Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования

Грудинин, Сергей Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования"

На правах рукописи УДК 533.9

ГРУДИНИН Сергей Владимирович

Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного

родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования.

03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в центре биофизики надмолекулярных структур ФМБФ МФТИ и Институте Структурной Биологии Исследовательского центра г. Юлиха (IBI-2 FZJ Jülich)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Валентин Иванович Горделий

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Роман Гербертович Ефремов, доктор физико-математических наук Георгий Теодорович Гурия

Ведущая организация:

Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ (г. Москва)

Защита диссертации состоится «13» октября 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К 212.156.03 при Московском физико-техническом институте по адресу:

141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан « года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

В.Е. Братин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение. Актуальность. Архейные родопсины являются семиспиральными трансмембранными белками, которые содержат в качестве хромофора ковалентно связанный ретиналь Бактериородопсин (ЪЯ) вьшолнякхг функции протонного насоса, работающего за счет энергии падающего на него света с максимумом поглощения около 570 пм Благодаря этому белку бактерия НЫоЬамепит Штагит обеспечивав! свою жизнедеятельность, используя свет для образования электрохимического потенциала на клеточной мембране Это снабжает клетки энергией и уравновешивает уровень рН в экстремальных условиях соленых озер Сенсорный родопсин (вЯ) II является отталкивающим рецептором для зеленого света [1} Ковалентная связь между хромофором и основанием лизина (через протонированное Шиффово основание), а также взаимодействия в области пакета связывания протона с близлежащими основаниями позволяют широко варьировать максимум спектра поглощения у этих белков. Вызванная светом изомеризация хромофора запускает фотоцикл в архейных родопсинах, что влечет за собой депротонирование Шиффового основания и конформационные изменения в структуре белка [1,2] В бакте-риородопсине репротонирование (или вторичное протонирование) Шиффового основания происходит из цитоплазматической области, противоположной к направлению транспорта протона, вызывая таким образом направленный транспорт протонов [2] Напротив, в сенсорных родопсинах репротонирование Шиффового основания происходит из внутриклеточной области, в которую переходит протон на ранних стадиях фотоцикла [3], и, таким образом, цикл переноса протона получается замкнутым внутри белка и неэлектро-генным. ВИ, являясь ионным насосом, выполняет свою функции в одиночку, в то время как вЯ для передачи сигнала нуждается в еще одном белке, называемом «трансдьюсер»

П].

Светочувствительные белки, т.е. биологические фоторецепторы, оптимально подходят для изучения влияния динамических изменений структуры белка на его функционирование. Во-первых, такие белки могут быть активированы лазерной вспышкой, и поэтому можно добиться очень высокого временного разрешения в экспериментах связанных с динамическим изменением структуры. Во-вторых, т к они являются белками передающими сигнал, можно утверждать, что образование сигнального состояния и его последующий распад происходит со значительными изменениями в структуре белка, что также подтверждается и экспериментально [4] В третьих, изменение цвета этих белков часто

РОС НАЦВООДЛММЯ ( БИБЛИОТЕКА/» |

1 1 - ■ ■»л

является эффективным индикатором структурных изменений в фотоактивном пентре, и также может давать информацию о временах этих структурных изменений

Основой для изучения свойств и понимания функционирования биологических объектов является их структура Однако, несмотря на обилие структур высокого разрешения основного состояния бактериородопсина, детальный механизм транспорта протона этим белком, а для сенсорного родопсина - механизм передачи сигнала до сих пор остаются непонятными Кристаллографические данные дают статическую информацию о структуре белка. Более того, кристаллографические структуры не являются полными Это связано с тем, что данные усредняются в течении времени сбора информации, и конечная структура представляет собой среднее положение только тех атомов, которые достаточно фиксированы в белке. Так, подвижные молекулы воды в ютоплазматической и внутриклеточной частях бежа остаются неразрешенными "Невидимые" рентгеноструктурным анализом части белка, рключая молекулы воды, могут играть ключевую роль в его функционировании Кроме того, известно что для осуществления определенных функций динамика макромолекул может быть так же важна, как и их структура Таким образом, дополнительная информация к кристаллографическим данным о структуре и динамике является необходимой для успешного понимания их функционирования Она может быть получена как при помощи некоторых экспериментальных методик, таких как спектроскопия ЯМР, так и используя методы компьютерного моделирования. В последнее время широкое распространение получили методы молекулярной динамики. Это связано с возросшими компьютерными мощностями, которые на настоящий момент уже позволяют моделировать достаточно крупные молекулярные системы (до миллиона атомов) на временах порядка 1-10 наносекунд.

Целями и задачами настоящей работы являлись изучение механизмов транспорта протона в бактериородопсине и трансмембранной передачи сигнала комплексом сенсорного родопсина при помощи методов компьютерного моделирования: молекулярной динамики и анализа нормальных мод.

Научная новизна работы. В данной работе впервые были изучены основное и М состояния бактериородопсина и проведен их сравнительный анализ Также было показано, что динамики бактериородопсина отличается в его мономерном и тримерном состояниях, что продемонстрировало важность окружения белка в мембране Впервые было

изучено М промежуточное состояние бетя, то позволило получить новую информацию по механизму транспорта протона.

В настоящей работе предложены новые алгоритмы определения и определены внутренние молекулы воды, что позволило объяснить проводимость протона в цитоплазма-тической части белка Кроме того, было показано наличие молекул воды и упорядоченных цепочек водородных связей во внутриклеточной части белка, что продемонстрировало возможность транспорта протона в этой части.

Впервые в М состоянии были обнаружены дополнительные молекулы воды, что позволило сформулировать новую гипотезу о возможном механизме транспорта протона в цитоплазматической части белка.

Кроме того, в данной работе предложен метод расчета нормальных мод для мембранного белка С его помощью в комплексе сенсорного родопсина II с трансдьюсером рассчитаны колебания молекулы.

Основываясь на известных структурах, были изучены коллективные движения в мембранной части комплекса и показано что альфа-спираль ТМ2, через которую передается сигнал в цитоплазму, действительно обладает возможностью совершать колебания в направлении нормали мембраны с амплитудой 0.5-1 А и периодом 60 ps Данный результат говорит в пользу гипотезы механизма трансмембранной передачи сигнала за счет коллективных движений в ТМ2 альфа-спирали [5] и впервые позволяет оценить характерное время трансмембранной передачи сигнала.

Научно-практическая значимость. Полученные результаты позволяют сформулировать новые эксперименты для изучения функционирования белка bR В частности, показана важность нейзроноструктурного анализа в такого рода исследованиях Это может быть использовано для планирования будущих нейтронографических исследовании структуры кристаллов на строящемся в США новом времянролетном источнике нейтронов для определения подвижных молекул воды.

Разработанные методы и алгоритмы моделирования мембранных белков при помощи методов МД и НМА могут бьггь использованы при изучении широкого класса белков.

Апробация работы. Основные положения работы и е результаты докладывались на следующих конференциях' «Workshop on Lipid-Protein Interaction», Гомадинген, Голландия, 26 03 2002, «COST D22 Workshop on Nanotechnologies of Membrane Mimetic Systems» Грац, Австрия, 11 10.2002; «COST D22 Workshop on 'Protein-Lipid Interactions'»,

Мадрид, Испания, 31.10 2003; «Workshop of Simulation ofProtein-Lipid Interaction», Тулуза, Франция, 28.10.2004; «2nd Moscow Conference in Computational Molecular Biology», Москва, 20.07.2005.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 работы

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы Объем диссертации составляет 131 страницу машинописного текста, включая 45 рисунков, 8 таблиц, 169 формул и 254 библиографические ссылки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследуемой темы, перечислены основные проблемы, стоящие в данной области, сформулированы цели и главные идеи работы, а также 1фатко описаны основные результаты исследования

В первой главе приведен литературный обзор, посвященный структуре, свойствам и механизмам функционирования мембранных белков бактериородопсина (bR) и сенсорного родопсина II (SRTI) Подробно рассмотрены фотоциклы белков и современные представления о механизмах транспорта протона в bR и передачи сигнала в комплексе SRII-Htrll. Также здесь описаны методы получения пространственной структуры белков такие как рентгеновская и электронная кристаллография, нейтронная дифракция и ЯМР спектроскопия и даны их сравнительные характеристики. Описаны трудности, возникающие в процессе эксперимента и показана неполнота структурных данных Далее в литературном обзоре приведены экспериментальные данные по определению динамики и распределения молекул воды внутри белковых молекул. Показано, что в структурных данных часто отсутствует информация о подвижных молекулах воды и дано экспериментальное подтверждение наличия таких молекул. Также приведены экспериментально определенные характерные времена жизни связанных молекул воды внутри и на поверхности белка

Кроме того, в этой главе содержится краткий обзор литературы по описанию теории транспорта протона в воде и белковом окружении, а также методам его моделирования Сделан обзор последних алгоритмов по моделированию переноса заряда

Также в литературном обзоре содержится описание работ по успешному применению компьютерного моделирования для определения и предсказания новых свойств биологических систем Так, показано применение молекулярной динамики (МД) для исследования распределения молекул воды в различных белках. Также дан обзор литературы по компьютерному моделированию бактериородопсина Гак как в работе используются методы молекулярной динамики и анализа нормальных мод, в этой главе дано описание работ, в которых эти методы уже успешно применялись. В заключении приведены проблемы, которые не позволяют до конца понять структуру и механизмы функционирования белков ЬЛ и ЗИП, сформулированы цели и предложены методы исследования этих белков Так, показана целесообразность использования метода МД для исследования динамики бактериородопсина и распределения воды и сети водородных связей внутри белка В случае комплекса БЯИ-НМ! сделаны выводы об эффективности метода анализа нормальных мод для нахождения движений большой амплитуды, которые могут быть ответственными за передачу сигнала

Вторая глава состоит из описания методов, алгоритмов и структур, используемых в работе. Подробно описаны принципы молекулярного моделирования, элементы классического силового поля и его параметризация. Также дано краткое описание элементов статистической механики и термодинамики в моделировании биообъектов.

Особое внимание уделено описанию методов и алгоритмов, использованных в работе. Эти методы включают в себя два основных алгоритма минимизации структур, метод молекулярной динамики с классическим силовым полем в различных термодинамических ансамблях, сеточное уравнение Пуассона-Больцмана и метод определения и анализа нормальных мод. Также детально описаны алгоритмы, впервые примененные в данной работе. Они включают в себя лучшее наложение структур друг на друга, определение поверхности белка и внутренних молекул воды несколькими способами, построение и анализ цепочек водородных связей внутри белка, анализ внутренних молекул воды.

Отдельно описаны методы подготовки выбранной системы к моделированию, состоящие из подготовки белка, мембраны и водного окружения, получения структур и параметризации недостающих оснований, наложения граничных условий и выбора силового поля.

В заключении главы приведен детальный анализ кристаллографических структур бактериородопсина в основном и позднем М состояниях и сенсорного родопсина II. Дано описание всех внутренних молекул воды в этих структурах, а также приведены среднеквадратичные отклонения между структурами и дано их краткое описание и характеристика.

Третья глава посвящена описанию моделирования мономера основного состояния ЬЯ и тримера Ы1 в основном и М-промежуточяом состояниях при помощи метода молекулярной динамики. Одной из целей работы являлось сравнение динамики и распределения внутренних молекул воды и сети водородных связей в различных состояниях бактериородопсина, а также исследование влияния белкового окружения на стабильность и свойства белка Так как структуры высокого разрешения бактериородопсина появились сравнительно недавно [6,7], то динамика молекул воды внутри этого белка не была изучена достаточно хорошо Кроме того, ранее не исследовалось поведение сети водородных связей внутри ЬЯ Данная чать работы была разбита на две части'

1 Конструирование и исследование мономера бактериородопсина в липидной мембране.

