Молекулярная динамика ионного канала никотинового ацетилхолинового рецептора

Ли Аньбан

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Молекулярная динамика ионного канала никотинового ацетилхолинового рецептора
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Молекулярная динамика ионного канала никотинового ацетилхолинового рецептора"

На правах рукописи

1\к МаМ

Ли Аньбан

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА ИОННОГО КАНАЛА НИКОТИНОВОГО АЦЕТИЛХОЛИНОВОГО РЕЦЕПТОРА

Специальность 03.00.02 -биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2006

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 (ИХФ им. H.H. Семенова РАН)

доктор химических наук, профессор Вржещ Пётр Владимирович (МБЦ МГУ им. М. В. Ломоносова)

Ведущая организация: Российский университет дружбы народов

Защита диссертации состоится "19 " ОЕЛ^рЛ' 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.96 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, 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 " ¡J " ceHnJ^fX, 2006 г.

Ученый секретарь [

диссертационного совета ! доктор биологических наук,

профессор \___А Т. Е. Кренделева

- 1 м ~

AQ06A-TfflH

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ионные каналы представляют собой интегральные белки, находящиеся в липидном бислое мембраны и опосредующие транспорт ионов через мембрану. Вопросы их функционирования составляют ключевую проблему в биофизике мембранных процессов и имеют важное прикладное значение для современной биомедицины. Лиганд-зависимые ионные каналы (например, никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (nicotinic acetylcholine receptors, nAChR), серотониновый рецептор (5-гидрокситриптамин, 5-НТ), глициновый рецептор, рецепторы у-аминомасляной кислоты GABAa и GABAc), состоят в основном из пяти субъединиц и играют ключевую роль в передаче сигнала в нервной системе и нервно-мышечных соединениях.. Лиганд-зависимые ионные каналы функционально представляют собой интегральные белки канальной структуры, встроенные в липидную биомембрану и образующие пору. Они могут находиться в двух состояниях: закрытом и открытом, и могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние при присоединении молекул лигандов. Лиганд-зависимые каналы обладают свойствами селективной проводимости ионов и гейтингом -процессом активации проводимости (открывания) канала в ответ на соединение с лигандами. Экспериментально установлено, что процесс открывания лиганд-зависимых ионных каналов определяется конформационными изменениями каналов после связывания с лигандами.

nAChR мышечного типа наиболее подробно исследован, и трехмерная структура трансмембранного домена рецептора, выделенного из электрического органа электрического ската Torpedo была определена в закрытом состоянии с разрешением 9А, 4,бА и 4А, а в открытом состоянии с разрешением 9А. Полученные трехмерные структуры дают возможность для более детального изучения взаимосвязи структуры и функции лиганд-зависимых ионных каналов с помощь методов компьютерного моделирования. Множество исследований (Сэнсом, Ру, Санкарарамакришнан) вычислительными методами уже проведены с использованием модели канала nAChR, в том числе некоторые исследования с использованием модели, основанной на определенной трехмерной структуре. В то же время, пока еще нет исследований, проведенных методом управляемой молекулярной динамики, который можно использовать для изучения неравновесных процессов, например, процесса миграции ионов сквозь пору канала и процесса открытия ионного канала. В настоящее время аюуальным является изучение процессов ионного транспорта и конформационных изменений, происходящих при функционировании канала nAChR методом управляемой молекулярной динамики

Целью работы является построение динамической модели функционирования канальной части ацетилхолинового рецептора на основе данных по трёхмерной структуре трансмембранного домена.

Постановка задачи.

Для достижения этих целей необходимо было поставить и решить следующие основные задачи:

• Построить модель пентамерной структуры поры пАСЬЯ для исследования методом молекулярной динамики;

• Провести изучение динамики заряженных и незаряженных частиц внутри канала методом управляемой молекулярной динамики и установить возможные области ворот канала;

• Изучить влияние действия внешних сил и электростатических сил на прохождение частиц и конформацию канала;

• Изучить влияние заряженных остатков на движение ионов;

• Изучить возможный механизм открытия канала пАСЫ1.

Научная новизна исследования

В настоящей работе впервые методами управляемой молекулярной динамики определено положение ворот канала пАСЬЯ и проведена оценка энергического барьера для ворог канала, исследовано влияние заряженных остатков на поддержание стабильности канала и прохождение ионов через канал.

Также впервые использована новая методика для изучения механизма открытия канала, суть которой состоит в приложении внешних моментов сил к внеклеточным концам а-М2 спиралей. Полученные результаты расчётов подтверждают гипотезу механизма открытия канала и позволяет понять детали процесса открытия канала, которые трудно выяснить экспериментально.

Теоретическое и практическое значение работы.

Данная работа посвящена изучению связи между структурой и функциями биомакромолекул, которая является одним из ключевых вопросов молекулярной биофизики. Изучение процесса прохождения ионов сквозь канал, определение гкяШСента'ворот канала и механизма открытия канала могут быть полезны для выяснения детального механизма функционирования' ацетйлхблиййвого рецептора, а также других лиганд-зависимых рецепторов (глициновых рецепторов, рецепторов 5-НТ, и рецепторов ОАВАа и ОАВАс). Выяснение детального механизма функционирования ацетилхолинового рецептора также может быть полезно при разработке новых лекарственных препаратов.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием универсальных законов и уравнений классической и квантовой механики и проведением тестовых расчётов систем, сравниваемых с экспериментальными

данными.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международной конференции «Ломоносов 2005» (Москва, 2005 г.), 3-ем съезде Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (Москва, 2005 г.), Международной школе-конференции молодых ученых «Системная биология и биоинженерия» (Москва, 2005 г.), Международной конференции «Ломоносов 2006» (Москва, 2006 г.). Доклады о результатах работы были представлены на семинарах кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ и 2 находятся в печати.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа ( 128 страниц) состоит из введения, 4 гаав, выводов, списка литературы (158 ссылки), иллюстрирована 45 рисунками и содержит 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Функциональные и структурные особенности никотинового ацетилхолинового рецептора

Эта глава посвящена обзору литературы по структуре и функциям, никотинового ацетилхолинового рецептора.

Мышечный nAChR наиболее подробно исследован. Он располагается в постсинаптических мембранах скелетных мышечных волокон позвоночных, в синапсах электрического органа электрического ската и обеспечивает быструю нейропередачу в синапсах никотиновых AChR. nAChR представляет собой 290-кДа гликопротеин, образованный 5 субъединицами (а, р, у, а, 8). Он может быть подразделён на три домена: N-концевой внеклеточный домен, трансмембранный домен и относительно небольшой внутриклеточный домен. Внеклеточный домен формируется из (5 структурных внеклеточных частей всех пяти субъединиц, в этом домене находятся два сайта связывания лиганда.

Каждая цепь субъединицы пересекает мембрану четыре раза. Четыре а-спиральных сегмента (Ml, М2, МЗ, М4) всех пяти субьединиц формируют трансмембранный домен. Трёхмерная структура трансмембранного домена рецептора была определена в закрытом состоянии с разрешением 9Â, 4,6Â и 4À и в

открытом состоянии с разрешением 9Â. Пять рнс, j. Структура трансмем-вгорых a-спиралей трансмембранного домена бранного домена nAChR. Вид (М2) формируют полость канала и играют роль с внеклеточной стороны.

как катион селективного фильтра, так и ворот канала. Другие сегменты (Ml, МЗ, М4) формируют внешний цилиндр, отделяя спирали М2 от мембраны (рис. 1).

nAChR переходит из закрытого состояния в открытое при присоединении двух молекул лиганда. Сравнение структуры nAChR в закрытом и открытом состояниях показывает следующее. Ацетилхолин выбрасывается из пресиналтической мембраны в синаптическую щель и взаимодействует с сайтами рецептора постсинаптической мембраны, при этом внутренние (3-листы внеклеточного домена а-субьединицы (А и D) поворачиваются [14]. Спирали М2 трансмембранного домена поворачиваются вокруг центральной оси канала по часовой стрелке на несколько градусов, что приводит к формированию открытого состояния канала. Хотя эти изменения в структуре канала известны, но детальный механизм процесса открытия канала до сих пор неясен.

Глава 2. Метод молекулярной динамики

В этой главе представлен литературный обзор по методу молекулярной динамики и применению метода к изучению динамики биологических объектов. Раскрыт смысли основных понятий: силовое поле, термостат, численное интегрирование, периодические граничные условия. Описаны особенности применения равновесной молекулярной динамики и неравновесной (или управляемой) молекулярной динамики (Steered Molecular Dynamics, SMD). В данной работе использован метод управляемой молекулярной динамики.

Глава 3. Молекулярная динамика канала nAChR и прохождения ионов сквозь канал nAChR

Эта глава посвящена построению модели поры канала nAChR, описанию метода расчетов, и анализа результатов и изучению динамики функционирования ионного канала nAChR.

Построение модели поры канала nAChR

Молекулярная структура поры канала nAChR в закрытом состоянии была взята из базы данных белковых структур (PDB ID: 10ED) Для построения модели были вырезаны пять трансмембранных сегментов М2, непосредственно участвующих в процессе переноса ионов. Использовалось поляоатомное приближение. Для предотвращения концевых эффектов на С' концы цепей были добавлены остатки NME, на N' концы - остатки АСЕ. Таким образом, каждая из конечных цепей состояла из 34 остатков (рис. 2). Стабилизация канала осуществлялась с помощью углеводородного кольца из 105 остатков СН2.

241 261 266 289

A(a) fKJCTLS ISVLLSLTVFÜV IVEL IPSTSSAV P В© raSLSlSALUVimiLUISVPETSLSVP C(8) ' EBCTAISVLUMTFULTSORLPHTALAVP D(o) ЮГГШтШТУДШТШВК&ВР E(r) • GCKCTLSISVLUOTiFLfLiAgKVPETSLHV

tr P Г? 2ff 2У Рис. 2. Последовательность остатков М2-пепей в модели канала. Приведена нумерация остатков в цепях рецептора. Верхние числа соответствуют номерам остатков в цепи а (принятым в PDB). Нижние числа приведены в соответствии с другой распространенной системой нумерации остатков в этом рецепторе (например, 9' соответствует остатку a-LEU251). Жирным шрифтом указаны остатки LEU (15'), которые близки к добавленному стабилизирующему углеводородному кольцу. Добавленные группы АСЕ н NME не указаны.

Были проведены исследования прохождения ионов и комплексов сквозь канал при различных условиях Все расчёты были проведены с помощью программного комплекса ПУМА-Б с использованием метода управляемой молекулярной динамики, включающем в себя стандартный протокол молекулярной динамики, дополненный введением сил, действующих на ионы и комплексы (табл. 1).

Таблица 1 Протокол молекулярной динамики

Параметр Значение

Потенциальное поле AMBER99

Длина траектории при Т=300 К до 2 не

Термостат столкновительный

Масса виртуальных частиц в ш= 18 а.е.м столкновительном термостате

Частота столкновений виртуальных частиц с v=55nc"' атомами рассчитываемой системы

Температура термостата 300К

Температура релаксации в начальный период 300К расчёта

Режим фиксации атомов включён

Диэлектрическая проницаемость среды (s) варьировалась

Радиус обрезания кулоновских R^i = 20Ä взаимодействий

Интервал обрезания для взаимодействий RVdw = 15-16Ä Ван-дер-Ваальса

Кубическая периодическая ячейка 200*200*200 А3

Алгоритм численного интегрирования Верле

Метод определения начальных скоростей Генератор случайных чисел по

распределению Максвелла 1 фс (0,1 фс в релаксации) 0,1 пс 0,1 пс

Варьировалась

стабилизирующего

отделению

атомов

Шаг интегрирования Шаг записи в траекторный файл Шаг записи файла контрольной точки Сила, действующая на атом или комплекс

Для того чтобы препятствовать углеводородного кольца и схлопыванию канала, глубина ям для леннард-джонсовского (ЛД) в мимодействия между крайним атомом углерода в остатках 15' (а-ЬЕШ57) и соответствующим атомом кольца была увеличена до 5ккал/моль. Чтобы препятствовать чрезмерному сближению цепей в процессе расчёта, атомы углерода остатков АСЕ и ЫМЕ фиксировались.

Пробная частица помещалась в центре верхней (близкой к внеклеточной) области канала. Таким образом, система имела следующий вид:

110

100

-- 70

-- во

«с

лГ ь

Рис. 3. Модель молекулы канала ацетилхолинового рецептора, включающей 5 трансмембранных сегментов М2. Сферой обозначена пробная частица (нон Na+). Показано также добавленное кольцо, содержащее 105 сегментов CHi. а: вид сверху с внеклеточной стороны, б: вид сбоку. Приведенная справа шкала отображает масштаб изображённой структуры. Высота канала примерно 45Á.

Использовались следующие пробные частицы: 1) незаряженные комплексы Na(HiO)6 и С1(Н20)6, с ван-дер-ваальсовыми параметрами, эквивалентными иону натрия и атому хлора, формально гидратированных шестью молекулами воды (ван-дер-ваальсовый радиус 3,63Л и 3,71Á, соответственно); 2) заряженные комплексы Ыа'(НгО)б и СГ(НзО)6, с ван-дер-ваальсовыми параметрами, эквивалентными ионам натрия и хлора, гидратированных шестью

молекулами воды (ван-дер-ваальсовый радиус 3,63А и 4.73А, соответственно).

В процессе релаксации дополнительные силы к частицам не прикладывались. После релаксации к пробной частице прикладывалась внешняя сила Б вдоль нормали к мембране (координата г) с внеклеточной во внутриклеточную сторону.

Движение частиц в канале под действием внешней силы Проведен ряд вычисленных экспериментов, в которых к частицам прикладывались различные внешние силы.

Кинетика прохождения незаряженной пробной частицы сквозь пору канала представлена на рис.4. Под действием внешней силы Р=1ккал/(мольА) незаряженные комплексы Ыа(Н20)б и С1(Н20)6 застревают в канале, в области с координатой г»8бА.

Л время, пе ^ врмм. ПС

Ряс. 4. Миграция незаряженных комплексов N8(1120)« и С1(Н20)<, сквозь пору канала апетилхолннового рецептора. Знак «-» обозначает направление сил вдоль нормали к мембране (координата г) с внеклеточной стороны во внутриклеточную сторону. Г, ккал/(моль-А)

Рассмотрение структуры канала показывает, что в этой области находятся остатки 13' - А-УАЬ255, В-УАЬ261, С-Уа1269, Р-УАЬ255 и Е-1ЬЕ264, которые образуют незаряженное кольцо, формирующее ван-дер-ваальсовские ворота канала. Прохождение пробной частицы оказывается невозможным из-за стерических препятствий, так как диаметр гидратированных иона натрия и хлора превышает диаметр канала в этой области координат (~6А при г=8бА).

Увеличение внешней силы до 2ккал/(моль-А) приводит к пробою области ворот; хотя наблюдается заметное торможение пробной частицы в области г«8бА на время около 20 пс. Дальнейшее увеличение внешней силы приводит к уменьшению времени прохождения частицы через канал и полному исчезновению торможения частицы в области 2»8бА при Р=5ккал/(моль-А).

Торможение частиц в канале происходит вследствие наличия локальных энергетических минимумов (ловушек), отделенных от соседних состояний

барьером, создаваемым воротами канала. Данные по кинетике прохождения изучаемого комплекса области ворот показывают, что крутизна энергического барьера ворот составляет около 2юсал/(моль А). С другой стороны, это означает, что энергетический профиль ворот канала весьма чувствителен к внешним воздействиям и ворота могут быть открыты под действием относительно небольшой силы, приложенной, в частности, к верхним остаткам М2 спиралей а-субьединицы (см. главу 4).

Положительно заряженный комплекс Na+(H20)6 притягивается к отрицательно заряженным остаткам ASP или GLU, находящим в положении 20' и 24', что препятствует прохождению иона при значениях внешней силы до 10ккал/(моль-А) (рис. 5а). Однако при силе больше 11ккал/(моль А), он успешно проходят через канал. При прохождении частицы наблюдается торможение в области z»86A на время порядка 10 пс. Дальнейшее увеличение внешней силы (до значений 18-20ккал/(моль-А)) приводит к существенному уменьшению времени прохождения частицы через канал (менее 20пс) и полному исчезновению торможения частицы в области z»86A.

Отрицательно заряженный комплекс СГ(Н20)6 не двигается вдоль оси канала, а выходит поперек канала, пока приложенная внешняя сила не достигнет величин более 5ккал/(моль-А) (на рис. не показано). Комплекс СГ(Н20)в начинает проходить через канал, но затем притягивается к остатку A-LYS242 (0') (внешняя сила F= 5ккал/(моль-А). Когда внешняя сила больше 6ккал/(моль-А), связь между комплексом СГ(НгО)б и остатком A-LYS242 разрушается, и комплекс проходит сквозь канал (рис. 56).

200

3 Время, пс

Рис. 3. Миграция заряженных комплексов №*(НгО)б и СГОДО)« сквозь пору канала ацетилхолинового рецептора.

Приведенные выше данные показывают, что в закрытом состоянии торможение ионов в канале происходит за счёт двух составляющих: стерических препятствий и электростатических взаимодействий иона с заряженными боковыми группами. Стерические препятствия формируют

энергический барьер ван-дер-ваальсовских ворот с крутизной не более 2ккал/(моль-А). Функция зарядовой селективности канала выполняется за счет электростатических сил притяжения и отталкивания между ионами и отрицательно заряженными остатками ASP и GLU, находящимися в верхней области канала (20' и 24'). Барьеры, сформированные за счет электростатических взаимодействий с заряженными боковыми группами аминокислотных остатков имеют в закрытом состоянии канала существенно большую крутизну - около 8-9ккал/(мольА).

Влияние диэлектрической проницаемость среды на динамику прохождения комплекса.

Так как динамика прохождения ионов через канал наиболее чувствительна к электростатическим взаимодействиям, проводилась серия численных экспериментов при разных значениях диэлектрической проницаемости е. Характерно, что увеличение диэлектрической проницаемости (и ослабление вклада электростатических взаимодействий) приводит к увеличению проницаемости канала. Кинетика прохождения заряженной частицы Na+(H20)6 сквозь пору канала при различных е представлена на рис. 6. Крутизна энергетического барьера, вызванного вкладом электростатических взаимодействий, уменьшается в ряду 11, 5, 3, 2 и 3 ккал/(моль-А) при увеличении значений диэлектрической проницаемости соответственно е = 1, 2, 3,4 и 5. На рис.6 видно заметное уменьшение критического значения силы для преодоления ворот канала при переходе от s=l к е=2, связанное с ослаблением электростатических взаимодействий между катионом и отрицательно заряженными остатками. На рис. 7 показана кинетика прохождения Ыа+(НгО)б сквозь пору nAChR под действием внешней силы Р=5ккал/(моль-А) при разных значениях е. Видно заметное уменьшение времени прохождения комплекса при переходе от е=2 к е=3. Дальнейшее увеличение диэлектрической проницаемости среды приводит к сильному ослаблению (е=3, 4) и полному исчезновению (е=5) вклада электростатических взаимодействий в кинетику прохождения катиона через канал. Весьма показательно, что расчёты, проведенные для аниона хлора в канале глицинового рецептора, дают сходные результаты для влияния значений диэлектрической проницаемости среды е на проницаемость канала.

Рис. 6. Динамика прохождения комплекса Na+(HiO)« сквозь пору nAChR под действием внешней силы

Р-=5ккал/(мол ь-А) при разных значениях диэлектрической проницаемости е.

Отметим, что степень ионизации отрицательно заряженных остатков, расположенных при входе в канал, зависит от рН среды и может влиять на работу канала. Если отрицательно заряженные остатки, расположенные в начальной области канала не полностью ионизированы, то результаты моделирования с ослабленным кулоновским взаимодействием более соответствуют реальной ситуации. Т.е. сила, необходима для преодоления элеюростатических взаимодействии между заряженными боковыми группами с заряженным комплексом №+(НгО)б, может составлять менее 8-9ккал/(моль-А).

Изменение эффективного радиуса канала было определено с помощью программного пакета HOLE. На рис. 7 приведен радиус канала в разные моменты времени при разных значениях е. Согласно этим данным радиус внеклеточного входа в канал составляет около бА. Радиус средней части канала равен приблизительно ЗА. Канал наиболее узок в области с координатой z»82A, которая соответствует воротам канала. В этой области находятся остатки 13', которые образуют незаряженное кольцо, которое, по-видимому, и формирует ван-дер-ваальсовские ворота канала.

< 4

\\ 6 0 1р> /г

200 рш

\\ --- 4001» it

ft - 600 |Х ft •" fl

! 1'

,/гЛ А

Г Чу \ / V ' ' 1 \ -w // \ iKtf

I1. с =2 0 ...... 1р> /Г

-----а»р. yi•

---400 ра

Y\ - 600 р* и t

I I it ' • Jrj

V • ¡'/\ ii V/У

\ / V , \ » '' V 'Л/

70 80 90 100 Координат« г, А

70 80 90 Координата г. А

вО 70 80 90 100 110 £0 Л 80 90 100 110

g Координата z А [• Координата z, А

Рнс. 7. Проекция эффективного радиуса канала nAChR на ось в моментах времени т=1пс, т=200пс, т=400пс и т=600пе при значении диэлектрической проницаемости е=1 (а), е=2 (б), б=3 (в) и е=4 (г).

Как видно из рисунков, при значении диэлектрической проницаемости е=1 радиус канала немного уменьшается в верхней области (с координатой z=85-100À) и нижней области (с координатой z ==60-75А), но радиус канала в средней области изменяется относительно мало. В других случаях с при увеличении значения е радиус канала флуктуирует с большей амплитудой. Так, радиус канала в области с координатой z«60+70Â может становиться менее 1Â.

Рассмотрение структуры канала в разные моменты времени показывает, что при увеличении значения е боковые цепи остатков, выстилающих внутреннюю поверхность поры канала, самостоятельно выдвигаются к центру поры канала, что и вызывает уменьшение радиуса канала. Можно полагать, что кулоновское отталкивание играет существенную роль в стабилизации конформации канала.

Динамика множественного прохождения Na+(H30)6 сквозь канал. г Для выяснения взаимного влияния ионов при прохождении через канал

ацетилхолинового рецептора проводились следующие вычислительные эксперименты. Во внеклеточную область канала nAChR помещались одновременно шесть заряженных комплексов Na+(H20)6, к которым прикладывались одинаковые внешние силы F, направленные с внеклеточной стороны во внутриклеточную сторону. Как и в случае единичного иона при внешней силе менее 5ккал/(моль-А), ни один комплекс Na+(H20)6 не проходит сквозь канал nAChR. Наблюдается притяжение к отрицательно заряженным остаткам ASP и GLU (всех шести катионов при значениях силы до 2ккал/(моль-А), четырёх катионов - при 4исал/(моль А)). Однако при внешней силе 5ккал/(моль А) один из ионов проходит через канал (рис. 8а). При большем значении силы число ионов, прошедших через канал возрастает (2 при 7ккал/(моль А) - рис. 86, 3 при 9ккал/(моль А) и 4 при 11ккал/(моль А)).

2 Вр»мя, пе Q Время пс

Рис. 8. Динамика движения комплексов Na*(H20)« в поре канала nAChR под действием внешней силе К=5ккал/(моль-А) (а) и К=7ккал/(моль-А) (б).

Сравнение кинетики миграции ионов (рис. 8 и рис. 5) показывает, что кулоновский энергический барьер при прохождении положительно заряженных частиц уменьшается при одновременном присутствии нескольких положительно заряженных частиц в канале. Это обусловлено экранированием отрицательно заряженных остатков и сглаживанием энергетического профиля для иона в канале.

Глава 4. Механизм открытия канала nAChR

Механизм открытия канала nAChR до сих пор не вполне ясен. Открытым остается вопрос о том, как вращения (3-листов внеклеточного домена а-субьединиц передаются на трансмембранные а-спирали М2, и каким образом поворот а-спиралей вызывает открытие поры канала. Предполагается наличие в а-субьединицах между изгибами (31/(52 (которые располагаются между Р-листами pi и р2 и находятся прямо над С' концом спиралей М2) внеклеточного домена и концами спиралей М2 трансмембранного домена структуры типа "разъема" (pin-socket) - внеклеточный концевой остаток a-VAL46 (a-VAL44 в AChBP) внеклеточных изгибов Р 1/(32 входит в карман, образованный a-SER269-a-PR0272 (остатки между М2 и МЗ) в трансмембранном домене. Таким образом, поворот внеклеточных р-листов передается на трансмембранные а-М2 сегменты и вызывает вращение всех М2 спиралей кооперативно, что и приводит к открытию канала.

Хотя такой механизм теоретически возможен, до сих пор нет его экспериментальных подтверждений. Чтобы изучить механизм открытия канала, в данной работе произведен ряд расчетов, моделирующих возможные взаимодействия между изгибами (31/р2 и внеклеточными концами а-М2 спиралей (и возможные процессы открытия канала nAChR). Использована такая

же модель канала пАСЖ и такие же параметры расчетов, как и в главе 3. Как и в проведённых расчетах в главе 3, вначале частица помещалась в центр верхней (близкой к внеклеточной) области канала Кулоновские эффекты в данной работе не рассматривались, а изменение просвета канала отслеживалось по прохождению незаряженного комплекса радиуса 3.63А сквозь пору канала. После релаксации (1пс) к частице прикладывалась внешняя сила Р=1ккал/(моль-А) вдоль оси нормали мембраны, под действия которой комплекс » не проходит через канал в закрытом состоянии (см. рис. 4а).

Для моделирования возможных воздействий внутренних изгибов 01/02 внеклеточного домена а-субъединиц на верхние остатки а-М2 спиралей были * добавлены следующие типы внешних сил (после релаксации):

• К атомам СТ остатков а-8Е11269 и а-АЬА270 (цепей А и Б), которые находятся на верхнем (внеклеточным) конце а-М2 спиралей, прикладывались силы, вдоль нормали канала к мембране (координата т) с внутриклеточной стороны во внеклеточную сторону (выдвигающими спирали наверх) (рис 9а). Ниже обозначены «I».

• К атомам СТ остатков а-5ЕЯ269 и а-АЬА270 (цепей А и Б), прикладывались вращающие моменты сил (Р=1ккал/(моль-А)), поворачивающие а-М2 спирали вокруг оси канала, направленные по часовой стрелке и против часовой стрелки (рис. 96, на котором показаны только моменты сил, направленные по часовой стрелке). Ниже обозначены «II» и «III».

• К атомам СТ остатков а-ТНЯ267, а-8ЕЯ268, а-8ЕЯ269 и а-АЬА270 (цепей А и О), прикладывались вращающие моменты сил (Р=1ккал/(моль-А)), поворачивающие а-спирали против часовой стрелки относительно оси («закручивание» спирали) и по часовой стрелке относительно оси («вывинчивание» спирали) (рис. 9в, на котором показаны только моменты сил. направленных против часовой

. стрелки относительно оси.). Ниже обозначены «IV» и «V».

Рис. 9. Схема приложенных внешних сил при моделировании канала пАСЬИ на модели. Стрелками показано направление проложенных сил.

В контрольном эксперименте, в котором к незаряженному комплексу прикладывалась внешняя сила Р=1ккал/(моль А), а к атомами спиралей не прикладывались силы, прохождение комплекса оказывалось невозможным из-за стерических препятствий (рис. 4а, а также кривая «О» на рис. 10). Аналогичная ситуация возникала и в численных экспериментах под действием моментов сил, приложенных к спиральным участкам и направленных по часовой стрелке вокруг оси канала («III»), а также вокруг осей а-М2 спиралей («V»). В этих случаях комплекс застревает в канале, в области с координатой г«8бА (результаты не показаны).

В других трех расчетах («I», «II» и «IV») комплекс вначале тормозился в области г«8бА, но через некоторое время продолжал движение сквозь пору. Далее частица ненадолго задерживалась в области г»75А, и после этого успешно проходила через канал (за суммарное время т~340, 480 и 480пс в расчетах «I», «II» и «IV», соответственно). Кинетика прохождения незаряженного комплекса сквозь пору канала представлена на рис. 10.

0 100 200 300 400 500 600 Время, лс

Рис. 10. а: молекулярная структура канала в момент времени т=200пс после приложения внешней действия. Пробная частица показана шариком. Остатки 13' изображены с боковыми цепями, б: Кинетика перемещения незаряженного комплекса (3,63А) в канале пАСЬИ под действием ккал/(моль*А). О-в контрольном расч&ге, к спиралям не прикладывалось никаких внешних сил; значение «I», «П» и «IV» - см. объяснения в тексте.

Радиус канала в момент времени 1=400пс приведен на рис. 11а. Как видно, радиус канала в расчёте с моментом сил, приложенным против часовой стрелки относительно оси а-М2 спиралей («IV») отличается от других случаев: радиус в области с координатой г=82+85А заметно больше, чем в других случаях.

Усредняемое изменение радиуса канала в области значений г=82*85А, что соответствует воротам канала, приведено на рис. 116. Изменения радиуса канала при разных стартах в начальные 200пс качественно похожи. Радиус ворот канала в численных экспериментах с моментом сил, направленным против часовой стрелки относительно оси («IV»), составляет около 2,75А (от 2,2А до 2,8А). Радиус ворот канала в контрольном расчёте («0») монотонно уменьшался (менее 1,5А после т=600пс). В других двух расчётах («I» и «II») после т=400пс, радиус ворот канала составлял 1,5-г2,бА, - Хотя в момент прохождения иона радиус ворот канала в этих двух расчётах составлял более 2,8А (рис. 10). По-видимому, значение 2,8А для радиуса ворот канала -критическое для прохождения комплекса через канал. Можно предположить, что большие частицы могут проходить через канал только в случае, в котором прикладывались моменты сил, поворачивающие а-спирали против часовой стрелки относительно оси («IV»), и не могут проходить в двух других случаях («I» и «II»)

Л Координата г, А ^ Вреня.пс

Рис. 11. а: Проекция эффективного радиуса канала пАСЫ* на ось в моменты времени т=400пс. б: Изменение радиуса канала в области значений г=82+85А. Обозначения «0», «I», «II», «IV» - как на рис. 10.

Отметим, что радиусы ворот канала, даваемые программой HOLE -2,7-2,8А - оказываются заниженными по сравнению с радиусом проникающей сферы в МД эксперименте (3,63А). Это обусловлено двумя факторами. Программа HOLE использует тяжелоатомное силовое поле AMBER84 (в МД экспериментах мы используем полноатомное силовое поле AMBER99). Второй фактор связан с динамическими эффектами деформации поры канала (т.е. частица расталкивает окружающие атомы в поре канала).

Изменение конформации в области ворот канала в моменты времени т=500пс и г=1пс показаны на рис. 12. В расчёте с моментом сил, направленным против часовой стрелки относительно оси («IV»), главные цепи А, В, С и D поворачиваются по часовой стрелке вокруг центральной оси канала и выдвигаются чуть наружу. Главная цепь Е поворачивается против часовой стрелки и отклоняется к центру канала. Все спирали двигаются кооперативно, таким образом, ворота канала открываются. Результат хорошо коррелирует с наблюдаемой в эксперименте изменением конформации канала при переходе в открытое состояние.

Динамика канала в других расчётах («III» и «V» не показаны, «О», «I» и «II» показаны на рис. 12) существенно отличается. Спирали выдвигались по-разному, радиус канала значительно уменьшался, симметричность расположения цепей в области ворот нарушалась, и конформация канала изменялась на менее бтагоприятаую для прохождения иона.

О I II .IV.

к в

Рис. 12. Конформация ворот канала в расчетах. Верхний ряд: сравнение конформаций остатков 12', 13' и 14' в моменты времени т=1пс (боковые цепи остатков показаны серыми тонкими линиями) и т=500пс (боковые цепи остатков локазаиы черными толстыми линиями) в расчетах «О», «I», «II» и «IV». Нижний ряд: остатки 12%

13' я 14' в моменты времени т=500пс в расчётах «О» , «I», «II» и «IV», показаны ван-дер-ваальсовыми шариками. Обозначения «О» , «I», «П» и «IV» - так же на рис. 10.

Таким образом, только в случае, когда к верхним (внеклеточная сторона) остаткам а-М2 спиралей прикладывают моменты сил, направленные против часовой стрелки относительно оси, остатки 13', которые формируют ворота канала, и их соседние остатки - 12' и 14' - двигаются кооперативно и вызывают открытие канала. Это подтверждает гипотезу о механизме открытия канала за счет передачи вращательного момента на верхние остатки а-М2 (субъединиц А и D) в результате конформационных изменений внеклеточного домена после связывания лиганда. Конформационные изменения а-М2 спиралей в процессе открытия канала передаются только за счёт вращательного движения петли (Îl/p2 внеклеточного домена относительно оси, направленного против часовой стрелки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были поставлены задачи построения модели переноса частиц в поре лиганд-зависимого ионного канала - никотинового ацетилхолинового рецептора (nAChR), изучения свойств ворот канала и возможного механизма открытия канала nAChR при прохождении частиц в поре канала. На основе проведенных численных экспериментов определено нахождение ворот канал, оценен энергический барьер ворот и подтверждена гипотеза об открытии канала за счёт поворота М2 спиралей субъединиц.

На основе экспериментально определенной трёхмерной структуры трансмембранного домена nAChR построена упрощенная модель поры канала, состоящая из пяти a-спиральных М2 участков, которые непосредственно формируют пору канала и взаимодействуют с проходящими ионами. Для стабилизации канала на пентамерную структуру было одето углеводородное кольцо, состоящее из 105 остатков СНг.

Показано, что остатки 13' - A-VAL255, B-VAL261, C-VAL269, D-VAL255 и E-ILE264, находящиеся в области с координатой z~82Â, по-видимому, формируют ван-дер-ваальсовые ворота канала. Катион Na+(H20)6 притягивается к отрицательно заряженным остаткам ASP и GLU. Барьеры, сформированные за счет электростатических взаимодействий с заряженными боковыми группами аминокислотных остатков, имеют в закрытом состоянии канала существенно большую крутизну - около 8-9ккал/(моль А). Редукция электростатических взаимодействий облегчает прохождение катиона, хотя и уменьшает конформационную стабильность канала.

В работе также впервые использована новая методика для изучения

механизма открытия канала, в которой внешние моменты сил прикладываются на внеклеточные концы а-М2 спиралей, что приводит в конечном итоге к открытию канала. Анализ изменений радиуса канала и конформации ворот канала показывает, что ворота канала nAChR открываются только под действием момента сил приложенного на внеклеточные концы а-М2 спиралей и направленного против часовой стрелки относительно оси. Это показывает каким образом изгибы pi/|32 могут действовать на а-М2 спирали и демонстрирует детальный механизм процесса открытия канала. Наши данные подтверждают гипотезу о механизме открытия канала за счет передачи вращательного момента на верхние остатки а-М2 (субьединиц А и D) в результате конформационных изменений внеклеточного домена после связывания лиганда. Рецепторы, входящие в семейство лиганд-зависимых ионных каналов, возможно, работают по одинаковому механизму.

На основании вышеизложенных результатов можно сделать следующие выводы.

ВЫВОДЫ

1. Остатки 13' - A-VAL255, B-VAL261, C-VAL269, D-VAL255 и E-ILE264, находящиеся в области с координатой z»82Â в канале nAChR, образуют незаряженное кольцо, которое и формирует главные ван-дер-ваальсовые ворота канала.

2. Крутизна ван-дер-ваальсовского энергического барьера, создаваемого остатками 13', составляет меньше 2ккал/(моль-А). Больший энергический барьер создают отрицательно заряженные остатки GLU и ASP, которые располагаются в верхней области канала и играют роль электростатического фильтра, отбирающего положительно заряженные ионы.

3. Стабильная конформация канала поддерживается кулоновским отталкиванием между отрицательно заряженными остатками.

4. При одновременном присутствии нескольких положительно заряженных ионов в канале, электростатический барьер для прохода ионов уменьшается. Например, для комплекса Na+(H20)6, с Иккал/(моль-А) до 5ккал/(мольА).

5 Ворота канала открываются при действии момента сил, направленного против часовой стрелки относительно оси (сила прикладывалась к верхним остаткам М2). Это подтверждает гипотезу о механизме открытия канала за счет передачи вращательного момента на верхние остатки а-М2 (субъединиц А и D) в результате конформационных изменений внеклеточного домена после связывания лиганда. Рецепторы, входящие в семейство лиганд-зависимых ионных каналов, возможно, работают по одинаковому механизму.

jU ЙНЙвН -.8-

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ли Аньбаи - Динамика прохождения ионов и гидратированных комплексов сквозь мембрану гетеромерного ацетилхолинового рецептора, состоящего из ТМ2 фрагментов // Сборник тезисов Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2005». М.-.МГУ. -2005. -Т. 2. - С. 23.

2. Шайтан К.В., Терешкина К.Б., Турлей Е.В., Левцова О.В., Ли А., Голик Д.Н. - методы управляемой динамики для молекулярного дизайна сложных мембранных структур // Материалы третьего съезда Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова, Макс Пресс, Москва, 2005. -С. 26

3. Ли А-Б., Терёшкина К.Б., Шайтан К.В. - Механизм открытия канала ацетилхолинового рецептора // Сборник тезисов международной школы-конференции молодых ученых «Системная биология и биоинженерия», Москва, 2005. - С. 108

4. Ли Аньбан - Моделирование открытия канала никотинового ацетилхолинового рецептора // Сборник тезисов Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2006» М.:МГУ. -2006. - T. IV. - С. 56.

5. Шайтан К.В., Турлей Е.В., Голик Д.Н., Терешкина К.Б., Левцова О.В.,Федик И.В., Шайтан А.К., Ли А., Кирпичников М.П.. - Динамический молекулярный дизайн био- и наноструктур // Российский химический журнал. - 2006.2. - T. L. - С. 53-65

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 14.09.06 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,19 Печать авторефератов (495) 730-47-74,778-45-60

;

¿«Г

/¿¿-/У »18 5 14

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ли Аньбан

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НИКОТИНОВОГО АЦЕТИЛХОЛИНОВОГО РЕЦЕПТОРА (ОБЗОР)

1.1 Ацетилхолин и ацетилхолиновый рецептор (AChR).

1.2 Субъединицы и аминокислотная последовательность nAChR.

1.3 Расположение и функционирование nAChR.

1.4 Исследования структуры nAChR.

1.5 Трёхмерная структура nAChR.

1.5.1 Общее представление о структуре nAChR.

1.5.2 Внеклеточный домен.

1.5.3 Трансмембранный домен.

1.6 Механизм открытия канала nAChR.

1.6.1 Теория аллостерических белков.

1.6.2 Механизм открытия канала nAChR на химическом уровне.

ГЛАВА II. МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ.

2.1. Метод молекулярной динамики.

2.2 Термостаты.

2.3 Численное интегрирование. Метод Верле.

2.4 Периодические граничные условия.

2.5 Неравновесная молекулярная динамика.

ГЛАВА III. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА КАНАЛА nAChR И ПРОХОЖДЕНИЯ ИОНОВ СКВОЗЬ КАНАЛ nAChR.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Описание модели.

3.3 Описание метода расчетов.

3.4 Описание метода анализа результатов.

3.5 Результаты.

3.5.1 Миграция частиц в канале под действием внешней силы Г=1ккал/(моль-А).

3.5.2 Прохождение частиц под действием разных внешних сил.

3.5.3 Влияние значения диэлектрической проницаемости среды е.

3.5.4 Динамика множественного прохождения комплексов Na+(H20)$.

3.6 Обсуждение.

3.6.1 Нахождение ворот канала nAChR.72

3.6.2 Ван-дер-Ваальсовский энергический барьер ворот.

3.6.3 Электростатическое взаимодействие.

3.1 Выводы.

ГЛАВА IV МЕХАНИЗМ ОТКРЫТИЯ КАНАЛА nAChR.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Описание модели и метода расчетов.

4.3 Результаты.

4.3.1 Движение комплекса Na(H20)e сквозь пору.

4.3.2 Изменение радиуса канала.

4.3.3 Конформация ворот канала nAChR.

4.4 Обсуждения.

4.4.1 Механизм открытия канала nAChR.

4.4.2 Ограниченность нашей модели.

4.5 Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Молекулярная динамика ионного канала никотинового ацетилхолинового рецептора"

Передача информации от одного нейрона к другому, а также от нейрона к эффекторной клетке, например, мышечному волокну, происходит в синапсе. Прямые, также называемые «быстрыми», синапсы могут быть электрическими, в которых передача основана на прохождении тока от пресинаптической клетки к постсинаптической. Однако более распространенными являются прямые химические синапсы, в которых окончания аксона освобождают нейромедиатор, который связывается с рецепторами на клетках-мишенях, являющимися одновременно ионными каналами [1]. В этой связи изучение функциональных структур ионных каналов, обеспечивающих перенос ионов, представляет большой интерес.

Ионные каналы представляют собой интегральные белки канальной структуры, встроенные в липидный бислой мембраны и опосредующие транспорт ионов через мембрану. Вопросы их функционирования составляют ключевую проблему в биофизике мембранных процессов и нейрофизике и важнейшую прикладную задачу для новейших биотехнологий [2].

Существует семейство лиганд-зависимых ионных каналов, состоящих в основном из пяти субъединиц. К этому семейству относятся никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (nicotinic acetylcholine receptors, nAChR), серотониновый рецептор (5-гидрокситриптамин, 5-НТ), глициновый рецептор, GABAa рецептор и GAB Ас рецептор (ГАМК) [3,4].

Большой интерес исследователей привлекают лиганд-зависимые ионные каналы, открываемые тогда, когда выпускаемые из пресинаптической мембраны лиганды входят в сайты связывания канала. Лиганд-зависимые ионные каналы играют ключевую роль в передаче сигнала в нервных системах и нервно-мышечных соединениях.

Лиганд-зависимые каналы обладают двумя основными свойствами: селективной проводимостью ионов и гейтингом - процессом активации проводимости (открытия) канала в ответ на связывание с лигандами. Они могут находиться в двух состояниях: закрытом и открытом, и могут ч. переходить из закрытого состояния в открытое при присоединении двух молекул лиганда. Таким образом, имеется механизм, обеспечивающий специфичность канала по отношению к различным ионам, и управляющее устройство, которое открывает и закрывает ионный канал в зависимости от соединения лиганда с каналом - так называемый "воротный механизм". Экспериментально установлено, что процесс открытия лиганд-зависимых ионных каналов определяется конформационными изменениями каналов после связывания с лигандами.

Для исследования механизма работы лиганд-зависимых ионных каналов в настоящее время используются самые современные физические, -биологические и компьютерные методы, так как построение адекватной биофизической модели функционирования ионных каналов, коррелирующей с их молекулярной структурой, позволит предсказать физические и биологические особенности их поведения в процессе работы.

Основной трудностью на пути исследователей является то, что для ответа на вопрос о механизме работы канала чрезвычайно важно знать пространственную молекулярную конфигурацию канала (его трёхмерную структуру). Хотя первичная молекулярная структура, т.е. полная аминокислотная последовательность, в настоящее время установлена для большого числа ионных каналов, однако знание первичной структуры канала еще мало способствует пониманию механизмов его функционирования.

Мышечный nAChR - член семейства лиганд-зависимых ионных каналов - наиболее подробно исследован, и его трёхмерная структура была определена с атомным разрешением в последние годы. Это позволяет построить адекватную модель и изучать его механизм работы с помощь компьютерного метода.

С другой стороны, хотя некоторые исследования с использованием компьютерных моделей, основанных на этой определенной трёхмерной структуре, уже проведены, вопрос о том, каким образом ионный канал активирует проводимость ионов и переходит из закрытого состояния в открытое, до сих пор остается без ответа.

Целью настоящей работы явилось изучение процесса миграции иона в канале nAChR, свойства ворот канала nAChR и механизм открытия канала nAChR путем метода управляемой молекулярной динамики.

Соответственно, в задачи нашей работы входило:

1) построить модель пентамерной структуры поры nAChR для исследования методом молекулярной динамики;

2) изучать прохождение разных частиц сквозь канал под действием разных внешних сил;

3) определить нахождение ворот канала, и оценить энергический барьер ворот для проходящих частиц;

4) изучать влияние значения диэлектрической проницаемости среды е и заряженных остатков на миграцию заряженных частиц;

5) изучать возможный механизм открытия канала nAChR.

В данной работе в качестве модельной системы использовался натриевый канал - пора nAChR из Torpedo marmorata (10ED). Для решения поставленной задачи преимущественно использован метод управляемой молекулярной динамики. Ион (или комплекс иона с гидратной оболочкой) помещался на верх канала, к нему прилагались разнообразные постоянные внешние силы по центральной оси канала. Молекулярно-динамические расчеты проводились с использованием программных средств ПУМА, HyperChem и других.

Теоретическое значение. Изучение процесса миграции ионов в канале nAChR, свойств ворот канала nAChR и механизма открытия канала nAChR методом управляемой молекулярной динамики имеет важное теоретическое значение. Связь между структурой и функциями биомакромолекул является ключевым вопросом в молекулярно-биологических исследованиях. nAChR является самым подробно изученным лиганд-зависимым каналом, уже широко изученны его химические и физиологические свойства, он также представляет собой первый лиганд-зависимый канал, трёхмерная структура которого была определена с высоким разрешением. Исследование связи между структурой и функциями этой макромолекулы - как молекула такой структуры выполняет присущие ей функции, как ее конформация изменяется при выполнении функций - является актуальным вопросом. Детальный процесс миграции ионов через канал и конкретное конформационное изменение канала при переходе из закрытого состоянии в открытое нельзя выявить с помощью общих экспериментальных методов (крио-микроскоп, ЯМР, методы электрофизиологии и мутантные методы). В данной работе для изучения этих вопросов применяется метод управляемой молекулярной динамики, который дает возможность выяснить связь между структурой и . функциями nAChR. И соответственно, это поможет понять механизм * функционирования таких лиганд-зависимых рецепторов, как глициновые рецепторы, рецепторы 5-НТ, и рецепторы GABAa и GABAc, которые похожи на nAChR по структуре и функции.

Практическое значение. Проведенные нами исследования также имеют большое практическое значение. С мутациями в субъединицах nAChR связаны некоторые болезни как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Выяснение детального механизма функционирования ацетилхолинового рецептора может быть полезно при разработке новых лекарственных препаратов.

Научная новизна. В настоящей работе впервые применен метод управляемой молекулярной динамики для изучения nAChR. Впервые определено нахождение ворот канала nAChR и оценен энергический барьер ворот для проходящих сквозь канал частиц путем вычислительных экспериментов. Нами отмечены и исследованы роль положительно заряженных остатков в поддержании стабильности канала и их влияние на прохождение ионов через канал.

Для изучения механизма открытия канала нами впервые использована новая методика, в которой возможные внешние силы прикладывались к цитоплазматическим концам а-М2 спиралей, что приводило в конечном итоге к открытию канала. Определено взаимодействие между внеклеточным и трансмембранным доменами при открытии канала. Полученные результаты расчетов совпадают с имеющимися экспериментальными результатами и подтверждают существующую гипотезу механизма открытия канала. Они позволяют понять многие наблюдаемые экспериментально особенности, которые до сих пор было трудно объяснить.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Ли Аньбан

выводы.

1. Остатки 13' - A-VAL255, B-VAL261, C-VAL269, D-VAL255 и E-ILE264, находящиеся в области с координатой z«82A в канале nAChR, образуют незаряженное кольцо, которое и формирует главные ван-дер-ваальсовые ворота канала.

4. При одновременном присутствии нескольких положительно заряженных ионов в канале, электростатический барьер для прохода ионов уменьшается. Например, для комплекса Na+(H20)6, с 11ккал/(моль-А) до 5ккал/(моль-А).

5. Ворота канала открываются при действии момента сил, направленного против часовой стрелки относительно оси (сила прикладывалась к верхним остаткам М2). Это подтверждает гипотезу о механизме открытия канала за счет передачи вращательного момента на верхние остатки а-М2 (субъединиц А и D) в результате конформационных изменений внеклеточного домена после связывания лиганда. Рецепторы, входящие в семейство лиганд-зависимых ионных каналов, возможно, работают по одинаковому механизму.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе экспериментально определенной трёхмерной структуры трансмембранного домена nAChR построена упрощенная модель поры канала, состоящая из пяти а-спиральных М2 участков, которые непосредственно формируют пору канала и взаимодействуют с проходящими ионами. Для стабилизации канала на пентамерную структуру было одето углеводородное кольцо, состоящее из 105 остатков СНг.

Комплексы Na(H20)6 и С1(Н20)б застревают в канале в области с координатой z«86A под действием внешней силы Р=1ккал/(моль-А) и успешно проходит через канал под действием внешней силы Р>2ккал/(моль-А). Показано, что остатки 13' - A-VAL255, B-VAL261, C-VAL269, D-VAL255 и E-ILE264, находящиеся в области с координатой z«82A, по-видимому, формируют ван-дер-ваальсовые ворота канала. Крутизна ван-дер-ваальсовского энергического барьера, создаваемого остатками 13', составляет меньше 2ккал/(моль-А).

Катион Na+(H20)6 притягивается к отрицательно заряженным остаткам ASP и GLU, когда приложенная к ним внешняя сила не превышает 11ккал/(моль*А). Барьеры, сформированные за счет электростатических взаимодействий с заряженными боковыми группами аминокислотных остатков, имеют в закрытом состоянии канала существенно большую крутизну - около 8-9ккал/(моль-А). Редукция электростатических взаимодействий облегчает прохождение катиона, хотя и уменьшает конформационную стабильность канала.

В работе также впервые использована новая методика для изучения механизма открытия канала, в которой внешние моменты сил прикладываются на внеклеточные концы а-М2 спиралей, что приводит в конечном итоге к открытию канала. Анализ изменений радиуса канала и конформации ворот канала показывает, что ворота канала nAChR открываются только под действием момента сил приложенного на внеклеточные концы а-М2 спиралей и направленного против часовой стрелки относительно оси. Это показывает каким образом изгибы (31/(32 могут действовать на а-М2 спирали и демонстрирует детальный механизм процесса открытия канала. Наши данные подтверждают гипотезу о механизме открытия канала за счет передачи вращательного момента на верхние остатки а-М2 спиралей (субъединиц А и D) в результате конформационных изменений внеклеточного домена после связывания лиганда. Рецепторы, входящие в семейство лиганд-зависимых ионных каналов, возможно, работают по одинаковому механизму.

На основании вышеизложенных результатов можно сделать следующие выводы.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Ли Аньбан, Москва

1. Николлс Д.Г., Мартин А.Р., Валлас Б.Д., Фукс П.А., От нейрона к мозгу. 4th ed. 2003, Москва: Едиториал УРСС.

2. Сапронова А.В., Моделирование процесса переноса протонов в ионных каналах биомембран и родственных водородсвязанных структурах. 2004: Москва.

3. Barnard Е.А. Receptor classes and the transmitter-gated ion channels. // Trends Biochem.Sci. 1992. - Vol. 17(10) - P. 368-374.

4. Betz H. Ligand-gated ion channels in the brain: the amino acid receptor superfamily. // Neuron 1990. - Vol. 5(4) - P. 383-392.

5. Schwartz J.H., Neurotransmitters, in Principles of Neural Science (4th Edition), E.R. Kandel, J.H. Schwartz, and T.M. Jessell, Editors. 2000, McGraw Hill. p. 280-298.

6. Hulme E.C., Lu Z.L., Saldanha J.W., Bee M.S. Structure and activation of muscarinic acetylcholine receptors. // Biochem Soc Trans 2003. - Vol. 31(Pt 29-34.

7. Coulson F.R., Fryer A.D. Muscarinic acetylcholine receptors and airway diseases. // Pharmacol Ther- 2003. Vol. 98(1) - P. 59-69.

8. Wess J. Molecular biology of muscarinic acetylcholine receptors. // Crit Rev Neurobiol 1996. - Vol. 10(1)-?. 69-99.

9. Corringer P.J., Le N.N., Changeux J.P. Nicotinic receptors at the amino acid level. // Annu.Rev.Pharmacol .Toxicol. 2000. - Vol. 40 - P. 431-458.

10. Lindstrom J.M. Nicotinic acetylcholine receptors of muscles and nerves: comparison of their structures, functional roles, and vulnerability to pathology. // Ann.N.Y.Acad.Sci. 2003. - Vol. 998 - P. 41-52.

11. Unwin N. Structure of the acetylcholine-gated channel. // Novartis.Found.Symp. -2002. Vol. 245 -P. 5-15.

12. Рубин А.Б., Биофизика. Vol. 2. 2000, Москва: Книжный дом "Университет". 132.

13. Millar N.S. Assembly and subunit diversity of nicotinic acetylcholine receptors. // Biochem Soc Trans 2003. - Vol. 3 l(Pt 4) - P. 869-874.

14. Karlin A., Akabas M.H. Toward a structural basis for the function of nicotinic acetylcholine receptors and their cousins. // Neuron 1995. - Vol. 15(6)-Л 1231-1244.

15. Sargent P.B. The diversity of neuronal nicotinic acetylcholine receptors. // AnnuRevNeurosci- 1993.-Vol. 16-P. 403-443.

16. Raftery M.A., Hunkapiller M.W., Strader C.D., Hood L.E. Acetylcholine receptor: complex of homologous subunits. // Science 1980. - Vol. 208(4451)-P. 1454-1456.

17. Noda M., Takahashi H., Tanabe Т., Toyosato M., Kikyotani S., Furutani Y., Hirose Т., Takashima H., Inayama S., Miyata Т., Numa S. Structural•Ihomology ofTorpedo californica acetylcholine receptor subunits. // Nature -1983. Vol. 302(5908) - P. 528-532.

18. Ortells M.O., Lunt G.G. Evolutionary history of the ligand-gated ion-channel superfamily of receptors. // Trends Neurosci 1995. - Vol. 18(3) -P. 121-127.

19. Le Novere N., Changeux J.P. Molecular evolution of the nicotinic acetylcholine receptor: an example of multigene family in excitable cells. // J Mol Evol 1995. - Vol. 40(2) - P. 155-172.

20. Elgoyhen A.B., Johnson D.S., Boulter J., Vetter D.E., Heinemann S. Alpha 9: an acetylcholine receptor with novel pharmacological properties expressed in rat cochlear hair cells. // Cell 1994. - Vol. 79(4) - P. 705-715.

21. Gerzanich V., Anand R., Lindstrom J. Homomers of alpha 8 and alpha 7 subunits of nicotinic receptors exhibit similar channel but contrasting binding site properties. // Mol Pharmacol 1994. - Vol. 45(2) - P. 212-220.

22. Schoepfer R., Conroy W.G., Whiting P., Gore M., Lindstrom J. Brain alpha-bungarotoxin binding protein cDNAs and MAbs reveal subtypes of this branch of the ligand-gated ion channel gene superfamily. // Neuron -1990.-Vol. 5(1)-P. 35-48.

23. Anand R., Conroy W.G., Schoepfer R., Whiting P., Lindstrom J. Neuronal nicotinic acetylcholine receptors expressed in Xenopus oocytes have apentameric quaternary structure. 11J Biol Chem 1991. - Vol. 266(17) - P. 11192-11198.

24. Cooper E., Couturier S., Ballivet M. Pentameric structure and subunit stoichiometry of a neuronal nicotinic acetylcholine receptor. // Nature -1991. Vol. 350(6315) - P. 235-238.

25. Unwin N. Projection structure of the nicotinic acetylcholine receptor: distinct conformations of the alpha subunits. // J.Mol.Biol. 1996. - Vol. 257(3)-P. 586-596.

26. Machold J., Weise C., Utkin Y., Tsetlin V., Hucho F. The handedness of the subunit arrangement of the nicotinic acetylcholine receptor from Torpedo californica. // Eur J Biochem 1995. - Vol. 234(2) - P. 427-430.

27. Hogg R.C., Bertrand D. Regulating the regulators: the role of nicotinic acetylcholine receptors in human epilepsy. // Drug News Perspect 2003. -Vol. 16(5) -P. 261-266.

28. Colquhoun L.M., Patrick J.W. Pharmacology of neuronal nicotinic acetylcholine receptor subtypes. // Adv Pharmacol 1997. - Vol. 39 - P. 191-220.

29. Jones S., Sudweeks S., Yakel J.L. Nicotinic receptors in the brain: correlating physiology with function. // Trends Neurosci 1999. - Vol. 22(12)-P. 555-561.

30. Pidoplichko V.I., Noguchi J., Areola O.O., Liang Y., Peterson J., Zhang Т., Dani J.A. Nicotinic cholinergic synaptic mechanisms in the ventral tegmental area contribute to nicotine addiction. // Learn Mem 2004. - Vol. 11(1)-P. 60-69.

31. Vincent A., Palace J., Hilton-Jones D. Myasthenia gravis. // Lancet 2001. -Vol. 357(9274) -P. 2122-2128.

32. Palace J., Vincent A., Beeson D. Myasthenia gravis: diagnostic and management dilemmas. // Curr Opin Neurol 2001. - Vol. 14(5) - P. 583-589.

33. Bertrand D. Neuronal nicotinic acetylcholine receptors: their properties and , alterations in autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy. // Rev Neurol (Paris) 1999. - Vol. 155(6-7) - P. 457-462.

34. Steinlein O.K. Nicotinic acetylcholine receptors and epilepsy. // Curr Drug Targets CNS Neurol Disord 2002. - Vol. 1(4) - P. 443-448.

35. Sutor В., Zolles G. Neuronal nicotinic acetylcholine receptors and autosomal dominant nocturnal frontal lobe epilepsy: a critical review. // Pflugers Arch 2001. - Vol. 442(5) - P. 642-651.

36. Selkoe D.J. Alzheimer disease: mechanistic understanding predicts novel therapies. // Ann Intern Med 2004. - Vol. 140(8) - P. 627-638.

37. Lane R.M., Kivipelto M., Greig N.H. Acetylcholinesterase and its inhibition in Alzheimer disease. // Clin Neuropharmacol 2004. - Vol. 27(3) - P. 141-149.

38. Гусев Е.И., Гехт А.Б. Болезнь Паркинсона. Основные направления леченияhttp://www.consilium-medicum.com/media/consilium/n02/67.shtml). // Consilium medicum 2000. - Том. 2(2)

39. Miyazawa A., Fujiyoshi Y., Unwin N. Structure and gating mechanism of the acetylcholine receptor pore. // Nature 2003. - Vol. 423(6943) - P. 949-955.

40. Heuser J.E., Salpeter S.R. Organization of acetylcholine receptors in quick-frozen, deep-etched, and rotary-replicated Torpedo postsynaptic membrane. //J.CellBiol.- 1979. -Vol. 82(1)-P. 150-173.

41. Brisson A., Unwin P.N. Tubular crystals of acetylcholine receptor. // J.Cell Biol. 1984. - Vol. 99(4 Pt 1) - P. 1202-1211.

42. Unwin N., Henderson R. The structure of proteins in biological membranes. 11 Sci.Am. 1984. - Vol. 250(2) - P. 78-94.

43. Colquhoun D., Unwin N., Shelley C., Hatton C., Sivilotti L., Nicotinic acetylcholine receptors, in Burger's Medicinal Chemistry, Vol II Drug Discovery and Drug Development, D. Abraham and J. Wiley, Editors. 2003: New York. p. 357-405.

44. Dubochet J., Adrian M., Chang J.J., Homo J.C., Lepault J., McDowall A.W., Schultz P. Cryo-electron microscopy of vitrified specimens. // Q.Rev.Biophys. 1988. -Vol. 21(2)-P. 129-228.

45. Toyoshima C., Unwin N. Ion channel of acetylcholine receptor reconstructed from images of postsynaptic membranes. // Nature 1988. -Vol. 336(6196)-P. 247-250.

46. Toyoshima C., Unwin N. Three-dimensional structure of the acetylcholine receptor by cryoelectron microscopy and helical image reconstruction. // J.Cell Biol. -1990. Vol. 111(6 Pt 1) - P. 2623-2635.

47. Unwin N. Nicotinic acetylcholine receptor at 9 A resolution. // J.Mol.Biol. -1993.-Vol. 229(4) P. 1101-1124.

48. Miyazawa A., Fujiyoshi Y., Stowell M., Unwin N. Nicotinic acetylcholine receptor at 4.6 A resolution: transverse tunnels in the channel wall. // J.Mol.Biol. 1999. - Vol. 288(4) - P. 765-786.

49. Unwin N. Refined structure of the nicotinic acetylcholine receptor at 4 A resolution. // J.Mol.Biol. 2005. - Vol. 346(4) - P. 967-989.

50. Unwin N. Acetylcholine receptor channel imaged in the open state. // Nature 1995. - Vol. 373(6509) - P. 37-43.

51. Brejc K., van Dijk W.J., Klaassen R.V., Schuurmans M., van Der O.J., Smit A.B., Sixma Т.К. Crystal structure of an ACh-binding protein reveals the ligand-binding domain of nicotinic receptors. // Nature 2001. - Vol.411(6835)-P. 269-276.

52. Unwin N. Structure and action of the nicotinic acetylcholine receptor explored by electron microscopy. // FEBS Lett. 2003. - Vol. 555(1) - P. 91-95.

53. Bertrand D., Galzi J.L., villers-Thiery A., Bertrand S., Changeux J.P. Stratification of the channel domain in neurotransmitter receptors. // Curr.Opin.Cell Biol. 1993. - Vol. 5(4) - P. 688-693.

54. Middleton R.E., Cohen J.B. Mapping of the acetylcholine binding site of the; nicotinic acetylcholine receptor: 3H.nicotine as an agonist photoaffinity label. //Biochemistry- 1991.-Vol. 30(28)-P. 6987-6997.

55. Karlin A. Emerging structure of the nicotinic acetylcholine receptors. // Nat.Rev.Neurosci. -2002. -Vol. 3(2)-P. 102-114.

56. Smit A.B., Brejc K., Syed N., Sixma Т.К. Structure and function of AChBP, homologue of the ligand-binding domain of the nicotinic acetylcholine receptor. // Ann N Y Acad Sci 2003. - Vol. 998 - P. 81-92.

57. Hucho F., Oberthur W., Lottspeich F. The ion channel of the nicotinic acetylcholine receptor is formed by the homologous helices MII of the receptor subunits. // FEBS Lett 1986. - Vol. 205(1)-P. 137-142.

58. Imoto K., Busch C., Sakmann В., Mishina M., Konno Т., Nakai J., Bujo H., Mori Y., Fukuda K., Numa S. Rings of negatively charged amino acids determine the acetylcholine receptor channel conductance. // Nature 1988. -Vol. 335(6191)-P. 645-648.

59. Beckstein 0., Biggin P.C., Sansom M.S.P. A Hydrophobic Gating Mechanism for Nanopores. // J. Phys. chem. 2001. - Vol. В 105 - P. 12902-12905.

60. Changeux J.P. The TiPS lecture. The nicotinic acetylcholine receptor: an allosteric protein prototype of ligand-gated ion channels. // Trends Pharmacol Sci 1990. - Vol. 11(12) - P. 485-492.

61. Changeux J.P., Edelstein S.J. Allosteric receptors after 30 years. // Neuron -1998. Vol. 21(5) - P. 959-980.

62. Edelstein S.J., Changeux J.P. Allosteric proteins after thirty years: the binding and state functions of the neuronal alpha 7 nicotinic acetylcholine receptors. //Experientia 1996. - Vol. 52(12)-Л 1083-1090.

63. Edelstein S.J., Schaad 0., Henry E., Bertrand D., Changeux J.P. A kinetic mechanism for nicotinic acetylcholine receptors based on multiple allosteric transitions. //Biol Cybern- 1996.-Vol. 75(5)-P. 361-379.

64. Wilson G., Karlin A. Acetylcholine receptor channel structure in the resting, open, and desensitized states probed with thesubstituted-cysteine-accessibility method. // Proc Natl Acad Sci U S A -2001. Vol. 98(3)-P. 1241-1248.

65. Colquhoun D., Sakmann B. Fast events in single-channel currents activated by acetylcholine and its analogues at the frog muscle end-plate. // J.Physiol -1985.-Vol. 369 -P. 501-557.

66. Sakmann В., Methfessel C., Mishina M., Takahashi Т., Takai Т., Kurasaki M., Fukuda K., Numa S. Role of acetylcholine receptor subunits in gating of the channel. //Nature 1985.-Vol. 318(6046)-P. 538-543.

67. Jones M.V., Westbrook G.L. The impact of receptor desensitization on fast synaptic transmission. // Trends Neurosci 1996. - Vol. 19(3) - P. 96-101.

68. Monod J., Wyman J., Changeux J.P. On the Nature of Allosteric Transitions: a Plausible Model. //JMol Biol 1965.-Vol. 12-P. 88-118.

69. Changeux J., Edelstein S.J. Allosteric mechanisms in normal and pathological nicotinic acetylcholine receptors. // Curr.Opin.Neurobiol. -2001.-Vol. 11(3)-P. 369-377.

70. Unwin N., Miyazawa A., Li J., Fujiyoshi Y. Activation of the nicotinic acetylcholine receptor involves a switch in conformation of the alpha subunits. // J.Mol.Biol. 2002. - Vol. 319(5) - P. 1165-1176.

71. Шайтан K.B., Сарайкин C.C., Метод молукулярной динамики. http://www.moldyn.org/library/md/default.htm. 1999.

72. Шайтан К.В., Терёшкина К.Б., Молекулярная динамика белков и пептидов. Методическое пособие. 2004, Москва: Ойкос.

73. Шайтан К.В., Молекулярная динамика пептидов. http://www.bioeng.ru/doc/stat/moldyn.htm. 1999.

74. Karplus М., McCammon J.A. Molecular dynamics simulations of biomolecules. // Nat Struct Biol 2002. - Vol. 9(9) - P. 646-652.

75. Hansson Т., Oostenbrink C., van Gunsteren W. Molecular dynamics simulations. // Curr Opin Struct Biol 2002. - Vol. 12(2)-P. 190-196.

76. Gumbart J., Wang Y., Aksimentiev A., Tajkhorshid E., Schulten K. Molecular dynamics simulations of proteins in lipid bilayers. // Curr Opin Struct Biol 2005. - Vol. 15(4) - P. 423-431.

77. Idrissi A. Molecular structure and dynamics of liquids: aqueous urea solutions. // Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc 2005. - Vol. 61(1-2) —P. 1-17.

78. Saiz L., Bandyopadhyay S., Klein M.L. Towards an understanding of complex biological membranes from atomistic molecular dynamics simulations. // Biosci Rep 2002. - Vol. 22(2) - P. 151-173.

79. Schleif R. Modeling and studying proteins with molecular dynamics. // Methods Enzymol 2004. - Vol. 383 - P. 28-47.

80. Daggett V. Molecular dynamics simulations of the protein unfolding/folding™ reaction. // Acc Chem Res 2002. - Vol. 35(6) - P. 422-429.

81. Grigera J.R. Molecular dynamics simulation for ligand-receptor studies. Carbohydrates interactions in aqueous solutions. // Curr Pharm Des 2002. -Vol. 8(17) -P. 1579-1604.

82. Norberg J., Nilsson L. Molecular dynamics applied to nucleic acids. // Acc Chem Res 2002. - Vol. 35(6) - P. 465-472.

83. Warshel A. Molecular dynamics simulations of biological reactions. // Acc Chem Res 2002. - Vol. 35(6) - P. 385-395.

84. Orshanskiy I.A., Tereshkina K.B., Tourleigh E.V. Molecular dynamics of two signal peptides of NS-2 protein of Hepatitis С virus in the water and in the membrane. // FEBS Journal (in print) 2006.

85. Шноль Э.Э., Гривцов А.Г.и.д., Метод молекулярной динамики в физической химии. 1996.

86. Allen М.Р., Tildesley D.J., Computer Simulation of Liquids. 2002, Oxford: Clarendon Press.

87. Дашевский В.Г., Конформации органических молекул. 1974, М.: Химия.

88. Полторак О.М., Термодинамика в физической химии. 1991, М.: Высш. шк.

89. Мидзусима С., Строение молекул и внутреннее вращение 1957, М.: Издво иностр. лит.

90. Каплан И.Г., Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. 1982, Москва: Наука.

91. Ponder J.W., Case D.A. Force fields for protein simulations. // Adv. Prot. Chem 2003. - Vol. 66 - P. 27-85.

92. Cheatham Т.Е., 3rd, Young M.A. Molecular dynamics simulation of nucleic acids: successes, limitations, and promise. // Biopolymers 2000. - Vol. 56(4)-P. 232-256.

93. Frenkel D., Smit В., Understanding molecular simulation. From algorithms to applications. 2002. P. 638.

94. Lemak A.S., Balabaev N.K. A comparison between collisional dynamics and Brownian dynamics. // Molecular Simulation 1995. - Vol. 15 - P. 223.

95. Lemak A.S., Balabaev N.K. Molecular dynamics simulation of a polymer chain in solution by collisional dynamics method. // Journal of Computational Chemistry 1996.-Vol. 17-P. 1685.

96. Landau L.D., Teller E., On the theory of sound disperson. Vol. 10. 1936: Physik. Zeits. Sowjetunion. 34-43.

97. Голо B.JL, Шайтан K.B. Динамический аттрактор в термостате Берендсена и медленная динамика биомакромолекул. // Биофизика -2002.-Том.47-С. 611-617.

98. Park S., Schulten К. Calculating potentials of mean force from steered molecular dynamics simulations. // J Chem Phys 2004. - Vol. 120(13) - P. 5946-5961.

99. Grubmuller H. Force probe molecular dynamics simulations. // Methods Mol Biol 2005. - Vol. 305 - P. 493-515.

100. Altmann S.M., Grunberg R.G., Lenne P.F., Ylanne J., Raae A., Herbert K., Saraste M., Nilges M., Horber J.K. Pathways and intermediates in forced unfolding of spectrin repeats. // Structure 2002. - Vol. 10(8) - P. 1085-1096.

101. GaoM., Wilmanns M., Schulten K. Steered molecular dynamics studies of titin II domain unfolding. // Biophys J 2002. - Vol. 83(6) - P. 3435-3445.

102. Lu H., Isralewitz В., Krammer A., Vogel V., Schulten K. Unfolding of titin immunoglobulin domains by steered molecular dynamics simulation. // Biophys J 1998. - Vol. 75(2) - P. 662-671.

103. Lu H., Krammer A., Isralewitz В., Vogel V., Schulten K. Computer modeling of force-induced titin domain unfolding. // Adv Exp Med Biol -2000. Vol. 481 - P. 143-160; discussion 161-142.

104. Lu H., Schulten K. Steered molecular dynamics simulations of force-induced protein domain unfolding. // Proteins 1999. - Vol. 35(4) - P. 453-463.

105. Gullingsrud J., Schulten K. Gating of MscL studied by steered molecular dynamics. // Biophys J 2003. - Vol. 85(4) - P. 2087-2099.

106. Faraldo-Gomez J.D., Smith G.R., Sansom M.S. Setting up and optimization of membrane protein simulations. // Eur Biophys J 2002. - Vol. 31(3) - P. 217-227.

107. Isralewitz В., Baudry J., Gullingsrud J., Kosztin D., Schulten K. Steered molecular dynamics investigations of protein function. // J Mol Graph Model-2001.-Vol. 19(1)-P. 13-25.

108. Isralewitz В., Gao M., Schulten K. Steered molecular dynamics and mechanical functions of proteins. // Curr Opin Struct Biol 2001. - Vol. 11(2)-P. 224-230.

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

110. Dutta S., Berman Н.М. Large macromolecular complexes in the Protein Data Bank: a status report. // Structure 2005. - Vol. 13(3) - P. 381-388.

111. Westbrook J., Feng Z., Burkhardt K., Berman H.M. Validation of protein structures for protein data bank. // Methods Enzymol 2003. - Vol. 374 - P. 370-385.

112. Bourne P.E., Addess K.J., Bluhm W.F., Chen L., Deshpande N., Feng Z., Fieri W., Green R., Merino-Ott J.C., Townsend-Merino W., Weissig H., Westbrook J., Berman H.M. The distribution and query systems of the

113. RCSB Protein Data Bank. 11 Nucleic Acids Res 2004. - Vol. 32(Database issue)-P. D223-225.

114. Berman H., Henrick K., Nakamura H. Announcing the worldwide Protein Data Bank. //Nat Struct Biol 2003. - Vol. 10(12) - P. 980.

115. Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissig H., Shindyalov I.N., Bourne P.E. The Protein Data Bank. // Nucleic Acids Res -2000. Vol. 28(1) - P. 235-242.

116. RCSB, http://www.rcsb.org/pdb/.

117. HyperChem, http://www.hyper.com.

118. Sansom M.S., Adcock C., Smith G.R. Modelling and simulation of ion channels: applications to the nicotinic acetylcholine receptor. // J.Struct.Biol. 1998. - Vol. 121(2) - P. 246-262.

119. Law R.J., Tieleman D.P., Sansom M.S. Pores formed by the nicotinic receptor m2delta Peptide: a molecular dynamics simulation study. // BiophysJ. 2003. - Vol. 84(1) - P. 14-27.

120. Kerr I.D., Sankararamakrishnan R., Sansom M.S. Simplified models of the pore domain of the nicotinic acetylcholine receptor. // Biochem.Soc.Trans. -1994.-Vol. 22(2) P. 158S.

121. Charnet P., Labarca C., Leonard R.J., Vogelaar N.J., Czyzyk L., Gouin A., Davidson N., Lester H.A. An open-channel blocker interacts with adjacent turns of alpha-helices in the nicotinic acetylcholine receptor. // Neuron -1990.-Vol. 4(1)-P. 87-95.

122. Турлей Е.В., Шайтан К.В., Балабаев Н.К. Динамическая гетерогенность фосфолипидного бислоя и диффузия молекул на границе раздела фаз. // Биофизика 2005. - Том. 50 (6) - С. 1042-1047.

123. Турлей Е.В., Шайтан К.В., Балабаев Н.К. Молекулярная динамика гидратированного бислоя пальмитоилолеоилфосфатидилхолина в столкновительном термостате. // Биол. мембраны 2005. - Том. 22 (6) -С. 491-502.

124. Терёшкина К.Б., Молекулярная динамика пептидных структур и функционирование ионного канала глицинового рецептора. 2006, Москва: МГУ.

125. PyMol, http://www.pymol.org.

126. PyMol, http://www.delanoscientific.com/.

127. PyMol http://adelie.biochem.queensu.ca/~rlc/work/pymol/.

128. Guex N., Peitsch M.C. SWISS-MODEL and the Swiss-PdbViewer: an environment for comparative protein modeling. // Electrophoresis 1997. -Vol. 18(15)-P. 2714-2723.

129. Swiss-PdbViewer, http://www.expasy.org/spdbv/.

130. Smart O.S., Goodfellow J.M., Wallace B.A. The pore dimensions of gramicidin A. // Biophys.J. 1993. - Vol. 65(6) - P. 2455-2460.

131. 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 1996. - Vol. 14(6) - P. 354-360, 376.

132. HOLE, http://hole.biop.ox.ac.uk/hole.

133. HOLE, http://www.csb.yale.edu/userguides/graphics/hole/.

134. SigmaPlot, http://www.systat.com/products/SigmaPlot/.

135. Schutz C.N., Warshel A. What are the dielectric "constants" of proteins and how to validate electrostatic models? // Proteins -2001.- Vol. 44(4) P. . 400-417.

136. Соггу В. Theoretical conformation of the closed and open states of the acetylcholine receptor channel. // Biochim.Biophys.Acta 2004. - Vol. 1663(1-2)-P. 2-5.

137. Kim S., Chamberlain A.K., Bowie J.U. A model of the closed form of the nicotinic acetylcholine receptor m2 channel pore. // Biophys.J. 2004. - Vol. 87(2)-P. 792-799.

138. Kearney P.C., Zhang H., Zhong W., Dougherty D.A., Lester H.A. Determinants of nicotinic receptor gating in natural and unnatural side chain structures at the M2 9' position. // Neuron 1996. - Vol. 17(6) - P. 1221-1229.

139. Lummis S.C. The transmembrane domain of the 5-HT3 receptor: its role in selectivity and gating. // Biochem.Soc.Trans. 2004. - Vol. 32(Pt3) - P. 535-539.

140. Adcock C., Smith G.R., Sansom M.S. Electrostatics and the ion selectivity of ligand-gated channels. // Biophys.J. 1998. - Vol. 75(3) - P. 1211 -1222.

141. Eisenman G. Cation slective glass electrodes and their mode of operation. // Biophys J 2(Suppl 2)- 1962. Vol. -P. 259-323.

142. Siegelbaum S.A., Koester J., Ion Channels, in Principles of Neural Science (4th Edition), E.R. Kandel, J.H. Schwartz, and T.M. Jessell, Editors. 2000, McGraw Hill. p. 105-125.

143. Absalom N.L., Lewis T.M., Schofield P.R. Mechanisms of channel gating of the ligand-gated ion channel superfamily inferred from protein structure. // Exp.Physiol-2004.-Vol. 89(2)-P. 145-153.

144. Mitra A., Cymes G.D., Auerbach A. Dynamics of the acetylcholine receptor pore at the gating transition state. // Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A 2005. - Vol. 102(42)-P. 15069-15074.

145. Lester H.A., Dibas M.I., Dahan D.S., Leite J.F., Dougherty D.A. Cys-loop receptors: new twists and turns. // Trends Neurosci. 2004. - Vol. 27(6) - P. 329-336.

146. Hung A., Tai K., Sansom M.S. Molecular Dynamics Simulation of the M2 Helices within the Nicotinic Acetylcholine Receptor Transmembrane Domain: Structure and Collective Motions. // Biophys.J. 2005. - Vol. 88(5) -P. 3321-3333.

147. Beckstein 0., Biggin P.C., Bond P., Bright J.N., Domene C., Grottesi A., Holyoake J., Sansom M.S. Ion channel gating: insights via molecular simulations. // FEBS Lett. 2003. - Vol. 555(1) - P. 85-90.

Информация о работе

Ли Аньбан
кандидата физико-математических наук
Москва, 2006
ВАК 03.00.02

Диссертация

Молекулярная динамика ионного канала никотинового ацетилхолинового рецептора - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы