия ггуПВ с окружением при встраивании в мембрану ПОФХ не изменяется, а при встраивании в мембрану ПОФЭ/ПОФГ уменьшается на ~200 кДж/моль, однако пептиду надо преодолеть более высокий энергетический барьер из-за более сильного взаимодействия пептида с головками липидов ПОФЭ и ПОФГ.

В пятой главе исследовалась динамика трех моделей зервамицинового канала, состоящего из 4 (N4), 5 (N5) и 6 (N6) молекул ЪгЛ\Ъ, в мембране ПОФЭ/ПОФГ, а также миграция иона Ыа+ через пору канала, образованного пятью молекулами ЪпИИ. Начальные структуры каналов собирались так, чтобы пептиды были расположены параллельно друг другу, и остаток вЫ 1 был обращен в пору канала.

Конформационная стабильность молекул Хт/ПВ в каналах была оценена с помощью среднеквадратичного отклонения (КМББ) относительно начального положения Са-атомов пептидов. За 2 не ИШБ для тетрамера

выросло до 0,27 нм, в то время как Ю^/КБ для N5 и N6 каналов составило 0,17 нм и 0,16 нм соответственно.

В начальной конформации каналов молекулы ZгvllQ были параллельны оси канала, после 10 не в N5 канале пептиды повернулись под небольшим углом к его оси и сформировали суперспираль (Рис. 8А). В N6 канале молекулы 2гу11В остались параллельно оси канала (Рис. 8Б). Вероятно, что формирование суперспирали стабилизирует канал и увеличивает время жизни. Предположительно, не только пентамер способен формировать суперспираль, но и каналы, состоящие из большего количества субъединиц. Но на такой процесс требуется больше времения, так как в согласованном повороте участвует большее количество молекул.

Рис. 8 Положение молекул зервамицина ПВ в канале N5 (А - вид сбоку, Б - вид сверху) и в канале N6 (В - вид сбоку, Г - вид сверху). Прямыми и стрелками указаны направления молекул пептидов от !Ч-конца к С-концу.

Большее по сравнению с N5 и N6 каналами значение ШУКО для тетрамера обусловлено отсутствием непрерывного ряда молекул воды в полости канала. Так как водородные связи, образованные молекулами воды в поре и гидрофильными аминокислотными остатками, стабилизируют положение пептидов в связке относительно другу друга. В случае каналов N5 и N6 непрерывная колонна молекул воды хорошо выражена (Рис. 9Б, В). В узких областях N5 канала количество молекул воды недостаточно для

А

Б

формирования гидратной «шубы» проводимых ионов. На данных участках, вероятнее всего роль молекул воды гидратной оболочки выполняют атомы кислорода полярных остатков. В полости канала N6 молекул воды достаточно, чтобы проводимые ионы могли двигаться сквозь него, не нарушая целостность гидратной оболочки.

А Б

Рис. 9 Положение молекул воды в поре каналов N4 (А), N5 (Б) и N6 (В). Красным выделена область молекулы зервамицина, утратившая начальную спиральную структуру.

С помощью программы HOLE были получены профили радиусов для исследуемых каналов (Рис. 10). N4 канал имеет радиус поры ~0,2А, что слишком мало для прохождения иона. Поскольку N4 не имеет выраженной колонны молекул воды в поре и радиус канала слишком мал, предположительно, тетрамер не формирует проводящий ионный канал, а является «предшественником» каналов из большего количества субъединиц. N5 и N6 каналы после 10 не релаксации имеют по две области с минимальным радиусом (2.7 А и 2.5 А у N5; 3.8 А и 3.7 А у N6) обе эти области сформированы глутаминовыми кольцами (Gln3 и Gin 11).

Согласно теоретическим представлениям о структуре зервамициновых каналов, молекулы пептидов должны быть обращены полярной (выпуклой) стороной в полость канала, а гидрофобной (вогнутой) в область гидрофобных хвостов. В пентамере все полярные аминокислотные остатки обращены в полость канала или к соседним пептидам. К липидным хвостам направлены

только боковые радикалы гидрофобных аминокислотных остатков. В случае гескамера два полярных аминокислотных остатка (ТЪгб и Нур13) обращены в гидрофобную часть мембраны.

5 0-

N4 N5 N6

о<

00

О 5 10 15 о 20 25

z coordinate, А Рис. 10 Профили радиусов для каналов N4, N5 и N6 после релаксации.

25

Для исследования прохождения иона был выбран канал N5. Выбор обусловлен тем, что тетрамер не формирует проводящий канал, а радиус поры N6 канала достаточно большой и внутренний «интерьер» канала не сильно влияет на движение иона. Исследования проводились с помощью метода управляемой молекулярной динамики. К иону Ыа+ прикладывалась внешняя сила равная 4.38 ккал/(моль-А). Ион под ее действием двигался от С-концов к 1Ч-концам пептидов.

ч

V" ,| ,, i ......

С""??? J uii

ZrvllS вода

N

0-

100 200 300 JOO ИЗО 600 7C0 время, ire

«ОО 500 время, ПС

ООО

А

Б

Рис. 11 А. Изменение г коодинаты (вдоль оси канала) иона Na+ от времени. Б. Зависимость энергия взаимодействия иона Na-i- с молекулами зервамицина и воды от z-координаты.

На Рис. 11А представлена динамика изменения z координаты (вдоль оси канала). Как видно, динамика движения не линейна, есть области, где скорость движения иона падает до нуля. Первая область соответствует самому узкому месту канала - кольцу Glnl 1, в этой области ион теряет часть молекул воды своей гидратной оболочки, и их место занимают атомы кислорода бокового радикала остатка Gin. Изменение энергии взаимодействия иона Na+ с молекулами зервамицина IIB и молекулами воды показано на Рис. 11Б. Энергия взаимодействия иона с окружением рассчитывалась как сумма Ван-дер-ваальсовых и кулоновских взаимодействий иона со всеми атомами окружения. Через 250 пс энергия взаимодействия с молекулами воды выросла на ~ 100 кДж/моль, что свидетельствует о потере молекул воды в гидратной оболочке. Далее на 450 пс траектории ион преодолевает кольцо Glnl 1 и переходит в более широкую область канала, где восстанавливает гидратную оболочку, о чем свидетельствует уменьшение энергии взаимодействия иона с водой. На 660 пс траектории ион попадает в зону второго глутаминового кольца, где также происходит частичная потеря гидратной оболочки, и в этой области снова наблюдается увеличение энергии взаимодействия с молекулами воды. Изменения энергии взаимодействия иона с молекулами ZrvIIB противоположны изменениям энергии взаимодействия с водой, что

свидетельствует о том, что атомы ZrvIIB замещают утерянные молекулы воды гадратной оболочки. Каждая реорганизации гидратной «шубы» является потенциальным барьером для движения иона через пору канала. Поэтому в этих областях наблюдается замедление движения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методами равновесной и управляемой молекулярной динамики были исследованы различные стадии действия антимикробных пептидов на примере зервамицина IIB.

Было показано, что замены в области изгиба спирали Aib7-Leu8-Aib9-НурЮ способны не только изменить структуру и динамику молекулы зервамицина IIB и сделать его чувствительным к растворителю, а также могут в значительной степени сказаться на мембранной активности пептида.

При взаимодействии молекулы ZrvIIB с модельной мембраной прокариот пептид ориентируется под углом к поверхности мембраны и направлен N-концом к ней. Данное положение стабилизируется водородными связями между остатками AceO, Gln3 и фосфатными и аминными группами липидов. В случае с модельной мембраной эукариот ZrvIIB не входит глубоко в липидный бислой, а располагается параллельно поверхности. При этом GIn3 и Gin II образуют водородные связи с полярными головками липидов. Димеризация молекул зервамицина IIB на поверхности мембраны способствует более глубокому проникновению пептидов в полярную область бислоя.

Процесс встраивания ZrvIIB под действием внешней силы, приложенной к N-концу, имеет стадийный характер. Сам процесс встраивания происходит в три стадии: встраивание N-конца до Gln3, на втором этапе - до Hyp 10, а на заключительной стадии - встраивание С-конца.

Как было показано выше, сам процесс встраивания быстрее протекает для модельной мембраны прокариот. Однако в случае с модельной мембраной эукариот взаимодействие пептида с поверхностью липидного

бислоя сильнее. Таким образом, можно сделать вывод, что селективность действия зервамицина ПВ имеет место не на стадии встраивания в мембрану, а на стадии адсорбции пептида на поверхности мембраны. Потенциальная энергия взаимодействия ZrvIIB с окружением при встраивании в мембрану ПОФЭ не изменяется, а при встраивании в мембрану ПОФЭ/ПОФГ уменьшается на ~200 кДж/моль. Однако в этом случае пептиду надо преодолеть более высокий энергетический барьер.

Согласно полученным данным четыре молекулы зервамицина ПВ не формируют устойчивый проводящий канал, но служат «предшественником» для формирования каналов из большего числа субъединиц. Пентамер и гексамер формируют ионные каналы с минимальным радиусом пор 2.5 Ä и 3.7 А соответственно. Поры обоих каналов заполнены молекулами воды, однако в пентамере их количество не достаточно для проведения ионов без нарушения целостности гидратной оболочки. В случае гексамера одновалентные ионы могут проходить через пору канала без потери молекул воды в гидратной оболочке. Молекулы зервамицина ПВ в пентамере поворачиваются относительно оси канала и формируют суперспираль, которая предположительно дополнительно стабилизирует канал. В гексамере все молекулы пептидов остаются параллельно оси канала. При формировании суперспирали в пентамере все боковые радикалы полярных аминокислотных остатков направлены в полость канала или в сторону соседнего пептида, а неполярные остатки в область липидных хвостов. В случае гексамера такого четкого разделения полярных и неполярных аминокислотных остатков не наблюдается. Вероятно, для этого необходим поворот пептидов относительно оси канала с формированием суперспирали.

При прохождении иона через пору канала, образованного пятью субъединицами, происходит реорганизация гидратной оболочки в областях глутаминовых колец. В этих зонах движение иона значительно замедляется. Атомы кислорода боковых радикалов остатков Gin замещают потерянные молекулы воды гидратной оболочки.

выводы

1. По данным численного моделирования в полноатомном приближении молекула зервамицина IIB сохраняет стабильную спиральную структуру в воде, в метаноле и на поверхности мембраны в течение не менее 10нс

2. Последовательность Aib7-Leu8-Aib9-Hypl0 отвечает за отсутствие высокоамплитудных шарнирных движений в молекуле зервамицина IIB. Замены в этой области способны не только изменить структуру и динамику молекулы зервамицина II и сделать его чувствительным к растворителю, а также могут в значительной степени сказаться на мембранной активности пептида.

3. ZrvIIB лучше взаимодействует с поверхностью мембраны прокариот, чем эукариот, при этом в первом случае он ориентируется параллельно поверхности мембраны и не входит в область полярных головок, а во втором случае ориентируется под небольшим углом и N-конец входит в область полярных головок.

4. Образование комплекса из двух молекул ZrvIIB на поверхности мембраны способствует его встраиванию в мембрану. Встраивание в мембрану происходит в 3 стадии и начинается с N-конца.

5. Четыре молекулы ZrvIIB не образуют проводящий канал. Пентамер и гексамер образуют проводящие ионные каналы с двумя областями минимального радиуса, образованные глутаминовыми кольцами.

6. При прохождении иона через пору канала, образованного пятью молекулами ZrvIIB в областях сужения происходит частичная потеря ионом гидратной оболочки. Атомы кислорода боковых радикалов глутамина замещают молекулы воды гидратной оболочки при прохождении иона.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. К.Б.Терёшкина, К.В. Шайтан, О.В. Левцова, Д.Н. Голик - Молекулярная динамика олигопептидов 6. Сравнительное изучение сечений Пуанкаре 'монопептидных структур в средах с различной гидрофобностью. // Биофизика, 2005, том 50 (вып.6), стр. 974-985.

2. D.Yu. Mordvintsev, Ya.L. Polyal, O.V. Levtsova, Ye.V. Tourleigh, I.E Kasheverov., K.V. Shaitan, Yu.N. Utkin and V.I. Tsetlin - A model for short a-neurotoxin bound to nicotinic acetylcholine receptor from Torpedo californica: comparison with long-chain a-neurotoxins and a-conotoxins // Computational Biology and Chemistry, 2005, vol. 29, pp. 398-411.

3. K.B.Шайтан, E.B. Турлей, Д.Н.Голик, К.Б.Терёшкина, О.В .Левцова, И.В.Федик, А.К.Шайтан, М.П.Кирпичников - Молекулярная динамика и дизайн био- и наноструктур // Вестник биотехнологии, 2005, том.1 (вып. 1) стр. 66-78.

4. К.В.Шайтан, Е.В. Турлей, Д.Н.Голик, К.Б.Терёшкина, О.В.Левцова, И.В.Федик, А.К.Шайтан, А. Ли, М.П.Кирпичников - Динамический молекулярный дизайн био- и наноструктур // Российский химический журнал (ЖРХО им. Д.И. Менделеева), 2006, том L (вып.2), стр. 53-65.

5. К.В.Шайтан, Е.В. Турлей, Д.Н.Голик, К.Б.Терёшкина, О.В.Левцова, И.В.Федик, А.К.Шайтан, М.П.Кирпичников - Неравновесная молекулярная динамика и наноструктур, включая биологические // Химическая физика, 2006, том 25 (вып. 9), стр. 31-48.

6. Dmitry Y.Mordvintsev, Yakov L.Polyak, Dmitry A.Kuzmine, Olga V.Levtsova, Yegor V.Tourleigh and Igor E.Kasheverov - A Model for Short a-Neurotoxin Bound to Nicotinic Acetylcholine Receptor From Torpedo californica // Journal of Molecular Neuroscience, 2006, vol.30, pp. 71-72.

7. D.Yu. Mordvitsev, Ya.L.Polyak, D.A.Kuzmin, O.V.Levtsova, Ye.V.Tourleigh, Yu.N.Utkin, K.V.Shaitan, V.I.Tsetlin - Computer modeling of binding of diverse weak toxins to nicotinic acetilcholine receptors // Computational Biology and Chemistry, 2007, vol. 31, pp. 72-81.

8. И.Н. Николаев, К.Б. Терешкина, О.В Левцова., М.Ю. Антонов, М.П Акимов., К.В. Шайтан - Сравнительное изучение динамики конформационных степеней свободы в серии природных дипептидов // Вестник Якутского государственного университета имени М.КАммосова, 2007, том.4 (вып. 2), стр. 37-44.

9. К.В. Шайтан, О.В. Левцова, К.Б. Терёшкина, И.А.Оршанский, М.Ю.Антонов, М.П. Акимов, И.Н.Николаев - Молекулярная динамика олигопептидов. Сравнительное изучение взаимовлияния аминокислотных остатков в дипептидных структурах. // Биофизика, 2008, том 53 (вып. 4), стр. 550-555.

10. K.V. Shaitan, K.B. Tereshkina, A.S. Kitaev, E.B. Tereshkin, O.V. Levtsova, M. Yu. Antonov, M.P. Akimov, and I.N. Nikolaev - Conformational transitions in the nootropic peptide semax (MEHFPGP) and its N-terminal modifications. //Biophysics, 2008, vol. 53 (No. 2), pp. 121-124.

11. K.B. Шайтан, М.Ю. Антонов, E.B. Турлей, O.B. Левцова, К.Б. Терёшкина, И.Н. Николаев, М.П. Кирпичников - Сравнительное изучение молекулярной динамики, диффузии и проницаемости по отношению к лигандам для биомембран с различным липидным составом // Биологические мембраны,2008, том 25 (вып. 1), стр. 75-83.

12. К.Б.Егорова, О.В.Левцова - Сравнительное изучение динамического поведения аминокислотных остатков в воде, метаноле и столкновительной среде // Сборник тезисов Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2004", Москва, 2004, том 1, стр. 14.

13. О.В.Левцова, К.Б.Егорова - Кинематика конформационных переходов природных аминокислотных остатков // Сборник тезисов Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2004". Москва, 2004, том 1, стр. 19-20.

14. K.B.Egorova, O.V.Levtsova, K.V. Shaitan - Aminoacid Residues in Water, Simulated Water and Methanol Environment (a Comparative Molecular Dynamic Study) // "VI International Congress on Mathematical Modeling" Book of abstracts, Nizhny Novgorod, Russia, 2004, p.495.

15. О.В.Левцова - Молекулярная динамика грамицидинового канала в модели фосфолипидного бислоя ПОФХ // Материалы XII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005». Москва, 2005, том 2, стр. 22.

16. К.В.Шайтан, К.Б.Терёшкина, Е.В.Турлей, О.В.Левцова, А.Ли Д.Н.Голик-Методы управляемой молекулярной динамики для молекуляр-ного дизайна сложных мембранных структур. // Материалы третьего съезда общества биотехнологов России им.Ю.А.Овчинникова, Москва, 2005г., стр.26.

17. О.В.Левцова - Молекулярная динамика ионной проводимости грамицидинового канала с помощью молекулярной динамики // Материалы международной школы - конференции молодых ученых "Системная биология и биоинженерия", Москва, 2005г., стр.107.

18. O.V.Levtsova, K.V.Shaitan - Molecular Dynamics Simulation of Membrane Channels by the Example of Gramicidin A // Conference proceeding of Moscow International Conference "Biotechnology and Medicine", Moscow, Russia, 2006, pp.124-125.

19. Левцова O.B. - Молекулярная динамика участка свзязывания ДНК с актиномицином Д //Сборник тезисов XIII международной научной

конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2006". Москва, 2006, т.4, стр.62.

20. Levtsova Olga, Yegor Tourleigh, Konstantin Shaitan ■>■ MD validation of a model for short a-neurotoxin bound to nicotinic acetylcholine receptor from Torpedo califomica // Abstracts of 20th IUBMB International Congress of Biochemistry and Molecular Biology and 11th FAOBMB Congress, Kyoto Japan, 2006, p.612.

21. Shaitan'К'.V., Tereshkina K.B., Levtsova O.V. - Molecular dynamics and design of transmembrane ion channels // Proceedings of the fifth international conference on biomformatics of genome regulation and structure (BGRS'2006), Novosibirsk, Russia, 2006, vol. 1, pp. 315-319.

22. Левцова O.B. - Молекулярная динамика зервамицина II и ряда его мутантов // Материалы XIV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2007". Москва, 2007, том 1, стр.50.

23. Olga V. Levtsova, Konstantin V. Sahitan - Molecular Dynamics of Zervamicin П and its Mutants in Different Solvents II Fourth International Symposium oil Computational Methods in Toxicology and Pharmacology Integrating Internet Resources (СМШ-2007), Moscow, Russia, 2007, p. 117.

24. Левцова O.B. - Молекулярный дизайн новых пептидных антибиотиков йа основе актиномицина Д .и зервамицина П // Материалы научно-практической конференции в рамках международной научно-образовательной школы-конференции по биоинженерии и приложениям, , Москва, 2007, стр. 49-50.

25. Levtsova Olga V., Shaitan Konstantin V. - Computer simulation of zervamicin IIB action // 3d International workshop MSSMBS'08 "Molecular Simulation Studies in Material and Biological Sciences" Book of abstracts, Dubna, Russia, 2008, p. 35.

/

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 02.10.2008 г. Формат 60x901/16; Усл.печ.л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 540. Теп. 939-3890. Тел./факс 939-3891, 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Левцова, Ольга Владимировна

Список использованных сокращений.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Атимикробные пептиды, пептаиболы.

1.1.2. Биологическая активность пептаиболов.

1.1.3. Действие на клетки млекопитающих.

1.1.4 Специфичность действия пептаиболов.

1.1.5. Биосинтез пептаиболов.

1.1.6. Структура пептаиболов.

1.2. Механизм действия.

1.2.1. Модели образования каналов.

1.3. Трансмембранные каналы, образуемые пептаиболами.

1.3.1. Встраивание в липидный бислой.

1.3.2. Потенциал-зависимая активация каналов.

1.3.3. Проводимость каналов.

1.3.4. Теоретические оценки проводимости пептаиболовых каналов.

1.3.5. Селективность каналов.

1.3.6. Теоретические исследования аламетицина.

1.4. Зервамицин IIB, представитель класса пептаиболов.

1.4.1. Структура молекулы зервамицина IIB.

1.4.2 Проводимость зервамицинового канала.

Глава 2.Метод молекулярной динамики.

2.1 .Физические основы.

2.2 Валентные взаимодействия.

2.3. Невалентные взаимодействия.

2.4 Численное интегрирование.

2.5 Поддержание постоянной температуры.

2.5.1 Термостат Берендсена.

2.5.2 Столкновительный термостат.

2.5.3 Стохастическая динамика.

2.6. Поддержание постоянного давления.

2.7. Неравновесная молекулярная динамика.

Глава 3. Динамика зервамицина IIB в воде и в метаноле.

3.1 МД-протокол.

3.2 Влияние аминокислотных замен на динамику спиральной структуры зервамицина IIB в воде и в метаноле.

3.3 Димеризация молекул зервамицина IIB в воде.

Глава 4. Взаимодействие зервамицина IIB с липидными бислоями, моделирующими мембрану эукариот и прокариот.

4.1 Исследуемые системы и МД-протокол.

4.2.Взаимодействие зервамицина с поверхностью мембраны.

4.2.1 .Взаимодействие с ПОФХ.

4.2.2 Взаимодействие с ПОФЭ и ПОФГ.

4.2.3 Димеризация молекул Zrv-IIB на поверхности мембраны.

4.3.4 Конформационные изменения молекул зервамицина IIB в различных системах.

4.4. Встраивание зервамицина IIB в мембрану.

4.4.1. Встраивание в ПОФХ.

4.4.2. Встраивание в ПОФГ и ПОФЭ.

Глава 5. Динамика моделей зервамицинового канала.

5.1 Исследуемые системы и МД-протокол.

5.2 Конформационная стабильность каналов.

5.3 Внутренний интерьер каналов.

5.4 Прохождение ионов через пору канала N5.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Динамика взаимодействия некоторых антимикробных пептидов с биомембранами"

Возрастающая устойчивость патогенных микроорганизмов к используемым антибиотикам является серьезной медицинской проблемой [1]. В связи с этим весьма актуальным становится исследование новых антимикробных агентов, в частности, мембран-активных пептидов с целью создания препаратов нового поколения с заданной актиновностью и селективностью.

Среди мембран активных пептидов особой популярностью пользуются пептаиболы. Пептаиболы выделяются из почвенных грибов родов Trichoderma и Emericellopsis и представляют собой спиральные пептиды из 16-22 остатков с целым рядом специфицеских аминокислот. Они взаимодействуют с клеточной мембраной и образуют ионный каналы, тем самым, нарушая электро-химический баланс клетки. Данные каналы обладают интересными свойствами: несколькими хорошо определенными уровнями проводимости и потенциал-зависимостью. Размеры каналов, образованных молекулами пептаиболов, сравнительно небольшие, что делает их удобным объектом для исследования различных свойств мембранных каналов методами компьютерного моделирования.

В данной работе изучается представитель класса пептаиболов зервамицин IIB, выделяемый из Emericellopsis salmosynnemata. На основе полученной методом двумерного ЯМР структуры молекулы зервамицина IIB была исследована стабильность спиральной структуры пептида в воде и в метаноле, а также определен участок аминокислотной последовательности, отвечающий за отсутствие движений, изгибающих спираль. Также было проведено сравнительное изучение взаимодействия молекулы зервамицина IIB с модельными мембранами прокариот и эукариот. На последней стадии были сконструированы и изучены три модели зервамицинового канала, состоящие из четырех, пяти и шести молекул пептида.

Результаты данной работы важны для дизайна новых пептидных антибиотиков с заданной селективностью и активностью.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Левцова, Ольга Владимировна

Выводы

1. По данным численного моделирования в полноатомном приближении молекула зервамицина IIB сохраняет стабильную спиральную структуру в воде, в метаноле и на поверхности мембраны в течение не менее 10нс

2. Последовательность Aib7-Leu8-Aib9-Hypl0 отвечает за отсутствие высокоамплитудных шарнирных движений в молекуле зервамицина IIB. Замены в этой области способны не только изменить структуру и динамику молекулы зервамицина IIB и сделать его чувствительным к растворителю, а также могут в значительной степени сказаться на мембранной активности пептида.

3. ZrvIIB лучше взаимодействует с поверхностью мембраны прокариот, чем эукариот, при этом в первом случае он ориентируется под небольшим углом и N-конец входит в область полярных головок, а во втором случае ориентируется параллельно поверхности мембраны и не входит в область полярных головок.

4. Образование комплекса из двух молекул ZrvIIB на поверхности мембраны способствует его встраиванию в мембрану. Встраивание в мембрану происходит в 3 стадии и начинается с N-конца.

5. Четыре молекулы ZrvIIB не образуют проводящий канал. Пентамер и гексамер образуют проводящие ионные каналы с двумя областями минимального радиуса, образованные глутаминовыми кольцами.

6. При прохождении иона через пору канала, образованного пятью молекулами ZrvIIB в областях сужения происходит частичная потеря ионом гидратной оболочки. Атомы кислорода боковых радикалов глутамина замещают молекулы воды гидратной оболочки при прохождении иона.

Благодарности

Мне хотелось бы выразить глубокую благодарность и признательностью моему научному руководителю, профессору, д.ф.-м.н. Константину Вольдемаровичу Шайтану, который обеспечил возможность выполнения настоящей диссертационной работы, оказывал поддержку, помощь и благожелательное внимание на протяжении всего времени моей работы на кафедре.

Хочу поблагодарить весь коллектив кафедры биоинжении биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, во главе с заведующим кафедры, академиком М.П. Кирпичниковым, за создание оптимальных условий для выполнения данной работы. Особую признательность хочу выразить членам группы молекулярного моделирования за помощь в работе и плодотворные обсуждения.

Заключение

Молекула зервамицина II в отличие от аламетицина сохраняет спиральную структуру в воде (в течение не менее 10нс). В нативном зервамицине и зервамицине с заменой Aib-Gly в 7-ом и 9-ом положениях не наблюдается высокоамплитудных шарнирных движений изгибающих спираль. Однако ZrvII-gly9 в метаноле компактизуется за счет изгиба в области Gly9 за счет реорганизации водородных связей. В воде подобных структурных изменений не наблюдается. Добавление Gly в 8-е положение вызывает появление значительных флуктуаций длины пептида в метаноле. В воде амплитуда колебаний значительно меньше. Таким образом, в мутантах ZrvII-gly9 ZrvII-gly8 наблюдаются структурные изменения при уменьшении полярности растворителя. Это может критически повлиять на активность зервамицина II, так как длина молекулы ZrvII составляет около 24А. При наличии шарнирных движений длина молекулы может уменьшаться до 1бА, как в случае с ZrvII-gly9, что недостаточно для образования мембранного канала.

Длинные пептаиболы, в отличие от зервамицина И, обладают шарнирными движениями, которые в значительной степени способны изменять длину молекулы. Это изменение длины не уменьшает активность длинных пептаиболов, а, предположительно, способствует агрегации молекул и формированию канала.

Таким образом, замены в области изгиба спирали Aib7-Leu8-Aib9-НурЮ способны не только изменить структуру и динамику молекулы зервамицина II и сделать его чувствительным к растворителю, а также могут в значительной степени сказаться на мембранной активности пептида.

При взаимодействии молекулы ZrvIIB с модельной мембраной прокариот пептид ориентируется под углом к поверхности мембраны и направлен N-концом к ней. Данное положение стабилизируется водородными между остатками АсеО, Gln3 и фосфатными и аминными группами липидов. В случае с модельной мембраной эукариот, ZrvIIB не входит глубоко в липидный бислой, а располагается параллельно поверхности. При этом Gln3 и Glnl 1 образуют водородные связи с полярными головками липидов. Димеризация молекул зервамицина на поверхности мембраны способствуют более глубокому проникновению пептидов в полярную область бислоя.

Процесс встраивания ZrvIIB под действием внешней силы, приложенной к N-концу, имеет стадийный характер. Сам процесс встраивания происходит в три стадии: встраивание N-конца до Gln3, далее разрыв водородных связей между Gln3 и полярными головками и встраивание остатков до Hyp 10, а на заключительной стадии - разрыв водородных связей между липидными головками и HyplO, Gin 11 и встраивание С-конца.

Как было показано выше, сам процесс встраивания быстрее протекает для модельной мембраны прокариот, однако в случае с модельной мембраной эукариот взаимодействие пептида с поверхностью липидного бислоя сильнее. Таким образом, можно сделать вывод, что селективность действия зервамицина IIB происходит не на стадии встраивания в мембрану, а на стадии адсорбции пептида на поверхность мембраны. Вероятно, что на сам процесс встраивания в большей мере влияет насыщенность и длина гидрофобных хвостов липидов, а не заряд. Энергия взаимодействия ZrvIIB с окружением при встраивании в мембрану ПОФХ не изменяется, а при встраивании в мембрану ПОФЭ/ПОФГ уменьшается на -200 кДж/моль. Однако в этом случае пептиду надо преодолеть более высокий энергетический барьер.

Таким образом, согласно полученным данным четыре молекулы зервамицина IIB не формируют устойчивый проводящий канал, но служат «предшественником» для формирования каналов из большего числа субъдиниц. Пентамер и гексамер формируют ионные каналы с минимальным радиусом пор 2.5 А и 3.7 А соответственно. Поры обоих каналов заполнены молекулами воды, однако в пентамере их количество не достаточно для проведения ионов без нарушения целостности гидратной оболочки. В случае гексамера одновалентные ионы могут проходить через пору канала без потери молекул воды в гидратной оболочке. Молекулы зервамицина IIB в пентамере поворачиваются относительно оси канала и формируют суперспираль, которая предположительно дополнительно стабилизирует канал. В гексамере все молекулы пептидов остаются параллельно оси канала. Вероятно, что в природе каналы из большего числа субъдиниц также образуют суперспираль, однако на это требуется значительно больше времени. При формировании суперспирали в пентамере все боковые радикалы полярных аминокислотных остатков направлены в полость канала или в сторону соседнего пептида, а неполярные остатки в область липидных хвостов. В случае гексамера такого четкого разделения полярных и неполярных аминокислотных остатков не наблюдается. Вероятно, для этого необходим поворот пептидов относительно оси канала с формированием суперспирали.

При прохождении иона через пору канала, образованного пятью субъединицами, происходит реорганизация гидратной оболочки в областях глутаминовых колец. В этих зонах движение иона значительно заменяется. Атомы кислорода боковых радикалов остатков Gin замещают потерянные молекулы воды гидратной оболочки.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Левцова, Ольга Владимировна, Москва

1. Chastre J. Evolving problems with resistant pathogens. Clin. Microbiol. Infect., 14 Suppl 3, 2008, 3-14.

2. Baron S. Medical Microbiology. The University of Texas Medical Branch at Galveston, Galveston, ed. 4, 1996,-616.

3. Егоров H.C. Основы учения об антибиотиках. Издательство МГУ им.М.В.Ломоносова, Москва, 2004,-528.

4. Ganz Т. Defensins: antimicrobial peptides of innate immunity. Nat. Rev. Immunol., 3, 2003, 710-720.

5. L.Whitmore, B.A.Wallace. The Peptaibol Database: a database for sequences and structures of naturally occurring peptaibols. Nucleic Acids Research, 32, 2004, 593-594.

6. L.Whitmore, J.K.Chugh, C.F.Snook, B.A.Wallace. The peptaibol database: a sequence and structure resource. Journal Peptide Science, 9, 2003, 663-665.

7. Jen W.C., Jones G.A., Brewer D., Parkinson V.O., Taylor A. The antibacterial activity of alamethicins and zervamicins. J. Appl. Bacteriol., 63, 1987, 293-298.

8. Summers M.Y., Kong F., Feng X., Siegel M.M., Janso J.E., Graziani E.I., Carter G.T. Septocylindrins A and B: peptaibols produced by the terrestrial fungus Septocylindrium sp. LL-Z1518. J. Nat. Prod., 70, 2007, 391-396.

9. Lee S.J., Yeo W.H., Yun B.S., Yoo I.D. Isolation and sequence analysis of new peptaibol, boletusin, from Boletus spp. J. Pept. Sci., 5, 1999, 374-378.

10. Fassi F.L., Wroblewski H., Blanchard A. Activities of antimicrobial peptides and synergy with enrofloxacin against Mycoplasma pulmonis. Antimicrob. Agents Chemother., 51, 2007, 468^174.

11. Grigoriev P.A., Schlegel В., Kronen M., Berg A., Hartl A., Grafe U. Differences in membrane pore formation by peptaibols. J. Pept. Sci., 9, 2003, 763-768.

12. Schiell M., Hofmann J., Kurz M., Schmidt F.R., Vertesy L., Yogel M., Wink J., Seibert G. Cephaibols, new peptaibol antibiotics with anthelmintic properties from Acremonium tubakii DSM 12774. J. Antibiot. (Tokyo), 54, 2001,220-233.

13. Montesinos E. Antimicrobial peptides and plant disease control. FEMS Microbiol. Lett., 270, 2007, 1-11.

14. Lorito M., Farkas V., Rebuffat S., Bodo В., Kubicek C.P. Cell wall synthesis is a major target of mycoparasitic antagonism by Trichoderma harzianum. J. Bacterid., 178, 1996, 6382-6385.

15. Matha V., Jegorov A., Kiess M., Bruckner H. Morphological alterations accompanying the effect of peptaibiotics, alpha-aminoisobutyric acid-rich secondary metabolites of filamentous fungi, on Culex pipiens larvae. Tissue Cell, 24, 1992, 559-564.

16. Broekemeier K.M., Iben J.R., LeVan E.G., Crouser E.D., Pfeiffer D.R. Pore formation and uncoupling initiate a Ca2+-independent degradation of mitochondrial phospholipids. Biochemistry, 41, 2002, 7771-7780.

17. Das M.K., Basu A., Balaram P. Effects of membrane channel-forming polypeptides on mitochondrial oxidative phosphorylation. A comparison of alamethicin, gramicidin A, melittin and tetraacetyl melittin. Biochem. Int., 11, 1985, 357-363.

18. Mathew M.K., Nagaraj R., Balaram P. Alamethicin and synthetic peptide fragments as uncouplers of mitochondrial oxidative phosphorylation. Effect of chain length and charge. Biochem. Biophys. Res. Commun., 98, 1981, 548-555.

19. Takaishi Y., Terada H., Fujita T. The effect of two new peptide antibiotics, the hypelcins, on mitochondrial function. Experientia, 36, 1980, 550-552.

20. Matic S., Geisler D.A., Moller I.M., Widell S., Rasmusson A.G. Alamethicin permeabilizes the plasma membrane and mitochondria but not the tonoplast in tobacco (Nicotiana tabacum L. cv Bright Yellow) suspension cells. Biochem. J., 389, 2005, 695-704.

21. Johansson F.I., Michalecka A.M., Moller I.M., Rasmusson A.G. Oxidation and reduction of pyridine nucleotides in alamethicin-permeabilized plant mitochondria. Biochem. J., 380, 2004, 193-202.

22. Kotlyar A.B., Maklashina E., Cecchini G. Absence of NADH channeling in coupled reaction of mitochondrial malate dehydrogenase and complex I in alamethicin-permeabilized rat liver mitochondria. Biochem. Biophys. Res. Commun., 318, 2004, 987-991.

23. Gostimskaya I.S., Grivennikova V.G., Zharova T.V., Bakeeva L.E., Vinogradov A.D. In situ assay of the intramitochondrial enzymes: use of alamethicin for permeabilization of mitochondria. Anal. Biochem., 313, 2003, 46-52.

24. Wada S., Iida A., Asami K., Tachikawa E., Fujita T. Role of the Gln/Glu residues of trichocellins A-II/B-II in ion-channel formation in lipid membranes and catecholamine secretion from chromaffin cells. Biochim. Biophys. Acta, 1325, 1997, 209-214.

25. Bonnafous J.С., Dornand J., Mani J.C. Alamethicin or detergent permeabilization of the cell membrane as a tool for adenylate cyclase determination. Biochim. Biophys. Acta, 720, 1982, 235-241.

26. Katayama Т., Miyagawa K., Kodama Т., Oikawa S. Trichorzin НА V, a member of the peptaibol family, stimulates intracellular cAMP formation in cells expressing the calcitonin receptor. Biol. Pharm. Bull., 24, 2001, 14201422.

27. He H., Janso J.E., Yang H.Y., Bernan V.S., Lin S.L., Yu K. Culicinin D, an antitumor peptaibol produced by the fungus Culicinomyces clavisporus, strain LL-12I252. J. Nat. Prod., 69, 2006, 736-741.

28. Krugel H., Becker A., Polten A., Grecksch G., Singh R., Berg A., Seidenbecher C., Saluz H.P. Transcriptional response to the neuroleptic-like compound Ampullosporin A in the rat ketamine model. J. Neurochem., 97 Suppl 1,2006, 74-81.

29. Nguyen H.H., Imhof D., Kronen M., Schlegel В., Hartl A., Grafe U., Gera L., Reissmann S. Synthesis and biological evaluation of analogues of the peptaibol ampullosporin A. J. Med. Chem., 45, 2002, 2781-2787.

30. Ritzau M., Heinze S., Dornberger K., Berg A., Fleck W., Schlegel В., Hartl A., Grafe U. Ampullosporin, a new peptaibol-type antibiotic from Sepedonium ampullosporum HKI-0053 with neuroleptic activity in mice. J. Antibiot. (Tokyo), 50, 1997, 722-728.

31. Геннис Р.Б. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. "МИР", Москва, 1997, 1-624.

32. Latorre R., Donovan J.J. Modulation of alamethicin-induced conductance by membrane composition. Acta Physiol Scand. Suppl, 481, 1980, 37-45.

33. Stankowski S., Schwarz U.D., Schwarz G. Voltage-dependent pore activity of the peptide alamethicin correlated with incorporation in the membrane: salt and cholesterol effects. Biochim. Biophys. Acta, 941, 1988, 11-18.

34. Chutrakul С., Peberdy J.F. Isolation and characterisation of a partial peptide synthetase gene from Trichoderma asperellum. FEMS Microbiol. Lett., 252, 2005, 257-265.

35. Reiber K., Neuhof Т., Ozegowski J.H., von D.H., Schwecke Т. A nonribosomal peptide synthetase involved in the biosynthesis of ampullosporins in Sepedonium ampullosporum. J. Pept. Sci., 9, 2003, 701— 713.

36. Wiest A., Grzegorski D., Xu B.W., Goulard C., Rebuffat S., Ebbole D.J., Bodo В., Kenerley C. Identification of peptaibols from Trichoderma virens and cloning of a peptaibol synthetase. J. Biol. Chem., 277, 2002, 2086220868.

37. Wei X., Yang F., Straney D.C. Multiple non-ribosomal peptide synthetase genes determine peptaibol synthesis in Trichoderma virens. Can. J. Microbiol., 51, 2005, 423-429.

38. Kirschbaum J., Krause C., Winzheimer R.K., Bruckner H. Sequences of alamethicins F30 and F50 reconsidered and reconciled. J. Pept. Sci., 9, 2003, 799-809.

39. Krause C., Kirschbaum J., Jung G., Bruckner H. Sequence diversity of the peptaibol antibiotic suzukacillin-A from the mold Trichoderma viride. J. Pept. Sci., 12, 2006,321-327.

40. Leclerc G., Rebuffat S., Bodo B. Directed biosynthesis of peptaibol antibiotics in two Trichoderma strains. II. Structure elucidation. J. Antibiot. (Tokyo), 51, 1998, 178-183.

41. Leclerc G., Rebuffat S., Goulard C., Bodo B. Directed biosynthesis of peptaibol antibiotics in two Trichoderma strains. I. Fermentation and isolation. J. Antibiot. (Tokyo), 51, 1998, 170-177.

42. Kumita J.R., Weston C.J., Choo-Smith L.P., Woolley G.A., Smart O.S. Prevention of peptide fibril formation in an aqueous environment by mutation of a single residue to Aib. Biochemistry, 42, 2003, 4492-4498.

43. Whitmore L., Wallace B.A. Analysis of peptaibol sequence composition: implications for in vivo synthesis and channel formation. Eur. Biophys. J., 33, 2004, 233-237.

44. Jacob J., Duclohier H., Cafiso D.S. The role of proline and glycine in determining the backbone flexibility of a channel-forming peptide. Biophys. J., 76, 1999, 1367-1376.

45. Nagaoka Y., Iida A., Tachikawa E., Fujita T. Fungal metabolites. XX. Effect of proline residue on the structure of ion-channel-forming peptide, trichosporin B-VIa. Chem. Pharm. Bull. (Tokyo), 43, 1995, 1119-1124.

46. Daniel J.F., Filho E.R. Peptaibols of trichoderma. Nat. Prod. Rep., 24, 2007, 1128-1141.

47. Toniolo C., Peggion C., Crisma M., Formaggio F., Shui X., Eggleston D.S. Structure determination of racemic trichogin A IV using centrosymmetric crystals. Nat. Struct. Biol., 1, 1994, 908-914.

48. Toniolo C., Crisma M., Formaggio F., Peggion C., Epand R.F., Epand R.M. Lipopeptaibols, a novel family of membrane active, antimicrobial peptides. Cell Mol. Life Sci., 58, 2001, 1179-1188.

49. Marshall G.R., Hodgkin E.E., Langs D.A., Smith G.D., Zabrocki J., Leplawy M.T. Factors governing helical preference of peptides containing multiple alpha,alpha-dialkyl amino acids. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A, 87, 1990, 487-491.

50. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. Книжный дом "Университет", Москва, 2008, 1-376.

51. Bavoso A., Benedetti Е., Di В.В., Pavone V., Pedone С., Toniolo С., Bonora G.M., Formaggio F., Crisman M. Long, chiral polypeptide 3(10)-helices at atomic resolution. J. Biomol. Struct. Dyn., 5, 1988, 803-817.

52. Kelsh L.P., Ellena J.F., Cafiso D.S. Determination of the molecular dynamics of alamethicin using 13C NMR: implications for the mechanismof gating of a voltage-dependent channel. Biochemistry, 31, 1992, 51365144.

53. Yee A.A., O'Neil J.D. Uniform 15N labeling of a fungal peptide: the structure and dynamics of an alamethicin by 15N and 1H NMR spectroscopy. Biochemistry, 31, 1992, 3135-3143.

54. Franklin J.C., Ellena J.F., Jayasinghe S., Kelsh L.P., Cafiso D.S. Structure of micelle-associated alamethicin from 1HNMR. Evidence for conformational heterogeneity in a voltage-gated peptide. Biochemistry, 33, 1994, 40364045.

55. Sessions R.B., Gibbs N., Dempsey C.E. Hydrogen bonding in helical polypeptides from molecular dynamics simulations and amide hydrogen exchange analysis: alamethicin and melittin in methanol. Biophys. J., 74, 1998, 138-152.

56. Gibbs N., Sessions R.B., Williams P.B., Dempsey C.E. Helix bending in alamethicin: molecular dynamics simulations and amide hydrogen exchange in methanol. Biophys. J., 72, 1997, 2490-2495.

57. Boheim G. Statistical analysis of alamethicin channels in black lipid membranes. J. Membr. Biol., 19, 1974, 277-303.

58. Jung G., Konig W.A., Leibfritz D., Ooka Т., Janko K., Boheim G. Structural and membrane modifying properties of suzukacillin, a peptide antibiotic related to alamethicin. Part A. Sequence and conformation. Biochim. Biophys. Acta, 433, 1976, 164-181.

59. Oren Z., Shai Y. Mode of action of linear amphipathic alpha-helical antimicrobial peptides. Biopolymers, 47, 1998, 451^463.

60. Ludtke S.J., He K., Heller W.T., Harroun T.A., Yang L., Huang H.W. Membrane pores induced by magainin. Biochemistry, 35, 1996, 1372313728.

61. Kobayashi S., Chikushi A., Tougu S., Imura Y., Nishida M., Yano Y., Matsuzaki K. Membrane translocation mechanism of the antimicrobial peptide buforin 2. Biochemistry, 43, 2004, 15610-15616.

62. Laver D.R. The barrel-stave model as applied to alamethicin and its analogs reevaluated. Biophys. J., 66, 1994, 355-359.

63. Breed J., Sansom M.S. Alamethicin channels modelled by simulated annealing and molecular dynamics. Biochem. Soc. Trans., 22, 1994, 157S.

64. Sansom M.S. Alamethicin and related peptaibols—model ion channels. Eur. Biophys. J., 22, 1993, 105-124.

65. Matsuzaki K., Sugishita K., Ishibe N., Ueha M., Nakata S., Miyajima K., Epand R.M. Relationship of membrane curvature to the formation of pores by magainin 2. Biochemistry, 37, 1998, 11856-11863.

66. Ludtke S., He K., Huang H. Membrane thinning caused by magainin 2. Biochemistry, 34, 1995, 16764-16769.

67. Ludtke S.J., He K., Wu Y., Huang H.W. Cooperative membrane insertion of magainin correlated with its cytolytic activity. Biochim. Biophys. Acta, 1190, 1994, 181-184.

68. Shai Y. Mode of action of membrane active antimicrobial peptides. Biopolymers, 66, 2002, 236-248.

69. Duclohier H., Molle G., Spach G. Antimicrobial peptide magainin I from Xenopus skin forms anion-permeable channels in planar lipid bilayers. Biophys. J., 56, 1989, 1017-1021.

70. Molle G., Duclohier H., Spach G. Voltage-dependent and multi-state ionic channels induced by trichorzianines, anti-fungal peptides related to alamethicin. FEBS Lett., 224, 1987, 208-212.

71. Katsu Т., Imamura Т., Komagoe K., Masuda K., Mizushima T. Simultaneous measurements of K+ and calcein release from liposomes and the determination of pore size formed in a membrane. Anal. Sci., 23, 2007, 517-522.

72. Katsu T. Application of calcein-loaded liposomes for the determination of membrane channel size. Biol. Pharm. Bull., 22, 1999, 978-980.

73. He K., Ludtke S.J., Huang H.W., Worcester D.L. Antimicrobial peptide pores in membranes detected by neutron in-plane scattering. Biochemistry, 34, 1995, 15614-15618.

74. He K., Ludtke S.J., Worcester D.L., Huang H.W. Neutron scattering in the plane of membranes: structure of alamethicin pores. Biophys. J., 70, 1996, 2659-2666.

75. Cafiso D.S. Alamethicin: a peptide model for voltage gating and protein-membrane interactions. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 23, 1994, 141-165.

76. Vogel H. Comparison of the conformation and orientation of alamethicin and melittin in lipid membranes. Biochemistry, 26, 1987, 4562^572.

77. Wu Y., He K., Ludtke S.J., Huang H.W. X-ray diffraction study of lipid bilayer membranes interacting with amphiphilic helical peptides: diphytanoyl phosphatidylcholine with alamethicin at low concentrations. Biophys. J., 68, 1995, 2361-2369.

78. Tieleman D.P., Berendsen H.J., Sansom M.S. Surface binding of alamethicin stabilizes its helical structure: molecular dynamics simulations. Biophys. J., 76, 1999, 3186-3191.

79. Tieleman D.P., Sansom M.S., Berendsen H.J. Alamethicin helices in a bilayer and in solution: molecular dynamics simulations. Biophys. J., 76, 1999, 40^49.

80. Tieleman D.P., Berendsen H.J., Sansom M.S. Voltage-dependent insertion of alamethicin at phospholipid/water and octane/water interfaces. Biophys. J., 80, 2001,331-346.

81. Wilburn J.P., Wright D.W., Cliffel D.E. Imaging of voltage-gated alamethicin pores in a reconstituted bilayer lipid membrane via scanning electrochemical microscopy. Analyst, 131, 2006, 311-316.

82. Latorre R., Alvarez O. Voltage-dependent channels in planar lipid bilayer membranes. Physiol Rev., 61, 1981, 77-150.

83. Mueller P., Rudin D.O. Action potentials induced in biomolecular lipid membranes. Nature, 217, 1968, 713-719.

84. Eisenberg M., Hall J.E., Mead C.A. The nature of the voltage-dependent conductance induced by alamethicin in black lipid membranes. J. Membr. Biol., 14, 1973, 143-176.

85. Gordon L.G., Haydon D.A. Potential-dependent conductances in lipid membranes containing alamethicin. Philos. Trans. R. Soc. Lond В Biol. Sci., 270, 1975, 433-447.

86. Boheim G. Statistical analysis of alamethicin channels in black lipid membranes. J. Membr. Biol., 19, 1974, 277-303.

87. Vodyanoy I., Hall J.E., Balasubramanian T.M. Alamethicin-induced current-voltage curve asymmetry in lipid bilayers. Biophys. J., 42, 1983, 71-82.

88. Mottamal M., Lazaridis Т. Voltage-dependent energetics of alamethicin monomers in the membrane. Biophys. Chem., 122, 2006, 50-57.

89. Tieleman D.P., Berendsen H.J., Sansom M.S. Voltage-dependent insertion of alamethicin at phospholipid/water and octane/water interfaces. Biophys. J., 80, 2001,331-346.

90. Rink Т., Bartel H., Jung G., Bannwarth W., Boheim G. Effects of polycations on ion channels formed by neutral and negatively charged alamethicins. Eur. Biophys. J., 23, 1994, 155-165.

91. Boheim G., Hanke W., Eibl H. Lipid phase transition in planar bilayer membrane and its effect on carrier- and pore-mediated ion transport. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A, 77, 1980, 3403-3407.

92. Taylor R.J., de L.R. "Reversed" alamethicin conductance in lipid bilayers. Biophys. J., 59, 1991, 873-879.

93. Sakmann В., Boheim G. Alamethicin-induced single channel conductance fluctuations in biological membranes. Nature, 282, 1979, 336-339.

94. Bezrukov S.M., Vodyanoy I. Probing alamethicin channels with water-soluble polymers. Effect on conductance of channel states. Biophys. J., 64, 1993, 16-25.

95. Hall J.E., Vodyanoy I., Balasubramanian T.M., Marshall G.R. Alamethicin. A rich model for channel behavior. Biophys. J., 45, 1984, 233-247.

96. Beven L., Helluin O., Molle G., Duclohier H., Wroblewski H. Correlation between anti-bacterial activity and pore sizes of two classes of voltage-dependent channel-forming peptides. Biochim. Biophys. Acta, 1421, 1999, 53-63.

97. Duclohier H., Alder G.M., Bashford C.L., Bruckner H., Chugh J.K., Wallace B.A. Conductance studies on trichotoxinA50E and implications for channel structure. Biophys. J., 87, 2004, 1705-1710.

98. Balaram P., Krishna K., Sukumar M., Mellor I.R., Sansom M.S. The properties of ion channels formed by zervamicins. Eur. Biophys. J., 21, 1992, 117-128.

99. Sansom M.S. The biophysics of peptide models of ion channels. Prog. Biophys. Mol. Biol., 55, 1991, 139-235.

100. Hanke W., Boheim G. The lowest conductance state of the alamethicin pore. Biochim. Biophys. Acta, 596, 1980,456-462.

101. Menestrina G., Voges K.P., Jung G., Boheim G. Voltage-dependent channel formation by rods of helical polypeptides. J. Membr. Biol., 93, 1986, 111132.

102. Gordon L.G., Haydon D.A. Kinetics and stability of alamethicin conducting channels in lipid bilayers. Biochim. Biophys. Acta, 436, 1976, 541-556.

103. Asami K., Okazaki Т., Nagai Y., Nagaoka Y. Modifications of alamethicin ion channels by substitution of Glu-7 for Gln-7. Biophys. J., 83, 2002, 219228.

104. Starostin A.V., Butan R., Borisenko V., James D.A., Wenschuh H., Sansom M.S., Woolley G.A. An anion-selective analogue of the channel-forming peptide alamethicin. Biochemistry, 38, 1999, 6144-6150.

105. D.P.Tieleman, B.Hess, M.S.P.Sansom. Analysis and evaluation of channel models: simulations of alamethicin. Biophysical Journal, 83, 2002, 23932407.

106. Argoudelis A.D., Dietz A., Johnson L.E. Zervamicins I and II, polypeptide antibiotics produced by emericellopsis salmosynnemata. J. Antibiot. (Tokyo), 27, 1974, 321-328.

107. Ovchinnikova T.V., Murashev A.N. The peptaibol antibiotic zervamicin displays neurotropic activity. Dokl. Biochem. Biophys., 414, 2007, 146-148.

108. Karle I.L., Flippen-Anderson J.L., Agarwalla S., Balaram P. Crystal structure of Leul.zervamicin, a membrane ion-channel peptide: implications for gating mechanisms. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A, 88, 1991, 5307-5311.

109. Karle I.L., Flippen-Anderson J.L., Agarwalla S., Balaram P. Conformation of the flexible bent helix of Leu 1-zervamicin in crystal С and a possible gating action for ion passage. Biopolymers, 34, 1994, 721-735.

110. Agarwalla S., Mellor I.R., Sansom M.S., Karle I.L., Flippen-Anderson J.L., Uma K., Krishna K., Sukumar M., Balaram P. Zervamicins, a structurally characterised peptide model for membrane ion channels. Biochem. Biophys. Res. Commun., 186, 1992, 8-15.

111. Z.O.Shenkarev, T.A.Balashova, R.G.Efremov, Z.A.Yakimenko, T.V.Ovchinnikova, J.Raap, A.S.Arseniev. Spatial structure of zervamicin IIB bound to DPC micelles: implications for voltage-gating. Biophysical Journal, 82, 2002, 762-771.

112. T.A.Balashova, Z.O.Shenkarev, A.A.Tagaev, T.V.Ovchinnikova, J.Raap, A.S.Arseniev. NMR strucrure of the channel-former zervamicin IIB in isotropic solvents. FEBS Letters, 466, 2000, 333-336.

113. Golovanov A.P., Barsukov I.L., Arseniev A.S., Bystrov V.F., Sukhanov S.V., Barsukov L.I. The divalent cation-binding sites of gramicidin A transmembrane ion-channel. Biopolymers, 31, 1991, 425^134.

114. Doyle D.A., Morais C.J., Pfuetzner R.A., Kuo A., Gulbis J.M., Cohen S.L., Chait B.T., MacKinnon R. The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science, 280, 1998, 6977.

115. Jiang Y., Lee A., Chen J., Cadene M., Chait B.T., MacKinnon R. The open pore conformation of potassium channels. Nature, 417, 2002, 523-526.

116. Jiang Y., Lee A., Chen J., Cadene M., Chait B.T., MacKinnon R. Crystal structure and mechanism of a calcium-gated potassium channel. Nature, 417, 2002, 515-522.

117. Kropacheva T.N., Raap J. Voltage-dependent interaction of the peptaibol antibiotic zervamicin II with phospholipid vesicles. FEBS Lett., 460, 1999, 500-504.

118. Korzhnev D.M., Bocharov E.V., Zhuravlyova A.V., Orekhov V.Y., Ovchinnikova T.V., Billeter M., Arseniev A.S. Backbone dynamics of the channel-forming antibiotic zervamicin IIB studied by 15N NMR relaxation. FEBS Lett., 495, 2001, 52-55.

119. Lu D., Aksimentiev A., Shih A.Y., Cruz-Chu E., Freddolino P.L., Arkhipov A., Schulten K. The role of molecular modeling in bionanotechnology. Phys. Biol., 3, 2006, S40-S53.

120. Martini J., Hellmich W., Greif D., Becker A., Merkle Т., Ros R., Ros A., Toensing K., Anselmetti D. Systems nanobiology: from quantitative single molecule biophysics to microfluidic-based single cell analysis. Subcell. Biochem., 43, 2007, 301-321.

121. Scholes G.D., Rumbles G. Excitons in nanoscale systems. Nat. Mater., 5, 2006, 683-696.

122. Alder B.J., Wainwright Т.Е. Phase Transition for a Hard Sphere System. J. Chem. Phys., 27, 1957, 1208-1209.

123. Rahman A. Correlations in the Motion of Atoms in Liquid Argon. Phys. Rev., 136, 1964, 405—411.

124. McCammon J.A., Celin B.R., Karplus G.M. Dynamics of folded proteins.

125. Nature, 267, 1977, 585-590.

126. Karplus M., McCammon J.A. Protein structural fluctuations during a period of 100 ps. Nature, 277, 1979, 578.

127. Rossky P.J., Karplus M. Solvation. A molecular dynamics study of a dipeptide in water. J. Am. Chem. Soc., 101, 1979, 1913-1937.

128. Gelin B.R., Karplus M. Side-chain torsional potentials: effect of dipeptide, protein, and solvent environment. Biochemistry, 18, 1979, 1256-1268.

129. McCammon J.A., Karplus M. Dynamics of activated processes in globular proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A, 76, 1979, 3585-3589.

130. Case D.A., Karplus M. Dynamics of ligand binding to heme proteins. J. Mol. Biol., 132, 1979, 343-368.

131. Lesyng В., McCammon J.A. Molecular modeling methods. Basic techniques and challenging problems. Pharmacol. Ther., 60, 1993, 149-167.

132. Jorgensen W.L., Maxwell D.S., Tirado-Rivers J. Development and testing of the OPLS all-atom force field on conformational energetics and properties of organic liquids. J. Am. Chem. Soc., 118, 1996, 11225-11236.

133. Miyamoto S., Komagoe K. Settle: An analytical version of the shake and rattle algorithm for rigid water models. J. Comput. Chem., 13, 1992, 952962.

134. Hess В., Bekker H., Berendsen H.J., Fraaije J.G.E.M. Lines: A linear constrant solver for molecular simulation. J. Comput. Chem., 18, 1997, 1463-1472.

135. Симонетта M., Гавезотти А., Кучицу К. Молекулярные структуры. Прецизионные методы исследования. Мир, Москва, 1997,-671.

136. Seelig J., Macdonald P.M., Scherer P.G. Phospholipid head groups as sensors of electric charge in membranes. Biochemistry, 26, 1987, 75357541.

137. Pasenkiewicz-Gierula M., Takaoka Y., Miyagawa H., Kitamura K., Kusumi A. Charge pairing of headgroups in phosphatidylcholine membranes: A molecular dynamics simulation study. Biophys. J., 76, 1999, 1228-1240.

138. Tu K., Tobias D.J., Blasie J.K., Klein M.L. Molecular dynamics investigation of the structure of a fully hydrated gel-phase dipalmitoylphosphatidylcholine bilayer. Biophys. J., 70, 1996, 595-608.

139. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer simulation of liquids. Oxford University Press, Oxford, New York, 1989,-408.

140. Darden Т., York D., Pedersen L.G. Particle mesh ewald: An n log(n) method for ewald sums in large systems. J. Chem. Phys., 98, 1993, 10089-10092.

141. Essmann U., Perera L., Berkowitz M.L., Darden T. A smooth particle mesh ewald method. J. Chem. Phys., 103, 1995, 8577-8593.

142. Saito M. Molecular dynamics simulation of proteins in solution: Artifacts caused by the cut-off approximation. J. Chem. Phys., 101, 1994, 4055-5061.

143. Saito M. Molecular dynamics simulations of proteins in water without the truncation of long-range Coulomb interaction. Mol. Simul., 8, 1992, 321333.

144. Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D. Comparison of simple potential function for simulation liquid water. J. Chem. Phys., 79, 1983, 926-935.

145. Patra M., Karttunen M., Hyvonen M.T., Falck E., Lindqvist P., Vattulainen I. Molecular dynamics simulations of lipid bilayers: major artifacts due to truncating electrostatic interactions. Biophys. J., 84, 2003, 3636-3645.

146. Verlet L. Computer "experiments" on classical fluids, i.thermodynamical properties of lennard-jones molecules. Phys. Rev., 159, 1967, 98-103.

147. Голо B.JT., Шайтан K.B. Динамический аттрактор в термостате Берендсена и медленная динамика биомакромолекул. Биофизика, 47, 2002,611-617.

148. Lemak A.S., Balabaev N.K. A comparison between collisional dynamics and Brownian dynamics. Mol. Simul., 15, 1995, 223-231.

149. Lemak A.S., Balabaev N.K. Molecular dynamics simulation of a polymer chain in solution by collisional dynamics method. J. Comput. Chem., 17, 1996, 1685-1695.

150. Okazaki Т., Sakoh M., Nagaoka Y., Asami K. Ion channels of alamethicin dimer N-terminally linked by disulfide bond. Biophys. J., 85, 2003, 267273.

151. Sakoh M., Okazaki Т., Nagaoka Y., Asami K. N-terminal insertion of alamethicin in channel formation studied using its covalent dimer N-terminally linked by disulfide bond. Biochim. Biophys. Acta, 1612, 2003, 117-121.

152. Smart O.S., Goodfellow J.M., Wallace B.A. The pore dimensions of gramicidin A. Biophys. J., 65, 1993, 2455-2460.

153. Smart O.S., Neduvelil J.G., Wang X., Wallace B.A., Sansom M.S. HOLE: a program for the analysis of the pore dimensions of ion channel structural models. J. Mol. Graph., 14, 1996, 354-60, 376.

154. Fox R.O., Jr., Richards F.M. A voltage-gated ion channel model inferred from the crystal structure of alamethicin at 1.5-A resolution. Nature, 300, 1982, 325-330.

Информация о работе
  • Левцова, Ольга Владимировна
  • кандидата физико-математических наук
  • Москва, 2008
  • ВАК 03.00.02
Диссертация
Динамика взаимодействия некоторых антимикробных пептидов с биомембранами - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно
Автореферат
Динамика взаимодействия некоторых антимикробных пептидов с биомембранами - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации
Похожие работы