Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

L- и D-изомеры трансмембранных каналов, структура и селективность

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "L- и D-изомеры трансмембранных каналов, структура и селективность"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 577.352.465

МАРКОВ Илья Владимирович

Ь- И Э-ИЗОМЕРЫ ТРАНСМЕМБРАННЫХ КАНАЛОВ. СТРУКТУРА И СЕЛЕКТИВНОСТЬ

Специальность 03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2006

Работа выполнена на кафедре естественнонаучных дисциплин Липецкого филиала Орловской региональной академии государственной службы

Научный руководитель: кандидат химических наук, кандидат физико-

математических наук, доцент

Дмитриев Андрей Викторович

Научный консультант: доктор физико-математических наук

профессор

Твердислов Всеволод Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Быстрое Владимир Сергеевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Яковенко Леонид Владимирович

Ведущая организация: Институт биохимической физики им.

Н.М. Эмануэля РАН

Защита состоится 16 марта 2006 года в' ' часов на заседании диссертационного совета К 501.001.08 в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Автореферат разослан « » Фе.врЛлА 2006 года

Ученый "секретарь

Диссертационного совета К 501.001.08 кандидат физико-математических наук

Г.Б. Хомутов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Фундаментальным свойством природной клетки является хиральная чистота ее основных молекулярных компонентов: белков-ферментов и нуклеиновых кислот. На атомно-молекулярном уровне организации природной клетки данное свойство проявляется в том, что ее нуклеиновые кислоты построены исключительно из Б-изомеров Сахаров, белки -из Ь-изомеров аминокислот. Данное свойство известно как нарушение зеркальной симметрии живой природы.

Аминокислоты и нуклеиновые кислоты содержат асимметричный атом углерода. Как известно, соединения с таким атомом образуют зеркальные изомеры (энантиомеры), обладающие оптической активностью - способностью вращать плоскость поляризации света (Ь - влево, Б - вправо). Например, все аминокислоты, за исключением глицина, содержат асимметричный а-углеродный атом и, следовательно, возможны два оптических изомера каждой аминокислоты. Если молекула содержит N асимметричных атомов углерода, то существуют 2м ее оптических изомеров. Например, рибоза может содержать 4 асимметричных атома углерода и, следовательно, возможно существование 16 ее оптических изомеров. Существуют и другие биологически активные молекулы, содержащие центры асимметрии. По последним данным, не менее половины молекул живых организмов являются оптически активными.

Рассматривая общие структурные особенности природной клетки, целесообразно выделить два аспекта нарушения зеркальной симметрии живой природы. Первый аспект связан с гомохиральностью биополимеров, участвующих в матричном синтезе белков и нуклеиновых кислот. Второй аспект связан с тем, что белки-ферменты и нуклеиновые кислоты имеют разный знак хиральности: белки-ферменты построены исключительно из Ь-изомеров аминокислотных остатков, нуклеотиды ДНК и РНК построены исключительно из Б-изомеров Сахаров.

Следует отметить, что Б-аминокислоты достаточно широко распространены в живой природе и, более того, входят в состав ряда биологически значимых коротких олигопептидов. Например, встречаются бактерии, которые содержат Б-

глютаминовую кислоту и Б-аланин в своих клеточных стенках, а в организме человека вырабатывается в качестве нейромедиатора Б-серии.

Физико-химические и биологические основы гомохиральности 'биополимеров в последнее время изучены достаточно хорошо:

1) гомохиральность белков и нуклеиновых кислот определяет их стереоспецифичность - необходимое условие матричного синтеза;

2) гомохиральность белков и нуклеиновых кислот обуславливает стабильность их структур, обеспечивающих их функционирование;

3) для биохимических преобразований гомохиральных соединений требуется гораздо меньший набор ферментов, чем для таких же преобразований гетерохиральных соединений.

Напротив, физико-химические и биологические основы того, что белки-ферменты и нуклеиновые кислоты имеют определенный знак хиральности, остаются неизвестными.

Вышесказанное объясняет перспективность построения моделей зеркальных изомеров белков природной клетки, а исследование их структурно-функциональных особенностей позволит получить частичный ответ на вопрос об эволюционном выборе строго определенного знака хиральности аминокислотных остатков.

Очевидно, что при исследовании структуры и механизмов функционирования зеркальных антиподов белков, практически невозможно охватить всего их многообразия. Поэтому мы ограничились исследованием определенного класса белков. В качестве последних мы исследовали три трансмембранных канала: потенциал-независимый калиевый канал, потенциал-зависимый калиевый канал и аквапорин. Последний выбор не является случайным, а обусловлен тем, что хиральная асимметрия живой природы непосредственным образом связана с другой фундаментальной асимметрией - ионной асимметрией в содержании важнейших катионов во внутренней и внешней среде клеток. Связь эта опосредована через ион-транспортирующие системы мембран, в частности, трансмембранные каналы.

Цели и задачи работы. Целью настоящего исследования являлось исследование структурно-функциональных особенностей зеркальных изомеров трех природных трансмембранных каналов.

Для достижения цели исследования решались следующие задачи:

- разработка эффективного метода расчета энергетических профилей ионов в трансмембранных каналах;

- объяснение, по полученным энергетическим профилям, механизмов ионной избирательности природных каналов;

- построение четвертичной структуры D-изомеров природных каналов;

- исследование ионной избирательности D-изомеров трансмембранных каналов.

Объекты исследований.

Потенциал-независимый калиевый канал KcsA, потенциал-зависимый калиевый канал КуАР, аквапорин АР].

Атомные координаты мембранных каналов брали из Банка белковых структур (Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory, USA).

Научная новизна полученных результатов. В результате исследований впервые:

1. Предложен расчетный метод, основанный на разделении ближних и дальних взаимодействий, позволяющий получать адекватные энергетические профили ионов в трансмембранных каналах.

2. По рассчитанным энергетическим профилям ионов, предложено объяснение механизмов ионной избирательности природных каналов.

3. Построены модели D-изомеров каналов с инвариантной природной аминокислотной последовательностью.

4. Установлено, что D-изомеры каналов являются энергетически менее стабильными, чем природные, а также для них характерно нарушение ионной избирательности, свойственной природным каналам.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанные

подходы позволяют количественно объяснить ионную избирательность

5

мембранных каналов. Учитывая, что огромное число заболеваний связано с «каналопатологиями» - нарушениями функционирования ионных каналов, полученные результаты и разработанные подходы могут быть использованы при разработке стратегии и средств лечения этих заболеваний. Полученные результаты могут быть использованы при исследовании биологического отклика организма от изомеризации каналов за счет глобальных внешних воздействий на биосферу и решения общих проблем ее хиральной безопасности.

Полученные результаты существенно расширяют представления о физических механизмах происхождения жизни, функционирования ионных каналов и могут быть использованы в курсах лекций по биофизике, биохимии и физиологии.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Расчетный метод, основанный на разделении ближних и дальних взаимодействий, позволяющий получать адекватные энергетические профили ионов в трансмембранных каналах.

2. Количественное объяснение по полученным энергетическим профилям механизмов ионной избирательности природных каналов.

3. Четвертичные структуры D-изомеров трансмембранных каналов с инвариантной природной аминокислотной последовательностью.

4. Утверждение о том, что D-изомеры каналов являются энергетически менее стабильными, чем природные, а также для них характерно нарушение ионной избирательности, свойственной природным каналам.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований по теме

диссертации представлены на: Международной школе-конференции «Введение в

многомерный анализ данных (проекционные методы)» (Кострома, 2002), 13th

International Congress on Molecular Biology (Toronto, 2002), 8-м Всероссийском

симпозиуме «Биоинформатика и компьютерное конструирование лекарств»

(Москва, 2002), 6-й Путинской школе-конференции молодых ученых «Биология -

наука 21-го века» (Пущино, 2002), 3-й Всероссийской конференции

«Молекулярное моделирование» (Москва, 2003), 4th Symposium on Multivariate

Data Analysis (Moscow, 2003), 3-м Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), 4-й

6

Всероссийской конференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2005), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005» (Москва, 2005).

Опубликованностъ результатов. По материалам диссертации опубликовано 5 статей и 6 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, основную часть, состоящую из 3 глав, заключение, включающее основные выводы и список литературы из 130 наименований.

П. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах энергетических профилей ионов

Движение иона в трансмембранном канале однозначно определяется профилем его потенциальной энергии. Действительно, потенциальная энергия, как функция координат иона в поре канала, входит во все уравнения, описывающие ионный транспорт в каналах: корпускулярно-механические (молекулярной и ланжевеновой динамики) и макроскопические (Пуассона-Нернста-Планка и теория переходного состояния Эйринга). В некоторых случаях, данные уравнения применяются для исследования проницаемости и анализа рядов селективности трансмембранных каналов.

Для расчета энергетического профиля иона в поре канала применяются две группы методов: силовых полей (молекулярной механики) и квантовой химии.

Расчетные методы квантовой химии, по сравнению с методами силового поля, дают более, а иногда единственно точные результаты. Единственным недостатком, ограничивающим применение квантовохимических расчетных методов, является относительно длительное время расчета для больших молекулярных систем.

Молекулярно-механический расчет энергетического профиля. Адекватность молекулярно-механических функций потенциальных энергий ионов исследуем для потенциал-независимого бактериального калиевого канала KcsA (Рис. 1). Рассчитанные силовыми полями AMBER, CHARMM и OPLS, энергетические профили Li+, Na+ и К+, для одноименных ионов, качественно совпадают друг с другом. Наблюдается лишь количественное расхождение

профилей. Поэтому более детально рассмотрим энергетические

профили ионов, рассчитанные методом AMBER (Рис. 2). Представленные профили,

практически совпадают в области центральной полости (П), входа и выхода канала. Существенное различие энергетических профилей катионов наблюдается только в области селективного фильтра (I) и нижней поры (ТП). Так в области селективного фильтра глубины

Рис. 1. Поперечный срез канала KcsA, потенциальных ям ионов находятся показывающий две из четырех его субъединиц

по абсолютной величине в следующей последовательности Li+>Na+>K+. В нижней поре канала существуют потенциальные барьеры, причем их высоты для различных ионов находятся в следующей последовательности K+>Na+>Li+.

Одним из условий того, что рассчитанные энергетические профили ионов

канала правильные, является предсказание по ним калиевой избирательности

исследуемого канала. Согласно основным положениям теории ионной

селективности каналов Дж. Эйзенмана, проникновение иона через селективный

фильтр канала возможно только в случае, когда энергии взаимодействия иона с

каналом достаточно для его дегидратации. Формально, это условие равенства (или

превышения) значения глубины потенциальной ямы, локализованной около входа

канала, и энергии дегидратации иона. В таблице 1 представлены

экспериментальные энергии дегидратации и глубины потенциальных ям ионов,

8

Z, Angstrom

Рис. 2. Энергетические профили ионов в канапе KcsA (расчет методом AMBER)

оцененные с учетом рассчитанного методом Буза значения эффективной константы диэлектрической проницаемости среды (£5=2.5).

Таблица 1

Энергии дегидратации и глубины потенциальных ям ионов в канале KrsA

Катион Li Na+ К+

Энергия дегидратации, кк ал/моль 121 97 79

Глубина потенциальной ямы, ккал/моль 62 58 40

Таким образом, рассчитанные энергетические профили ионов предсказывают не только отсутствие калиевой избирательности, но и избирательности для других двух ионов канала KcsA. Данные результаты указывают на неадекватность рассчитанных методом AMBER энергетических профилей ионов.

Аналогичные результаты наблюдаются для профилей энергии катионов, рассчитанных методом силового поля CHARMM и OPLS.

Таким образом, целесообразно предложить метод расчета энергетического профиля иона, сохраняющий достоинства квантовохимического и молекулярно-механического методов.

Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчете энергетического профиля. На больших расстояниях между ионом и атомами канала, когда нет существенного перекрывания электронных оболочек, можно пренебречь эффектом взаимной поляризации взаимодействующих систем или деформацией электронных оболочек атомов молекулы в силовом поле иона, и наоборот. В таком случае, молекулу и ион можно рассматривать как изолированные друг от друга системы. В молекуле канала за счет внутримолекулярных индуктивных эффектов создается собственное распределение электронной плотности, эффективное рассмотрение которого приводит к появлению точечных зарядов на атомах. Это позволяет проводить расчеты энергии взаимодействия молекулы канала и иона по классической кулоновской схеме для данных зарядов. Энергия иона, в таком случае, с точностью до множителя будет совпадать с электростатическим потенциалом.

При сближении иона и молекулы канала их электронные оболочки перекрываются и для расчета энергии их взаимодействия необходимо учитывать эффект взаимной поляризации взаимодействующих систем. В этом случае, единственно правильный результат дает квантовохимический расчет энергии взаимодействия молекул, а не кулоновская схема для точечных зарядов на атомах.

В связи с этим, можно разделить результирующую энергию взаимодействия иона с атомными группами канала на две аддитивные составляющие: Е) - энергия при небольших расстояниях ион - атомы канала и Е2 - энергия при больших расстояниях ион - атомы канала. Энергию Ei целесообразно рассчитывать одним из квантовохимических методов для системы ион - ближние аминокислоты, энергию Е2 рассчитывать в приближении точечных зарядов на атомах дальних аминокислот по классической кулоновской схеме для точечных зарядов на атомах. Причем в качестве последних, можно использовать параметры электростатических взаимодействий одного из силовых полей или точечные заряды на атомах, рассчитанные квантовохимически.

Энергию Ei рассчитывали методом Хоффмана в параметризации Вольфсберга-Гельмгольца, Е2 - методом силового поля AMBER, заряды на атомах аминокислот которого совпадают с зарядами, рассчитанными неэмпирическим кванговохимическим методом.

Для разделения ближних и дальних аминокислот в аксиально-симметричных каналах удобно ввести цилиндр обрезания - воображаемый цилиндр, ось которого совпадает с осью аксиальной симметрии канала и радиусом Ro. В таком случае центральным является вопрос о расстоянии между ионом и аминокислотами, где энергию взаимодействия молекул можно рассчитывать в приближении точечных зарядов на атомах и расстоянии, где необходим квантовохимический расчет. Очевидно, что данное расстояние и будет определять радиус цилиндра обрезания.

Применительно к расчету энергии взаимодействия иона и молекулы канала, целесообразно провести такой расчет в приближении точечных зарядов на атомах

60 20 -20

о -60

2 -юо

ж

ш

-140 -180 -220

10 20 30 40 50 Z, Angstrom

Рис. 3. Энергетические профили ионов в канале KcsA (расчет методом разделения дальних и ближних взаимодействий)

отдельных аминокислот, а также квантовохимически в системе ион -аминокислота. В этом случае в качестве Ro можно принять абсциссу точки расхождения рассчитанных зависимостей.

Для определения координат точки разделения двух функций нами проведены квантовохимические и классические кулоновские расчеты зависимости энергии взаимодействия от взаимного расстояния в системе ион - аминокислота. Подобные расчеты проведены для всех аминокислот, формирующих исследуемый канал, и 3 ионов. Наши расчеты показывают, что в зависимости от аминокислоты координаты

точки расхождения зависимостей составляют 3.2-4.2А. Таким образом, величина должна быть не меньше 4.2А. Для упрощения расчетов нами принято 1^=5А.

Результирующий энергетический профиль иона в канале Е=Е(2) представляли в виде суммы Е](Е)+Е2(7), где Ъ - координата оси аксиальной симметрии канала. Рассчитанные для ионов лития, натрия и калия функции Е=Е(2Г) представлены на рисунке 3.

Глава 2. Механизмы ионной и водной избирательности природных трансмембранных каналов

Современный подход к объяснению ионной селективности мембранных каналов основан главным образом на теории Дж. Эйзенмана. В теории Эйзенмана селективность каналов объясняется различием свободной энергии гидратации иона и энергии его взаимодействия с заряженными участками поры канала. Усовершенствованный подход к объяснению ионной селективности, предложенный А. Лайо, берет за основу основные положения теории Эйзенмана и статистической физики. В модели Лайо гамильтониан системы представлялся в виде суммы трех компонент: гидратационной энергии, обусловленной взаимодействием иона с молекулами воды; электростатической компоненты, обусловленной взаимодействием иона с заряженными и полярными группами поры канала; эластической компоненты, обусловленной деформацией формы канала. Для расчета энергии взаимодействия иона с каналом предложена формула е2г;

Еш,=4^ф)' (1)

где е(р) - значение микроскопической диэлектрической константы, как функции расстояния р от иона до заряженного участка канала, - эффективная валентность заряженных и полярных групп

На наш взгляд, одним из недостатков, как теории Эйзенмана, так и теории Лайо является использование эффективных параметров в расчете энергии взаимодействия иона с заряженными и полярными группами канала. Прежде всего, это .радиус иона и эффективная валентность. Так радиус иона является неоднозначным параметром и, в общем случае, зависит от структуры окружающих

его атомных групп. Эффективная валентность атома также зависит от состояния, в котором он находится: ковалентно связанном или свободном.

Другим более существенным недостатком теории Эйзенмана и теории Лайо является артефактность формулы (1) в расчетах потенциальной энергии иона, в случае, когда расстояние от иона до ближайшего к нему атома канала меньше 4.2А. На таких расстояниях, в силу значимости квантовомеханических эффектов перекрывания электронных оболочек, приближение точечных атомных зарядов не применимо.

Таким образом, для расчета энергии взаимодействия иона с каналом необходимо привлечение метода, не использующего эффективные параметры и учитывающего в явном виде квантовомеханические эффекты перекрывания электронных оболочек иона и близлежащих атомов канала. На наш взгляд, это описанный в 1 главе метод, который основан на разделении дальних и ближних взаимодействий в системе ион - канал.

Потенциал-независимый калиевый канал Кс&4- Сравнительный анализ энергетических профилей (рис. 3) для различных ионов позволяет объяснить калиевую избирательность канала и, тем самым, ответить на вопрос об адекватности рассчитанных профилей. Минимум потенциальной энергии иона калия в области селективного фильтра равен -199ккал/моль. С учетом ее=2.5 значение данного минимума равно -79ккал/моль. Последнее значение соответствует (с противоположным знаком) экспериментальной энергии дегидратации данного иона. Тем самым энергии взаимодействия иона калия с каналом достаточно для компенсации энергии его дегидратации при входе в канал. Для ионов лития и натрия данное условие не выполняется, что отражено в таблице 2.

Таблица 2

Энергии дегидратации ионов и глубины потенциальных ям ионов в канале Кс$А, рассчитанные методом разделения дальних и ближних взаимодействий

Катион 1л+ N3* К+

Энергия дегидратации, ккал/моль 121 97 79

Глубина потенциальной ямы, ккал/моль 48 64 79

Данные результаты указывают на исключительно калиевую избирательность канала, что согласуется с экспериментальными данными и традиционным объяснением калиевой избирательности канала.

Таким образом, результаты расчета энергетических профилей ионов в поре канала являются адекватными экспериментальным данным. Соответствующие профили ионов предложенным методом рассчитаны для других исследуемых трансмембранных каналов.

Потенциал-зависимый калиевый канал КуАР.

*

Рис. 4. Энергетические профили ионов в открытом канале КуАР

Рис. 5. Энергетические профили ионов в закрытом канале КуАР

Трансмембранный домен канала КуАР, определяющий его калиевую избирательность, структурно гомологичен каналу Кс<Д. Характерной особенностью потенциал-зависимого канала является наличие четырех подвижных доменов - электрических сенсоров, ответственных за открывание и закрывание канала. Данный канал, в зависимости от направления трансмембранного потенциала, определяющего положение сенсора в пространстве, может находиться в двух конформациях: открытой - пропускающей ионы, и закрытой - не пропускающей ионы. При изменении направления трансмембранного потенциала достаточно лабильный сенсор канала занимает новое положение, что приводит к переходу канала из открытого состояния в закрытое состояние и наоборот.

Энергетические профили ионов для открытого и закрытого канала представлены на рисунках 4 и 5, соответственно. Различаются они в области селективного фильтра - наиболее узкой области поры канала. Наиболее глубокая потенциальная яма в области селективного фильтра и наиболее низкий потенциальный барьер в области нижней поры соответствуют иону калия, что может быть основой для объяснения ионной избирательности канала. Совпадение профилей наблюдается в области центральной полости - наиболее широкой области поры канала.

Сравнительный анализ энергетических профилей ионов открытого канала позволяет объяснить калиевую избирательность канала. Минимум потенциальной энергии иона калия в области селективного фильтра равен -199ккал/моль. С учетом ^=2.5 значение данного минимума равно -79ккал/моль. Последнее значение соответствует (с противоположным знаком) экспериментальной энергии дегидратации данного иона. Тем самым энергии взаимодействия иона калия с каналом достаточно для компенсации энергии его дегидратации при входе в канал. Для ионов лития и натрия данные условия не выполняются, что отражено в таблице 3. Данные результаты указывают на исключительно калиевую избирательность канала, что согласуется с экспериментальными данными.

Таблица 3

Основные характеристики энергетических профилей ионов и полная энергия канала КуАР (ккал/моль)

Открытый канал

Потенциальные ямы К+ -200

-173

Ы -134

Потенциальный барьер 82

Полная энергия -8479

Закрытый канал

Потенциальные ямы к+ -251

Иа+ -229

П+ -194

Потенциальный барьер 258

Полная энергия -8467

Разность энергий 12

Распределение энергии ионов в закрытом канале качественно аналогично распределению энергии для открытого канала. Закрытый канал также способен пропускать через селективный фильтр только ионы калия. Главное отличие наблюдается в величинах энергетических барьеров в области центральной полости канала. Если для открытого канала данное значение составляет 82ккал/моль, то для закрытого канала - 257ккал/моль. С учетом эффективной константы диэлектрической проницаемости среды, моделирующей область центральной поры и принимающей значение равное 82, энергетический барьер открытого канала составляет 1 ккал/моль, закрытого - 3ккал/моль. Последнее значение определяет непроницаемый для ионов энергетический барьер и соответствует закрытому состоянию канала. Энергетический барьер в открытом канале проницаем за счет запаса энергии иона в трансмембранном потенциале, равном 1 ккал/моль.

Таким образом, изменение конформации открытого потенциал-зависимого калиевого канала под действием трансмембранного потенциала приводит к появлению непроницаемого для ионов энергетического барьера.

Глава 3. Механизмы ионной и водной избирательности зеркальных изомеров природных трансмембраиных каналов

Для построения D-изомеров каналов в природном канале проводили замену всех L-аминокислот на их зеркальные изомеры (D-аминокислоты). Предполагалось, что такая точечная изомеризация приведет к изменению структуры канала и, как следствие, приведет к вариации его функциональных свойств.

Стерические напряжения, обусловленные проведенной изомеризацией канала, снимали минимизацией функции потенциальной энергии модельного канала методом молекулярной механики. Нами использовалось силовое поле AMBER.

D-изомер потенциал-независимого калиевого канала KCSA. Полная энергия оптимизированного канала D-KcsA составляет: -12376ккал/моль. При этом

50 О -50 -100

0 -150

1 -200

Ш -250 -300 -350 -400

10 . 20 30 40 50 2, Angstrom

Рис. 6. Энергетические профили ионов в канале D-KcsA

природный изомер канала на 11840ккал/моль стабильнее, чем его D-изомер. Рассчитанные методом разделения дальних и ближних взаимодействий энергетические профили ионов в канале D-KcsA представлены на рисунке 6.

Данные распределения энергии ионов характеризуются наличием двух минимумов в области селективного фильтра: первая потенциальная яма иона

Г с

учетом Eeff=2.5 глубиной 144ккал/моль. Аналогично природному калиевому каналу,

анализ ионных избирательностей модельных каналов удобно проводить с помощью данных таблицы 4.

Таблица 4

Энергии дегидратации и глубины потенциальных ям ионов в канале П-КсХА

Катион П+ К+

Энергия дегидратации, ккал/моль 121 97 79

Глубина потенциальной ямы, ккал/моль 136 140 144

Глубины потенциальных ям всех ионов в канале О-КсзА превышают соответствующие значения энергии их дегидратации, поэтому данный канал способен пропускать все три иона, но с различной проводимостью. В этом отношении канал Б-КсэА аналогичен грамицидиновому каналу. Катионная селективность, проявляемая грамицидиновым каналом в отношении одновалентных катионов, невелика, она соответствует всего пятикратному изменению коэффициентов проницаемости. Проницаемость канала для одновалентных катионов изменяется в следующем порядке: Сзч>Ю>+>К+>№+>1л+.

й-изомер потенциал-зависимого калиевого канала КГАР. Энергетические профили ионов для открытого (0-КуАР0) и закрытого (Г>-КуАРс) канала качественно эквивалентны соответствующим профилям природного канала КуАР (Рис. 4, 5). Профили различаются в области селективного фильтра. Наиболее глубокая потенциальная яма в области селективного фильтра и наиболее низкий потенциальный барьер в области нижней поры соответствуют иону калия. Совпадение профилей наблюдается в области центральной полости.

Сравнительный анализ профилей различных ионов канала Б-КуАР0 и Б-КуАРс позволяет объяснить отсутствие калиевой избирательности каналов. Минимум потенциальной энергии иона калия в области селективного фильтра равен -85ккал/моль. С учетом ёс=2.5 значение данного минимума равно -35ккал/моль. Последнее значение значительно меньше, чем значение (с противоположным знаком) экспериментальной энергии дегидратации данного иона. Тем самым энергии взаимодействия иона калия с каналом не достаточно для компенсации энергии его дегидратации при входе в канал. Для ионов лития и

натрия данные условия не выполняются, что показало в таблице 5. Данные результаты указывают на отсутствие проницаемости для всех исследуемых ионов.

Таблица 5

Основные характеристики энергетических профилей ионов и полная энергия канала В-КуАР (ккал/моль)

Канал Б-КуАРо

Потенциальные ямы Г -85

Ыа+ -66

1л+ -38

Потенциальный барьер 6

Полная энергия -5331

Канал Б-КуАРс

Потенциальные ямы Г -84

Ыа+ -65

и+ -37

Потенциальный барьер 15

Полная энергия -5244

Разность энергий 87

Существуют и другие данные, свидетельствующие о нарушении нормального механизма работы калиевого канала. Это разность энергий между открытой и закрытой конформациями канала, которая составляет значительную величину - 87ккал/моль.

Кроме того, природный изомер канала на 3148ккал/моль стабильнее, чем его Б-изомер.

И-изомер аквапорина АР]. Структура Б-изомера аквапорина (В-АР,) и дня сравнения природного аквапорина представлена на рисунке 7. Наиболее узкая часть В-аквапорина имеет диаметр 1.4А, что меньше размеров молекулы воды. Данный результат можно рассматривал, как отсутствие водной проницаемости Б-аквапорииа. Таким образом, Б-аквапорин не способен регулировать содержание воды внутри и снаружи клетки, что приводит к нарушению жизненно важных

свойств живых клеток с инкрустированными в них модельными Б-аквапоринами. Например, в нервных клетках регуляция поступления воды влияет на состояние ионных каналов, передающих нервные импульсы.

А В

Рис. 7. Структура природного аквапорина (А) и аквапорина Ц-АР] (В)

Кроме этого, природный изомер аквапорина на 2258ккал/моль стабильнее, чем его Б-изомер.

ВЫВОДЫ

1. Предложенный метод расчета энергетических профилей ионов в мембранных каналах, основанный на разделении и независимом расчете энергий дальних и ближних взаимодействий, в отличие от методов силовых полей, позволяет получать адекватные распределения энергии ионов. Используя данный метод можно проводить расчеты дальних взаимодействий одним из методов силового поля, специально параметризованным для моделирования структуры биополимеров; ближних взаимодействий - одним из квантовохимических методов, пригодным для исследования белков. В последнем случае, может быть использован метод Хоффмана в параметризации Вольфсберга-Гельмгольца. При этом разделение дальних и ближних взаимодействий возможно, если расстояние от иона до атомов канала составляет около 5А, что подтверждается сравнением функций

энергии взаимодействия в системе ион - аминокислота, рассчитанных методом силового поля и методом квантовой химии.

2. Результаты сравнительного анализа рассчитанных энергетических профилей ионов в мембранных каналах позволили количественно объяснить их ионную избирательность. При этом проникновение иона в канал количественно объясняется равенством глубины потенциальной ямы и энергии дегидратации соответствующего иона. Для потенциал-зависимого калиевого канала ионная избирательность определяется не только гидратационным фактором, но и характером энергетических профилей ионов в открытом и закрытом канале.

3. Изомеризация природных мембранных каналов, с последующей их энергетической оптимизацией, приводит к существенному нарушению их природной четвертичной структуры. При этом в D-изомерах мембранных каналов нарушается свойство ионной избирательности, что, как следствие, приводит к нарушению биологических функций, обусловленных свойство^ их ионной избирательности. Вместе с тем, наблюдается меньшая энергетическая стабильность исследуемых неприродных изомеров каналов.

4. Для построения четвертичной структуры неприродных D-изомеров каналов, сохраняющих свойства ионной избирательности соответствующих природных каналов, необходима модификация первичной структуры соответствующих природных каналов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Dmitriev A.V., Baiyshnikov V.G., Markov I.V., Tverdislov V.A. Band and point statistical estimation of channelforming polypeptides potential / Progress in Chemometrics Research. 2005. USA, NY: Nova Science Publishers, P.30-45.

2. Дмитриев A.B., Барышников В.Г., Марков И.В., Твердислов В.А. Об использовании приближенных силовых полей для расчета распределения электростатического потенциала мембранных каналов // Журнал структурной химии. 2005. Т. 45. №5. С.624-628.

3. Дмитриев A.B., Марков И.В., Твердислов В.А. Моделирование третичной структуры функционально эквивалентных изомеров трансмембранных белков // 4-я

Всероссийская конференция "Молекулярное моделирование": тезисы докладов. Москва, 2005. С.122.

4. Марков И.В., Дмитриев A.B. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах распределения энергии в аксиально-симметричных мембранных каналах // Международная конференция «Ломоносов-2005»: тезисы докладов. Москва, 2005.

5. Марков И.В., Дмитриев A.B. Предсказание первичной и третичной структуры D-изомеров модельных белков функционально эквивалентных природным мембранным белкам // Международная конференция «Ломоносов-2005»: тезисы докладов. Москва, 2005.

6. Дмитриев A.B., Барышников В.Г., Марков И.В., Твердислов В.А. О механизмах ионной избирательности калиевого канала // 3-й Съезд биофизиков России: тезисы докладов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2004. с. 209-210.

7. Дмитриев A.B., Марков И.В. Ионные каналы. Методы расчета распределения потенциала. Липецк, 2004. 32 с.

8. Дмитриев A.B., Марков И.В. Ионные каналы. Структура и механизмы функционирования. Липецк, 2004.25 с.

9. Исаева Г.А., Исаев П.П., Дмитриев A.B., Марков И.В. Картирование устья грамицидиновых ионных каналов мембраны анестетиками ряда фенилпропиофенона // Биоинформатика и компьютерное конструирование лекарств: тезисы докладов 8-го Всероссийского симпозиума. Москва: Изд-во ИБМХ РАМН, 2002. С.218.

10. Лузянин С.Е., Марков И.В., Дмитриев A.B., Исаев П.П. О влиянии молекул анестетика на электростатическое поле мембранных каналов // Биохимическая физика: тезисы докладов 2-й ежегодной молодежной конференции ИБХФ-ВУЗы. - Москва: Изд-во ИБХФ РАН, 2002. - С.4.

11. Марков И.В., Дмитриев A.B., Исаева Г.А., Николаевский В.А., Исаев П.П. Исследование латентных факторов в структурных и биологических данных производных фенилпропиофенона // Прикладные информационные аспекты медицины. 2001. Т.4. №3. С.48-52.

A3

p- 23 9 9

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Марков, Илья Владимирович

Введение.

Глава I. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах энергетических профилей ионов.

§1.1. Трансмембранные каналы: классификация и функции.

§1.2. Теоретические методы расчета энергетических профилей ионов и необходимость использования квантовохимического расчёта.

1.2.1. Традиционные методы расчета энергетического профиля иона в поре канала и его роль в объяснении проницаемости каналов

1.2.2. Артефактность методов силовых полей в расчетах энергетических профилей ионов в поре канала и необходимость использования квантовохимических расчетов

§1.3. Физическое обоснование разделения дальних и ближних взаимодействий в расчетах энергетических профилей ионов.

1.3.1. Представление молекулы канала в системе координат с поворотной осью симметрии

1.3.2. Формальная схема метода

1.3.3. Физическое обоснование метода

Глава II. Механизмы ионной и водной избирательности природных трансмембранных каналов.

§2.1. Потенциал-независимый калиевый канал КсвА.

2.1.1. Структура и традиционное объяснение ионной избирательности канала

2.1.2. Энергетические профили ионов и калиевая избирательность канала

§2.2. Потенциал-зависимый калиевый канал КуАР.

2.2.1. Структура и традиционное объяснение ионной избирательности канала

2.2.2. Энергетические профили ионов и калиевая избирательность канала

§2.3. Аквапорин АР].

2.3.1. Структура и традиционное объяснение водной избирательности порина

2.3.2. Энергетические профили молекул воды и водная избирательность порина

Глава III. Механизмы ионной и водной избирательности зеркальных изомеров природных трансмембранных каналов.

§3.1. Модельный Б-изомер потенциал-независимого калиевого канала КсбА.

3.1.1. Структура канала Б-КсбА

3.1.2. Энергетические профили ионов и ионная избирательность канала Б-КсбА

§3.2. Модельный Б-изомер потенциал-зависимого калиевого канала Ку АР.

3.2.1. Структура канала Б-КуАР

3.2.2. Энергетические профили ионов и функционирование канала Б-КуАР

§3.3. Аквапорин АР,.

3.3.1. Структура порина Б-АР!

3.3.2. Водная избирательность порина Б-АР

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "L- и D-изомеры трансмембранных каналов, структура и селективность"

Фундаментальным свойством природной клетки является хиральная чистота ее основных молекулярных компонентов: ферментов и нуклеиновых кислот. На атомно-молекулярном уровне организации природной клетки данное свойство проявляется в том, что в нуклеиновых кислотах содержаться только Б-изомеры Сахаров, в ферментах - только Ь-изомеры аминокислот. Такое нарушение зеркальной симметрии биологических молекул является, по выражению Г. Вейля [1], исключительной привилегией жизни.

В данном случае речь идет о нарушении геометрической зеркальной симметрии - отсутствии точки или плоскости инверсии в атомной модели молекулы. Молекула является зеркально симметричной относительно некоторой плоскости О,, если она переходит сама в себя при отражении от плоскости П. К зеркально-симметричным (хиральным) относятся молекулы, содержащие так называемый асимметрический атом углерода, - аминокислоты, сахара и т.д. Данные молекулы обладают свойством хиральности в том случае, если все четыре заместителя, связанные с центральным атомом углерода С*, различны. Зеркальные изомеры таких молекул обычно называют «левыми» и «правыми» изомерами. В биофизической литературе их обозначают буквами Ь (от 1ае\о - левый) и Б (от с1ех&о - правый).

Если молекула имеет один асимметрический центр, то у нее существуют только два оптических изомера. Если же молекула содержит N асимметрических центров, то всего имеется ее оптических изомеров, которые можно рассортировать на 2Ы"! различных изомерных пар. Такая ситуация характерна для молекулы сахара - пентозы, которая может содержать 4 асимметрических центра и, следовательно, возможно 24=16 изомеров пентозы или 8 различных пар соответствующих Ь- и Б-изомеров.

Несмотря на огромное разнообразие хиральных соединений в природе, прежде всего, нас будут интересовать аминокислоты и сахара.

Аминокислотные остатки - главные компоненты белков, полипептидов и олигопептидов существуют в виде двух стереоизомеров или энантиомеров, известные под названием Ь- и Б-изоформ. В этом случае существует некоторое отображение, переводящее каждый атом в его зеркальный образ относительно П (рис. 1). Каждый аминокислотный остаток имеет инвариантную часть и, за исключением двух концевых остатков, связан с другими таким образом, что формируется непрерывная, неразветвленная цепь - основная цепь белковой молекулы. На одном конце цепи находится свободная >Щ2-группа (Ы-конец), на другом - СООН-группа (С-конец). К каждому а- или С*-углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков - Я-группы*. Стереоизомерия характерна для всех аминокислот, за исключением глицина. H

С. H rtjc мн

Рис. 1. Зеркальные изомеры (L и D) аминокислот

Другие биомолекулы, в которых также может проявляться свойство стереоизомерии, это нуклеиновые кислоты - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) (рис. 2). Они построены из мономерных звеньев -нуклеотидов, которые состоят из трех частей: азотистого основания (N), моносахарида (сахара) и одной или нескольких фосфатных групп (Р). Сахар (пентоза), входящий в состав природного нуклеотида, может присутствовать В белках, как правило, встречается 20 разных R-rpynn: фенилаланин - Phe (F), триптофан - Trp (W), тирозин -Туг (Y), метионин - Met (M), цистеин - Cys (С), лейцин - Leu (L), аланин - Ala (А), валин - Val (V), изолейцин -Ile (I), пролин - Pro (Р), треонин - Thr (Т), серин - Ser (S), глутамин - Gin (Q), аспарагин - Asn (N), аспарагиновая кислота - Asp (D)', глутаминовая кислота - Glu (Е), гистидин - His (H), аргинин - Arg (R), лизин - Lys (К), глицин -Gly(G). в одной из двух форм Р-Б-рибозы и р-Э-дезоксирибозы. Первая форма сахара присутствует в мономерных звеньях РНК, вторая - в мономерных звеньях ДНК. Напомним, что Ь-изомеры Сахаров в мономерах природных РНК и ДНК не встречаются, хотя каждый из них вне биополимерной структуры может существовать ивЬ-и Б-форме. Азотистые основания представляют собой производные одного из двух соединений - пурина или пиримидина**.

5' 0 сн, н н © 1 1 с н 1 ь ! N : н н 0 сн2 С н

3'

Рис. 3. Зеркальные изомеры нуклеотидов

Следует отметить, что в отличие от Сахаров (в РНК и ДНК) и аминокислот (в белках-ферментах) другие хиральные компоненты клетки могут встречаться как в одной, так и в другой изомерной форме. Например, в некоторых бактериях среди продуктов различных биохимических превращений обнаружены Ь-сахара и Б-аминокислоты. Поэтому в целом биологический мир не обнаруживает хиральной чистоты.

Биополимер, построенный из стереоизомеров строго определенного вида (Ь или Б), принято называть гомохиральным; биополимер, построенный из смеси стереоизомеров - рацемическим или гетерохиральным. Физически идентифицировать принадлежность гомохиральной молекулы к тому или В нуклеиновых кислотах в основном присутствуют два пуриновых производных (аденин - А, гуанин - в) и три пиримидиновых основания (цитозин - С, тимин - Т, урацил - и). В рибонуклеотидах используются основаниия А, О, С, и и, в дезоксирибонуклеотидах - А, в, С и Т. иному изомеру возможно только по направлению вращения плоскости поляризации проходящего через них света: Ь-изомер вращает плоскость поляризации влево, Э-изомер - вправо. Все остальные физические свойства изомеров практически эквивалентны. Одинаковы внутренние энергии, растворимости, температуры плавления, кипения и т.д.

Впервые нарушение зеркальной симметрии наблюдал Л. Пастер [2]. В 1848 г. он открыл, что виноградная кислота в результате кристаллизации превращается в смесь Ь- и Б-изомеров кристаллов винной кислоты. Кислота, получающаяся из Б-кристаллов, совпадает с винной кислотой, образующейся при брожении виноградного сока; кислота, получающаяся из Ь-кристаллов, не наблюдается в природе. Это явление Пастер объяснил тем, что на рацемический раствор действовали бактерии, содержащиеся в атмосфере и способствующие производству гомохирального раствора.

В настоящее время установлено, что он заблуждался: строгое физическое объяснение состоит в том, что при низкой температуре смесь двух оптически активных форм винной кислоты более устойчива, чем ее неактивная форма. С того времени специалистами самых различных областей науки опубликовано огромное количество работ, посвященных проблеме нарушения зеркальной симметрии (см. обзоры [3, 4, 5]). Тем не менее окончательное решение проблемы далеко до своего завершения.

Последние работы, прежде всего, посвящены поиску физико-химических механизмов и возможных сценариев нарушения зеркальной симметрии (факторы преимущества, спонтанное нарушение зеркальной симметрии), последствиям загрязнения организма «неприродными» изомерами [6] и взаимодействию хиральных лекарств с организмом [7].

Рассматривая общие структурные особенности природной клетки, целесообразно выделить два аспекта.

Первый связан с гомохиральностью биополимеров, участвующих в матричном синтезе белков и нуклеиновых кислот. Данный синтез происходит с участием различных гомохиральных ферментов, ДНК, различных РНК, что обусловлено их взаимной стереоспецифичностью. Последняя достигается тем, что аминокислоты ферментов и нуклеиновые кислоты ДНК и РНК имеют исключительно разный знак хиральности. Белки-ферменты, рецепторы, переносчики, шапероны также утратят свою уникальную пространственную конфигурацию, необходимую для специфического комплементарного узнавания своих субстратов и лигандов.

Второй аспект связан с тем, что все гомохиральные белки-ферменты построены исключительно из Ь-изомеров аминокислотных остатков, нуклео-тиды ДНК и РНК построены исключительно из Б-изомеров Сахаров.

Физико-химические и биологические предпосылки гомохиральности биополимеров в последнее время изучены достаточно хорошо [3, 4, 5]: гомо-хиральность белков и нуклеиновых кислот обуславливает стабильность их структур, обеспечивающих их функционирование, и, кроме того, для биохимических преобразований гомохиральных соединений требуется гораздо меньший набор ферментов, чем для таких же преобразований гетерохираль-нЫх соединений. Напротив, физико-химическое и биологическое значение гомохиральных белков-ферментов и нуклеиновых кислот определенного знака хиральности остается пока малоизвестным. В этом случае центральным вопросом является вопрос о случайности или определенности выбора белковых Ь-аминокислот в процессе биологической или предбиологической эволюции [5].

Получить частичный ответ на этот вопрос, и является целью нашей работы, для достижения которой были сформулированы следующие задачи:

1) построить модельные Б-изомеры белков - трансмембранных каналов;

2) исследовать их атомную геометрию, а также абсолютные значения и изменения полной энергии в сравнении с аналогичными параметрами природных каналов;

3) исследовать их проницаемость для ионов и молекул.

Очевидно, что при построении модельных изомеров природных белков, практически невозможно исследовать всего их многообразия. Поэтому в нашей работе мы ограничились исследованием 3-х трансмембранных каналов: потенциал-независимого бактериального калиевого канала КсбА, потенциал-зависимого калиевого канала КуАР и аквапорина АР^

Данный выбор является неслучайным по нескольким причинам:

1) трансмембранные каналы играют основополагающую роль в таких важнейших физиологических процессах как преобразование энергии, поддержание постоянного химического состава внутренней среды (гомеостаз), регуляция и рецепция, сокращение мышц, распространение нервного импульса и др. [8];

2) выше названные каналы являются экспериментально наиболее изученными из природных каналов [9], поэтому все изменения структурно-зависимых свойств канала, при точечной рацемизации всех его аминокислотных остатков, удобно сопоставлять с аналогичными свойствами природного канала;

3) суперсемейство трансмембранных каналов участвует в формировании важных биологических процессов [10], поэтому представляется возможным исследование влияния точечной рацемизации полного набора аминокислотных остатков мембранных каналов на нарушение его биологических функций;

4) ионные каналы, в том числе КсэА или КуАР, участвуют в формировании ионной асимметрии (трансмембранного потенциала) клетки, которая непосредственно связана с хиральной чистотой клеточных структур [11].

За исключением работ, посвященных исследованию взаимодействия различных изомеров биологически активных соединений (см. обзор [7]), практически отсутствуют публикации по структурным аспектам проблемы биологического значения гомохиральности биомолекул определенного знака.

Наша работа является одной из первых попыток исследования структурно-функциональных особенностей зеркальных изомеров трансмембранных каналов.

Перед построением модельных изомеров нами объяснена ионная избирательность калиевых каналов и аквапорина сравнением энергетических профилей ионов в поре канала и молекул воды в поре аквапорина. Подробности предложенного нами метода расчета профилей энергии представлены в главе 1. Механизмы ионной избирательности калиевых каналов и водной проницаемости аквапорина представлены в главе 2. Построенные модели зеркальных изомеров природных каналов, их структура и проницаемость представлены в 3 главе.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Марков, Илья Владимирович

Выводы

Исследованы структура и функции зеркальных антиподов природных трансмембранных каналов. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Предложенный метод расчета профилей энергии ионов в мембранных каналах, основанный на разделении и независимом расчете энергий дальних и ближних взаимодействий, в отличие от методов силовых полей, позволяет получать адекватные профили энергии ионов. Данный метод позволяет проводить расчеты дальних взаимодействий одним из методов силового поля, специально параметризованным для моделирования биополимеров; ближних взаимодействий - одним из квантовохимических методов, пригодным для исследования белков. В последнем случае может быть использован расширенный метод Хюккеля в параметризации Вольфсберга-Гельмгольца. При этом разделение дальних и ближних взаимодействий возможно, если расстояние от иона до атомов канала составляет около 5А, что подтверждается сравнением функций энергии взаимодействия в системе ион - аминокислота, рассчитанных методом силового поля и методом квантовой химии.

2. Результаты сравнительного анализа, рассчитанных профилей энергии ионов в мембранных каналах, а также результаты квантовохимического расчета эффективной константы диэлектрической проницаемости среды, моделирующей пору канала, позволили количественно объяснить их ионную избирательность. При этом проникновение иона в канал количественно объясняется равенством глубины потенциальной ямы и энергии дегидратации соответствующего иона.

Для потенциал-зависимого канала, ионная избирательность определяется не только гидратационным фактором, но и характером профиля энергии иона в открытом и закрытом канале. В случае канала, находящегося в закрытом состоянии, наблюдается энергетический барьер, непроницаемый для исследуемых ионов.

3. Точечная рацемизация по всем аминокислотам природных мембранных каналов с последующей их энергетической оптимизацией приводит к существенному нарушению их природной четвертичной структуры. При этом в Б-изомеры мембранных каналов являются энергетически менее стабильными, чем соответствующие природные изомеры.

4. Точечная рацемизация полного набора аминокислот природных каналов приводит к нарушению их проницаемости.

Потенциал-независимый и потенциал-зависимый калиевые каналы полностью утрачивают свойство калиевой избирательности. Кроме того, наблюдается значительная разность энергий между открытым и закрытым состоянием последнего канала. Соответствующее энергетическое воздействие может привести к электрическому пробою мембраны и, как следствие, нестабильности клетки.

Структура зеркального изомера природного аквапорина такова, что он не проницаем для молекул воды.

5. Для построения четвертичной структуры неприродных Б-изомеров каналов, сохраняющих свойства ионной избирательности, в случае калиевых каналов и водной проницаемости для аквапорина, необходима модификация первичной структуры соответствующих природных каналов.

Заключение

При написании работы мы не задавались вопросом о возможных причинах, послуживших эволюционному закреплению хирального состава современной природной клетки. Частичные ответы на этот вопрос можно найти в работах [3, 4, 5]. В любом случае, в литературе, посвященной данной проблеме, отсутствуют какие-либо физически обоснованные данные, свидетельствующие о невозможности существования эволюционного сценария происхождения зеркальной клетки. Поэтому дальнейшие рассуждения, несмотря на их гипотетичность, заслуживают особого внимания.

Главной особенностью живой клетки является ее способность к самовоспроизводству [126, 127, 128]. Химическая основа этого процесса - матричный синтез белков и нуклеиновых кислот, который происходит с участием различных ферментов, ДНК, РНК и не возможен без их взаимной стерео-специфичности. Последняя достигается тем, что аминокислоты ферментов и нуклеиновые кислоты ДНК и РНК имеют разный знак хиральности. В зеркальной клетке, как и в природной клетке, данное требование соблюдается: ферменты включают Р-аминокислоты, а нуклеиновые кислоты - Ь-сахара. Вероятно, единственной отличительной особенностью зеркальной клетки будет либо измененная нуклеотидная последовательность генов, кодирующих первичную структуру калиевых каналов, либо будет изменена таблица генетического кода. Кроме того, калиевые каналы, а вероятно, и другие трансмембранные белки зеркальной клетки будут энергетически менее стабильными, чем таковые в природной клетке, а также будет изменена первичная структура всех мембранных белков. Последнее структурное свойство зеркальной клетки является необходимым, т.к. в противном случае нарушится фермент-субстратная стереоспецифичность — необходимое условие матричного биосинтеза белков [129]. Действительно, как ранее было показано на примере калиевого канала, точечная рацемизация полного набора аминокислот природного канала без изменения его первичной структуры приводит к нарушению механизмов его функционирования, в частности ионной избирательности. Для более детального исследования этих нарушений, целесообразно провести рассмотренные выше исследования для целого ряда калиевых каналов, формирующих единое суперсемейство каналов [130], а также других мембранных белков.

В заключение отметим, что за рамками данной работы остались весьма актуальная проблема эволюционной фиксации аминокислот и нуклеиновых кислот гомохиральности строго определенного типа, последствия загрязнения организма «неприродными» изомерами и, прежде всего, проблема хи-ральной безопасности биосферы.

Кратко отметим, что под экологической безопасностью в настоящее время понимается защищенность населения и экосистем от негативных последствий природных и техногенных катастроф, а также антропогенного воздействия на качество окружающей среды. В связи с тем, что многие органические вещества природного и техногенного происхождения имеют энантио-мерные формы, существенно различающиеся по эффектам воздействия на организмы, вплоть до токсического и мутагенного, проблема «хиральной чистоты биосферы», являясь по принадлежности экологической, по существу имеет биофизическую, или, шире, биогеофизическую и биогеохимическую основу.

Область применения хиральных соединений чрезвычайно широка: от фармацевтических препаратов до сельского хозяйства и производства оптических кабелей. Традиционный химический синтез органических соединений, не включающий участие хиральных катализаторов, приводит к образованию рацемических смесей, содержащих равное количество Б- и Ь-энантиомеров. Но и при их разделении и очистке, при хирально-специфическом синтезе, трансформации хиральных соединений в искусственных и природных условиях образуются токсические хиральные продукты.

Развитые биофизикой и смежными науками подходы могут быть чрезвычайно полезны не только для понимания механизмов взаимодействия хиральных соединений с биологическими системами разного уровня организации, но и для развития методов и направленности экологического мониторинга в решении данной проблемы.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Марков, Илья Владимирович, Москва

1. Вейль Г. Симметрия. М: Наука, 1968. 200 с.

2. Пастер J1. Избранные труды. / Пер., под редакцией A.A. Имшенецко-го. М: Изд-во АН СССР, 1960. 355 с.

3. Гольданский В.И., Кузьмин В.В. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в природе и происхождение жизни // Успехи физических наук. 1989. Т. 157. №1. С. 3-50.

4. Аветисов В.А., Гольданский В.И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. №8. С. 873-891.

5. Чернавский Д.С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. №2. С. 157-183.

6. Твердислов В.А., Сидорова В.В. Хиральная безопасность биосферы как биофизическая проблема // Биофизика. 2004. Т. 49. №3. С. 510-520.

7. Caner Н., Groner Е., Levy L., Agranat I. Trends in the development of chiral drugs // Drug Discovery Today. 2004. V. 9. P. 105-110.

8. Николлс Дж.Г., Мартин A.P., Валлас Б.Дж., Фукс П.А. От нейрона к мозгу. / Пер. с англ. П.М. Балабана и др. М.: Изд-во Едиториал УРСС, 2003. 600 с.

9. Aidley D.J., Stanfield P.R. Ion channels. Molecules in action. Cambridge

10. University Press, 1996. 307 p. t

11. Геннис P. Биологические мембраны. Молекулярная структура и функции. М.: Мир, 1997, 624 с.

12. Яковенко JI.B., Твердислов В.А. Поверхность мирового океана и физические механизмы предбиологической эволюции // Биофизика. 2004. Т. 48. С. 1137-1146.

13. Твердислов В.А., Тихонов А.Н., Яковенко JI.B. Физические механизмы функционирования биологический мембран. М.: Изд-во МГУ, 1987. 350 с.

14. Nonner W., Chen D.P., Eisenberg В. Progress and Prospects in Permeation//J. Gen. Physiol. 1999. V. 113. P. 773-782.

15. Levitt D.G. Modeling of Ion Channels // J. Gen. Physiol. 1999. V. 113. P. 789-784.

16. Von Kitzing E. Forces Determining Ion Permeation // J. Gen. Physiol. 1999. V. 114. P. 593-595.

17. Roux B. Theories of Ion Permeation: A Chaser // J. Gen. Physiol. 1999. V. 114. P. 605-608.

18. Newman J.S. Electrochemical Systems. New Jersey: Prentice-Hall, 1991.560 p.

19. Cardenas A.E., Coalson R.D., Kurnikova M.G. Three-Dimensional Pois-son-Nernst-Planck Theory Stidies: Influence of Membrane Electrostatics on Gramicidin A Channel Conductance // Biophys. J. 2000. V. 79. P. 80-93.

20. Kurnikova M.G., Coalson R.D., Graf P., Nitzan A. A Lattice Relaxation Algorithm for Three-Dimensional Poisson-Nernst-Planck Theory with Application to Ion Transport through the Gramicidin A Channel // Biophys. J. 1999. V 76. P. 642-656.

21. Corry В., Kuyucak S., Chung S. Tests of Continuum Theory as Models of Ion Channels. II. Poisson-Boltzmann Theory versus Brownian Dynamics // Biophys. J. 2000. V. 78. P. 2364-2381.

22. Chen D.P., Xu L., Tripathy A., Meissner G., Eisenberg B. Selectivity and Permeation in Calcium Release Channel of Cardiac Muscle: Alkali Metal Ions //Biophys. J. 1999. V. 76. P. 1346-1366.

23. Kuyucak S., Hoyles M., Chung S.H. Analytical Solutions of Poisson's Equation for Realistic Geometrical Shapes of Membrane Ion Channels // Biophys. J. 1998. V. 74. P. 22-36.

24. Lauger P. Ion Transport through Pores: A Rate Theory Analysis // Bio-chim. Biophys. Acta. 1973. V. 311. P. 423-441.

25. Lauger P. Thermodynamic and Kinetic Properties of Electrogenic Ion Pumps // Biochim. Biophys. Acta. 1984. V. 779. P. 307-341.

26. Krupka R.M., Deves R. Kinetics of Inhibition of Transport Systems // Int. Rev. of Cyt. 1983. V. 84. P. 303-352.

27. Eisenberg R.S. Channels as Enzymes // J. Memb. Biol. 1990. V. 115. P.1.12.

28. Eisenberg R.S., Klosek M.M., Schuss Z. Diffusion as a Chemical Reaction: Stochastic Trajectories between Fixed Concentrations // J. Chem. Phys. 1995. V. 102. P. 1767-1780.

29. Laio A., Torre V. Physical Origin of Selectivity in Ionic Channels of Biological Membranes // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 129-148.

30. Qi Z., Sokabe M., Donowaki K., Ishida H. Structure-Function of de Novo Synthetic Hydrophobic Ion Channel // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 631-641.

31. Thompson N., Thompson G., Cole C.D., Cotten M., Cross T.A., Busath D.D. Noncontact Dipole Effects on Channel Permeation. IV. Kinetic Model of 5F-Trp,3 Gramicidin A Currents // Biophys. J. 2001. V. 81. P. 1245-1254.

32. Kurata Y., Sato R., Hisatome I., Imanishi S. Mechanisms of Cation Permeation in Cardiac Sodium Channel: Description by Dynamics Pore Model // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 1885-1904.

33. Seifert R., Eismann E., Ludwig J., Baumann A., Kaupp B.U. Molecular Determinants of a Ca2+-Binding Site in the Pore of Cyclic Nucleotide-Gated Channels: S5/S6 Segments Control Affinity of Intrapore Gentamates // EMBO J. 1999. V. 18. P. 119-130.

34. Karplus M., Petsko G.A. Molecular dynamics simulations in biology // Nature. 1990. V. 347. P. 631-639.

35. Chiu S.W., Subramanian S., Jakobsson E. Simulation Study of a Grami-cidin/Lipid Bilayer System in Excess Water and Lipid. I. Structure of the Molecular Complex // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 1929-1938.

36. Coffey W.T., Kalmykov Y.P., Wladron J.T. The Langevin Equation, with Applications in Physics, Chemistry, and Electrical Engineering. New Jersey: World Scientific, 1996. 480 p.

37. Im W., Seefeld S., Roux B. A Grand Canonical Monte Carlo Brownian Dynamics Algorithm for Simulating Ion Channels. Biophys // J. 2000. V. 79. P. 788-801.

38. Shrivastava I.H., Sansom M.S.P. Simulations of Ion Permeation Through a Potassium Channel: Molecular Dynamics of KcsA in a Phospholipid Bilayer // Biophys. J. 2000. V. 78. P. 557-570.

39. Berneche S., Roux B. Molecular Dynamics of the KcsA K+ Channel in a Bilayer Membrane //Biophys. J. 2000. V. 78. P. 2900-2917.

40. Zhong Q., Jiang Q., Moore P.B., Newns D.M., Klein M.L. Molecular Dynamics Simulation of a Synthetic Ion Channel // Biophys. J. 1998. V. 74. P. 310.

41. Crozier P.S., Henderson D., Rowley R.L., Busath D.D. Model Channel Ion Currents in NaCl-Extended Simple Point Charge Water Solution with Applied-Field Molecular Dynamics // Biophys. J. 2001. V. 81. P. 3077-3089.

42. Chung S.H., Hoyles M., Allen Т., Kuyucak S. Study of Ionic Currents across a Model Membrane Channel Using Brownian Dynamics // Biophys. J. 1998. V. 75. P. 793-809.

43. Smith G.R., Sansom M.S.P. Dynamic Properties of Na+ Ions in Models of Ion Channels: A Molecular Dynamics Study // Biophys. J. 1998. V. 75. P. 27672782.

44. Tieleman D.P., Berendsen H.J.C., Sansom M.S.P. An Alamethicin Channel in a Lipid Bilayer: Molecular Dynamics Simulations // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 1757-1769.

45. Chiu S.W., Subramanian S., Jakobsson E. Simulation Study of a Grami-cidin/Lipid Bilayer System in Excess Water and Lipid. II. Rates and Mechanisms of Water Transport //Biophys. J. 1999. V. 76. P. 1939-1950.

46. Кларк Т. Компьютерная химия: пер. с англ. М.: Мир, 1990. 383 с.

47. Полуэмпирические методы расчета электронной структуры. Т. 1. под ред. Дж. Сигала: пер. с англ. М.: Мир, 1980. 350 с.

48. Полуэмпирические методы расчета электронной структуры. Т. 2. под ред. Дж. Сигала: пер. с англ. М.: Мир, 1980. 370 с.

49. Mazur А.К., Abagyan R.A. New Methodology for Computer-Aided Modeling of Biomolecular Structure and Dynamics. Non-cyclic Structure // J. Biomol. Struct. Dyn. 1989. V. 6. P. 815-832.

50. Roux B. On the Potential Functions Used in Molecular Dynamics Simulations of Ion Channels // Biophys. J. 2002. V. 82. P. 1681-1684.

51. Brooks B.R., Bruccoleri R.E., Olafson B.D., States D.J., Swaminathan S., Karplus M. CHARMM: A Program for Macromolecular Energy Minimization and Dynamics Calculations //J. Comput. Chem. 1983. V. 4. P. 187-217.

52. Moyna G., Williams H.J., Nachman R.J., Scott A.I. Conformation in Solution and Dynamics of a Structurally Constrained Linear Insect Kinin Pentapep-tide Analogue // Biopolymers. 1999. V. 49. P. 403-413.

53. Ross W.S., Hardin C.C. Ion-Induced Stabilization of the G-DNA Quadruplex: Free Energy Perturbation Studies // J. Am. Chem. Soc. 1994. V. 116. P. 4363-4366.

54. Aqvist J. Ion-Water Interaction Potentials Derived from Free Energy Perturbation Simulations //J. Phys. Chem. 1990. V. 94. P. 8021-8024.

55. MacKerell A.D., Wiorkeiwicz-Kuczera J., Karplus M. An All-Atom Empirical Energy Function for the Simulation of Nucleic Acids // J. Am. Chem. Soc. 1995. V. 117. P. 11946-11975.

56. MacKerrell A.D., Wiorkeiwicz-Kuczera J., Karplus M. All-Atom Empirical Potential for Molecular Modeling and Dynamics Studies of Proteins // J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. P. 3586-3616.

57. Feller S.E., Yin D., Pastor R.W., MacKerell A.D. Molecular Dynamics Simulation of Unsaturated Lipids at Low Hydration: Parametrization and Comparison with Diffraction Studies // Biophys. J. 1997. V. 73. P. 2269-2279.

58. Stote R.H., Karplus M. Zinc Binding in Proteins and Solution A Simple but Accurate Nonbonded Representation // Proteins. 1995. V. 23. P. 12-31.

59. Guidoni L., Torre V., Carloni P. Potassium and Sodium Binding to the Outer Mouth of the K+ channel // Biochemistry. 1999. V. 38. P. 8599-8604.

60. Allen T.W., Kuyucak S., Chung S.H. Molecular Dynamics Study of the KcsA Potassium Channel // Biophys. J. 1999. V. 77. P. 2502-2516.

61. Anderson D.G., Shirts R.B., Cross T.A., Busath D.D. Noncontact Dipole Effects on Channel Permeation. V. Computed Potentials for Fluorinated Gramicidin//Biophys. J. 2001. V. 81. P. 1255-1264.

62. Stillinger F.H., Rahman A. Improved Simulation of Liquid Water by Molecular Dynamics // J. Chem. Phys. 1974. V. 60. P. 1545-1557.

63. Guardia E., Rey R., Padro J. A. Potential of Mean Force by Constrained Molecular Dynamics: A Sodium Chloride Ion-Pair in Water // Chem. Phys. 1991. V. 155. P. 187-195.

64. Guardia E., Rey R., Padro J.A. Na+-Na+ and Cl'-Cl" Ion Pairs in Water: Mean Force Potentials by Constrained Molecular Dynamics // J. Chem. Phys. 1991. V. 95. P. 2823-2831.

65. Corry B., Allen T.W., Kuyucak S., Chung S.H. Mechanism of Permeation and Selectivity in Calcium Channels // Biophys. J. 2001. V. 80. P. 195-214.

66. Braun W. Local Deformation Studies of Chain Molecules: Differential Conditions for Changes of Dihedral Angles // Biopolymers. 1987. V. 26. P. 16911704.

67. Helfand E. Flexible as Rigid Constraints in Statistical Mechanics // J. Chem. Phys. 1979. V. 71. P. 5000-5007.

68. Van Gunsteren W.F., Berendsen H.J.C. Algorithms for Macromolecular Dynamics and Constraint Dynamics //Mol. Phys. 1977. V. 34. P. 1311-1327.

69. Van Gunsteren W.F., Karplus M. Effects of Constraints, Solvent and Crystal Environment on Protein Dynamics // Nature. 1981. V. 293. P. 677-678.

70. Hymphreys D.D., Friesner R.A., Berne B.J. A Multiple-Time-Step Molecular Dynamics Algorithm for Macromolecules // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. P. 6885-6892.

71. Saito M. Molecular Dynamics Simulations of Proteins in Solutions: Artifacts Caused by the Cutoff Approximation // J. Сотр. Chem. 1994. V. 101. P. 4055-4061.

72. Adcock C., Smith G.R., Sansom M.S.P. Electrostatics and the Ion Selectivity of Ligand-Gated Channels // Biophys. J. 1998. V. 75. P. 1211-1222.

73. Жидомиров Г.М., Багатурьянц A.A., Абронин И.А. Прикладная квантовая химия. Расчеты реакционной способности и механизмов химических реакций. М.: Химия, 1979. 296 с.

74. Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантовохимические расчеты в органической химии и молекулярной спектроскопии. М:. Наука, 1989. 104 с.

75. Dewar M.J.S., Thiel W. Ground states of molecules. 38. The MNDO method. Applications and parameters // J. Am. Chem. Soc. 1977. V. 99. P. 48994907.

76. Dewar M.J.S., Thiel W. Ground states of molecules. 39. MNDO results for molecules containing hydrogen, carbon, nitrogen and oxygen // J. Am. Chem. Soc. 1977. V. 99. P. 4907-4917.

77. Thiel W., Voityuk A.A. Extension of MNDO to d orbitals: parameters and results for the second-row elements and for zinc group // J. Phys. Chem. 1996. V. 100. P. 616-626.

78. Фудзинага С. Метод молекулярных орбиталей: пер. с японск. М.: Мир, 1983.461 с.

79. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев P.M. Теория строения молекул (электронные оболочки): учебное пособие для университетов. М.: ВШ, 1979. 407 с.

80. Фудзинага С. Метод молекулярных орбиталей: пер. с японск. М.: Мир, 1983.461 с.

81. Моу G., Соггу В., Kuyucak S., Chung S.H. Tests of Continuum Theories as Models of Ion Channels. I. Poisson-Boltzmann Theory versus Brownian Dynamics // Biophys. J. 2000. V. 78. P. 2349-2363.

82. Honig B.H., Hubbell W.L., Flewelling R.F. Electrostatic Interactions in Membranes and Proteins // Ann. Rev. Biophys. and Biophys. Chem. 1986. V. 15. P. 163-193.

83. Gawrisch K., Ruston D., Zimmerberg J., Parsegain V.A., Rand R.P., Fuller N. Membrane Dipole Potentials, Hydration Forces, and the Ordering of Water at Membrane Surfaces // Biophys. J. 1992. V. 61. P. 1213-1223.

84. Green W.N., Andersen O.S. Surface Charges and Ion Channel Function //Annu. Rev. Physiol. 1991. V. 53. P. 341-359.

85. Rostovtseva Т.К., Aguiella V.M., Vodyanoy I., Bezrukov S.M., Parsegian V.A. Membrane Surface-Charge Titration Probed by Gramicidin A Channel Conductance // Biophys. J. 1998. V. 75. P. 1783-1792.

86. Rokitskaya T.I., Kotova E.A., Antonenko Y.N. Membrane Dipole Potential Modulates Proton Conductance through Gramicidin Channel: Movement of Negative Ionic Defects Inside the Channel // Biophys. J. 2002. V. 82. P. 865-873.

87. Shapovalov V.L., Kotova E.A., Rokitskaya T.I., Antonenko Y.N. Effect of Gramicidin A on the Dipole Potential of Phospholipid Membranes // Biophys. J. 1999. V. 77. P. 299-305.

88. Flewelling R.F., Hubbell W.L. The Membrane Dipole Potential in s Total Membrane Potential Model. Application to Hydrophobic Ion Interactions with Membranes //Biophys. J. 1986. V. 49. P. 541-552.

89. Hauser H., Pascher I., Pearson R.H., Sundell S. Preferred Conformation and Molecular Packing of Phosphatidylethanolamine and Phosphatidylcholine // Biochim. Biophys. Acta. 1981. V. 650. P. 21-51.

90. Devaux P.F., Seigneuret M. Specificity of Lipid-Protein Interaction as Determined by Spectroscopic Techniques // Biochim. Biophys. Acta. 1985. V. 822. P. 63-125.

91. Michailova A., McCulloch A. Model Study of ATP and ADP Buffering, Transport of Ca2+ and Mg2+, and Regulation of Ion Pumps in Verticular Myocyte // Biophys. J. 2001. V. 81. P. 614-629.

92. Syganov A., von Kitzing E. (In)validity of the Constant Field and Constant Currents Assumptions in Theories of Ion Transport // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 768-781.

93. Doyle D.A., Morais C.J., Pfiietzer 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. 1998. V. 280. P. 69-77.

94. Zhou Y., Morais-Cabral J.H., Kaufman A., MacKinnon R. Chemistry of ion coordination and hydration revealed by a K+-channel Fab complex at 2.0 angstrom resolution //Nature. 2001. V. 414. P. 43-48.

95. Бацанов C.C. Структурная химия. Факты и зависимости. M.: Диалог-МГУ, 2000. 292 с.

96. Петрашень М.И., Трифонов Е.Д. Применение теории групп к квантовой механике. М.: Наука, 1967. 400 с.

97. Джаффе Г., Орчин М. Симметрия в химии. М.: Мир, 1967. 300 с.

98. Грибов JI.A., Муштакова С.П. Квантовая химия. М.: Гардарики, 1999.390 с.

99. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химия. М.: МГУ, 1991. 600 с.

100. Дмитриев А.В., Твердислов В.А. Сравнительный анализ методов расчета потенциала ионных каналов // Биофизика. 2004. Т. 49. С. 506-510.

101. Laio A., Torre V. Physical Origin of Selectivity in Ionic Channels of Biological Membrane // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 129-148.

102. Eisenberg R.S. Channels as Enzymes // J. Memb. Biol. 1990. V. 115. P.1.12.

103. Syganow A., Kitzing E. (In)validity of the Constant Field and Constant Currents Assumptions in Theories of Ion Transport // Biophys. J. 1999. V. 76. P. 768-771.

104. Тихонов A.H., Погребная А.Ф., Романовский Ю.М. Электростатические взаимодействия в каталитических центрах Fl-АТФазы // Биофизика. 2003. Т. 48. С. 1052-1070.

105. Jiang Y. Crystal Structure and Mechanism of a Calcium-Gated Potassium Channel //Nature. 2002. V. 417. P. 515-520.

106. Jiang Y. The Open Pore Conformation of Potassium Channel // Nature. 2002. V. 417. P. 523-526.

107. Jiang Y., Lee A., Chen J., Ruta V., MacKinnon R. X-Ray Structure of a Voltage-Dependent K+-Channel //Nature. 2003. V. 423. P. 33-41.

108. Ruta V., Jiang Y., Lee A., Chen Y., MacKinnon R. Functional Analysis of an Archaebacterial Voltage-Dependent K+-Channel // Nature. 2003. V. 422. P. 180-185.

109. Tempel B.L., Paparazian D.M., Schwarz T.L., Jan L.Y., Jan Y.N. Sequence of a Probable Potassium Channel Component Encoded at Shaker locus of Drosophila // Science. 1987. V. 237. P. 770-775.

110. Дмитриев A.B., Твердислов В.А. О возможности существования и структурных особенностях зеркального антипода природной клетки // Препринт Физ. ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова. 50 с.

111. Weiss M.S., Wacker Т., Weckesser J., Welte W., Schulz G.E. The Three-Dimensional Structure of Porin from Rhodobacter capsulatus at ЗА Resolution // FEBS Letters. 1990. V. 267. P. 268-272.

112. Weiss M.S., Abele U., Weckesser J., Welte W., Schulz G.E. Molecular Architecture and Electrostatic Properties of a Bacterial Porin // Science. 1991. V. 254. P. 1627-1630.

113. Cowan S.W., Schirmer Т., Rummel G., Steiert M., Ghosh R., Pauptit R.A., Rosenbusch J.P. Crystal Structure Explain Functional Properties of Two E. Coli Porins //Nature. 1992. V. 358. P. 727-733.

114. Schulz G.E. Bacterial Porins: Structure and Function // Current Opinion in Cell Biology. 1993. V. 5. P. 701-707.

115. Ashkroft F.M. Ion Channels and Disease. San Diego: Academic Press, 2000. 293 c.

116. Фаллер Д.М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. М.: БИНОМ-Пресс, 2003. 272 с.

117. Вересов В.Г. Исследования структурного состояния воды в мало-нил-бисдезформилграмицидиновом канале методом Монте-Карло // Биологические мембраны. 1986. Т. 3. С. 1062-1072.

118. Heinemann S.H., Terlau Н., Stuhmer W., Imoto К., Numa S. Calcium Channel Characteristics Conferred on the Sodium Channel by Single Mutations // Nature. 1992. V. 356. P. 441-443.

119. Bertrand D., Galzi J.L., Hussy N. Mutations in the Channel Domain of a Neuronal Nicotinic Receptor Convert Ion Selectivity from Cationic to Anionic // Nature. 1992. V. 359. P. 500-505.

120. Balbuena P.B., Seminario J.M. Molecular Dynamics. V. 7. USA: Elsevier, 1999. 970 p.

121. Wallace B.A. Gramicidin Channels and Pores // Annual Review of Biophysics. 1990. V. 19. P. 127-157.

122. Busath D.D. The Use of Physical Methods in Determining Gramicidin Channel Structure and Function // Annual Review of Physiology. 1993. V. 55. P. 473-501.

123. Arseniev A.S., Barsukov I.L., Bystrov V.F., Lomize A.L., Ovchinnikov Y.A. 'H-NMR Study of Gramicidin A Transmembrane Ion Channel // FEBS Letters. 1985. V. 186. P. 168-174.

124. O'Connel A.M., Koeppe R.E., Andersen O.S. Kinetics of Gramicidin Channel Formation in Lipid Bilayers: Transmembrane Monomer Association // Proceeding of the National Academy of Sciences USA. 1990. V. 91. P. 1495-1499.

125. Спирин A.C. Биосинтез белков, мир РЕПС и происхождение жизни //ВестникРАН. 2001. Т. 71. С. 320-328.

126. Рис Э., Стернберг М. Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам. М.: Мир, 2002. 350 с.

127. Компьютеры и суперкомпьютеры в биологии / Под ред. В.Д. Jlax-но и М.Н. Устинина. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. 500 с.

128. Hindley J. DNA Sequencing. V. 10. USA: Elsevier, 1983. 384 p.

129. Sigworth F.J. Voltage Gating of Ion Channels // Q. Review of Biophysics. 1994. V. 27. P. 1-40.