2 Конструирование и исследование тримера бактериородопсина в липидной мембране. Последняя часть включает в себя моделирование тримера в основном и М-промежуточ-ном состояниях. Для исследования динамики белков был выбран метод молекулярной динамики, который позволяет моделировать системы на б-ге временах

Для моделирования мономера бактериородопсина была использована кристаллографическая структура 1СЗ\¥ [7], обладающая на тот момент наибольшим разрешением. В этой структуре были достроены недостающие основания, перезаряжаемые группы приведены в соответствующие зарядовые состояния и параметризована молекула ретиналя. Для моделирования мембраны использовались липиды РОРС. Липидный бислой с окружающей его водой состоял из 200 РОРС лнпидов и 9875 Т1РЗР молекул воды Далее мономер бактериородопсина был помещен в центр мембраны, молекулы липидов и воды, которые накладывались на молекулу белка, были удалены и система минимизировалась и уравновешевалась с замороженным белком в течении 400 ря Конечная конфигурация системы состояла примерно из 40000 атомов, как показано на рис. 1. После уравновешивания системы была запущена молекулярная динамика на протяжении 2500 р$

£V .*„"*» hf « "Г«

Wi&st *

Молекулярная динамика была выполнена в ансамбле NPT при постоянной температуре 300 К и давлении 1 Ваг при помощи вычислительного пакета AMBER и силового поля AMBER94 Ковалентные связи, содержащие атом водорода, были заморожены, что позволило увеличить шаг интегрирования до 2 6 Координаты атомов сохранялись каждую 0 1 ps и их скорости сохранялись каждые 10 ps После завершения молекулярной динамики все траектории атомов были проанализированы при помощи алгоритмов, описанных в главе 2

Для проверки стабильности структуры были посчитаны величины среднеквадратичного отклонения, которое равнялось приблизительно 2 1 Á для атомов главной цепочки, находящихся в альфа спиралях Причем особенно сильно были заметны отклонения в В и D спиралях структуры, которые в тримере ответственны за контакт с остальными мономерами Внимательный анализ структуры также

показал значительное увеличение полостей,

Рисунок 1: Мономер бактериородопсина в занимаемых водой, в цитоплазматической об- мембране с водой, вид сбоку В центре рисун-

_ ка находится семисгшральная молекула белка.

ласти белка после его моделирования.

Все молекулы воды внутри белка были разделены на связанные и подвижные согласно определениям, описанным в главе 2 Также было посчитано количество связанных и подвижных молекул воды с течением времени Число связанных молекул воды не менялось и равно 20, в то время как из распределение числа подвижных молекул воды можно найти их среднее число, которое равно 24 Равновесное распределение молекул йоды в бакгериородопсине показано на рис. 2 На этом рисунке изображена плотность распределения связанных и подвижных молекул воды N J z) по отношению к оси г , т е. среднее число молекул воды в слое бежа толщиной 5 а = 1 Á. Центр отсчета z = 0 совмещен с центром масс белка, который находится близко к Шиффовому основанию с г = -2 7 Á Из распределения подвижных молекул волы на рис 2 видно, что центральная часть белка остается недоступной для подвижной воды

Также было интересно сравнить распределение воды в кристаллографической структуре с распределением, полученным в результате моделирования Такое сравнение приво-

Рисунок 2: Плотность распределения молекул Рисунок 3: Плотности распределения

воды вЬЛ, как было показано молекучярнои молекул воды: сравнение между кри-

динамикой. Сплошные и пунктирные линии обозна- сталлографическими данными (пунктирная чают подвижные и связанные молекулы, соответ- линия) и моделированием (сплошная линия), ственно. Лее вертикальные линии показывают среднее положение поверхности полярных голов мембраны. Пунктирные вертикальные линии показывают примерное положение а -углеродов групп АзрЗб и Ьуг129.

дится на рис 3 Сплошная линия показывает распределение воды при моделировании (подвижной+связанной), общее количество молекул воды равно 44 Пунктирная линия показывает распределение воды в кристаллографической структуре [7], общее число молекул воды равно 18 Оба распределения совпадают по форме, хотя и значительно отличаются по количеству молекул воды Одно из объяснений такой большой разницы состоит в высокой скорости обмена молекул воды с окружающим резервуаром Поэтому далее будут даны динамические характеристики распределения воды.

На рис 4 показано количество внутренних молекул воды ЛГ1.*'^) в определенном ансамбле, все еще находящихся внутри белка после времени ? и усредненное по всем ансамблям Из рис 4 видно два режима- для больших / > 100 ре функция ведет себя экспоненциально'

^„"'(О-ехрН/О, г>100 рь (1)

1де время обмена т^,«» 180 /и характеризует временную эволюцию диффузных процессов внутри белка Для малых времен I < 100 функция ведет себя как:

г <50 ри

(2)

них молекул воды от времени в логарифмиче- их времени жизни тю внутри белка в log-log асам масштабе. Nl*'(t) - это среднее кшиче- масштабе. Сплошная линия соответствует ство подвижных молекул воды в наборе по про- закону п{тга)~\1тп1 шествии времени t. Пунктирная линия показывает закон ехр{-г/тот) .

На рис. 5 построено распределение времен жизни внутренних молекул воды Из этого распределения был получен закон затухания времени жизни молекулы

1<т„<300 я (3)

И также посчитано среднее время жизни, (т„)"52 ps .

Для пито плазм этической части белка был произведен анализ молекул воды и цепочек водородных связей, построенных согласно модели транспорта протонов Гроттхуса [В]. Были найдены цепочки, соединяющие ключевые основания с внешней водой уже в основном состоянии фотоцикла белка. На рис 6 показаны вероятности образования цепочек водородных связей между различными ключевыми группами в цитоплазм этической части bR друг с другом и с внешним окружением Обозначения OD, О и Н соответствуют атомам 5 -кислорода, кислорода и водорода, соответственно Так как каждое основание может быть соединено с внешней водой многими путями, вероятность ею протонирова-ния подсчитать достаточно сложно Однако в случае схемы, показанной на рис 6 можно посчитать вероятности протонирования отдельных оснований в предположении, что все укачанные на рисунке вероятности независимы Суммарные вероятности протонирования равны P^plsOD=09^ , .y^iH=069 , б-077 Также можно легко определить среднее время жизни и среднюю длину каждой цепочки Для всех оснований на рис 6 время равно (т,)~0 1 pi Наиболее вероятная длина цепочек равна 7 связям, что объясняет тот

факт, что среднее время жизни цепочки достаточно и не зависит от конкретного основания.

При моделировании примера бактерио-^ родопсина использовались его кристаллографические структуры О и М состояния 1С\У(3 [6]. Система строилась, минимизировалась и уравновешивалась также, как и в случае мономера, за исключением того, что липидная ТОРС мембрана была любезно предоставлена проф. Гервертом [9]. Уравновешенная система далее моделировалась при помощи МД в течении 2 5 ш, после чего траектории всех атомов системы были проанализированы.

Для проверки стабильности структуры были посчитаны величины среднеквадратичного расстояния между кристаллографической и моделируемой структурой после окончания моделирования. Величина отклонения составила 0.85 А дня основного состояния и 1.02 А для М-промежуточного. Отклонение считалось по атомам основной цепи, находящимся в альфа-спиралях. Наибольшее отклонение 1.26 А имела спираль Р в М-состоянии. Это может говорить в пользу последующих структурных изменениях в этой спирали, чей наклон намного больше в нативной структуре, чем в структуре, полученной кристаллографически. Предполагается, что данный эффект возникает из-за геометрических ограничений в кристалле, накладываемых соседними слоями белков вследствие их достаточно тесной упаковки. В моделируемой структуре белка размеры коробки достаточно велики и тример бактериородопсина не имеет тесных контактов со своими отражениями, поэтому в М-со стоянии возможны большие отклонения спирали Р.

Усредняя число молекул воды для последней 1 ш моделирования было получено 9 связанных и 19 подвижных молекул воды в основном состоянии и 13 связанных и 23 подвижных молекул воды в промежуточном. Для сравнения, структура 1СЗ\У [6] содержит только 18 внутренних молекул в основном состоянии и 22 в промежуточном. Такая большая разница в количестве молекул воды между экспериментом и моделированием за-

0.69

0.93

0.34; АврЗб

: 0.48

: 0 43

.-■"0.02

АзрЗвСЮ АврЗвО

'''-.0.33

0.39 0.39

. 1_ув41.Н

Рисунок 6: Вероятности образования Гроттхус-путей между основаниями в ци-тотазматическоО части бактериородопсина. Число у каждой пунктирной линии соответствует вероятности нахождения хотя бы одного возможного пути между соответствующими атомами.

ключается в их высокой подвижности Дат«" будут приведены динамические свойства молекул воды внутри белка.

На рис. 7 показано количество внутренних молекул воды #'."(/) в определенном ансамбле, все еще находящихся внутри белка после времени t для обоих состояний и усредненное по всем ансамблям. Из этого рисунка, где число молекул показано в

log-log масштабе, видно два режима поведения распределения - для больших t > 10 ps функция ведет себя экспоненциально:

<"(/)~ехр-//т„,, />10 ps (4)

где время обмена гот~340 ps для основного состояния и тот<«460 ps дня промежуточного На коротких временах t < 10 ps происходят быстрые процессы обмена воды на поверхности, благодаря поверхностной воде, которая не проникает глубоко в белок. Здесь Nl?U) затухает быстрее, чем при больших / и подчиняется приблизительно следующей закономерности:

/<10 ps (5)

где а~0.29 для обоих состояний, что еще раз указывает на то, что на коротких временах /~Ю ps динамика взаимодействия белок-вода не зависит от определенной кон-формации белка.

Как и в случае мономера, было построено распределение времен жизни внутренних

— __а

«"»в») молекул воды в данном ансамбле (рис. 8). Из

Рисунок 7: Зависимость уменьшения количества внутренних люлекуя воды от времени в этого распределения было посчитано сред-

двоВном логарифмическом масштабе для

основного и промежуточного состояний.

нее время жизни молекулы воды,

Л'Г (') -это среднее количество подвижных <тт)-95 р» для основного состояния и молекул воды в наборе по прошествии времени

/. Пунктирная линия показывает закон <т«> ~110 Р* промежуточного.

ехр(-'/т«,) • В течении всего времени моделирова-

ния белок был разделен на цитоплазматическую и внутриклеточную области непроницаемым для молекул воды гидрофобным структурным барьером в обоих состояниях. Такое разделение белка показано на рис. 11 для одной молекулы ЪЯ из тримера в основном состоянии (слева) и М-промежуточном состоянии (справа). На этом рисунке представлены

1 1 ....... Qataaa -

Маш .......... |.

1 ^^ г [

усредненные плотности всех молекул воды в течении моделирования. Объем, занимаемый белком показан серой поверхностью. Внутри этой поверхности сетками показаны объемы, доступные подвижным и связанным молекулам воды. Видно, что в М-состоянии

'объемы, занимаемые водой, больше. Рисунок Я: Распределение вероятности п числа внутренних молекул воды, как функция их времени жизни Это объясняется структурными изме-

тт внутри белка в log-log масштабе. нениями в этом СОСТОЯНИИ, которые

влекут за собой увеличение полостей внутри белка.

Равновесное одномерное распределение молекул воды в гримере бактериородопсина показано на рис. 9 для основного состояния (а) и М-промежуточного (Ь). На нем изображена плотность распределения связанных и подвижных молекул воды N„(z) по отношению к оси г , т е. среднее число молекул воды в слое белка толщиной бо= 1 А Центр отсчета z = 0 совмещен с центром масс белка, который находится близко к Шиффовому основанию с г = 2.5 А Сравнительные анализ этих распределений дает среднее число молекул воды в основном и М состояниях как 19 и 23 подвижные и 9 и 13 связанные, соответственно.

Для характеристики мобильности связанных молекул воды были построены радиальные распределения их координат n,(d) как функции расстояния центра молекулы воды

. Рисунок 11: Доступные ^•'области быка дня воды Основное состояние (слева) и М-промежуточное "(справа) В цветном варианте поверхности доступных областей для подвижных мо ¡екул воды показаны голубым цветом и для свя-р, занных - желтым Красными шариками оботаче ны поъиции кристаиогра-фически определенных мо-чекуп воды [6]

(а)

cyt

_до ее положения, определенного кристалло-

Í:! i г

2(A)

(Ь)

_Н графически. Эш распределения показаны на

', рис 10 для основного состояния а) и М-про-| межуточного состояния Ь) н с). Пик распреде-■ ления соответствует наиболее вероятному от' клонению молекулы от ее крисгаллографиче-ского положения. Молекулы с пиками с) < 1 А ^можно считать неподвижными. Как видно из рис. 10, все девять связанных молекул воды в

Л!

* I

cyt

Ш.

' основном состоянии неподвижны, в то время

как в М-промежуточном состоянии таких мо-

1 лекул всего лишь 5 из 13. Для сравнения с ра-

j нее опубликованными данными [9] функции

' радиальных распределений были приближены

' гауссианами и получены стандартные откло-

№ м » ~«нения аяя молекул 710, 712 и 716 равные

„, а пл 0.30±10 A, 0.42±0.12Á и 0.40±0.13 Á, соот-

Рисунок 9: Одноразмерная плотность распре- v/.i^-n и v.-rv u.íj л. , wu»

деления njz) молекул воды в проекции на нор- ветственно. Эти значения оказались меньше моль мембраны для основного (а) иМ(Ь) состояний. Сплошная и пунктирная линия обознача- опубликованных ранее [9]. В целом, молеку-

ют подвижные и связанные молекулы воды, со- _____ „_~________ к ______

' лы воды в нашей структуре были более ста-

ответственно. Две вертикальные линии Г

обозначают границу мембраны, '¡очка отсчета бильны и лучше совпадали С кристаллографи-

совпадает с центром масс белка

ческими положениями, чем в опубликованных ранее работах На рис 10 распределения с несколькими пиками относятся к молекулам, которые имели разные позиции в различных мономерах тримерного бактериородо-псина В случае М-промежуточного состояния несколько связанных молекул воды покинуло цитоплазматическую область белка в процессе моделирования. Было выявлено три таких события. Молекула воды номер 740, чья электронная плотность была шорной [б], покинула белок в двух мономерах в процессе моделирования и значительно сдвинулась в центральную часть в третьем мономере Молекула 722 также покинула белок в одном из трех мономеров и одна молекула воды вошла в цитоплазматическую часть белка в кластер 720, 723, 724 Каналы движения воды могут быть интересны для дальнейшего моделирования транспорта протона.

Jbf

Для описания картины водородных связей нами была использована модель транспорта проломов Гроттхуса [8] Карта вероятностей образо-^вания водородных связей между полярными группами внутри белка и его поверхностью представлена на рис 12 Вероятности образования

пепочек водородных связей между различными основаниями отличаются в основном (слева) и ¡М-промежуточном (справа) состояниях. Так, к "" " примеру, в М-состоянии была обнаружена связь между основанием Glu204 и поверхностью белка В основном состоянии имеется много связей между Шиффовым основанием и группами Asp85, Asp212 и Arg82 Основание Asp96 оставалось изолированным от внешней воды и Шиф-фового основания в обоих состояниях, в М-со-стоянии были только найдены цепочки водородных связей, соединяющие Asp96 и атомы главной цепи Lys216. Стоит отметить, что в М-состоянии основания Asp85 и Asp212 были всегда со-

единены сетью водородных связей, которая мо-Рисуяок 10: Радиальные функции распределения для расстояния от центра молекулы жет облегчать перенос протона между ними. He-do ее кристаллографической позиции. На _

рисунке а) показаны данные для основного ЛЬЗЯ Сказать што определенного о водородных

состояния и на Ь) и с) дчя промежуточного связях основания Asp96, вероятнее всего они об-Нумерация молекул дана согласно рис. 11.

разуются в поздних промежуточных состояниях белка. В обоих основном и М- состояниях были обнаружены пути от Asp85 к группам Glu204 и Glul94, которые являются возможными посредниками в транспорте протона. Эти пути включают внутренние молекулы воды и основания Asp212 и Arg82 Хотя ранее и предполагалось, что основание Glul94 принимает участие в транспорте протона, не было найдено никаких путей, соединяющих это основание с Glu204 и внешней водой

вч- ъувггв \

■ net; j . ки

^__M^S 120 '

О»*/ 0/00

«рев /

АврЗП

J« 4

И* ^иЧ™' т -тг

•>*У t«l

Glul94 0 *°» S GluiO*

'О в1

Bulk water

А*р212

GlulS4 ? \в

J194 О i&J« Vo 2 1

г» г

' t • МЙ I

О Gin204

Bulk Hater

Рисунок 12; Все возможные комбинации ¡'роттхус-путей для основного состояния (слева) и М-промежуточного (справа). Числа у стрелок обозначают вероятность образования данного пути.

Основные результаты третьей главы:

Сравнение динамики мономера и тримера говорит об очень важной роли окружения белка, которое непосредственным обратом влияет на его структуру и функционирование Так, в отсутствие тесных контактов, спирали мономера достаточно сильно смещаются за времена порядка нескольких наносекунд

В результате моделирования были получены следующие результаты для числа молекул воды внутри белка- в случае мономера основного состояния были найдены 20 связанных и 24 подвижные молекулы воды, в случае тримера основного состояния 9 связанных и 19 подвижных и в случае тримера М-промежуточного состояния 13 связанных и 23 подвижные. Кристаллографическая структура 1СЗ\¥ содержит только 18 молекул воды в основном состоянии и 22 молекулы в М-промежуточном. Показано, что кристаллографические структуры не являются полными.

• Время обмена внутренних молекул воды с внешним окружением составило 180 ps в случае мономера, 340 ps для основного состояния тримера и 460 ps для М-про-межуточного состояния тримера

• Динамика поверхностных молекул воды описывается характерным временем обмена т~10 ps в случае тримера и т~50 ps для мономера.

• Показана водонепроницаемость ценгральной часта белка на ns временах.

• Дана характеристика подвижности связанных молекул воды в G- и М-состояниях bR. Показано, что в G-coстоянии связанные молекулы воды лучше связаны, чем в М.

• Найдены многочисленные возможности образования цепочек водородных связей во внутриклеточной части белка, включая основания Asp85, Asp212, Arg82, Glu204 и Glul94.

• 11редсказаны возможные пути транспорта заряда и молекул воды в bR.

Четвертая глава посвящена моделированию электростатических взаимодействий и определению коллективных движений большой амплитуды в комплексе SRIl-Htrll. В этой главе определялся электростатический вклад в энергию связывания трансдьюсера с рецептором в основном и промежуточном состояниях комплекса. Энергия взаимодействия считалась численным решением сеточного уравнения Пуассона-Больцмана. Этот метод был выбран потому, что он учитывает влияние мембраны и водного окружения на энергию взаимодействия системы. Для определения коллективных движений в комплексе SRIl-Htrll был использован анализ нормальных мод. Этот метод был предпочтен молекулярной динамике, так как он не требует полной структуры системы, которая не была решена для так называемого ликерного домена трансдьюсера Htrll.

Для вычисления энергия связывания комплекса NpSRII/Htrll были использованы пространственные структуры его основного (G) и М-промежуточного состояний. Недостающие основания не достраивались, а конечные группы структуры на N- и С-концах трансдьюсера и С-конце рецептора были построены нейтральными, чтобы не возмущать мембранную часть структуры. Заряды на ковалентно присоединенном к Lys205 основанию ретиналя были взяты из предыдущих вычислений. В случае М-состояния основание Asp75 было протонировано, а ретиналь депротонирован Все кристаллографически ре-

вакуум

растворитель

АВШ AGZ №Г

шенные 39 молекул воды были оставлены в структуре Заряды и радиусы всех __ aGZ

атомов были взяты из библиотеки PARSE Мембрана была построена из нейтральных атомов углерода и кислорода, расположенными в узлах кубиче- „ ,, „

Рисунок 13:Термодинамический цикл дчя ъычисле-

ской решетки с длиной ребра равной 3 ния свободной энергии связи двух компонент в

растворителе по известному значению в вакууме

А. Размеры мембраны равнялись

87 х 87 х 30 А . Далее, в мембрану был вставлен комплекс рецептора с трансдьюсером, а также два белка поотдельностя и все атомы мембраны, пересекающиеся с атомами комплекса удалены Для решения уравнения Пуассона-Больцмана была использована программа APBS.

Термодинамический цикл для вычисления энергия связывания комплекса приведен на рис. 13 Из этого цикла следует, что энергия связывания AG вычисляется как-

AG=AG1^"-AG2^"'+A£1 • . . /1 Ч,Ч, 1 Vм® 1,1, 1 \гИ°" 1,4,

Т-Т-ТЬ T-t-TL

«-Л 2

(6)

Энергии сольватации А б, и АО2 вычислялись при помощи численного решения уравнения Пуассона-Больцмана Энергия А Еч вычислялась аналитически, как показано в (6) с е«=4 0 Результаты вычислений приведены в таб. 1. В оценке энергии связывания комплекса учитывались только электростатические взаимодействия. Данная оценка пока-

Структура Энергия сольватации, kcal/mol Электростатические взаимодействия, kcal/mol Энергия связывания, kcal/mol

G-состоя-ние 1,74 • -22,25 -20,52

М-состоя-ние 2,70 -18,44 -15,74

Разница энергий i 4,78

Таблица 1: Оценка энергии связывания комплекса SRII-Htrll

зывает, что они вносят существенный вклад в изменение энергии системы Эксперемен-тально был установлено, что разница энергий связывания между двумя состояниями составляет около 3 кса1/то1. Полученная оцепка с учетом только электростатических взаимодействий дает достаточно близкое значение.

При вычислении нормальных мод ияючьзовалась структура комплекса Ш25 [10] Белок в вакууме готовился также, как и в предыдущем случае. Для минимизации структуры и определения матрицы вторых производных энергии использовалось силовое поле ОИ^Б-иА Структура была минимизирована до значения градиента энергии 10"4. Среднеквадратичное отклонение структуры от кристаллографической, посчитанное по атомам главной цепи в основаниях 3-57 и 67-215 рецептора, составило 2 43 А. Все вычисления производились при помощи набора библио- .

0.45

тек ММТК(С/Руйюп), а также собственных о а

035

написанных к ним дополнений. оз

.0 25 .

Анализ нормальных мод был сделан с 4 и .

°.15 ф « » ♦ » ,

50 модами, имеющими наименьшие часто- 01 • • *♦. .*• „

°.<* • ' . * . .' %

ты Было показано, что только одна первая 0

5 10 15 20 25 30 35 40 46 50 55

мода дает амплитуду колебаний конца НМ1 мтобе

спирали 0.5 А (рис. 14)* а двадцать низших Рисунок 14: Амплитуда смещения А конца спирали НггП при активной моде Итл

мод дают 1 А. Также были определены периоды колебаний низших мод, для самой

* . * *

низшей моды он составил 57.3 ре Было ♦ • **•»*•••»*

произведено наложение и выравнивание 001 ♦* ♦ V

♦ *

структур двух состояний (в и М), после . ...

чего был определен вектор перехода из од- о ~

ного состояния в другое Далее искались совпадения по направлению этого вектора 0

с масс-нормированными векторами нор- 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

№по(1е

мальных мод, вычисленными для О-состоя- „ ,, г, , , ,,

^ Рисунок 15: Коэффициент вовлечения С нор-

ния. Для этого находились коэффициенты мольной моды в переход (т-*М в

масштабе дм атомов основной цепи.

вовлечения, как показано на рис.15 Коэффициент равный 1 означает полное совпадение вектора нормальной моды с вектором смещения, равный 0 означает перпендикулярное к вектору смещения движение Если предположить, что низшие моды колебания молекулы уже задают направление структурных изменений в сигнальном состоянии, то нужно ожидать корреляции коэффициента вовлечения со смещением спирали НМТ Одинаково высокие значения обоих значений имеет только самая низшая мода колебаний (номер 6) и мода 14 В обоих молах движение

спирали происходит поступательно вдоль нормали к мембране Это подтверждает гипотезу о механизме коллективного движения при передачи сигнала комплексом 8Ш1-Шг11 в

его сигнальном состоянии [5]

Основные результаты четвертой главы:

• Показана решающая роль электростатических взаимодействий в объединении рецептора с трансдьюсером

• Найдены коллективные движения комплекса, вызывающие значительное смещение спирали НИ"П Показано, что такое смешение происходит поступательно, что подтверждает одну из гипотез о механизме передачи сигнала

• Найдены периоды колебаний коллективных мод комплекса

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1 В молекулах бактериородопсина были найдены новые короткоживупше молекулы воды, не видимые на кристаллографических структурах, 26 в мономере, 10 в О-три-мере и 14 в М-тримере

2 Используя эти новые молекулы воды были построены цепи водородных связей, соединяющие различные основания внутри белка с его поверхностью и водным окружением.

3 При помощи построенных цепей водородных связей были указаны возможные пути транспорта протона во внеклеточной части белка

4. Были найдены каналы для транспорта молекул воды внутрь белка в его цитоплазма-тической части.

5 При сравнении динамики бактериородопсина в мономерном и тримерном состояниях была выявлена важная роль белкового окружения, которая очень сильно влияет на его структуру и функцию

6 Была показана важная роль электростатических взаимодействий в присоединении трансдыосера НЙ1 к рецептору 51Ш.

7. Были посчитаны низшие нормальные моды колебаний комплекса $ШТ-Н1х11 и указан возможный механизм передачи сигнала этим комплексом

В Для комплекса 8Ы1-НМ1 были найдены две моды, ответственные за смешение спирали №гП и возможную передачу сигнала в сигнальном состоянии

Список публикаций:

1 A Baumgaertner, М Zuvic-Butorac and S Grudinm. Recent results from computer simulations of membrane channels and pumps, Trans World Research, Recent Research Developments in Biophysics Vol 2,2003: 1-18.

2 A Baumgaertner, S Grttdimn, J -F. Gwan, J -H Lin, Molecular Dynamics Simulation of Membrane Proteins, NIC Symposium 2004, Proceedings, Dietrich Wolf, Gemot Mltaster, Manfred Kroner (Editors), John von Neumann Institute for Computing, Jiilich, NIC Series, Vol. 20, ISBN 3-00-012372-5 2003: 365-375.

3. S. Grudinm, G. Buldt, V. Gordehy and A. Baumgaertner Water Molecules and Hydrogen-Bonded Networks in Bacteriorhodopsin - Molecular Dynamics Simulations of the Ground State and the M Intermediate, Biophys J. 2005; 88: 3252-3261

Цитируемая литература:

[1] Spudich JL, CS Yang, KH Jung, and EN Spudich (2000). Retinylidene proteins: structures and functions from a^chaea to humans Annu Rev Cell Dev Biol 16' 365-392.

[2] Stoeckenius W (1999) Bacterial rhodopsins' evolution of a mechanistic model for the ion pumps. Protein Sei 8: 447-459

[3] Sasaki J, and JL Spudich (2000). Proton transport by sensory ihodopsins and its modulation by transducer-binding. Btochim Biophys Acta 1460: 230-239.

[4] Hoff WD, A Xie, IH Van Stokkum, XJ Tang, J Gural, AR Kroon, and KJ Hellingwerf

(1999). Global conformational changes upon receptor stimulation in photoactive yellow protein. Biochemistry 38: 1009-1017.

[5] Klare JP, VI Gordeliy, J Labahn, G Buldt, H Steinhoff, and M Engelhard (2004) The archaeal sensory rhodopsin II/transducer complex: a model for transmembrane signal transfer FEBS Lett 564:219-224.

[6] Sass HJ, G Buldt, R Gessenich, D Hehn, D Neff, R Schlesinger, J Berendzen, and P Ormos

(2000) Structural alterations for proton translocation in the M state of wild-type bacteriorhodopsin Nature 406: 649-653.

[7] Luecke H, В Schobert, HT Richter, JP Cartailler, and JK Lanyi (1999). Structure of bacterioihodopsin at 1.55 A resolution JMolBwl 291- 899-911.

[8] Agmon N (1995) The Grotthuss mechanism Chem. Phys. Lett 244. 456-462

[9] Kandt C, J Schütter, and К Gerwert (2004). Dynamics of water molecules in the bacteriorhodopsin trimer in explicit lipid/water environment Biophys J 96: 705-717

[10] Gordeliy VI, J Labahn, R Moukhametzianov, R Efremov, J Granzin, R Schlesinger, G Buldt, T Savopol, AJ Scheidig, JP Klare, and M Engelhard (2002) Molecular basis of transmembrane signalling by sensory rhodopsin Il-transducer complex Nature 419' 484487

* 16069

РНБ Русский фонд

2006-4 15053

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Грудинин, Сергей Владимирович

ф Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Функциональная роль белков bR и SRII.

1.2 Транспорт протона.

1.3 Структура бактериородопсина.

1.3.1 Фотоцикл.

1.3.1.1 К и L состояния.

1.3.1.2 Ml, М2 и MN состояния.

1.3.1.3 N и О состояния.

1.4 Трансмембранные сигнальные белки.

1.4.1 Структура NpSRII/NpHtrll комплекса.

1.5 Методы получения пространственной структуры белков.

1.5.1 Электронная и рентгеновская кристаллография.

1.5.2 Нейтронная дифракция и неупругое рассеяние.

1.5.3 ЯМР спектроскопия.

1.5.4 Другие методы.

1.6 Динамика молекул воды в белках.

1.7 Методы компьютерного моделирования.

1.8 Краткая формулировка целей и подходов диссертационного исследования.

Глава 2. Материалы и методы.

2.1 Силовые поля.

2.1.1 Простая модель силового поля.

2.1.1.1 Типы атомов.

2.1.1.2 Растяжение связей.

2.1.1.3 Колебания углов.

2.1.1.4 Вращательные движения.

2.1.1.5 Ложные вращения и движения вне плоскости.

2.1.1.6 Непарные взаимодействия. Электростатика.

2.1.1.7 Точечные заряды.

2.1.1.8 Параметризация зарядов для больших систем.

2.1.1.9 Поляризация.

2.1.1.10 Взаимодействия ван-дер-Ваальса.

2.1.1.11 Водородные связи.

2.1.1.12 Силовые поля для объединенных атомов.

2.1.2 Модели воды.

2.1.3 Неявно заданные водное окружение и мембрана.

2.1.4 Производные для функции энергии в молекулярной механике.

2.2 Статистическая механика и термодинамика.

2.2.1 Статистические ансамбли в моделировании.

2.3 Вычисление термодинамических параметров системы.

2.3.1 Внутренняя энергия.

2.3.2 Теплоемкость.

2.3.3 Давление.

2.3.3.1 Вывод выражения вириапа реального газа.

2.3.4 Температура.

2.3.5 Радиальная функция распределения.«

2.4 Уравнение Пуассона-Больцмана.

2.4.1 Сеточное уравнение Пуассона-Больцмана.

2.4.2 Вычисление энергии сольватации и энергии связывания при помощи уравнения Пуассона-Больцмана.

2.5 Алгоритмы минимизации структуры.

2.5.1 Метод быстрейшего спуска.

2.5.2 Метод сопряженных градиентов.

2.6 Обзор метода МД.

2.6.1 Механика Ньютона и численное интегрирование.

2.6.2 Связи.

2.6.3 Статистические ансамбли в МД.

2.6.4 Динамика при постоянной температуре.

2.6.4.1 Методы шкалирования температур. Термостат Берендсена.

2.6.4.2 Термостат Нозе-Хувера.

2.6.4.3 Цепи термостатов Нозе-Хувера.

2.6.4.4 Нагревание системы на границе.

2.6.5 Динамика при постоянном давлении.

2.6.5.1 Методы шкалирования давления. Алгоритм Берендсена.

2.6.5.2 Алгоритм Нозе.

2.6.6 Дальние взаимодействия.

2.6.6.1 Метод суммирования Эвальда.

2.6.7 Периодические условия на границе.£

2.6.8 Равновесные характеристики системы.

2.7 Подготовка системы для моделирования.

2.7.1 Подготовка белка.

2.7.2 Недостающие основания.

2.7.3 Подготовка олигомеров.

2.7.4 Протонирование перезаряжаемых групп и мутации.

2.7.5 Солевые мостики.

2.7.6 Параметризация новых молекул.

2.7.7 Учет воды внутри структуры.

2.7.8 Граничные условия.

2.7.9 Подготовка мембраны.

2.7.10 Подготовка водного окружения.

2.8 Анализ Нормальных Мод.

2.8.1 Вычисление В-факторов.

2.8.2 Проекция нормальных мод..

2.8.3 Квази-гармоническое приближение.

2.8.4 Переход между несколькими конформациями.

2.9 Анализ пространственной структуры белка.

2.9.1 Лучшее наложение структур друг на друга.

2.9.2 Определение поверхности белка.

2.9.3 Вода внутри белка..

2.9.3.1 Первый алгоритм.

2.9.3.2 Второй алгоритм.

2.9.4 Анализ цепочек водородных связей.

2.9.5 Анализ молекул воды.

2.10 Структуры.„.

2.10.1 Анализ и сравнение структур бактериородопсина.

2.10.2 Анализ и сравнение структур сенсорного родопсина II.

Глава 3. МД исследование механизма транспорта протонов в bR.

3.1 Мономер.

3.1.1 Подготовка структуры.

3.1.2 Молекулярная динамика и вычислительные алгоритмы.

3.1.3 Стабильность структуры.

3.1.4 Анализ данных.

• 3.2 Тример.

3.2.1 Подготовка структуры.

3.2.2 Молекулярная динамика и вычислительные алгоритмы.

3.2.3 Стабильность структуры.

3.2.4 Анализ данных.

3.2.4.1 Динамика молекул воды.

3.2.4.2 Распределение молекул воды.

3.2.4.3 Цепи водородных связей.

3.3 Сравнение результатов мономер/тример и выводы.

3.3.1 Стабильность структуры.

3.3.2 Количество, распределение и динамика внутренних молекул воды.

3.3.3 Цепочки водородных связей.

3.4 Новые данные, полученные при помощи использованных методов.

3.5 Границы применимости используемых методов.

• 3.6 Перспективы развития метода.

Глава 4. Исследование комплекса NpSRII с NpHtrll.

4.1 Энергия связывания NpSRII с NpHtrll в липидной мембране.

4.1.1 Система для моделирования.

4.1.2 Вычисление энергии связывания.

4.2 Вычисление нормальных мод для комплекса NpSRII с NpHtrll.

4.2.1 Система для моделирования.

4.2.2 Вычисление нормальных мод.-.

4.2.2.1 Движение конца спирали Htrll.

4.2.2.2 Сравнение нормальных мод основного состояния с вектором смещения из основного в промежуточное состояние.

4.3 Новые данные, полученные при помощи использованных методов.

4.4 Границы применимости используемых методов.

4.5 Перспективы развития метода.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования"

Органические соединения, из которых построены все организмы, присущи лишь 0 живой природе и в современных земных условиях являются продуктами только биологической активности. Эти соединения, называемые биомолекулами, играют роль строительных блоков при образовании биологических структур; они были отобраны в ходе биологической эволюции благодаря пригодности к выполнению строго определенных функций в живых клетках. Во всех организмах эти соединения одинаковы и выполняют одни и те же функции. Для своей работы клетки должны уметь запасать и преобразовывать энергию. Основным переносчиком энергии в клетках являются молекулы АТФ, которые расщепляются до АДФ с выделением энергии. Синтез АТФ возможен при помощи мембранного белка АТФ синтетазы, который для своей работы использует электрохимический градиент на мембране. Этот градиент, в свою очередь, в некоторых бактериях создается мембранным белком бактериородопсином, который является простейшим биологическим преобразователем световой энергии в электрохимическую.

В процессе эволюции клетки научились реагировать на внешнюю среду. На внешней поверхности их мембран появились специфические распознающие участки, функции которых состоят в распознавании определенных молекулярных ^ сигналов. Эти сигналы могут быть достаточно разными и иметь разную природу. Так, в случае хемотаксиса, клетки «чувствуют» градиент химического вещества и реагируют на него, изменяя направление своего движения. В процессе фототаксиса клетки реагируют на изменение освещенности падающего света. В 1985 году был открыт новый рецептор фототаксиса, который оказался белком гомологичным бак-териородопсину и получил название сенсорного родопсина. Этот белок улавливает квант падающего света и передает сигнал на связанный с ним двуспиральный трансмембранный белок, называемый трансдьюсером, который, в свою очередь, передает сигнал к бактериальным моторам.

Актуальность-.

Основой для изучения свойств и понимания функционирования биологических объектов является их структура. Однако, несмотря на обилие структур высокого разрешения основного состояния бактериородопсина, детальный механизм работы ^ ретиналь содержащих белков, а для сенсорного родопсина и механизм в целом, до 4 сих пор остается непонятным. Кристаллографические данные дают статическую информацию о структуре белка. Более того, кристаллографические структуры не являются полными. Это связано с тем, что данные усредняются в течении времени сбора информации, и конечная структура представляет собой среднее положение только тех атомов, которые достаточно фиксированы в белке. Так, подвижные молекулы воды в цитоплазматической и внутриклеточной частях белка остаются неразрешенными. "Невидимые" рентгеноструктурным анализом части белка, включая молекулы воды, могут играть ключевую роль в его функционировании. Кроме того, известно что для осуществления определенных функций динамика макромолекул может быть так же важна, как и их структура. Таким образом, дополнительная информация к кристаллографическим данным о структуре и динамике является весьма необходимой для успешного понимания их функционирования. Она может быть получена как при помощи некоторых экспериментальных методик, таких как спектроскопия ЯМР, так и используя методы компьютерного моделирования. В последнее время широкое распространение получили методы молекулярной динамики. Это связано с возросшими компьютерными мощностями, которые на настоящий момент уже позволяют моделировать процессы в достаточно крупных молекулярных системах (до миллиона атомов) с характерными временами до 1-10 наносекунд.

Основными целями настоящей работы являлись изучение механизмов транспорта протона в бактериородопсине и трансмембранной передачи сигнала комплексом сенсорного родопсина при помощи методов компьютерного моделирования: молекулярной динамики и анализа нормальных мод.

Также изучались вопросы, относящиеся к динамике этих белков.

Основные результаты работы:

Для бактериородопсина было выполнено моделирование при помощи молекулярной динамики его основного (G) и ключевого из промежуточных (М) состояний. Были исследованы распределения и динамика молекул воды внутри белка в обоих состояниях. На основании полученных распределений были построены цепочки водородных связей, соединяющие ключевые группы внутри белка с водным окружением вокруг него, и проанализирован возможный транспорт протона вдоль этих цепочек. Были найдены дополнительные молекулы воды в структуре белка, невидимые в кристаллографических структурах, которые играют важную роль в образовании сети водородных связей.

Для проверки гипотезы о трансмембранной передаче сигнала хемо- и фото рецепторами при помощи поступательных коллективных движений альфа-спиралей в настоящей работе была исследована равновесная динамика комплекса сенсорного родопсина И. Также для этого комплекса была сделана оценка электростатического вклада в свободную энергию связывания комплекса и показана важная роль электростатики в стабильности структуры.

Научная новизна работы:

В данной работе впервые были изучены основное и М состояния бактериородопсина и проведен их сравнительный анализ. Также было показано, что динамика бактериородопсина отличается в мономерном и тримерном состояниях, что продемонстрировало важность окружения белка в мембране. Впервые было изучено М промежуточное состояние белка, что позволило получить новую информацию по механизму транспорта протона.

В настоящей работе предложены новые алгоритмы определения и определены внутренние молекулы воды, что позволило объяснить проводимость протона в ци-топлазматической части белка. Кроме того, было показано наличие молекул воды и ^ упорядоченных цепочек водородных связей во внутриклеточной части белка, что продемонстрировало возможность транспорта протона в этой части.

Кроме того, в данной работе предложен метод расчета нормальных мод для мембранного бежа. С его помощью в комплексе сенсорного родопсина II с трансдью-сером рассчитаны колебания молекулы.

Основываясь на известных структурах, были изучены коллективные движения в мембранной части комплекса и показано что альфа-спираль ТМ2 трансдьюсера, через которую передается сигнал в цитоплазму, обладает возможностью совершать колебания в направлении нормали мембраны с амплитудой 0.5-1 А и периодом 60 ps. Данный результат говорит в пользу гипотезы механизма трансмембранной передачи сигнала с помощью коллективных движений ТМ2 [1] и впервые позволяет оценить возможное характерное время передачи сигнала.

Практическая ценность работы: ^ Полученные результаты позволяют сформулировать новые эксперименты для изучения функционирования белка bR. В частности, показана важность нейтроно-структурного анализа в такого рода исследованиях.

Это может быть использовано для планирования будущих нейтронографических исследований структуры кристаллов по определению подвижных молекул воды на строящимся в США новом времяпролетном источнике нейтронов.

Разработанные методы и алгоритмы моделирования мембранных белков при помощи методов МД и НМА могут быть использованы при изучении широкого класса белков.

Апробаиия работы:

Основные положения работы и е результаты докладывались на следующих международных конференциях: «Workshop on Lipid-Protein Interaction», Гомадинген, Голландия, 26.03.2002; «COST D22 Workshop on Nanotechnologies of Membrane * Mimetic Systems» Грац, Австрия, 11.10.2002; «COST D22 Workshop on 'Protein-Lipid Interactions'», Мадрид, испания, 31.10.2003; «Workshop of Simulation of Protein-Lipid Interaction», Тулуза, Франция, 28.10.2004.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

A. Baumgaertner, М. Zuvic-Butorac and S. Grudinin, Recent results from computer simulations of membrane channels and pumps, Trans World Research, Recent Research Developments in Biophysics. Vol 2, 2003: 1-18.

A. Baumgaertner, S. Grudinin, J.-F. Gwan, J.-H. Lin, Molecular Dynamics Simulation of Membrane Proteins, NIC Symposium 2004, Proceedings, Dietrich Wolf, Gemot M' unster, Manfred Kremer (Editors), John von Neumann Institute for Computing, Jiilich, NIC Series, Vol. 20, ISBN 3-00-012372-5. 2003: 365-375.

S. Grudinin, G. Buldt, V. Gordeliy and A. Baumgaertner. Water Molecules and Hydrogen-Bonded Networks in Bacteriorhodopsin - Molecular Dynamics Simulations of the Ground State and the M Intermediate, Biophys J. 2005; 88: 3252-3261.

G. Papadopoulos, S. Grudinin, D.L. Kalpaxis and T. Choli-Papadopoulou, Changes in the rate of poly(Phe) synthesis in E. coli ribosomes containing mutants of L4 ribosomal protein from Thermus thermophilus can be explained by structural changes in the pep-tidyltransferase center: A Molecular Dynamics Simulation analysis, BMC Molecular Biology in press.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Грудинин, Сергей Владимирович

Основные результаты работы состоят в следующем. Разработаны новые методы и алгоритмы определения, описания и характеристики динамики и распределения молекул воды внутри белковых молекул. Предложены методы вычисления нормальных мод для определения тепловых колебаний наибольшей амплитуды в мембранных белках.

Путем моделирования мембранного белка бактериородопсина мономера и три-мера основного и М-промежуточного состояний обнаружены новые детали структуры белка, не видимые экспериментально.

При вычислении и анализе нормальных мод комплекса SRII-Htrll были обнаружены колебания низкой частоты, отвечающие за переход между конформациями G—»М и за смещение спирали Htrll. Оказалось, что смещение данной спирали происходит поступательно в направлении нормали мембранБ. Амплитуда смещения равна 0.5-1 А для 1-20 первых нормальных мод. Это говорит о возможности поршнеобразного механизма передачи сигнала комплексом, а также указывает на колебания, которые нужно возбудить в сигнальном состоянии для больших смещений спирали Htrll.

Использование новых методик моделирования белковых систем позволило получить ряд принципиально новых результатов, касающихся деталей структуры и функционирования мембранных белков бактериородопсина и комплекса сенсорного родопсина П.

1. В молекулах бактериородопсина были найдены новые короткоживущие молекулы воды, не видимые на кристаллографических структурах.

2. Используя эти новые молекулы воды были построены цепи водородных связей, соединяющие различные основания внутри белка с его поверхностью и водным окружением.

3. При помощи построенных цепей водородных связей были указаны возможные пути транспорта протона во внеклеточной части белка.

4. Были найдены каналы для транспорта молекул воды внутрь белка в его цито-плазматической части.

5. При сравнении динамики бактериородопсина в мономерном и тримерном сот стояниях была выявлена важная роль белкового окружения, которая очень сильно влияет на его структуру и функцию.

6. Была показана важная роль электростатических взаимодействий в присоединении трансдьюсера Htrll к рецептору SRII.

7. Были посчитаны низшие нормальные моды колебаний комплекса SRII-Htrll и указан возможный механизм передачи сигнала этим комплексом.

8. Для комплекса SRII-Htrll была подтверждена гипотеза о поршнеобразном механизме передачи сигнала.

9. Для комплекса SRII-Htrll были найдены две моды, ответственные за смещение спирали Htrll и возможную передачу сигнала в сигнальном состоянии.

Диссертационная работа продемонстрировала новые возможности методов компьютерного моделирования в изучении функции белков и предсказании его новых свойств.

В заключении хочу выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю к. ф,- м. н. В. И. Горделию за постановку задач, научное руководство и обсуждение материала, который изложен в диссертации. Проф. Г. Бюльдт и доц. А. Баумгертнер оказали неоценимую помощь в обсуждении материала и результатов работы.

Выражаю глубокую признательность Р. Ефремову, Р. Мухаметзянову и К. Вотя-кову за постоянные научные дискуссии и поддержку в ходе работы.

Глубоко признателен свои друзьям и коллегам из институтов Ш1-2 и Теория-П научного центра г. Юлиха за научное сотрудничество и поддержку.

Хочу поблагодарить сотрудников кафедры молекулярной биофизики МФТИ за прекрасную теоретическую подготовку и интерес к моей работе.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Грудинин, Сергей Владимирович, Долгопрудный

1. Klare JP, VI Gordeliy, J Labahn, G Buldt, H Steinhoff, and M Engelhard (2004). The archaeal sensory rhodopsin II/transducer complex: a model for transmembrane signal transfer. FEBS Lett 564: 219-224.

2. Spudich JL, CS Yang, KH Jung, and EN Spudich (2000). Retinylidene proteins: structures and functions from archaea to humans. Annu Rev Cell Dev Biol 16: 365392.

3. Sasaki J, and JL Spudich (2000). Proton transport by sensory rhodopsins and its modulation by transducer-binding. Biochim Biophys Acta 1460: 230-239.

4. Stoeckenius W (1999). Bacterial rhodopsins: evolution of a mechanistic model for the ion pumps. Protein Sci 8: 447-459.

5. Kamo N, К Shimono, M Iwamoto, and Y Sudo (2001). Photochemistry and photoinduced proton-transfer by pharaonis phoborhodopsin. Biochemistry (Mosc) 66: 1277-1282.

6. Spudich JL (1998). Variations on a molecular switch: transport and sensory signalling by archaeal rhodopsins. Mol Microbiol 28: 1051-1058.

7. Essen L (2002). Halorhodopsin: light-driven ion pumping made simple?. Curr Opin Struct Biol 12: 516-522.

8. Spudich JL, and RA Bogomolni (1984). Mechanism of colour discrimination by a bacterial sensory rhodopsin. Nature 312: 509-513.

9. Hoff WD, A Xie, IH Van Stokkum, XJ Tang, J Gural, AR Kroon, and KJ Hellingwerf (1999). Global conformational changes upon receptor stimulation in photoactive yellow protein. Biochemistry 38: 1009-1017.

10. Hoff WD, KH Jung, and JL Spudich (1997). Molecular mechanism of photosignaling by archaeal sensory rhodopsins. Annu Rev Biophys Biomol Struct 26: 223-258.

11. Quail PH (1998). The phytochrome family: dissection of functional roles and signalling pathways among family members. Philos Trans R Soc bond В Biol Sci 353: 1399-1403.

12. Kort R, WD Hoff, M Van West, AR Kroon, SM Hoffer, KH Vlieg, W Crielaand, JJ Van Beeumen, and KJ Hellingwerf (1996). The xanthopsins: a new family of eubacterial blue-light photoreceptors. EMBOJ15: 3209-3218.

13. Ahmad M, and AR Cashmore (1993). HY4 gene of A. thaliana encodes a protein with characteristics of a blue-light photoreceptor. Nature 366: 162-166.

14. Huala E, PW Oeller, E Liscum, IS Han, E Larsen, and WR Briggs (1997). Arabidopsis NPH1: a protein kinase with a putative redox-sensing domain. Science 278:2120-2123.

15. Gomelsky M, and G Klug (2002). BLUF: a novel FAD-binding domain involved in sensory transduction in microorganisms. Trends Biochem Sci 27: 497-500.

16. Van der Horst MA, and KJ Hellingwerf (2004). Photoreceptor proteins, "star actors of modern times": a review of the functional dynamics in the structure of representative members of six different photoreceptor families. Acc Chem Res 37: 13-20.

17. Atkins PW ( 1998). in Physical Chemistry 6th edn,: 741.

18. Stearn AE, and J & Eyring (1937). The deduction of reaction mechanisms from the theory of absolute rates. J. Chem. Phys. 5: 113-124.

19. Hueckel E (1928). Theorie der Beweglichkeiten des Wasserstoff- und Hydroxylions in waessriger Loesung. Z. Elektrochem. 34: 546-562.

20. Wannier G (1935). Die Beweglichkeit des Wasserstoff- und Hydroxylions in wassriger Loesung. Ann. Phys. (Leipz.) 24: 545-590.

21. Bernal JD, and RH Fowler (1933). A theory of water and ionic solution, with particular reference to hydrogen and hydroxyl ions. J. Chem. Phys. 1: 515-548.

22. Huggins ML (1936). Hydrogen bridges in ice and liquid water. J. Phys. Chem. 40: 723-731.

23. Wicke E, M Eigen, and T Ackermann (1954). Ueber den Zustand des Protons (Hydroniumions) in wassriger Loesung. Z. Phys. Chem. (N.F.) 1: 340-364.

24. Eigen M (1964). Proton transfer, acid±base catalysis and enzymatic hydrolysis. Angew. Chem. Int. Edn Engl. 3: 1-19.

25. Zundel G ( 1976). in The Hydrogen BondDRecent Developments in Theory and Experiments. II. Structure and Spectroscopy. 683-766. Schuster P, Zundel G, Sandorfy С (Editors).

26. Zundel G, and H Metzger (1968). Energiebaender der tunnelnden ueberschuss-Protenon in fluessigen Saeuren. Eine IR-spektroskopische Untersuchung der Natur der Gruppierungen H502+ . Z. Physik. Chem. (N.F.) 58: 225-245.

27. Marx D, M Tuckerman, J Hutter, and M Parrinello (1999). The nature of the hydrated excess proton in water. Nature 397: 601-604.

28. Schmidt R, and J Brickmann (1997). Molecular dynamics simulation of the proton transport in water. Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 101: 1816-1827.

29. Shurki A, and A Warshel (2003). Structure/function correlations of proteins using MM, QM/MM, and related approaches: methods, concepts, pitfalls, and current progress. A dv Protein Chem 66: 249-313.

30. Vuilleumier R, and D Borgis (1998). An extended empirical valence bond model for describing proton transfer in H+(H20)n clusters and liquid water. Chem. Phys. Lett. 284: 71-77.

31. Schmitt UW, and GA Voth (1998). Multistate empirical valence bond model for proton transport in water. J. Phys. Chem. B. 102: 5547-5551.

32. Braun-Sand S, M Strajbl, and A Warshel (2004). Studies of proton translocations in biological systems: simulating proton transport in carbonic anhydrase by EVB-based models. BiophysJ 87: 2221-2239.

33. Warshel A, and R Weiss (1980). An empirical valence bond approach for comparing reactions in solutions and in enzymes. J. Am. Chem. Soc. 102: 6218— 6226.

34. Lill M, and Helms V (2001). Molecular dynamics simulation of proton transport with quantum mechanically derived proton hopping rates (Q-HOP MD). J. Chem. Phys. 115: 7993-8005.

35. Hayashi S, E Tajkhorshid, and К Schulten (2003). Molecular dynamics simulation of bacteriorhodopsin's photoisomerization using ab initio forces for the excited chromophore. BiophysJ 85: 1440-1449.

36. Hayashi S, E Tajkhorshid, and К Schulten (2002). Structural changes during the formation of early intermediates in the bacteriorhodopsin photocycle. Biophys J 83: 1281-1297.

37. Hayashi S, and I Ohmine (2000). Proton transfer in bacteriorhodopsin: structure, excitation, R spectra, and potential energy surface analyses by an ab initio QM/MM method. J. Phys. Chem. В 104: 10678-10691.

38. Bondar A, M Elstner, S Suhai, JC Smith, and S Fischer (2004). Mechanism of primary proton transfer in bacteriorhodopsin. Structure (Camb) 12: 1281-1288.

39. Gruia AD, A Bondar, JC Smith, and S Fischer (2005). Mechanism of a molecular valve in the halorhodopsin chloride pump. Structure (Camb) 13: 617-627.

40. Oesterhelt D, and W Stoeckenius (1973). Functions of a new photoreceptor membrane. P roc Natl Acad Sci USA 70: 2853-2857.

41. Oesterhelt D, and В Hess (1973). Reversible photolysis of the purple complex in the purple membrane of Halobacterium halobium. Eur J Biochem 37: 316-326.

42. Drachev LA, AD Kaulen, SA Ostroumov, and VP Skulachev (1974). Electrogenesis by bacteriorhodopsin incorporated in a planar phospholipid membrane. FEBSLett 39: 43-45.

43. Овчинников Ю, H Абдулаев, M Фейгина, А Киселев, H Лобанов, и И Назимов (1978). Первичная последовательность бактериородопсина. Биоорг. Хим. 4: 1573-1574.

44. Henderson R, and PN Unwin (1975). Three-dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy. Nature 257: 28-32.

45. Henderson R, JM Baldwin, ТА Ceska, F Zemlin, E Beckmann, and KH Downing (1990). Model for the structure of bacteriorhodopsin based on high-resolution electron cryo-microscopy. JMol Biol 213: 899-929.

46. Grigorieff N, ТА Ceska, KH Downing, JM Baldwin, and R Henderson (1996). Electron-crystallographic refinement of the structure of bacteriorhodopsin. JMol Biol 259: 393-421.

47. Landau EM, and JP Rosenbusch (1996). Lipidic cubic phases: a novel concept for the crystallization of membrane proteins. Proc Natl Acad Sci U SA 93: 1453214535.

48. Pebay-Peyroula E, G Rummel, JP Rosenbusch, and EM Landau (1997). X-ray structure of bacteriorhodopsin at 2.5 angstroms from microcrystals grown in lipidic cubic phases. Science 277: 1676-1681.

49. Schobert B, J Cupp-Vickery, V Hornak, S Smith, and J Lanyi (2002). Crystallographic structure of the К intermediate of bacteriorhodopsin: conservation of free energy after photoisomerization of the retinal. JMol Biol 321: 715-726.

50. Lozier RH, RA Bogomolni, and W Stoeckenius (1975). Bacteriorhodopsin: a light-driven proton pump in Halobacterium Halobium. Biophys J15: 955-962.

51. Драчев H, JI Каулен, и В Скулачев (1977). Временные характеристики бактериородопсина как молекулярного биологического генератора тока. Мол. Биол. (Москва) И: 1377-1387.

52. Литвин Ф, и С Балашов (1977). Новые промежуточные состояния в фотохе-мической трансформации родопсина. Биофизика 22: 1111-1114.

53. Lanyi JK (1993). Proton translocation mechanism and energetics in the light-driven pump bacteriorhodopsin. Biochim Biophys Acta 1183: 241-261.

54. Matsui Y, К Sakai, M Murakami, Y Shiro, SI Adachi, H Okumura, and T Kouyama (2002). Specific damage induced by X-ray radiation and structural changes in the primary photoreaction of bacteriorhodopsin. J Mol Biol 324: 469481.

55. Edman К, P Nollert, A Royant, H Belrhali, E Pebay-Peyroula, J Hajdu, R Neutze, and EM Landau (1999). High-resolution X-ray structure of an early intermediate in the bacteriorhodopsin photocycle. Nature 401: 822-826.

56. Royant А, К Edman, T Ursby, E Pebay-Peyroula, EM Landau, and R Neutze (2000). Helix deformation is coupled to vectorial proton transport in the photocycle of bacteriorhodopsin. Nature 406: 645-648.

57. Lanyi J, and В Schobert (2002). Crystallographic structure of the retinal and the protein after deprotonation of the Schiff base: the switch in the bacteriorhodopsin photocycle. J Mol Biol 321: 727-737.

58. Subramaniam S, M Lindahl, P Bullough, AR Faruqi, J Tittor, D Oesterhelt, L Brown, J Lanyi, and R Henderson (1999). Protein conformational changes in the bacteriorhodopsin photocycle. J Mol Biol 287: 145-161.

59. Sass HJ, G Buldt, R Gessenich, D Hehn, D Neff, R Schlesinger, J Berendzen, and " P Ormos (2000). Structural alterations for proton translocation in the M state of wild-type bacteriorhodopsin. Nature 406: 649-653.

60. Luecke H, В Schobert, НТ Richter, JP Cartailler, and Ж Lanyi (1999). Structural changes in bacteriorhodopsin during ion transport at 2 angstrom resolution. Science 286: 255-261.

61. Subramaniam S, M Gerstein, D Oesterhelt, and R Henderson (1993). Electron diffraction analysis of structural changes in the photocycle of bacteriorhodopsin. EMBOJ12: 1-8.

62. Koch MH, NA Dencher, D Oesterhelt, HJ Plohn, G Rapp, and G Buldt (1991). Time-resolved X-ray diffraction study of structural changes associated with the photocycle of bacteriorhodopsin. EMBOJ 10: 521-526.

63. Subramaniam S, and R Henderson (2000). Molecular mechanism of vectorial proton translocation by bacteriorhodopsin. Nature 406: 653-657.

64. Vonck J (2000). Structure of the bacteriorhodopsin mutant F219L N intermediate revealed by electron crystallography. EMBOJ 19: 2152-2160.

65. Rouhani S, JP Cartailler, MT Facciotti, P Walian, R Needleman, Ж Lanyi, RM Glaeser, and H Luecke (2001). Crystal structure of the D85S mutant of bacteriorhodopsin: model of an O-like photocycle intermediate. JMol Biol 313: 615-628.

66. Sudo Y, M Iwamoto, К Shimono, M Sumi, and N Kamo (2001). Photo-induced proton transport of pharaonis phoborhodopsin (sensory rhodopsin II) is ceased by association with the transducer. BiophysJ 80: 916-922.

67. Schmies G, M Engelhard, PG Wood, G Nagel, and E Bamberg (2001). Electrophysiological characterization of specific interactions between bacterial sensory rhodopsins and their transducers. Proc Natl Acad Sci USA 98: 1555-1559.

68. Hou S, A Brooun, HS Yu, T Freitas, and M Alam (1998). Sensory rhodopsin II transducer Htrll is also responsible for serine chemotaxis in the archaeon Halobacterium salinarum. J Bacteriol 180: 1600-1602.

69. Maddock JR, and L Shapiro (1993). Polar location of the chemoreceptor complex in the Escherichia coli cell. Science 259: 1717-1723.

70. Bray D, MD Levin, and CJ Morton-Firth (1998). Receptor clustering as a cellular mechanism to control sensitivity. Nature 393: 85-88.

71. Wegener AA, JP Klare, M Engelhard, and HJ Steinhoff (2001). Structural insights into the early steps of receptor-transducer signal transfer in archaeal phototaxis. EMBOJ20: 5312-5319.

72. Chen X, and JL Spudich (2002). Demonstration of 2:2 stoichiometry in the functional SRI-Htrl signaling complex in Halobacterium membranes by gene fusion analysis. Biochemistry 41: 3891-3896.

73. Kim KK, H Yokota, and SH Kim (1999). Four-helical-bundle structure of the cytoplasmic domain of a serine chemotaxis receptor. Nature 400: 787-792.

74. Royant A, P Nollert, К Edman, R Neutze, EM Landau, E Pebay-Peyroula, and J Navarro (2001). X-ray structure of sensory rhodopsin II at 2.1-A resolution. Proc Natl Acad Sci USA 98: 10131-10136.

75. Luecke H, В Schobert, Ж Lanyi, EN Spudich, and JL Spudich (2001). Crystal structure of sensory rhodopsin II at 2.4 angstroms: insights into color tuning and transducer interaction. Science 293: 1499-1503.

76. Oprian DD (2003). Phototaxis, chemotaxis and the missing link. Trends Biochem Sci 28: 167-169.

77. Yan В, T Takahashi, R Johnson, and JL Spudich (1991). Identification of signaling states of a sensory receptor by modulation of lifetimes of stimulus-induced conformations: the case of sensory rhodopsin II. Biochemistry 30: 10686-10692.

78. Wegener AA, I Chizhov, M Engelhard, and HJ Steinhoff (2000). Time-resolved detection of transient movement of helix F in spin-labelled pharaonis sensory rhodopsin II. J MolBiol 301: 881-891.

79. Yang CS, and JL Spudich (2001). Light-induced structural changes occur in the transmembrane helices of the Natronobacterium pharaonis Htrll transducer. Biochemistry 40: 14207-14214.

80. Gordeliy VI, R Schlesinger, R Efremov, G Buldt, and J Heberle (2003). Crystallization in lipidic cubic phases: a case study with bacteriorhodopsin. Methods MolBiol 228: 305-316.

81. Первушин К, и А Арсеньев (1995). Спектроскопия ЯМР в исследовании пространственной структуры мембранных пептидов и белков. Биоорганическая химия 21: 83-111.

82. Zaccai G (2000). Moist and soft, dry and stiff: a review of neutron experiments on hydration-dynamics-activity relations in the purple membrane of Halobacterium salinarum. Biophys Chem 86: 249-257.

83. Weik M, G Zaccai, NA Dencher, D Oesterhelt, and T Hauss (1998). Structure and hydration of the M-state of the bacteriorhodopsin mutant D96N studied by neutron diffraction. JMol Biol 275: 625-634.

84. Papadopoulos G, NA Dencher, G Zaccai, and G Buldt (1990). Water molecules and exchangeable hydrogen ions at the active centre of bacteriorhodopsin localized by neutron diffraction. Elements of the proton pathway?. JMol Biol 214: 15-19.

85. Kandori H (2000). Role of internal water molecules in bacteriorhodopsin. Biochim Biophys Acta 1460: 177-191.

86. Gottschalk M, NA Dencher, and В Halle (2001). Microsecond exchange of internal water molecules in bacteriorhodopsin. JMol Biol 311: 605-621.

87. Denisov VP, BH Jonsson, and В Halle (1999). Hydration of denatured and molten globule proteins. Nat Struct Biol 6: 253-260.

88. Denisov VP, and В Halle (1996). Protein hydration dynamics in aqueous solution. Faraday Discuss 103: 227-244.

89. Denisov VP, and В Halle (1995). Hydrogen exchange and protein hydration: the deuteron spin relaxation dispersions of bovine pancreatic trypsin inhibitor and ubiquitin. JMol Biol 245: 698-709.

90. Denisov VP, and В Halle (1995). Protein hydration dynamics in aqueous solution: a comparison of bovine pancreatic trypsin inhibitor and ubiquitin by oxygen-17 spin relaxation dispersion. JMol Biol 245: 682-697.

91. Levitt M, and BH Park (1993). Water: now you see it, now you don't. Structure 1: 223-226.

92. Otting G, and E Liepinsh (1995). Protein hydration viewed by high-resolution NMR spectroscopy: implications for magnetic resonance image contrast. Acc. Chem. Res. 28: 171-177.

93. Otting G, E Liepinsh, and К Wuthrich (1991). Protein hydration in aqueous solution. Science 254: 974-980.

94. Ernst JA, RT Clubb, HX Zhou, AM Gronenborn, and GM Clore (1995). Demonstration of positionally disordered water within a protein hydrophobic cavity by NMR. Science 267: 1813-1817.

95. Yu В, M Blaber, AM Gronenborn, GM Clore, and DL Caspar (1999). Disordered water within a hydrophobic protein cavity visualized by x-ray crystallography. Proc Natl Acad Sci USA 96: 103-108.

96. Marx D, and J Hutter (2000). In Modern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry in NIC, Juelich: 301-409. J Grotendorst (Editor).

97. Grudinin S, G Buldt, V Gordeliy, and A Baumgaertner (2005). Water Molecules and Hydrogen-Bonded Networks in Bacteriorhodopsin Molecular Dynamics Simulations of the Ground State and the M Intermediate. Biophys J 88: 3252-3261.

98. Kandt C, J Schlitter, and К Gerwert (2004). Dynamics of water molecules in the bacteriorhodopsin trimer in explicit lipid/water environment. Biophys J 86: 705717.

99. Olkhova E, MC Hutter, MA bill, V Helms, and H Michel (2004). Dynamic water networks in cytochrome С oxidase from Paracoccus denitrificans investigated by molecular dynamics simulations. Biophys J 86: 1873-1889.

100. Tung C, and KY Sanbonmatsu (2004). Atomic model of the Thermus thermophilus 70S ribosome developed in silico. Biophys J 87: 2714-2722.

101. Ginalski K, NV Grishin, A Godzik, and L Rychlewski (2005). Practical lessons from protein structure prediction. Nucleic Acids Res 33: 1874-1891.

102. Duan Y, L Wang, and PA Kollman (1998). The early stage of folding of villin headpiece subdomain observed in a 200-nanosecond fully solvated molecular dynamics simulation. Proc Natl Acad Sci USA 95: 9897-9902.

103. Leach Andrew R. (2001). Molecular Modelling: Principles and Application. Prentice Hall.

104. Frenkel D, and В Smit (1996). Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. Academic Press: San Diego.

105. Spassov VZ, H Luecke, К Gerwert, and D Bashford (2001). pK(a) Calculations suggest storage of an excess proton in a hydrogen-bonded water network in bacteriorhodopsin. J Mol Biol 312: 203-219.

106. Onufriev A, A Smondyrev, and D Bashford (2003). Proton affinity changes driving unidirectional proton transport in the bacteriorhodopsin photocycle. J Mol Biol 332: 1183-1193.

107. Bashford D, and M Karplus (1990). pKa's of ionizable groups in proteins: atomic detail from a continuum electrostatic model. Biochemistry 29: 10219-10225.

108. Lee MR, Y Duan, and PA Kollman (2000). Use of MM-PB/SA in estimating the free energies of proteins: application to native, intermediates, and unfolded villin headpiece. Proteins 39: 309-316.

109. Morris GM, DS Goodsell, R Huey, and AJ Olson (1996). Distributed automated docking of flexible ligands to proteins: parallel applications of AutoDock 2.4. J Comput AidedMolDes 10: 293-304.

110. Cui Q, G Li, J Ma, and M Karplus (2004). A normal mode analysis of structural plasticity in the biomolecular motor F(l)-ATPase. JMol Biol 340: 345-372.

111. Tama F, M Valle, J Frank, and CL3 Brooks (2003). Dynamic reorganization of the functionally active ribosome explored by normal mode analysis and cryo-electron microscopy. Proc Natl Acad Sci USA 100: 9319-9323.

112. Edholm О, О Berger, and F Jahnig (1995). Structure and fluctuations of bacteriorhodopsin in the purple membrane: a molecular dynamics study. JMol Biol 250: 94-111.

113. Baudry J, E Tajkhorshid, F Molnar, P Phillips, and К Schulten (2001). Molecular dynamics study of bacteriorhodopsin and the purple membrane. J. Phys. Chem. В 105:905-918.

114. Keseru GM, and I Kolossvary (2001). Fully flexible low-mode docking: application to induced fit in HIV integrase. JAm Chem Soc 123: 12708-12709.

115. Ma J, and M Karplus (1998). The allosteric mechanism of the chaperonin GroEL: a dynamic analysis. Proc Natl Acad Sci USA 95: 8502-8507.

116. Thomas A, MJ Field, L Mouawad, and D Perahia (1996). Analysis of the low frequency normal modes of the T-state of aspartate transcarbamylase. JMol Biol 257: 1070-1087.

117. Tama F, and CL3 Brooks (2002). The mechanism and pathway of pH induced swelling in cowpea chlorotic mottle virus. JMol Biol 318: 733-747.

118. Tirion M (1996). Large Amplitude Elastic Motions in Proteins from a Single-Parameter, Atomic Analysis. Physical Review Letters 77: 1905-1908.

119. Hinsen K, N Reuter, J Navaza, DL Stokes, and J Lacapere (2005). Normal mode-based fitting of atomic structure into electron density maps: application to sarcoplasmic reticulum Ca-ATPase. BiophysJ 88: 818-827.

120. Tama F, W Wriggers, and CL3 Brooks (2002). Exploring global distortions of biological macromolecules and assemblies from low-resolution structural information and elastic network theory. JMol Biol 321: 297-305.

121. Ming D, Y Kong, SJ Wakil, J Brink, and J Ma (2002). Domain movements in human fatty acid synthase by quantized elastic deformational model. Proc Natl AcadSci USA 99: 7895-7899.

122. Tajkhorshid E, J Baudry, К Schulten, and S Suhai (2000). Molecular dynamics study of the nature and origin of retinal's twisted structure in bacteriorhodopsin. BiophysJ 78: 683-693.

123. Yang С, О Sineshchekov, EN Spudich, and JL Spudich (2004). The cytoplasmic membrane-proximal domain of the Htrll transducer interacts with the E-F loop of photoactivated Natronomonas pharaonis sensory rhodopsin П. J Biol Chem 279: 42970-42976.

124. Sudo Y, M Iwamoto, К Shimono, and N Kamo (2002). Association between a photo-intermediate of a M-lacking mutant D75N of pharaonis phoborhodopsin and its cognate transducer. JPhotochem Photobiol В 67: 171-176.

125. Шноль Э, Гривцов А.Г., и и.др. (1996). Метод молекулярной динамики в физической химии. М.: Наука.

126. Allen М, and D Tildesley (1987). Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press.

127. Полозов P (1981). Метод полуэмпирического силового поля в конформаци-онном анализе биополимеров, М., Наука: 120.

128. Китайгородский А (1955). Органическая кристаллохимия. Из-воАНСССР.

129. Weiner S, and Kollman, PA, Case, DA (1984). A new force field for molecular mechanical simulation of nucleic acids and proteins. J. Am. Chem. Soc. 106: 765784 .

130. Ponder JW, and DA Case (2003). Force fields for protein simulations. Adv. Prot. Chem. 66: 27-85.

131. MacKerell A D, and Jr., D. Bashford, M. Bellott, R. L. Dunbrack, Jr., J. D. Evanseck, M. J. Field, S. Fischer, J. Gao, H. Guo, S. Ha, D. Joseph-McCarthy, L.

132. Jorgensen W, and J Tirado-Rives (1988). The OPLS potential functions for proteins. Energy minimizations for crystals of cyclic peptides and Crambin. J. Am. Chem. Soc 110: 1657- 1666.

133. Nevins N, and NL Allinger (1996). Molecular mechanics (MM4) vibrational frequency calculations for alkenes and conjugated hydrocarbons. Journal of Computational Chemistry 17: 730-746 .

134. Nevins N, and NA JH Lii (1996). Molecular mechanics (MM4) calculations on conjugated hydrocarbons. Journal of Computational Chemistry 17: 695-729.

135. Nevins N, and NA К Chen (1996). Molecular mechanics (MM4) calculations on alkenes. Journal of Computational Chemistry 17: 669 694.

136. Allinger N, and JL К Chen (1996). An improved force field (MM4) for saturated hydrocarbons. Journal of Computational Chemistry 17: 642 668.

137. Allinger, NL, YH Yuh, JH Lii (1989). Molecular mechanics. The MM3 force field for hydrocarbons. J. Am. Chem. So. Ill: 8551-9556 .

138. Allinger N, and JL YH Yuh (1977). Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V 1 and V 2 torsional terms. J. Am. Chem. Soc. 99: 8127-8134.

139. Allinger N, and JT Sprague (1973). Calculation of the structures of hydrocarbons containing delocalized electronic systems by molecular mechanics method. J. Amer. Chem. Soc. 95: 3893-3907 .

140. Lii JH, and NA (1989). Molecular Mechanics. The MM3 Force Field for Hydrocarbons. 2. Vibrational Frequencies and Thermodynamics . J. Am. Chem. Soc. Ill: 8566-8582 .

141. Cox SR, and DE Williams (1981). Representation of the Molecular Electrostatic Potential by a New Atomic Charge Model. Journal of Computational Chemistry 2 304-323 .

142. Singh UC, and PA Kollman (1984). An Approach to Computing Electrostatic Charges for Molecules. Journal of Computational Chemistry 5: 129-145 .

143. Bayly С I, P Cieplak, W D Cornell^ A Kollman (1993). A Weil-Behaved Electrostatic Potential Based Method for Deriving Atomic Charges The RESP Model. Journal of Physical Chemistry 97: 10269-10280.

144. Jorgensen WL, J Chandrasekhar, and JD Madura (1983). Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. The Journal of Chemical Physics 79: 926-935.

145. Rigby M, Smith, E, B, Wakeham, W, A, and Maitland , G, С (1986). The Forces Between Molecules. Oxford, Clarendon Press.

146. Weiner S, P Kollman, D Nguyen, and Case DA (1986). An all atom force field for simulations of proteins and nucleic acids. J. Comput. Chem. 7: 230-252.

147. Berendsen H, J Grigera, and T Straatsma (1987). The missing term in effective pair potentials. J. Phys. Chem. 91: 6269-6271.

148. Berendsen HJC, J Postma, W van Gunsteren, and J Hermans (1981). Interaction models for water in relation to protein hydration in Intermolecular Forces: 331342. B. Pullman (Editor).

149. Van der Spoel D, PJ van Maaren, and HJC Berendsen (1998). A systematic study of water models for molecular simulation: Derivation of water models optimized for use with a reaction field. Journal of Chemical Physiscs 108: 10220-10230.

150. Heinz,T,N, van Gunsteren,W,F, and Huenenberger, P,H (2001). Comparison of four methods to compute the dielectric permittivity of liquids from molecular dynamics simulations. Journal of Chemical Physics 115: 1125-1136.

151. Im W, D Beglov, and В Roux (1998). Continuum solvation model: Electrostatic forces from numerical solutions to the Poisson-Bolztmann equation. Сотр. Phys. Comm 111: 59-75.

152. Simonson T (2003). Electrostatics and dynamics of proteins. Rep. Prog. Phys. 66: 737-787.

153. Still,W,C, A Tempczyk, Hawley,R,C, and T Hendrickson (1990). Semianalytical treatment of solvation for molecular mechanics and dynamics. J. Am. Chem. Soc. 112: 6127-6129.

154. Schaefer M, and M Karplus (1996). A comprehensive analytical treatment of continuum electrostatics. J. Phys. Chem. 100: 1578-1599.

155. Edinger, S.R., С Cortis, P Shenkin, and R Friesner (1997). Solvation free energies of peptides:Comparison of approximate continuum solvation models with accurate solution of the Poisson-Boltzmann equation. J. Phys. Chem. В 101: 1190-1197.

156. Onufriev A, DA Case, and D Bashford (2002). Effective Born radii in the generalized Born approximation: the importance of being perfect. J Comput Chem 23: 1297-1304.

157. Onufriev A, D Bashford, and Case, D,A (2000). Modification of the Generalized Born Model Suitable for Macromolecules. J. Phys. Chem. В 104: 3712-3720.

158. Lee, M,S, J F.R. Salsbury, and C.L. Brooks III (2002). Novel generalized Born methods. J.Chem. Phys. 116: 10606-10614.

159. Dominy BN, and CL3 Brooks (1999). Methodology for protein-ligand binding studies: application to a model for drug resistance, the HIV/FIV protease system. Proteins 36: 318-331.

160. Соггу В, S Kuyucak, and S Chung (2003). Dielectric self-energy in Poisson-Boltzmann and Poisson-Nernst-Planck models of ion channels. Biophys J 84: 3594-3606.

161. Honig B, and A Nicholls (1995). Classical electrostatics in biology and chemistry. Science 268: 1144-1149.

162. Yang AS, MR Gunner, R Sampogna, К Sharp, and В Honig (1993). On the calculation of pKas in proteins. Proteins 15: 252-265.

163. Dominy BN, D Perl, FX Schmid, and CL3 Brooks (2002). The effects of ionic strength on protein stability: the cold shock protein family. JMol Biol 319: 541554.

164. Antosiewicz J, JA McCammon, and MK Gilson (1994). Prediction of pH-dependent properties of proteins. JMol Biol 238: 415-436.

165. Lee MR, and PA Kollman (2001). Free-energy calculations highlight differences in accuracy between X-ray and NMR structures and add value to protein structure prediction. Structure (Camb) 9: 905-916.

166. Luo R, L David, and MK Gilson (2002). Accelerated Poisson-Boltzmann calculations for static and dynamic systems. JComput Chem 23: 1244-1253.

167. Lu BZ, WZ Chen, CX Wang, and X Xu (2002). Protein molecular dynamics with electrostatic force entirely determined by a single Poisson-Boltzmann calculation. Proteins 48: 497-504.

168. Sharp К (1991). Incorporating solvent and ion screening into molecular dynamics using the finite-difference Poisson-Boltzmann method. Journal of Computational Chemistry 12: 454-468.

169. Zauhar RJ (1991). The incorporation of hydration forces determined by continuum electrostatics into molecular mechanics simulations. Journal of Computational Chemistry 12: 573-583.

170. Gilson MK, and BH Honig (1987). Calculation of electrostatic potentials in an enzyme active site. Nature 330: 84-86.

171. Bottcher С (1973). Theory of Electric Polarization. Elsevier Press: Amsterdam.

172. Fletcher R, and С Reeves (1964). Function minimization by conjugate gradients. Comput. J. 7: 149-154.

173. Polak E, and G Ribiere (1969). Note sur la convergence de methodes de directions conjuguees. Rev. Francaise Informat Recherche Operationnelle 16: 35-43.

174. Verlet L (1967). Computer "experiments" on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules. Physical Review 159: 98-103.

175. Swope WC, HC Andersen, PH Berens, and KR Wilson (1982). A computer simulation method for the calculation of equilibrium constants for the formation of physical clusters of molecules: Applications to small water clusters. J. Chem. Phys. 76: 637-649.

176. Goldstein H (1980). Classical Mechanics. Addison Wesley, Reading, Massachusetts.

177. J-P. Ryckaert, G. Ciccotti, and H. J. C. Berendsen (1977). Numerical integration of the cartesian equations of motion of a system with constraints: molecular dynamics ofn-alkanes. .J. Comput. Phys. 23: 3277341.

178. Andersen HC (1983). Rattle: a "velocity" version of the shake algorithm for molecular dynamics calculations. J. Comput. Phys. 52: 24734.203. van Gunsteren WF (1980). Constrained dynamics of flexible molecules. Molec. Phys. 40: 1015-1019.

179. Woodcock L V (1971). Isothermal Molecular Dynamics Calculations for Liquid Salts . Chemical Physics Letters 10: 257-261.

180. Berendsen HC, and WF van Gunsteren ( 1984). Molecular Dynamics Simulations Techniques and Approaches in Molecular Liquids, Dynamics and Interactions'. 475-600 . Barnes A J, W J Orville-Thomas, J Yarwood (Editor).

181. Nose S (1984). A Molecular Dynamics Method for Simulations in the Canonical Ensemble. Molecular Physics 53: 255-268.

182. Hoover W. G. (1985). Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions. Physical Review A 31: 1695-1697.

183. Nelson MT, and W Humphrey, A Gursoy, A Dalke, L Kale, R D. Skeel, К Schulten (1996). NAMD: a parallel, object-oriented molecular dynamics program. Int. J. Supercomput. Appl. High Perform. Comput. :.

184. Tuckerman ME, Y Liu, and Ciccotti, G,. Martyna, G. J. (2001). Non-Hamiltonian molecular dynamics: Generalizing Hamilton phase space principles to non-Hamiltonian systems. J. Chem. Phys. 116: 1678-1688.

185. Ewald PP (1921). Die Berechnung optischer und elektrostatistischer Gitterpotentiale. Ann. Phys. (Leipzig) 64: 253-287.

186. Darden T, D York, and L Pedersen (1993). Particle mesh Ewald: An N log N method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys. 98: 10089-10092.

187. Adams D (1983). Alternatives to the periodic cube in computer simulation. CCP5 Information Quarterly for Computer Simulation : 30-36.

188. Takada S (1999). Go-ing for the prediction of protein folding mechanisms. Proc Natl Acad Sci USA 96: 11698-11700.

189. Honig В (1999). Protein folding: from the levinthal paradox to structure prediction. JMolBiol 293: 283-293.

190. Hardin C, TV Pogorelov, and Z Luthey-Schulten (2002). Ab initio protein structure prediction. Curr Opin Struct Biol 12: 176-181.

191. Krivov SV, and M Karplus (2004). Hidden complexity of free energy surfaces for peptide (protein) folding. Proc Natl Acad Sci USA 101: 14766-14770.

192. Aloy P, M Pichaud, and RB Russell (2005). Protein complexes: structure prediction challenges for the 21st century. Curr Opin Struct Biol 15: 15-22.

193. Takeda-Shitaka M, D Takaya, С Chiba, H Tanaka, and H Umeyama (2004). Protein structure prediction in structure based drug design. Curr Med Chem 11: 551-558.

194. Simossis VA, and J Heringa (2004). Integrating protein secondary structure prediction and multiple sequence alignment. Curr Protein Pept Sci 5: 249-266.

195. Whisstock JC, and AM Lesk (2003). Prediction of protein function from protein sequence and structure. Q Rev Biophys 36: 307-340.

196. Liubarskii G (1960). The application of group theory in physics. Oxford, New York, Pergamon Press.

197. Thiedemann G, J Heberle, and N Dencher ( 1992). Bacteriorhodopsin pump activity at reduced humidity in Structures and Functions of Retinal Proteins: 217220. Rigaud JL (Editor).

198. Roux В, M Nina, R Pomes, and JC Smith (1996). Thermodynamic stability of water molecules in the bacteriorhodopsin proton channel: a molecular dynamics free energy perturbation study. Biophys J 71: 670-681.

199. Feller S, and A MacKerell (2000). An improved empirical potential energy function for molecular simulations of phospholipids. J. Phys. Chem. В 104: 75107515.

200. Lin JH, and A Baumgaertner (2000). Stability of a melittin pore in a lipid bilayer: a molecular dynamics study. Biophys У 78: 1714-1724.

201. Essman U, L Perera, and M Berkowitz (1995). The origin of the hydration interaction of lipid bilayers from MD simulation of dipalmitoylphosphatidylcholine membranes in gel and liquid crystalline phases. Langmuir 11: 4519-4531.

202. Heller H, M M. Schaefer, and К Schulten (1993). Molecular dynamics simulation of a bilayer of 200 lipids in the gel and in the liquid-crystal phases. J. Phys. Chem. 97: 8343-8360.

203. Karplus M, and J Kushick (1981). Method for estimating the configurational entropy of macromolecules. Macromolecules 14: 3257332.

204. Marques O, and YH Sanejouand (1995). Hinge-bending motion in citrate synthase arising from normal mode calculations. Proteins 23: 557-560.

205. Kearsley S (1989). On the orthogonal transformation used for structural comparisons. Acta Cryst. 45: 208-210.

206. Lee B, and FM Richards (1971). The interpretation of protein structures: estimation of static accessibility. JMol Biol 55: 379-400.

207. Richards FM (1977). Areas, volumes, packing and protein structure. Annu Rev Biophys Bioeng 6: 151-176.

208. Greer J, and BL Bush (1978). Macromolecular shape and surface maps by solvent exclusion. Proc Natl Acad Sci USA 75: 303-307.

209. Connolly ML (1983). Solvent-accessible surfaces of proteins and nucleic acids. Science 221: 709-713.

210. Sanner MF, AJ Olson, and JC Spehner (1996). Reduced surface: an efficient way to compute molecular surfaces. Biopolymers 38: 305-320.

211. Bakowies D, and WF Van Gunsteren (2002). Water in protein cavities: A procedure to identify internal water and exchange pathways and application to fatty acid-binding protein. Proteins 47: 534-545.

212. Agmon N (1995). The Grotthuss mechanism. Chem. Phys. Lett. 244: 456-462.

213. Luecke H, В Schobert, HT Richter, JP Cartailler, and Ж Lanyi (1999). Structure of bacteriorhodopsin at 1.55 A resolution. JMol Biol 291: 899-911.

214. Vogeley L, OA Sineshchekov, VD Trivedi, J Sasaki, JL Spudich, and H Luecke (2004). Anabaena sensory rhodopsin: a photochromic color sensor at 2.0 A. Science 306: 1390-1393.

215. Case D, DA Pearlman, JW Caldwell, and ТЕ Cheatham III (1997). AMBER 5. University of California, San Francisco.

216. Harvey SC, R Tan, and T Cheatham III (1998). The flying ice cube: Velocity rescaling in molecular dynamics leads to violation of energy equipartition. Journal of Computational Chemistry 19: 726-740.

217. Dencher NA, D Dresselhaus, G Zaccai, and G Buldt (1989). Structural changes in bacteriorhodopsin during proton translocation revealed by neutron diffraction. Proc Natl Acad Sci USA 86: 7876-7879.

218. Vonck J (1996). A three-dimensional difference map of the N intermediate in the bacteriorhodopsin photocycle: part of the F helix tilts in the M to N transition. Biochemistry 35: 5870-5878.

219. Brown LS, J Sasaki, H Kandori, A Maeda, R Needleman, and Ж Lanyi (1995). Glutamic acid 204 is the terminal proton release group at the extracellular surface of bacteriorhodopsin. J Biol Chem 270: 27122-27126.

220. Balashov SP, ES Imasheva, TG Ebrey, N Chen, DR Menick, and RK Crouch (1997). Glutamate-194 to cysteine mutation inhibits fast light-induced proton release in bacteriorhodopsin. Biochemistry 36: 8671-8676.

221. Schulenberg PJ, W Gaertner, and SE Braslavsky (1995). Time-resolved volume changes during the bacteriorhodopsin photocycle: A photothermal beam deflection study. J. Phys. Chem. 99: 9617 9624.

222. Varo G, and Ж Lanyi (1995). Effects of hydrostatic pressure on the kinetics reveal a volume increase during the bacteriorhodopsin photocycle. Biochemistry 34: 12161-12169.

223. Makarov VA, BK Andrews, PE Smith, and BM Pettitt (2000). Residence times of water molecules in the hydration sites of myoglobin. Biophys J 79: 2966-2974.

224. Heberle J (2000). Proton transfer reactions across bacteriorhodopsin and along the membrane. Вiochim Biophys Acta 1458: 135-147.

225. Gerwert К, В Hess, J Soppa, and D Oesterhelt (1989). Role of aspartate-96 in proton translocation by bacteriorhodopsin. Proc Natl Acad Sci U SA 86: 49434947.

226. Staib A, D Borgis, and J Hynes (1995). Proton transfer in hydrogen-bonded acid?base complexes in polar solvents. J. Chem. Phys. 102: 2487-2505.

227. Pomes R, and В Roux (1998). Free energy profiles for H+ conduction along hydrogen-bonded chains of water molecules. Biophys J 75: 33-40.

228. Pomes R, and В Roux (2002). Molecular mechanism of H+ conduction in the single-file water chain of the gramicidin channel. Biophys J 82: 2304-2316.

229. Lill MA, and V Helms (2002). Proton shuttle in green fluorescent protein studied by dynamic simulations. Proc Natl Acad Sci USA 99: 2778-2781.

230. Gordeliy VI, J Labahn, R Moukhametzianov, R Efremov, J Granzin, R Schlesinger, G Buldt, T Savopol, AJ Scheidig, JP Klare, and M Engelhard (2005). Transmembrane signalling by sensory rhodopsin II-transducer complex. Nature in press :.

231. Sitkoff D, К Sharp, and В Honig (1994). Accurate calculation of hydration free energies using macroscopic solvent models. J. Phys. Chem. 98: 1978-1988.

232. Baker NA, D Sept, S Joseph, MJ Hoist, and JA McCammon (2001). Electrostatics of nanosystems: application to microtubules and the ribosome. Proc Natl Acad Sci USA 98: 10037-10041.

233. Hinsen К (2000). The molecular modeling toolkit: A new approach to molecular simulations. J. Сотр. Chem. 21(2): 79-85 .

234. Hinsen K, A Petrescu, S Dellerue, M Bellissent-Funel, and G Kneller (2000). Harmonicity in slow protein dynamics. Chem. Phys. 261: 25.

235. Chervitz SA, and JJ Falke (1996). Molecular mechanism of transmembrane signaling by the aspartate receptor: a model. Proc Natl Acad Sci U SA 93: 2545-2550.

Информация о работе

Грудинин, Сергей Владимирович
кандидата физико-математических наук
Долгопрудный, 2005
ВАК 03.00.02

Диссертация

Сравнительный анализ свойств мембранных белков бактериородопсина и сенсорного родопсина II. Исследование методом компьютерного моделирования - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы