Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов

Дмитриев, Андрей Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов"

На правах рукописи

ДМИТРИЕВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИРОДНЫХ И ХИРАЛЬНО МОДИФИЦИРОВАННЫХ МОДЕЛЬНЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ

Специальность 03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре гуманитарных и естественнонаучных дисциплин Филиала Орловской региональной академии государственной службы в

г. Липецке

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Твердислов Всеволод Александрович

Официальные доктор физико-математических наук оппоненты: Быстрое Владимир Сергеевич

доктор физико-математических наук Ермаков Юрий Александрович

доктор биологических наук Лопина Ольга Дмитриевна

Ведущая организация: Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН

Защита состоится « 16 » апреля 2009 года в 15— часов на заседании Совета по защите диссертаций Д 501.002.11 по физико-математическим наукам при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Ленинские горы, Москва, ГСП-1, 119991, МГУ, Физический факультет, кафедра биофизики, ауд. 5-19.

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

Автореферат разослан « 2.0 » ^Зб^М^ЛЛ- 2009 года

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 501.002.11 доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

нение импульса и др. Так как липидный бислой мембраны создает исключительно высокий энергетический барьер для прохождения ионов, то осуществление ионного транспорта требует наличия специализированных макромолекулярных структур, которые могли бы существенно уменьшить этот энергетический барьер. Именно эту роль выполняют ионные насосы, ионные каналы, ионообменни-ки, антибиотики. Среди различных ион-транспортных систем ионные каналы характеризуются относительно высокой скоростью транспорта в сочетании с высокой селективностью к транспортируемым ионам.

Центральной проблемой в исследовании физических свойств ионных каналов является установление связи между их структурой и функциями. Появление экспериментальной информации по структуре ионных каналов стимулировало разработку различных теоретических подходов к исследованию механизмов переноса ионов в каналах, основывающихся, прежде всего, на уравнениях молекулярной и броуновской динамики, теории абсолютных скоростей реакций Эй-ринга и теории диффузии Пуассона-Нернста-Планка. Вместе с тем прогресс в теоретическом исследовании механизмов переноса ионов существенно затруднен из-за отсутствия единого подхода к оценке энергетических профилей ионов в канале, которые, в явном или неявном виде, включены во все вышеуказанные уравнения. Следствием этого является физически неоднозначная калибровка параметров энергетических профилей и уравнений для расчета функциональных характеристик каналов, таких как проводимости, ионные токи, вольтамперные характеристики и отношения коэффициентов проницаемостей для различных ионов.

ментальной асимметрией - хиральной асимметрией важнейших биомолекул во всей биосфере, которая проявляется в построении нуклеиновых кислот из О-энантиомеров (дезокси)рибозы, а синтезируемых в рибосомах белков - из Ь-энантиомеров аминокислот. Так существуют близкие значения свободной энергии, необходимой для формирования хирально чистых биополимеров и ионной асимметрии клеток (Твердислов и Яковенко, 2003).

Рассматривая общие структурные и функциональные особенности живой клетки, целесообразно выделить два аспекта нарушения зеркальной симметрии биомолекул. Во-первых, это эволюционно востребованная необходимость гомо-хиральности, во-вторых - эволюционно закрепившийся знак хиральности.

Физико-химические и биологические основы гомохиральности биополимеров в последнее время изучены достаточно разносторонне (Аветисов, Голь-данский, 1996; Чернавский, 2000; Твердислов, Яковенко, 1992, 2008). Так гомо-хиральность белков и нуклеиновых кислот определяет их стереоспецифичность - необходимое условие матричного синтеза, обусловливает стабильность их структур, обеспечивающих их функционирование. Для биохимических преобразований гомохиральных соединений требуется значительно меньший набор ферментов, чем для таких же преобразований гетерохиральных соединений. Основы механизмов сопряжения ионной и хиральной асимметрий рассмотрены в работах Твердислова, Яковенко, Дмитриева (1988 - 2008).

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области исследования гомохиральности биополимеров, физико-химическое и биологическое основы того, что белки-ферменты и нуклеиновые кислоты имеют строго определенный знак хиральности, остаются недостаточно выясненными. Интерес к этой проблеме усиливается тем, что, согласно гипотезам спонтанной дерацемизации и решающей роли глобального фактора преимущества (Гольданский и Кузьмин,1989), повторение всей совокупности событий, приведших к появлению хиральной чистоты, равновероятно способно привести к такой гипотетической биосфере, которая использовала бы Б-аминокислоты и Ь-сахара.

олигопептидов. Встречаются бактерии, которые содержат D-глютаминовую кислоту и D-Ala в своих клеточных стенках, а в организме человека вырабатывается в качестве нейромедиатора D-Ser. Некоторые пептидные антибиотики, а также плазма крови высших организмов, имеют в своем составе D-аминокислоты. Некоторые термофилы используют высокие концентрации D-Ala в качестве ос-морегулятора. В нервных клетках высших организмов находят D-Ala, D-Asp и D-Ser, иногда в значительных концентрациях. Поэтому в деталях биологический мир не обнаруживает хиральной чистоты, но все, что относится к рибосомаль-ному синтезу полипептидов, характеризуется абсолютной хиральной чистотой.

Нарушение хиральной чистоты аминокислот в белках является следствием их посттрансляционной модификации - неферментативной рацемизации и изомеризации аминокислот в белках. Причем из двадцати аминокислот, участвующих в рибосомальном синтезе, прежде всего Asp- и Asn-остатки в белках являются наиболее подверженными неферментативной модификации: рацемизации и изомеризации. Если накопление остатков D-Asp в белках - достаточно долгий процесс, который является наиболее значимым для очень медленно обновляющихся белков и белков организма, вовлеченных в патофизиологические процессы при заболеваниях пожилого возраста, то появление остатков iAsp в белках -существенно для функционирования медленно обновляющихся белков даже в норме.

Посттрансляционные неферментативные модификации аминокислот в белках играют существенную роль в патогенезе болезней, характерных для людей пожилого возраста. Так установлено появление значительного содержания остатков D-Asp в белках организмов с болезнью Альцгеймера, Паркинсона, а также при склеротических изменениях в сердечно-сосудистой системе, при глазной катаракте и т.д. Некоторые исследователи рассматривают содержание остатков D-Asp в белках как патофизиологический фактор в патогенезе болезней пожилого возраста, таких как атеросклероз, эмфизема легкого, катаракта, дегенеративные заболевания хряща и возрастная дисфункция головного мозга и др.

Исследование влияния посттрансляционных модификаций аминокислотных остатков белков на их структуру и механизмы функционирования остаётся малоисследованным направлением в биофизике. Прежде всего, это относится к биологически активным соединениям стереоспецифичного действия, которые

могут оказывать как более, так и менее активное действие на белки организмов, подверженным возрастным изменениям.

Отдавая должное значительным успехам экспериментальной молекулярной геронтологии последних лет, достигнутым в данном направлении, следует отметить, что в ряде случаев функциональные нарушения, связанные с хираль-ными нарушениями, можно исследовать исключительно в модельных компьютерных экспериментах. В первую очередь это относится к молекулярным структурам, присутствующим в отдельных клетках в незначительных количествах, как, например, в белковых ион-транспортных системах мембран. Тем более, когда изменение знака хиральности захватывает аминокислотные группы, укрытые в их гидрофильных ион-связывающих полостях. При этом принципиально важно в рамках единого численного эксперимента выполнить сравнение функций нормальных и хирально модифицированных молекулярных структур.

Таким образом, представляется перспективным исследование структуры и механизмов функционирования ионных каналов по следующим направлениям:

1) Выбор и обоснование метода расчета энергетических профилей ионов в каналах, не требующего значительных затрат расчетного времени и выявляющего с хорошей точностью функциональные характеристики природных и модифицированных ионных каналов.

2) Исследование функциональных характеристик природных ионных каналов, для которых известны их электрохимические характеристики.

3) Построение хирально модифицированных1 модельных ионных каналов, исследование их структуры и функциональных характеристик.

4) Исследование влияния неферментативной модификации остатков Asn и Asp в ионных каналах на их структуру и функциональные характеристики.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования являлось теоретическое исследование структурных и функциональных характеристик природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов с инвариантной и измененной аминокислотной последовательностью.

Для достижения цели исследования решались следующие задачи:

1) Выбор и обоснование метода расчета энергетических профилей ионов в мембранных каналах, не требующего значительных затрат расчетного времени и

1 Под хирально модифицированными ионными каналами мы понимаем каналы, в которых проведена замена их L-аминокислот на соответствующие D-аминокислоты.

предсказывающего с хорошей точностью функциональные характеристики каналов.

2) Построение хирально модифицированных модельных каналов с первичной структурой, инвариантной природным каналам, исследование их структурных и функциональных характеристик.

3) Разработка метода построения структуры хирально модифицированных модельных каналов с модифицированной первичной структурой и функциональными характеристиками, адекватными характеристикам природных каналов.

4) Построение математической модели изменения содержания остатков iAsp и D-Asp в белках, а также оценка степени аккумуляции остатков iAsp в белках, время обновления которых больше времени образования остатков iAsp.

5) Исследование влияния посттрансляционных неферментативных модификаций остатков Asn и Asp в ионных каналах на их структурные и функциональные характеристики.

Объект и предмет исследования. Объектом теоретического исследования являлись:

1) ионные каналы клетки (потенциал-независимый калиевый канал KcsA из Streptomyces lividans, потенциал-зависимый калиевый канал KvAP из Aeropyrum pernix, потенциал-зависимый калиевый канал Kvl.2 из Rattus norvegicus, комплекс а- и р-субъединицы калиевого канала из Homo sapiens)',

2) NR1 -центр связывания NMDA-рецептора из Rattus norvegicus в комплексе с Gly, D-Ser и D-cSer;

3) модельные D-аминокислотные каналы с модифицированной и инвариантной природной первичной структурой;

4) модельные ионные каналы, содержащие остатки D-Asp и iAsp.

Сведения о четвертичной структуре природных белков получены из Банка

белковых структур2. Выбор выше указанной группы каналов обусловлен тем, что для них существуют надежные экспериментальные данные по структуре и функциональным характеристикам.

Предметом исследования являлись механизмы функционирования природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов.

2 Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory, USA

Предпосылки и направление исследования. Экспериментально обнаруженная и теоретически изучаемая модификация отдельных аминокислотных остатков каналов приведет не к ожидаемой инвариантности их третичной структуры, а к ее нарушению. Последнее обстоятельство является причиной изменения функциональных характеристик каналов. Для построения хирально модифицированных модельных каналов с природной функциональностью необходима модификация их первичной структуры. Появление остатков О-Аэр и ¡Айр в ионных каналах, обусловленное старением организма или его патологическим состоянием, повлечет изменение их функциональных характеристик и в определенных случаях нарушение механизмов их функционирования.

Научная новизна и значимость полученных результатов. В результате исследований впервые:

1) Теоретически обоснован и применен для расчета энергетических профилей ионов в каналах комбинированный квантово-классический метод. Установлено расстояние, характеризующее разделение аминокислотных остатков ионных каналов на ближние и дальние.

2) Установлено, что использование полученных комбинированных энергетических профилей дает возможность вычислять функциональные характеристики каналов с хорошей точностью, что показано на примере ионной специфичности калиевых каналов клетки. Предложена и теоретически обоснована модельная структура ионного канала в виде комплекса а и |3 субъединиц, согласующаяся с экспериментально наблюдаемой структурой гомологичного потенциал-зависимого калиевого канала Ку 1.2.

3) Построены хирально модифицированные модельные каналы с инвариантной природной аминокислотной последовательностью, которые являются энергетически менее стабильными, чем их природные антиподы с нарушенными функциональными характеристиками.

4) Предложен метод, основанный на вариации первичной структуры и энергетическом выравнивании третичных структур, позволяющий моделировать атомную структуру хирально модифицированного модельного канала с природной функциональностью. Построенные из 10 Б-аминокислотных остатков каналы являются энергетически эквивалентными по полной механической энергии соответствующим природным каналам и с аналогичными функциональными характеристиками.

5) Построена математическая модель, описывающая изменение содержания остатков iAsp и D-Asp в белках, с помощью которой показано, что аккумуляция остатков iAsp - значимый процесс не только для очень медленно обновляющихся, но и для медленно обновляющихся белков, таких как ионные каналы.

6) В численном эксперименте показано, что появление остатков iAsp в калиевых ионных каналах приводит к уменьшению их энергетической стабильности, незначительному увеличению ионных токов при сохранении их калиевой избирательности. Появление остатков D-Asp в NRl-центре связывания NMDA-рецептора, обусловленное патофизиологическими процессами при хронических заболеваниях пожилого возраста, приводит к появлению дополнительных алифатических аминокислотных лигандов (D-Ala, D-Leu, D-Ile и D-Pro), что не свойственно для немодифицированного NRl-центра связывания.

Методология и методы проведенного научного исследования. В работе использовались как традиционные методы расчета энергетических профилей ионов (силовые поля молекулярной механики) и функциональных характеристик каналов (теория абсолютных скоростей реакций Эйринга), так и:

1) адаптированный и теоретически обоснованный нами для расчета энергетических профилей ионов в поре канала комбинированный квантово-классический метод;

2) разработанный нами метод «энергетического выравнивания» третичных структур белков как метод построения хирально модифицированных модельных каналов с измененной первичной структурой, структурно и функционально эквивалентных соответствующим природным каналам.

Практическая значимость полученных результатов. Разработанные подходы позволяют изучать функциональные характеристики ионных каналов, моделировать атомные структуры хирально модифицированных модельных ионных каналов с функциональными характеристиками, свойственными природным каналам.

Теоретически установленные изменения в работе каналов, обусловленные in vivo появлением в них остатков D-Asp и iAsp в результате старения организма или при патологических состояниях, позволяют наметить пути поиска эффективных лекарственных препаратов, в качестве активных центров которых служат рецепторы ионных каналов.

Учитывая, что значительное число заболеваний связано с «каналопатоло-гиями» - нарушениями функционирования ионных каналов или связанных с ними рецепторов, полученные результаты и разработанные подходы могут быть использованы при разработке стратегии и средств лечения этих заболеваний. Полученные результаты могут применяться при исследовании биологического отклика организмов на хиральные фармпрепараты и модификацию аминокислотных остатков каналов под воздействием антропогенных внешних факторов при решении проблем хиральной безопасности биосферы.

Полученные результаты расширяют представления о физических механизмах происхождения хиральной асимметрии биосферы, функционирования ионных каналов и могут быть использованы в курсах лекций по биофизике, биохимии и физиологии в университетах и вузах медико-биологического профиля.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1) Теоретическое обоснование комбинированного квантово-классического метода для расчета энергетических профилей, с помощью которого установлено, что в клетке с хирально модифицированными калиевыми каналами с природной первичной структурой будут нарушены многие биологические процессы, обусловленные функционированием калиевых ионных каналов. Появление остатков iAsp в калий-избирательных каналах и остатков D-Asp в NRl-центре связывания NMDA-рецептора, обусловленное посттрансляционными неферментативными модификациями аминокислотных остатков, приводит к нарушению структуры и функциональных характеристик каналов.

2) Разработанный и теоретически обоснованный нами метод энергетического выравнивания структур каналов, с помощью которого были построены D-аминокислотные модельные каналы с природными функциональными характеристиками и модифицированной аминокислотной последовательностью из 10 D-аминокислот: Gly, Ala, Ser, Cys, Asp, Asn, Lys, His, Phe, Pro.

Личный вклад соискателя. Выбор и обоснование научной тематики исследования, получение результатов, приведенных в диссертации, их анализ и интерпретация, как и основные публикации, сделаны при решающем участии соискателя.

народной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 2000), 3-м Всероссийском медицинском конгрессе (Ижевск, 2000), 3-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1998), 5-й Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 1999), 3-й Всероссийский симпозиум «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 1999), 4-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 2000), 5-й Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2000), Международной конференции «Математика. Образование. Экология. Тендерные проблемы» (Воронеж, 2000), 4-й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2000), Международной конференции «Биохимическая физика на рубеже столетий» (Москва, 2000), 2-й Региональной научной конференции по органической химии «Органическая химия на пороге третьего тысячелетия - итоги и перспективы» (Липецк, 2000), 5-й Пущинской конференции молодых ученых «Биология - наука 21-го века» (Пущино, 2001), 8-й Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2001), 2-й Конференции молодых ученых России с международным участием «Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины» (Москва, 2001), 3-й Всероссийской научной конференции «Молекулярная физика неравновесных систем» (Иваново, 2001), Международном симпозиуме «Компьютерное обеспечение химических исследований» (Москва, 2001), 7th Scandinavian Symposium on Chemometrics (Copenhagen, 2001), XVIII Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Казань, 2001), Школе-семинаре «Введение в многомерный анализ данных (проекционные методы)» (Москва, 2001), 3-й Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А. Фока (Великий Новгород, 2001), Международной школе-конференции «Введение в многомерный анализ данных (проекционные методы)» (Кострома, 2002), 13th International Congress on Molecular Biology (Toronto, 2002), 8-м Всероссийском симпозиуме «Биоинформатика и компьютерное конструирование лекарств» (Москва, 2002), 6-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука 21-го века» (Пущино, 2002), 3-й Всероссийской конференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2003), 4th Symposium on Multivariate Data Analysis (Moscow, 2003), 3-м Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), 4-й Всероссийской кон-

ференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2005), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005» (Москва, 2005), Международной научной конференции «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 2006), 5-м Съезде Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков (Минск, 2006), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания» (Липецк, 2006), 5-й Всероссийской конференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2007), 3-м Всероссийском съезде фармакологов (Санкт-Петербург, 2007), 5-м Международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» (Воронеж, 2007), 5-м Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2008).

Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 49 печатных работ: 20 статей в рецензируемых научных журналах по списку ВАК, статьи в других журналах, изданиях и тематических сборниках - 9, в материалах конференций - 20. Список основных работ по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, основную часть, состоящую из 4 глав, заключение, основные выводы и список цитируемой литературы. Диссертация изложена на 315 страницах, содержит 69 рисунков и 39 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены возможности и ограничения распространенных методов расчета и анализа энергетических профилей ионов в мембранных каналах. Исследованы прогностические возможности метода молекулярной механики для их расчета. Теоретически обоснован и апробирован для расчета энергетических профилей ионов в поре канала комбинированный квантово-классический метод.

Движение иона в трансмембранном канале однозначно характеризуется функцией его потенциальной энергии, которая в явном или неявном виде включена во все уравнения, описывающие ионный транспорт в канале (молекулярной и ланжевеновой динамики, Пуассона-Нернста-Планка). Для оценки функцио-

нальных характеристик канала кинетическая теория переходного состояния Эй-ринга использует профиль свободной энергии Гиббса, одной из составляющих которого является потенциальная энергия иона.

При однорядном прохождении ионов через пору канала потенциальная энергия иона зависит от координаты оси канала (оси аксиальной симметрии) E = E(z). Традиционно для расчета E = E(z) применяются либо методы молекулярной механики, либо квантовой химии. Методы молекулярной механики в данных расчетах не требуют значительных затрат расчетного времени, но их точность не всегда является удовлетворительной. Большинство расчетных методов квантовой химии лишены последнего недостатка, но требуют значительных затрат расчетного времени.

Вопрос о точности оценки энергетического профиля иона в поре канала является наиболее сложным в исследованиях ионного транспорта, что, прежде всего, обусловлено невозможностью прямого сопоставления расчетного профиля с экспериментальным. В этом случае по полученным энергетическим профилям осуществляется оценка функциональных характеристик канала, которые возможно сопоставить с экспериментальными значениями. К таким характеристикам в первую очередь относятся вольтамперные характеристики, ионные проводимости, отношения коэффициентов проницаемости для различных ионов.

Многообразие расчетных методов приводит к тому, что в работах, посвященных теоретическому исследованию ионного транспорта в каналах, часто встречается совпадение функциональных характеристик каналов, оцененных по (качественно и количественно) различным профилям иона одного и того же канала. Это совпадение, как правило, является следствием физически не обоснованной калибровки энергетических профилей и параметров уравнений для расчета функциональных характеристик каналов.

Предварительно для расчета энергетических профилей мы использовали наиболее распространенные силовые поля молекулярной механики (AMBER, CHARMM, OPLS) и проводили их количественный анализ, применяя теорию переходного состояния для последующего сопоставления расчетных и экспериментальных результатов.

Свободная энергия Гиббса системы ион-вода-канал

GJZ)=EJZ)+EJz)+Ewc(Z)+EJZ)-TS1wc(Z), (1)

где, в квазистатическом приближении, Eic(z)= Eio(Z,s) - потенциальная энергия комплекса ион-канал, е - эффективная диэлектрическая постоянная, зависящая от диаметра поры канала d, Eww(z), Ewc(z) и Eiw(z) - потенциальная энергия комплекса вода-вода, вода-канал и ион-вода, соответственно, Siw<¡(z) -энтропия.

Зависимость е = e(d) рассчитывали численным решением уравнения Буза (Conway, 1981), величину Eiw(z)-TS¡wc(z) - по полуэмпирическим формулам Лайо-Торрэ (Laio & Torre, 1999), включающих экспериментальные значения свободной энергии Гиббса комплексов, содержащих i молекул воды и катион в газовой фазе.

Величину Eww(Z)+ Ewc(z) с хорошей степенью точности можно считать постоянной, не зависящей от локализации иона, для определенного канала. По результатам численного моделирования методом Монте-Карло установлено, что в зависимости от положения иона на оси канала Ew(z)+Ewo(z) принимает постоянное значение для определенного канала, при этом ошибка составляет не более 2%. Данный результат может быть обоснован статистической природой рассматриваемых взаимодействий и свойствами потенциалов межмолекулярного взаимодействия.

В методах силового поля Ej0 представляется в виде суммы энергии куло-новского и вандерваальсового взаимодействия атомов канала и иона:

(2)

где - кулоновский заряд i-ro атома канала, R, - расстояние от i-ro атома канала до иона, Ар - параметры вандерваальсового взаимодействия i-ro атома и иона. Практически все традиционные силовые поля, применяемые в исследовании биомолекул, используют представление (2). Отличие наблюдается лишь в выражениях для параметров А; и В;. Силовые поля AMBER и CHARMM ис-

пользуют г е -параметризацию:

в.=2Ít+%] (3)

А. = Í-+Jk

' I 2 2

2 2

где г', , б" , е'оп - параметры силового поля. Силовое поле OPLS традиционно использует ое-параметризацию:

A. =4(aiaiJ6V^T, В, =4(4) где ст;, CTion, е*, е'оп - параметры силового поля. В случае потенциальной энергии взаимодействия двух одинаковых атомов или ионов параметр г* соответствует их вандерваальсову радиусу, в -их равновесной энергии.

Важно отметить, что в подобных расчетах величины г", е, а являются калибровочными параметрами, прежде всего по соображениям «равновесной геометрии» биомолекулярных систем. Поэтому нами исследована возможность замены параметра г* кристаллографическими и реальными ионными радиусами для возможного улучшения результатов.

В качестве тестируемого мембранного канала нами выбран потен-циал-активируемый бактериальный

калиевый канал KcsA из Streptomyces lividans. Данный выбор не является случайным, т.к. для данного канала существуют наиболее достоверные экспериментальные значения его функциональных характеристик. Канал KcsA является тет-рамером. На рис. 1 представлен поперечный срез канала, демонстрирующий две из четырех его субъединиц. Пору канала можно условно разделить на три области: селективный фильтр, ответственный за ионную избирательность канала (I), относительно большую центральную полость (II) и нижнюю внутреннюю пору (III).

Профили Giwc = Giwc(z) ионов Cs+, Rb+, К+, Na+ и Li+, с рассчитанными методом силового поля AMBER Ejo (z) = (Z,e), представлены на рис. 2.

Приведенные профили различаются во всех областях поры канала. Причем наиболее существенное различие энергетических профилей катионов на-

Рис. 1. Поперечный срез канала KcsA

блюдается в области нижней поры канала. В нижней поре и в селективном фильтре канала КсбА существуют энергетические барьеры, причем их высоты для различных ионов находятся в следующей последовательности Сз+>ЯЬ+>К+>Ма+>1л+. В таком случае канал КсвА имеет расчетный ряд селективности Сз+<ЯЬ+<К+<Иа+<Ь1+, противоположный экспериментальному (С5+<Ш/<~К+Жа+>и+)!

Аналогичные результаты были получены для профилей свободной энергии катионов, рассчитанных методом силового поля ОРЬБ.

Таким образом, профили, рассчитанные методом силового поля, во-первых, не объясняют энергетическую предпочтительность дегидратации К+ по сравнению с другими ионами, а, во-вторых, не объясняют прохождение К+ через не реально высокий для прохождения ионов энергетический барьер (28 ккал/моль) нижней поры канала.

Для получения количественных оценок функциональных характеристик канала использовали уравнения теории абсолютных скоростей реакций Эйринга. В таком случае профиль свободной энергии Гиббса канала может быть представлен в виде последовательности М энергетических барьеров, разделенных М-1 потенциальными ямами.

Вольтамперную характеристику (ВАХ) канала = .1,(ф) определяли по формуле

•'1=кмРМ-1-кГРг (5)

Находя производную функции I, = ^(ф) по переменной ф, определяли проводимость одиночного канала Для объяснения ионной селективности мембранного канала мы использовали теорию Эйринга, которую количественно

Рис.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

г, А

2. Профили свободной энергии ионов в поре канала КсвА

можно охарактеризовать как отношение проницаемостей — для сравниваемых ионов А и В по формуле

Рв. = ^!_\PJ Wm W J МЛ

p м г /р ^ iм ^ vм '

Л Iexp[GBl/RT]^ exp VMb

где М - масса иона. В зависимостях (5) и (6): к*(кг) - константа скорости перехода из ямы i-1 в яму i (из ямы i в яму i-1), р, (i Ф О) - вероятность того, что ион находится в i-й яме, р0 - вероятность того, что канал не заполнен ионами. Константы скорости перехода определяли по формулам k,+ = vxexp[-(G, -Gf*,1 )/RT-zFcpl'/RT], k~ = v xexp[-(g; -G<w))/RT + zFcpl;-/RT], где Gj (g'w)) - значение энергии иона в i-м барьере (i-й яме), Г (Г) - электрическое расстояние между i-1 ямой и i-м барьером (между i-й ямой и i-м барьером), v = 6.1 • 1012 с"1- частотный фактор.

Рассчитанные по формуле (5) ВАХ канала в условиях симметричных мо-нокатиоиных растворов ([i], =[l]R = 0.4 М) представлены на рис. 3.

Расчет методом AMBER показывает существование линейной зависимости между током и напряжением на участке 0-60 мВ с величиной проводимости одиночного канала для К+ 0.016 пСм, для Na+ 1.3 пСм, для Li+ 0.68 пСм,

для Rb+ 0.003 пСм, для Cs+ 0.001 пСм. Данные значения проводимостей находят-

U. мВ

Рис. 3. Вольтамперные характеристики канала KcsA (профили свободной энергии рассчитывали методом AMBER)

ся в разногласии с экспериментальными данными, согласно которым значение проводимости для различных типов калиевых каналов для К+ меняется от 4 до 270 пСм. Расчетные по формуле (6) значения отношений коэффициентов проницаемости для Li+, Na+, К+, Rb+ и Cs+ к коэффициенту проницаемости для К+ составляют 41.2, 83.1, 1, 0.2 и 0.07, соответственно. Данные значения не только противоречат экспериментальным данным (<0.09, <0.07, 1.00, 0.25-0.91 и <0.18), но и предсказывают существование селективного ряда, несвойственного калиевым каналам.

Таким образом, профили свободной энергии Гиббса, полученные методом силового поля, не только не позволяют дать количественное объяснение ионной избирательности канала, но и получить правильные качественные оценки его функциональных характеристик.

Данный вывод делает настоятельно необходимым использовать метод расчета профиля свободной энергии Гиббса, не требующий значительных затрат машинного времени и сохраняющий точность квантовохимического расчета. Этот метод может быть предложен, если учесть, что специфические квантовоме-ханические эффекты, возникающие при расчете взаимодействия в системе ион-канал, существенны лишь на небольших расстояниях, т.е. там, где значимо перекрывание электронных оболочек иона и атомов молекул канала.

В таком случае, возможно, использовать идеологию комбинированного квантово-классического метода (Day et al., 1996) для расчета потенциальной энергии системы ион-канал, которую можно представить в виде Eic = Е? + Е'с, где Е? - квантовомеханическая составляющая результирующей энергии, существенная при малых расстояниях ион - атомы канала, Е°с - классическая (куло-новская) составляющая, существенная при больших расстояниях ион - атомы канала.

Энергию Е* целесообразно рассчитывать одним из квантовохимических методов для системы ион - ближние к нему аминокислоты, энергию Е°с рассчитывать в приближении точечных зарядов на атомах q, дальних аминокислот по

традиционной кулоновской схеме Е°о = ХЛ.Д . Причем в качестве зарядов на

¡=1

атомах q, можно использовать параметры электростатических взаимодействий

одного из силовых полей или точечные заряды на атомах, рассчитанные кванто-вохимически.

Наиболее простым в формальном отношении и одновременно дающим разумные результаты в некоторых случаях является метод Хоффмана или расширенный метод Хюккеля (ЕНТ). Формально уравнения ЕНТ представляются в виде:

Ус (Б -еБ ) = 0, Ь -Е8 1 = 0.

¿-4 1Ц V ЦУ ¡XV/ ' [ ЦУ

Матричные элементы Б заменяются эмпирическими параметрами или аппроксимируются специально подобранными соотношениями, включающими эти параметры. Так, диагональные матричные элементы полагаются равными потенциалам ионизации соответствующих валентных электронов, взятых с обратным знаком Р^ = —. Для вычисления недиагональных матричных элементов Р мы использовали параметризацию Вольфсберга-Гельмгольца ^ =0.5^ + Ов,., где К= 1.75.

Метод ЕНТ дает адекватные результаты для молекулярных систем, имеющих равномерное распределение заряда по всем атомам или, иначе говоря, для молекул, атомы которых не сильно отличаются по электроотрицательности (обычно принимают различие не более 1.4 по шкале Полинга). Канал КсвА, как и многие другие каналы, формируется атомами С, О, И, Б и Н, электроотрицательности которых составляют 2.5, 3.6, 3.0, 2.5 и 2.1 соответственно, для катионов 1л+, №+, К+, М>+ и Ся+ - 1.5, 3.3, 2.6, 2.4 и 1.8, соответственно (Бацанов, 2000). Таким образом, максимальное значение для атомов канала КсвА составляет 1.5, причем только для не связанных ковалентными связями для и карбонильных кислородов, формирующих пору канала. Следовательно, применение метода ЕНТ для решения поставленных задач представляется вполне обоснованным.

Центральным вопросом расчетов по схеме Е1С = Е? + Е? является вопрос о расстоянии между ионом и атомами поры канала, на котором возможно данное разделение. Применительно к расчету энергии взаимодействия иона и молекулы канала, целесообразно провести такой расчет в приближении точечных зарядов на атомах отдельных аминокислот, а также квантовохимически в системе ион -соответствующая аминокислота. Вид и характер рассчитанных функций потен-

циальной энергии Е = Е(г), где г - расстояние между ионом и аминокислотой, позволит определить координату точки их расхождения. Для определения координат точки разделения двух функций нами проведены квантовохимические и классические расчеты зависимости энергии взаимодействия от взаимного расстояния в системе ион-аминокислота. Подобные расчеты проведены для всех 20 аминокислот и 5 исследуемых ионов. Наши расчеты показывают, что в зависимости от выбора аминокислоты, координаты точки расхождения Е = Е(г) составляют 3.2-4.2А. Таким образом, расстояние разделения взаимодействий должно быть не меньше 4.2А. Для упрощения расчетов нами принято R=5A.

Для расчета Е°. применяли параметры электростатических взаимодействий (заряды на атомах) силового поля AMBER. Данный выбор обусловлен тем, что результаты расчета методом AMBER хорошо сочетаются и согласуются с результатами квантовохимического расчета распределения потенциала в канале.

Профили свободной энергии Гиббса канала KcsA, рассчитанные методом ЕНТ/AMBER, представлены на рис. 4.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Z, А

Рис. 4. Профили свободной энергии KcsA (расчет методом EHT/AMBER)

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 и. мВ

Рис. 5. Вольтамперные характеристики канала КсвА (энергетические профили рассчитывали методом ЕНТ/АМВЕЯ)

Данные профили имеют качественно сходный вид для всех исследуемых ионов и соответствуют пятибарьерной модели канала. При этом наблюдается только количественное расхождение профилей. Величины энергетических барьеров ионов по абсолютной величине находятся в последовательности 1л+>Ыа+>К+~>11Ь+>С5+. Учитывая, что последовательность энергетических барьеров ионов определяет последовательность ионных токов и рядов селективности, можно обоснованно прогнозировать согласие расчетных функциональных характеристик канала с экспериментальными.

Для проверки данного предположения нами проведен расчет функциональных характеристик канала по формулам (5) и (6), используя профиль, рассчитанный методом ЕНТ/АМВЕЯ. Результаты расчета ВАХ канала в условиях симметричных монокатионных растворов ([I], = [1]„ = 0.4 М) представлены на рис. 5.

Полученный результат показывает существование линейной зависимости между током и напряжением на участке 0-60 мВ, с величиной проводимости одиночного канала для К+ 26.34 пСм, для 1.72 пСм, для 1л+ 0.24 пСм, для М>+ 19.42 пСм, для 0.03 пСм, что соответствует экспериментально получаемым значениям. Расчетные по формуле (7) значения отношений коэффициентов проницаемости для 1л+, Ыа+, К+, Шэ+ и Сэ+ к коэффициенту проницаемости для К+ составляют 0.009, 0.065, 1.000, 0.737 и 0.001, соответственно, что хорошо согласуется с экспериментальными данными (<0.09, <0.07,1.00, 0.25-0.91 и <0.18).

В основу метода ЕНТ, как и подавляющего большинства полуэмпирических методов, положено валентное приближение, т.е. явный учет только валентных электронов. Невалентные электроны совместно с ядром формирует эффективный точечный электростатический заряд. В случае исследуемой нами молекулярной системы ион - канал, валентное приближение, на первый взгляд, является не применимым для расчета электронной структуры ионов 1л+, К+, ЛЬ+, С5+.

Выход из отмеченного затруднения заложен в используемой нами расчетной схеме метода ЕНТ. Ион рассматриваются как соответствующий атом в валентном приближении, но при этом его ядру формально присваивается положительный точечный заряд +2, а не +1.

Не вызывает сомнений, что такой подход негативно отразится на оценке вандерваальсовых радиусов ионов и атомов, локализованных в области поры канала, и, возможно, на оценке энергетического профиля иона в канале.

Для проверки отсутствия данной ошибки нами проведен расчет энергетических профилей ионов в поре потенциал-независимого калиевого канала КсбА неэмпирическим квантовохимическим методом самосогласованного поля в би-экспоненциальном базисе (ОосПхиД:, 1992), с последующим сравнением

полученных результатов с результатами ЕНТ-расчетов.

В результате было установлено, что функциональные характеристики канала КсвА, полученные анализом огУР- и ЕНТ-энергетических профилей ионов хорошо согласуются друг с другом и с экспериментально наблюдаемыми значениями (абсолютная ошибка составляет не более 4%).

Во второй главе приведены результаты исследования функциональных характеристик потенциал-зависимых калиевых каналов клетки по результатам анализа профилей свободной энергии, рассчитанных методом ЕНТ/АМВЕЯ, решением уравнений теории абсолютных скоростей реакций Эйринга.

К потенциал-зависимым калиевым каналам клетки относятся каналы, спе-

цифически активируемые деполяризацией клеточной мембраны и ассоциированные с мембранной реполяризацией. Калиевые каналы играют важную роль в процессах возбудимости и проводимости мембран. Практически все каналы суперсемейства потенциал-зависимых калиевых каналов являются аксиально-симметричными белковыми порами, что дает возможность использовать разработанный и апробированный на канале КсэА алгоритм расчета функциональных характеристик каналов.

Потенциал-зависимый калиевый канал КлАР содержит стандартную К+-пору, окруженную сенсорами напряжения. Сенсоры напряжения могут менять

Рис. 6. Структура открытого канала КлАР.

(A) Вид сверху.

(B) Вид сбоку на одну из субъединиц.

30 36

г. А

Рис. 7. Профили свободной энергии открытого канала Кл'АР

конфигурацию за счет изменения разности потенциалов на концах мембраны и открывать пору. Они локализованы около внутриклеточной поверхности канала.

Исследовательской группой Р. Маккинона (2003) определена атомная структура калиевого канала и было высказано предположение о том, что Кл'АР в зависимости от направления мембранного потенциала, определяющего положение сенсора в пространстве, может находиться в двух кон-формациях: открытой - пропускающей ионы, и закрытой -не пропускающей ионы. При изменении разности потенциалов на концах мембраны подвижный сенсор напряжения занимает новое положение, что приводит к переходу канала из открытого состояния в закрытое, и наоборот. Модель Р. Маккинона объясняет переход канала из одного состояния в другое, но не дает ответа на вопрос о механизмах калиевой избирательности открытого и отсутствия таковой для закрытого канала КуАР.

Нами проведено теоретическое исследование функциональных характеристик открытого и закрытого канала КуАР. Результаты расчета профилей свобод-

Рис. 8. Профили свободной энергии закрытого канала КуАР

ной энергии для ионов У+, К+, ЯЬ+, Сэ+ в поре открытого и закрытого канала представлены на рис. 7 и 8, соответственно. Профили = в области селективного фильтра и центральной полости открытого и закрытого аналогичны профилям энергии в соответствующих областях потенциал-независимого калиевого канала Кс$А, что является следствием гомологичности каналов КуАР и КсэА. Существенное отличие С|ис = С (г) каналов КуАР и КсвА наблюдается только в области нижней поры, что обусловлено наличием дополнительных сенсоров напряжения в канале КуАР. В данной области открытого и закрытого

канала КуАР появляются энергетические барьеры для всех видов ионов. Причем 1.0

в закрытом канале значения энергетических барьеров больше, чем в открытом и в закрытом канале КуАР, а величина диаметра закрытого канала в области нижней поры

меньше, чем

открытого. Это различие приводит к увеличению стери-ческих ограничений для ион-водного комплекса и, как следствие, к

увеличению значения энергии данного комплекса в закрытом канале.

Таким

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 и, мВ

Рис. 9. ВАХ открытого канала КуАР

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 и. мВ

Рис. 10. ВАХ закрытого канала КуАР

образом, появление больших, по сравнению с открытым каналом, энергетиче-

ских барьеров в области нижней поры закрытого канала КуАР может быть причиной наблюдаемого отсутствия ионной проводимости канала.

Для количественного обоснования данного утверждения нами проведен анализ полученных профилей решением уравнений (5) и (6). Результаты расчета ВАХ для открытого и закрытого одиночного канала КуАР в условиях симметричных монокатионных растворов ([1^ = [1]к = 0.04 М) представлены на рис. 9 и 10, соответственно. Данные связи показывают существование линейной зависимости между током и напряжением на участке 0-60 мВ с величиной проводимости одиночного открытого канала для К+ 12.93 пСм, для 0.32 пСм, для Ы+ 0.13 пСм, для Ю>+ 9.6 пСм, для Св+ 0.083 пСм, что соответствует экспериментально получаемым значениям. Проводимости закрытого канала для К+, Nа+, 1л+, и Св+ принимают значения 0.10 пСм, 0.007 пСм, 0.002 пСм, 0.066 пСм и 0.001 пСм, соответственно.

Таким образом, появление значительного энергетического барьера в канале КуАР при переходе его из открытого состояния в закрытое при изменении разности потенциалов на концах мембраны является причиной появления малых ионных токов, характерных для закрытого ионного канала.

Расчетные значения отношений коэффициентов проницае- Рис. 11. Модельная структура а/р-канала мости для 1л+, К+, и Сб+ к коэффициенту проницаемости для К+ составляют 0.010, 0.024, 1.000, 0.701 и 0.006, соответственно, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Потенциал-зависимые калиевые каналы обычно экспрессируются вместе с дополнительными р-субъединицами. В работах группы Р. Маккинона была определена с разрешением 2.8А структура р-субъединицы калиевого канала. При этом структура а-субъединицы канала определена не была.

При построении структуры потенциал-зависимого калиевого канала в виде комплекса а- и Р-субъединиц (а/р-канал) мы исходили из совпадения осей аксиальной симметрии а- и Р-субъединицы. При этом а-субъединица стыкуется с вогнутой поверхностью р-субъединицы (Рис. 11). В качестве а-субъединицы мы использовали аксиально-симметричный тетрамер потенциал-независимого калиевого канала КсзА, как каноническую поро-формирующую субъединицу трансмембранных калиевых каналов клетки.

Результаты расчета профилей открытого канала для ионов 1л+, К+,

Мэ+, представлены на рис. 12. Для наглядности профили свободной энергии потенциал-зависимого калиевого а/р-канала представлены для трех последовательных интервалов изменения координаты оси 2\ области селективного фильтра и центральной полости а-субъединицы (рис. 12А), области нижней поры а-субъединицы и поры Р-субъединицы (рис. 12Б).

Анализ энергетического профиля показывает, что основными факторами, влияющими на характер транспорта иона через канал, являются: частичная де-

10 12 14 16 18 20 22 24 26

2- А

Рис. 12А. Профили свободной энергии в области селективного фильтра и центральной полости а-субъединицы открытого а/р-канала

28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 2. А

Рис. 12Б. Профили свободной энергии в области нижней поры а-субъединицы и поры р-субъединицы открытого а/р-канала

гидратация иона при входе в пору канала и взаимодействие иона с атомными группами канала. Повышение энергии иона в результате дегидратации оказывается наибольшим у иона 1л+ и наименьшим у иона К+, что обусловлено наибольшими размерами последнего, а значит, меньшими (по модулю) величинами его взаимодействия с молекулами воды в первой гидратной оболочке.

Результаты расчета ВАХ для а/р-канала в условиях симметричных моно-катионных растворов ([I], = |)]к = 0.04 М) представлены на рис. 13. Данная связь показывает существование линейной зависимости между током и напряжением на участке 0-60 мВ с величиной проводимости одиночного канала для К+ 17.16 пСм, для 0.68

пСм, для и+ 0.26 пСм, для ЛЬ+ 16.63 пСм, для Сб* 0.08 пСм, что соответствует экспериментально получаемым значениям. Проводимость а/р-канала для ионов калия несколько меньше, чем проводимость канала КсбА для соответствующих ионов, что является следствием наличия дополнительной Р-субъединицы в а/р-канале. Для ионов лития и натрия наблюдается незначительное расхождение в значениях проводимости каналов а/р и КсбА. Расчетные значения отношений коэффициентов проницаемости для 1л+, К+, Ш)+ и Сб+ к коэффициенту проницаемости для К+ составляют 0.079, 0.015, 1.000, 0.905 и 0.005, соответственно, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Таким образом, модельная молекулярная структура в виде комплекса а- и Р-субъединиц может служить адекватной моделью потенциал-зависимого калиевого а/р-канала в открытом состоянии.

Для построения модели потенциал-зависимого калиевого а/р-канала в закрытом состоянии мы исходили из следующих предположений (рис. 11):

и, мВ

Рис. 13. ВАХ открытого а/р-канала

1) потенциал-зависимый калиевый а/р-канал представляет собой потенциал-зависимый фермент с активными участками в р-субъединице, локализованными на расстоянии 30-35 А от оси канала и содержащие ЫАВР+-кофакторы;

2) при связывании фермента с молекулой субстрата происходят конфор-мационные изменения в р-субъединице, что в свою очередь приводит к конфор-мационным изменениям в а-субъединице.

Изменение конформации канала за счет связывания с молекулой субстрата может быть причиной формирования закрытого для ионов а/р-канала. При этом возможны два не исключающих друг друга случая: «разбухание» молекулы канала и поворот отдельных полярных субъединиц в составе р-субьединицы при изменении разности потенциалов на концах мембраны, что приводит к изменению положения отдельных субъединиц а-субъединицы. Учитывая, что экспериментальные данные по структуре субстрата отсутствуют, нами проведено исследование зависимости ионной проводимости от диаметра а/р-канала. Мы

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2, А

Рис. 14А. Профили свободной энергии в области селективного фильтра и центральной полости а-субъединицы закрытого а/р-канала

в 8

-и*

-К+

-ЯЬ*

-С$*

28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 2. А

Рис. 14Б. Профили свободной энергии в области нижней поры а-субъединицы и поры р-субъединицы закрытого а/р-канала

исследовали зависимость }х = -1х(п), где п - отношение диаметра открытого канала к диаметру конформационно модифицированного канала с шагом 0.1 А.

Для расчета ионных токов, отношений коэффициентов проницаемости и проводимости канала мы использовали подход, который применяли для исследования открытого а/р-канала. При этом предполагали, что вследствие малости молекулы субстрата, его поле дает пренебрежимо малый вклад в энергетические профили.

В результате проведенных расчетов установлено, что при п = 1.8, т.е. уменьшении диаметра почти в 2 раза, наблюдается достаточно малое значение тока ионов калия через канал: Л =0.076 пА. В табл. 1 представлены значения

ионных токов при различных значениях п.

Таблица 1

Ионные токи (Дх) при различных значениях отношений (п) диаметров открытого и конформационно модифицированного потенциал-зависимого калиевого а/р-

канала

п 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

1 ,, пА 1л 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.001

0.081 0.072 0.063 0.054 0.045 0.036 0.027 0.017 0.012

1.030 0.810 0.690 0.570 0.450 0.330 0.210 0.090 0.076

Для объяснения причин падения калиевого тока практически до значений, соизмеримых с натриевым током канала, обратимся к профилям свободной энергии канала, представленных, как и в случае открытого канала, для трех последовательных интервалов изменения координаты оси области селективного фильтра и цен-

-60 -50 -40 -30 -20 -10 О 10 20 30 40 50 60 и, мВ

Рис. 15. ВАХ закрытого а/р-канала

тральной полости а-субъединицы (рис. 14А), области нижней поры а-субъединицы и поры р-субъединицы (рис. 14Б).

Существенное различие Giwc =Giwc(z) открытого и закрытого канала наблюдается только в области сужения поры Р-субъединицы. При этом высоты барьеров для различных ионов находятся в следующей последовательности K+<Na+<Li+. Появление столь высоких энергетических барьеров в закрытом канале связано не с увеличением энергии взаимодействия в системе ион-канал, а с увеличением энергии взаимодействия в системе ион-вода в результате стериче-ских ограничений ион-водного комплекса. Действительно, увеличение стериче-ских ограничений для ион-водного комплекса приводит к уменьшению количества молекул воды в частично дегидратированном комплексе и увеличению энергии ион-водного комплекса.

Результаты расчета BAX закрытого потенциал-зависимого калиевого а/р-канала в условиях симметричных монокатионных растворов ([l]L =[l]R =0.04М) представлены на рис. 15. Данная связь показывает существование линейной зависимости между током и напряжением на участке 0-60 мВ с малыми величинами проводимости одиночного канала: для К+ 1.27 пСм, для Na+ 0.20 пСм, для Li+ 0.016 пСм, для Rb+ 1.05 пСм, для Cs+ 0.005 пСм, что соответствует закрытому состоянию потенциал-зависимого калиевого канала.

Таким образом, переход потенциал-зависимого калиевого а/р-канала из открытого в закрытое состояние осуществляется при связывании молекулы субстрата с р-субъединицей канала, сопровождающийся конформационной перестройкой канала при изменении разности потенциалов на концах мембраны.

В результате предложенная и теоретически обоснованная нами модельная структура а/р-канала хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемой структурой гомологичного канала Kv 1.2.

Подобный подход мы использовали и для исследования потенциал-зависимого калиевого канала Kvl.2 типа Shaker из Rattus norvegicus, для которого получили хорошее согласие экспериментальных и расчетных функциональных характеристик.

В третьей главе проведено исследование структуры и функциональных характеристик хирально модифицированных модельных каналов с инвариантной и модифицированной природной аминокислотной последовательностью.

Долгое время считалось, что хиральная чистота биосферы носит абсолютный характер, т.е. биологически важные реакции в живых организмах происходят только с участием Ь-аминокислот и Э-сахаров.

Однако хиральные антиподы природных органических соединений играют существенную роль в биохимии и физиологии всех организмов - от бактерий до млекопитающих. Например, Б-Бег является нейромодулятором, связывающимся с центром связывания ЫМОА-рецептора нервных клеток млекопитающих. Компоненты клеточной стенки бактерий зачастую содержат Ь-углеводы и остатки I)-аминокислот. Данные остатки также содержат некоторые пептидные антибиотики. В нервных клетках высших организмов находят 0-А1а, Б-Аэр и Б-Бег, в некоторых случаях в значительных концентрациях. Однако все, что относится к рибосомальному синтезу полипептидов, характеризуется абсолютной хиральной чистотой: полипептиды содержат остатки только Ь-аминокислот, а нуклеиновые кислоты — только О-сахара.

Вопрос о биологической роли гомохиральности этих важнейших биополимеров относительно прост. Так, гомохиральность белков и нуклеиновых кислот определяет их стереоспецифичность - необходимое условие матричного синтеза, а также обусловливает стабильность их структур, обеспечивающих их функционирование. Но, несмотря на значительные успехи, достигнутые в этой области, биологические основы того, что белки-ферменты и нуклеиновые кислоты имеют строго определенный знак хиральности, остаются неизвестными.

Нам представляется, что ответ на последний вопрос необходимо искать, в частности, в исследовании влияния (Ь—>Б)-преобразования аминокислотных остатков на структурные и функциональные характеристики ионных каналов.

Возможны два способа построения пространственной структуры каналов из Б-аминокислот.

1. Построение модельного канала полным зеркальным отражением природного канала. В этом случае получаем канал из Б-аминокислот с преобразованием торсионных углов всех аминокислот вида ф—>-ф и у—>-у. Следствием этого будет, например, преобразование всех правых а-спиралей в левые. Не вызывает сомнений, что «отраженный» канал ни чем, кроме направления вращения а-спиралей и направления скрученности р-структур из-за скрученности отдельных Р-тяжей, не будет отличаться от природного. Неизменной будет и потенциальная энергия молекулы канала и его функциональные характеристики. Поэтому по-

строение и исследование функционирования таких хирально модифицированных каналов не представляет интереса.

2. Построение модельного канала заменой всех L-аминокислот на D-аминокислоты при сохранении природной вторичной структуры канала. Такая замена эквивалентна замене бокового радикала R на Н-атом, стоящий при а-углероде аминокислоты. В результате, при сохранении природной вторичной структуры в молекуле модельного канала появляются значительные стерические напряжения, снятие которых приведет к изменению его третичной и четвертичной структуры, а также функциональных характеристик. Поэтому хирально модифицированные каналы, полученные по данной схеме, представляют наибольший интерес в исследовании их структуры и функциональных характеристик. Следует отметить, что появление стерических напряжений является вполне обоснованным, т.к. углы ф и *|/ модифицированных аминокислот в основном попадают в запрещенные области карты Рамачандрана.

Стерические напряжения в канале после замены L-аминокислот на D-аминокислоты снимали методами молекулярной динамики в интервале 10 пс при шаге 0.001 пс. При расчете функции потенциальной энергии молекулы мы использовали представление и параметризацию силового поля AMBER. Данный выбор обоснован тем, что силовое поле AMBER было параметризовано для исследования структуры и динамики белков и нуклеиновых кислот. Для исследования функциональных характеристик хирально модифицированных модельных каналов использовали подход, применявшийся нами для исследования природных калиевых каналов.

D-аминокислотные ионные каналы с инвариантной первичной структурой.

Результаты численного моделирования молекулярной динамики каналов показывают, что зависимости потенциальной энергии молекулы канала от времени характеризуются наличием множества локальных минимумов, причем по нашим наблюдениям, каждый из них соответствует пору-формирующей кон-формации молекулы как природного, так и хирально модифицированного канала.

В табл. 2 представлены результаты исследований структуры и функциональных характеристик хирально модифицированных модельных каналов: отношение наиболее глубокого локального минимума природного канала к соот-

ветствующему минимуму его хирально модифицированного изомера (иь/и), отношение среднего радиуса поры Б-аминокислотного канала (Б-канала) к радиусу поры его природного аналога (Я ), ионные проводимости (§,) и токи (I,) Б-канала при ф=60мВ.

Таблица 2

Структурные и функциональные характеристики О-аминокислотпых каналов с

инвариантной первичной структурой

Канал К т. Бр пСм пА

Б-КсзА 0.99 1.4 и+ 18.533 1л+ 0.015

1Ма+ 146.366 Ыа+ 0.103

К+ 459.700 К+ 1.580

ЯЬ+ 401.883 ЯЬ+ 1.165

С8+ 3.850 С5+ 0.002

В-КУАР0 1.01 1.2 и+ 3.683 1л+ 0.221

Ыа+ 31.267 Ыа+ 1.876

К+ 405.305 К+ 24.321

318.900 яь+ 19.134

С8+ 3.483 С8+ 0.209

Б-КуАРс 1.01 1.2 и+ 0.216 и+ 0.013

ш+ 0.866 0.052

к+ 12.850 к+ 0.771

яь+ 5.766 кь+ 0.346

С5+ 0.716 0.043

В-а/р0 1.012 1.05 и+ 2.717 и* 0.163

7.200 Ыа+ 0.432

к+ 174.267 к+ 10.456

яъ+ 164.083 9.845

С8+ 2.533 0.152

0-аУрс 1.011 1.05 ьГ 0.383 и+ 0.023

Ка+ 2.600 0.156

к+ 13.900 к+ 0.834

12.800 яь+ 0.768

0.150 С5+ 0.009

0-КУ1.20 1.001 1.07 и+ 2.717 и+ 0.101

5.667 0.340

к+ 99.783 Г 5.987

яь+ 79.083 м>+ 4.745

С5+ 1.583 С5+ 0.095

0-КУ1.2с 1.002 1.07 и+ 2.717 и+ 0.091

5.667 Ыа+ 0.095

к+ 99.783 к+ 0.097

яь+ 79.083 ш>+ 0.088

С5+ 1.583 С8+ 0.076

Представленные в табл. 2 теоретические результаты наглядно демонстрируют, что полная потенциальная энергия хирально модифицированных и соот-

ветствующих природных каналов совпадает, а изомеризация аминокислот каналов приводит к увеличению радиуса поры. Кроме того, хирально модифицированный изомер канала КсэА не является калий-избирательным с большими значениями ионных токов, что характерно и для открытых О-каналов КуАР, а/р и Ку1.2. Хирально модифицированные изомеры закрытых каналов КуАР, а/р и Ку1.2 обладают проводимостями и токами, практически совпадающими с таковыми для их природных изомеров. Этот результат позволяет считать, что хирально модифицированные изомеры закрытых потенциал-зависимых каналов на самом деле является не закрытыми, а открытыми потенциал-зависимыми калиевыми каналами.

Подобные же исследования нами проведены для Ж1-центра связывания ИМЛА-рецептора в комплексе с 01у, Б-Бег и П-сБег. В результате численного моделирования молекулярной динамики было установлено, что комплекс природного N111-центра связывания 1^МБА-рецептора и природных Б-лигандов энергетически более стабилен, чем комплекс природного N111-центра связывания ИМОА-рецептора и неприродных Ь-лигандов. Напротив, комплекс хирально модифицированного N111 -центра связывания ЫМОА-рецептора и неприродных Ь-лигандов энергетически почти эквивалентен комплексу природного N111-центра связывания NMDA-peцeптopa и природного Б-лиганда.

Возможно, эта функциональная, а не энергетическая неэквивалентность стереоизомеров пептидов могла играть важную роль в возникновении гомохи-ральности строго определенного знака белков на уровне отбора наиболее совершенных структур в ходе эволюции.

Р-аминокислотные ионные каналы с модифицированной первичной структурой.

Замена всех Ь-аминокислот природного канала на соответствующие О-аминокислоты при сохранении природной первичной и вторичной структуры приводит к изменению основных функциональных характеристик и потери его калиевой избирательности. Такие результаты делают настоятельно необходимым рассмотреть возможность изменения природной первичной структуры каналов до получения третичной структуры хирально модифицированного модельного канала с природными функциональными характеристиками.

Для построения хирально модифицированных модельных каналов с природными функциональными характеристиками нами предложен метод «энерге-

тического выравнивания» третичных структур каналов с различными аминокислотными последовательностями.

В основу метода положены следующие предположения:

1) структурно гомологичные Ь- и В-аминокислотпые каналы имеют близкие распределения энергий аминокислотных остатков;

2) функционально гомологичные Ь- и О-аминокислотные каналы содержат соответствую-

щие аминокислотные остатки, принадлежащие определенной родственной группе аминокислот.

Метод включает следующую последовательность действий:

1) для третичной структуры природного канала рассчитываются энергии взаимодействия каждой аминокислоты с остальными аминокислотами и строится распределение энергии взаимодействия всех Ь-аминокислот канала;

2) подобное распределение энергии аминокислот рассчитывается для соответствующего

1Е5

90000

80000

70000

с о 60000

1 50000

1 40000

ш 30000

20000

10000

-юооо

25 50 75 100

Номер аминокислотного остатка

Рис. 16. Распределение абсолютных значений разности энергий аминокислотных остатков природного и неоптими-зированного хирально модифицированного канала 90

25 50 75

Номер аминокислотного остатка

100

Рис. 17. Распределение абсолютных значений разности энергий аминокислотных остатков природного и хирально модифицированного канала с модифицированной аминокислотной последовательностью, полученной энергетическим выравниванием структур

хиральио модифицированного модельного канала с природной первичной структурой без оптимизации его геометрии;

3) сравнением полученных распределений энергии Ь- и О-аминокислот, определяются О-аминокислоты, для которых разность соответствующих энергий принимает наибольшие значение;

4) наиболее напряженные Б-аминокислоты заменяют О-амипокислотами, для которых разность энергий взаимодействия будет минимальной;

5) в полученном хирально модифицированном канале с модифицированной первичной структурой методами молекулярной динамики снимают остаточные стерические напряжения.

Замену Ь- на О-аминокислоты проводили исключительно в пределах родственных групп аминокислотных остатков: с алифатическими боковыми цепями; с боковыми цепями, содержащими гидроксильную группу; с боковыми цепями, содержащими атомы серы; с боковыми цепями, содержащими кислые группы или их амиды; с боковыми цепями, содержащими основные группы; содержащие ароматические кольца и иминокислоты.

В результате энергетического выравнивания получается хирально модифицированный модельный канал энергия, геометрия поры, энергетические профили и функциональные характеристики которого пренебрежимо мало отличаются от таковых соответствующего природного канала.

Распределение абсолютных значений разности энергий аминокислотных остатков природного канала КсэА и неоптимизированного его хирально модифицированного изомера представлено на рис. 16. Диаграмма показывает, что в некоторых аминокислотных остатках существуют значительные стерические напряжения, достигающие 88000 ккал/моль. Очевидно, что данное значение энергии, как и многие другие значения энергии О-аминокислот, значительно превышает среднее значение энергии пептидной связи, что определяет принципиальную невозможность существования такого полипептида и необходимость использования энергетического выравнивания для снятия значительных стериче-ских напряжений в полипептиде.

Диаграмма, представленная на рис. 17, показывает распределение абсолютных значений разности энергий Ь-аминокислотных остатков природного и хирально модифицированного модельного канала с модифицированной аминокислотной последовательностью, полученной энергетическим выравниванием

структур. В этом случае замена значительно напряженных аминокислотных остатков в неоптимизированном хирально модифицированном изомере приводит к появлению ненапряженной, по сравнению с природной структурой, третичной структуры хирально модифицированного канала КсэА. Ниже представлена аминокислотная последовательность хирально модифицированного

ААТС1ТС66АС8МЮААСАСАССССАС1А0ССАУСА0УА88АКСАННА&А8А88АСУС0СА8С81 НСНСУСУУАСААаЗЗУСАУБААСАЗНРУСИЕСа

и природного канала КсэА.

ALHWRAAGAATVLLVIVLLAGSYLAVLAERGAPGAQLITYPRALWWSVETATTVGYGDLYPVTLWG КСУА^МУА61Т8РС1ЛЛ"АА1-А™РУС1*ЕС1

Подобный подход нами использовался для построения молекулярных структур хирально модифицированных изомеров каналов КуАР, а/р, Ку1.2 и N111 активного центра КМОА-рецептора. В табл. 3 представлены результаты исследований структуры и функциональных характеристик, полученных энергетическим выравниванием хирально модифицированных каналов.

Таблица 3

Структурные и функциональные характеристики Б-аминокислотных каналов с

модифицированной первичной структурой

Канал ИрПСм I,, пА

Б-КСБА 0.857 1.07 1л+ 0.23 1л+ 0.015

Ыа+ 1.65 0.103

К+ 26.37 К+ 1.580

яь+ 18.88 кь+ 1.165

0.02 0.002

В-КУАР0 0.923 1.05 Ы+ 0.083 и+ 0.005

Ыа+ 0.035 0.021

К+ 11.68 К+ 0.701

яь+ 10.03 0.602

С5+ 0.15 0.009

Э-КуАР, 0.934 1.04 и+ 0.005 ьг 0.0003

Ыа+ 0.003 0.0002

к+ 0.093 Г 0.0056

0.065 0.0039

С5+ 0.002 С5+ 0.00012

0-а/ро 0.871 1.02 1л+ 0.005 ьг 0.012

0.53 N3" 0.039

К+ 1.1 К+ 1.029

КЬ+ 0.98 яь+ 1.001

Сэ+ 0.01 С5+ 0.009

0-о/рс 0.869 1.02 и+ 0.05 ЬГ 0.003

Ыа+ 0.053 0.032

К 1.1 K+ 0.066

Rb+ 0.98 Rb+ 0.059

Cs+ 0.012 Cs+ 0.0007

D-Kvl.20 0.901 1.01 Li+ 0.32 Li+ 0.019

Na+ 0.56 Na+ 0.034

K+ 10.75 r 0.645

Rb+ 6.63 Rb+ 0.398

Cs+ 0.02 Cs+ 0.001

D-Kvl.2c 0.889 1.01 Li+ 0.002 Li+ 0.0001

Na+ 0.02 Na+ 0.001

K+ 0.06 K+ 0.0035

Rb+ 0.03 Rb+ 0.0018

Cs+ 0.002 Cs+ 0.0001

Представленные в табл. 3 результаты позволяют утверждать, что радиус поры и функциональные характеристики хирально модифицированных каналов практически совпадают с таковыми для соответствующих природных каналов. При этом хирально модифицированные каналы энергетически более стабильны, чем соответствующие природные каналы (хирально модифицированные каналы примерно в 1.2 раз энергетически более стабильны, чем существующие природные каналы).

В отличие от калиевых каналов, в результате подобных исследований структуры хирально модифицированного NRl-центра связывания NMDA-рецептора нами установлено, что комплекс природного NRl-центра связывания NMDA-рецептора и природных D-лигандов энергетически более стабилен, чем комплекс хирально модифицированного NRl-центра связывания NMDA-рецептора и неприродных L-энантиомеров лиганда. Так для лигандов Gly, Ser и eSer разность энергий комплексов составляет 134.18 ккал/моль, 148.29 ккал/моль и 145.04 ккал/моль, соответственно.

Молекулярный комплекс хирально модифицированного NRl-центра связывания NMDA-рецептора и природных D-лигандов энергетически менее стабилен, чем комплекс природного NRl-центра связывания NMDA-рецептора и природного D-лиганда. Для лигандов Gly, Ser и cSer разность энергий комплексов составляет 1457.05 ккал/моль, 1443.05 ккал/моль и 1447.99 ккал/моль, соответственно. Данный результат существенно отличается от результата, полученного для хирально модифицированных калиевых каналов с модельной первичной структурой. Нам представляется вполне очевидным, что для получения значения энергии комплекса хирально модифицированного центра связывания NMDA-

рецептора с Ь-лигандом согласующейся с энергией комплекса природного центра связывания ЫМРА-рецептора и природного лиганда, необходимо, кроме модификации первичной структуры рецептора, использование другого лиганда. Данное обстоятельство обусловлено тем, что, в отличие от иона, лиганд центра связывания КМБА-рецептора является более сложной (многоцентровой) молекулярной структурой.

Последний результат, возможно, означает, что в биосфере, которая использует Б-аминокислоты и Ь-сахара, совершенно другими были бы клеточные рецепторы и их субстраты. Следовательно, совершенно другой была бы и вся биохимия клеточных процессов, связанных с рецепцией.

Для исключения возможных артефактов метода энергетического выравнивания нами проверены коммутативность операций зеркального отражения и минимизации полной энергии молекулы. Проведено решение обратной задачи построения методом энергетического выравнивания структуры природного канала из структуры хирально модифицированного модельного канала с природными функциональными характеристиками. В результате функциональные характеристики модельного и природного канала достаточно хорошо согласуются друг с другом (абсолютная ошибка составляет не более 3%), а метод энергетического выравнивания можно считать надежным методом построения хирально модифицированных каналов с природными функциональными характеристиками.

Подобная коммутативность нами проверена также для грамицидинового канала - одного из наиболее хорошо изученных каналов, сформированным пептидным антибиотиком грамицидином А. Грамицидин синтезируется в ходе Э-матричного синтеза, который широко распространен у бактерий. При Б-матричном синтезе пептидов, возникшем на гораздо более поздних стадиях эволюции, чем синтез рибосомальный, могут использоваться нестандартные аминокислоты, в том числе и Б-аминокислоты. В результате проведенного расчета установлено, что расхождение отношений коэффициентов проницаемостей хирально модифицированного и природного грамицидинового канала составляет не более 2%, что подтверждает выполнение коммутативности рассмотренных операций.

Нам представляется, что в ходе предбиологической эволюции могли сформироваться белки, построенные из Р-аминокислот, но с первичной структурой, отличной от существующей природной структуры белков. Не вызывает со-

мнений, что в этом случае для обеспечения матричного синтеза О-амипокислотных белков нуклеиновые кислоты будут построены из Ь-сахаров. Следует отмстить, что существование биосферы, которая использует О-аминокислоты и Ь-сахара, согласуется с выводами традиционной теории спонтанного нарушения зеркальной симметрии и существуют достоверные данные о взаимодействии аминокислот и нуклеиновых кислот различной хиральности.

Если сравнить О-аминокислотные последовательности модельных каналов, сохранивших природную функциональность, то несложно установить варианты преобразований Ь-аминокислот в Б-аминокислоты (рис. 18). Причем это единственная схема преобразований, позволяющая получать хирально модифицированные модельные каналы с природной функциональностью.

в,.-^ А|_->А0 э^во С1_—>С0 0ь->00 Nl-.No КЬ-»К0 Н^Но Рь->Р0 Рь-^Рр и—Т^Эо ML-.Cn Е^Оо С^Ыо [^Ко WL-.NO

Рис. 18. Преобразование Ь-аминокислот в О-аминокислоты сохраняющее природную функциональность ионных каналов

Таким образом, любой П-аминокислотный канал может быть построен в виде комбинации 10 аминокислот (в, А, Б, С, О, N1, К, Н, Р, Р) и, соответственно, для их синтеза вполне достаточной была бы дублетная таблица Б-аминокислотного генетического кода, кодирующая не более 15 аминокислот. Нам представляется, что именно ионные каналы как молекулярные посредники формирования ионной асимметрии клеток - необходимого условия их стабильности, возможно, являются наиболее ранними белками.

Возможно, на более поздних этапах эволюции О-аминокислотных белков, в процессе увеличения разнообразия структур и функций белков, в матричный синтез могли бы быть включены другие О-аминокислоты, что привело бы к усложнению генетического кода до триплетного и увеличению разнообразия структур и функций белков.

Вопрос о возможном эволюционном возникновении большего разнообразия используемых в биосинтезе аминокислот может быть решен на основе теории коэволюции (\¥опд,1975). При этом полный анализ взаимодействия факторов эволюции, которое могло бы привести к переходу на триплетный код и к ис-

пользованию набора из 20 D-аминокислот в рибосомальном синтезе белков, выходит за рамки настоящей работы.

В четвертой главе рассмотрены структурные и функциональные характеристики ионных каналов, содержащие остатки D-Asp и iAsp появление которых может быть обусловлено посттрансляционными неферментативными модификациями остатков L-Asn и L-Asp in vivo.

Вплоть до 70-х годов прошлого века считалось, что все белки живых организмов состоят из L-аминокислотных остатков. Однако экспериментально было установлено, что со временем наблюдается увеличение содержания остатков D-Asp и iAsp в различных тканях организма человека и животных. Позднее было установлено, что данные аминокислотные остатки являются продуктами реакции посттрансляционной неферментативной модификации остатков L-Asp и L-Asn в белках.

Отмечено появление остатков D-Asp в белках больных болезнью Альц-геймера, Паркинсона, при склеротических изменениях в сердечно-сосудистой системе, при глазной катаракте и т.д., а также в очень медленно обновляющихся белках в норме, таких как коллаген, дентин и др.

Если появление остатков D-Asp характерно для очень медленно обновляющихся белков в норме и белков организма в патологическом состоянии, то появление iAsp характерно даже для медленно обновляющихся белков. Последнее связано с тем, что время жизни медленно обновляющихся белков превышает время образования остатков iAsp в этих белках. Образование D-Asp более длительный процесс при нормальных физиологических условиях.

Относительная частота содержания остатков D-Asp и (или) iAsp в белках с

временем жизни Т0 является решением дифференциального уравнения

v = v

iAsp-Xxx (D)iAsp-Xxx

1 X

(D)iAsp-Xxx

С с

\ Asx Asx-Xxx /

(V)

с периодическими начальными условиями х(о^Р-х>Т0) = 0,п = 0,1,2,3,...., характеризующими процесс обновления и деградации белков.

Здесь x(D)iA4,_x„ =X(D)„^x„/Cte - отношение количества остатков D-Asp

и (или) iAsp к общему количеству остатков Asx3, CAsx_Xe - количество остатков

Asx в фрагментах Asx-Xxx аминокислотной последовательности, v(D)iAs^Xxx -

скорость образования остатков D-Asp и iAsp из остатков Asx в зависимости от следующего за Asx остатка Ххх аминокислотной последовательности, п - определяет периодичность процесса обновления белка.

Относительная частота содержания остатков (D)-iAsp в одиночном белке, определяемая с помощью решения (7), имеет следующий вид

X(D)iAsp _2jCAm-Xxx SCAsx-XxxeXP

(D)iAsp '

Ххх Ххх

Asx-Xxx

-(t-nT0)

(В)

В зависимости (8) с^,^ = CAsx_Xxx/CAsx - относительная частота содержания фрагментов Asx-Xxx в аминокислотной последовательности белков.

Экспериментальному и теоретическому исследованию содержания остатков D-Asp и их влияния на функциональные характеристики очень медленно обновляющихся белков посвящено большое количество работ (см. обзор Ritz-Time et al., 2002). Напротив, практически отсутствуют работы посвященные исследованию содержания остатков iAsp и их влиянию на функциональные характеристики белков с Т0 >l/v, что характерно для большинства медленно обновляющихся белков, таких как ионные каналы.

В последнем случае представляет несомненный интерес исследование зависимости среднего, по совокупности белков организма, значения хЛч) от t для

медленно обновляющихся белков с Т0 = const и белков с Т0 = f(t) имеют следующий вид (рис. 19 и 20). Появление Т0 =f(t) обусловлено экспериментально установленным увеличением времени жизни белков с возрастом (Ward, 2000). Для построения (xiA4,) = (xiAlp^(t) с использованием (8) величины cAm_Xxx определяли по результатам статистического анализа 17704 Asn-содержащих аминокислотных последовательностей из Банка белковых структур, величины \^_Ххх

- по результатам регрессионного анализа, в котором в качестве независимой переменной использовали разность полных энергий дипептидов iAsp-Xxx и Asn-Ххх.

Для удобства, под Asx понимается один из остатков Asp или Asn

Зависимость, представленная на рис. 19 показывает, что (х^.^ имеет постоянное значение на протяжении жизни организма и составляет примерно 12%. Следовательно, даже в медленно обновляющихся белках возможно отличное от нуля содержание ¡Авр на протяжении жизни организма и это содержание не меняется с возрастом. График, представленный на рис. 20 наглядно демонстрирует, что учет Т0 = Т0(1) в выражении (8) приводит возрастающей зависимости

, даже для медленно обновляющихся белков.

Таким образом, представляет несомненный интерес исследование структурных и функциональных характеристик калий-

избирательных каналов, в которых проведена замена остатков Абп на ¡Аэр. Кроме того, важность таких исследований обусловлена существованием экспериментально

Рис. 19. Зависимость (х^^ = ^XiAsp^(t) для белков с Т0 = const 0,21

Рис. 20. Зависимость ^х^^ = ^х^^) для белков с Т0 = Г^)

установленных (Погорелов и др., 2006) возрастных изменений содержания Ыа+ и К+ в мышечной клетке сердца, которые сопряжены с нарушениями в работе ионных каналов.

Результаты наших расчетов показали, что замена остатков Абп на ¡Лэр в каналах приводит к уменьшению (в среднем в 1,2 раза) их энергетической стабильности. При этом если разность значений энергии соответствующих открытых и закрытых немодифицированных потенциал-зависимых ионных каналов может компенсироваться изменением разности потенциалов на концах мембраны, то для соответствующих модифицированных каналов такие компенсации весьма затруднительны. Вполне возможно, данный результат указывает на то, что изменения знака разности потенциалов на концах мембраны или недостаточно для перехода модифицированных калиевых каналов из открытого состояния в закрытое или требуют большего времени для такого перехода.

Для модифицированных каналов наблюдается существование линейной зависимости между током и напряжением на участке 0-60 мВ с величинами про-водииостей, незначительно отличающимися от проводимостей немодифицированных ионных каналов. Так, например для модифицированного канала КсэА gLr=0Л6пCм, =2.42пСм, £к. =33.15пСм, gRb, =31.41пСм и

gCs. = 0.20 пСм. При этом для всех модифицированных каналов наблюдается незначительное (порядка 0.1пА) увеличение ионных токов и неизменность отношений коэффициентов проницаемостей.

Таким образом, в результате старения организма может происходить увеличение ионных токов потенциал-зависимых калиевых каналов мембраны при сохранении свойства их калиевой избирательности.

Неферментативная рацемизация играет существенную роль в патогенезе болезией характерных для людей пожилого возраста. Так отмечено появление Б-Авр в белках больных болезнью Альцгеймера и Паркинсона. Вместе с тем существуют данные о вовлечении КМБА-рецепторов в патофизиологические процессы при указанных хронических заболеваниях. Поэтому представляет интерес исследование влияния остатков О-Абр в N111-центре связывания ИМБА-рецептора на взаимодействие с лигандами.

Молекулярно-динамическим моделированием мы определяли устойчивые конфигурации комплексов Б-аминокислотных лигандов с модифицированным

(NR1D-Asp)> содержащим остатки D-Asp, и немодифицированным NRl-центром связывания NMDA-рецептора.

На рис. 21 представлены равновесные энергии (Е) связывания D-аминокислотных лигандов с NR1-и NRlD.Asp-центром связывания. Значения Е для комплексов лигандов Gly, D-Ser, D-Asn, D-Thr и NR1-центра связывания принадлежат интервалу 80-100 ккал/моль, следовательно, данные лиганды наиболее прочно связываются с NR1. Этот результат согласуется с результатами кристаллографических исследований молекулярных основ стереоспецифичности связывания Gly и D-Ser (Furukawa et al., 2003) и дает возможность использовать молекулярно-динамичеекое моделирование в исследовании взаимодействия D-лигандов с NRlD-Asp-Центром связывания. Другие D-аминокислоты менее прочно связываются с NR1, а для D-Leu характерно отталкивание.

Неферментативная модификация аминокислотных остатков NRl-центра связывания приводит к увеличению количества D-лигандов, значение Е которых, принадлежит интервалу 80-100 ккал/моль. Это Gly, D-Ala, D-Asn, D-Ile, D-Leu, D-Pro, D-Ser, D-Thr. Отличительной особенностью данной совокупности аминокислот, является появление алифатических неполярных аминокислот DAla, D-Leu, D-Ile и D-Pro в качестве лигандов.

Таким образом, из всех возможных комбинаций аминокислот, наиболее стабильными являются молекулярные комплексы немодифицированного NRl-центра связывания с Gly, D-Ser, D-Asn и D-Thr. Наиболее стабильными являются молекулярные комплексы NRlD.Asp-neinpa связывания рецептора с Gly, D-Ala,

О-аминокислотный лиганд

Рис. 21. Равновесные энергии связывания О-лигандов с немодифицированным и модифицированным N111-центром связывания

D-Asn, D-Ile, D-Leu, D-Pro, D-Ser и D-Thr. Причем, для модифицированного NRl-центра связывания характерно наличие дополнительных алифатических аминокислотных лигандов: D-Ala, D-Leu, D-Ile и D-Pro. Следовательно, D-Ala, D-Leu, D-Ile и D-Pro можно рассматривать в качестве дополнительных эффективных лигандов NRl-центра связывания NMDA-рецептора в патологии.

ВЫВОДЫ

1) Модифицирован и теоретически обоснован комбинированный кванто-во-классический метод применительно к расчету энергетических профилей ионов в поре канала. Получено соответствие теоретических и экспериментальных значений функциональных характеристик каналов, определены значения функциональных характеристик ранее экспериментально не исследованных модифицированных каналов. Установлено, что расстояние между ионом и атомами поры канала, на котором возможно разделение квантовой и классической составляющей энергии, составляет 4.2Ä. Для калиевого канала в виде комплекса а- и ß-субъединиц предложена и теоретически обоснована модельная структура, которая согласуется с экспериментально наблюдаемой структурой гомологичного потенциал-зависимого калиевого канала Kv 1.2.

2) Хирально модифицированные модельные каналы с природной первичной структурой имеют относительно большой диаметр поры канала и не являются калий-избирательными каналами. При этом их полная потенциальная энергия совпадает с энергией соответствующих природных каналов.

3) Разработанный и теоретически реализованный метод построения хирально модифицированных каналов с природными функциональными характеристиками, основанный на энергетическом выравнивании третичных структур каналов с различными аминокислотными последовательностями, позволил получить молекулярные структуры хирально модифицированных каналов с функциональными характеристиками соответствующих природных каналов. При этом модельные каналы строятся из 10 D-аминокислотных остатков и являются энергетически более стабильными, чем соответствующие природные каналы.

явление остатков iAsp в калиевых ионных каналах приведет к уменьшению их энергетической стабильности, незначительному увеличению ионных токов при сохранении их калиевой избирательности.

5) Гипотетическое появление остатков D-Asp в NRl-центре связывания NMDA-рецептора, обусловленное патофизиологическими процессами при хронических заболеваниях пожилого возраста, способно привести к увеличению числа связываемых алифатических аминокислотных лигандов (D-Ala, D-Leu, D-Ile и D-Pro), что не свойственно для немодифицированного NRl-центра связывания.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах по списку ВАК

1. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Механизм местной анестезии: ориен-тационные эффекты на дальних расстояниях // Биофизика, 2000, Т.45, №6, с. 1066-1071.

2. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Поляризационные взаимодействия в системе анестетик-биомембрана: активность производных ацетанилида // Журнал физической химии, 2001, Т.75, №10, с. 1716-1720.

3. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Анализ количественных соотношений структура - анестезирующая активность ацетанилидов с применением регрессионных и квантовохимических методов // Химико-фармацевтический журнал, 2001, Т.35, №6, с. 54-56.

4. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П., Зайнутдинов A.B., Рожков А.Н. Влияние базиса на точность оценки дипольного момента молекулы ацетанилида // Журнал структурной химии, 2001, Т.42, №6, с. 1222-1225.

5. Дмитриев A.B., Исаева Г.А., Исаев П.П., Барышников В.Г., Ласточкин A.B. Уровни энергии и волновые функции иона в грамицидиновых каналах // Биофизика, 2002, Т.47, №5, с. 864-868.

6. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Взаимодействие местных анестетиков с модельными ионными каналами // Биофизика, 2002, Т.47, №3, с. 506511.

7. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Моделирование поляризационных взаимодействий в системе спирт - биомембрана // Известия вузов. Сер. Химия и хим. технология, 2003, Т.46, №6, с. 101-103.

8. Дмитриев A.B., Твердислов В.А. О методах расчета распределения потенциала в белковых порах // Биофизика, 2004, Т.49, №3, с. 506-510.

9. Дмитриев A.B., Марков И.В., Барышников В.Г., Твердислов В.А. Об использовании приближенных силовых полей для расчета распределения электростатического потенциала мембранных каналов // Журнал структурной химии, 2005, Т.46, №5, с. 624-628.

Ю.Дмитриев A.B., Исаев П.П., Твердислов В.А. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах распределения энергии ионов в мембранных каналах // Журнал структурной химии, 2006, Т.47, №2, с. 255-259.

П.Дмитриев A.B., Марков И.В., Барышников В.Г., Твердиелов В.А. Распределение энергии и ионная избирательность бактериального калиевого канала // Биофизика, 2006, Т.51, №4, с. 624-629.

12. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Влияние вязкости растворителя на молекулярную динамику грамицидинового канала // Известия вузов. Серия Химия и химическая технология, 2006, Т.49, №9, с. 40-42.

О.Дмитриев A.B., Марков И.В., Твердиелов В.А. Моделирование ионной избирательности потенциал-зависимого калиевого канала // Технологии живых систем, 2006, Т.З, №4, с. 39-42.

14. Дмитриев A.B., Твердиелов В.А. Моделирование последовательности кодо-нов белок-кодирующей области калиевого канала зеркальной клетки // Технологии живых систем, 2006, Т.З, №5, с. 39-41.

15. Дмитриев A.B., Исаев П.П., Твердиелов В.А. Влияние изомеризации аминокислотных остатков на структуру аквапорина // Журнал структурной химии, 2006, Т.47, №3, с. 578-580.

16. Дмитриев A.B., Марков И.В., Твердиелов В.А. Рацемизация бактериального калиевого канала и хиральная безопасность биосферы // Технологии живых систем, 2006, Т.З, №1, с. 5-8.

17. Дмитриев A.B., Марков И.В., Твердиелов В.А. Структура и ионная избирательность открытого потенциал-зависимого калиевого канала // Журнал структурной химии, 2007, Т.48, №1, с. 143-145.

18.Коротина A.C., Дмитриев A.B., Марков И.В., Твердиелов В.А. Изменение структуры аквапорина в результате биологического старения организма // Известия вузов. Сер. Химия и хим. технология, 2007, Т.50, №5, с. 128-129.

19.Коротина A.C., Дмитриев A.B., Марков И.В., Твердиелов В.А. Применение смешанных энергетических профилей ионов в расчетах токовых характеристик калиевого мембранного канала // Известия вузов. Сер. Химия и хим. технология, 2007, Т.50, №6, с. 115-116.

20.Коротина A.C., Дмитриев A.B., Твердиелов В.А. Моделирование лигандов нативного и хиралыю модифицированного NRl-центра связывания NMDA-рецептора // Биомедицинская химия, 2008, Т.50, №4, с. 415—416.

Статьи в других журналах, изданиях и тематических сборниках

21.Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Математическое моделирование межмолекулярных взаимодействий в системе анестетик-биомембрана // Вестник КГУ им. H.A. Некрасова, 2000, Т.2, №2, с. 50-55.

22. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Николаевский В.А., Исаев П.П. Дескрипторы молекулярной формы в исследованиях местноанестезирующей активности производных фенилпропиофенона // Прикладные информационные аспекты медицины, 2000, Т.З, №2, с. 46-50.

23. Дмитриев A.B., Исаев В.П., Исаева Г.А., Казак Е.В. Молекулярное моделирование ионных потоков через функциональную мембрану // Вестник КГУ им. H.A. Некрасова, 2002, №2, с. 8-13.

24. Дмитриев A.B., Исаева Г.А., Исаев П.П., Лузянин С.Е. Исследование ионных потоков через границу раздела раствор/мембрана // Конденсированные среды и межфазные границы, 2002, Т.5, №3, с. 35^10.

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

26. Дмитриев A.B., Твердиелов В.А. О возможности существования и структурных особенностях зеркального антипода природной клетки // Препринт физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, № 6/2005. Москва, 2005. 50 с.

27. Дмитриев A.B., Исаев П.П. Физическое объяснение водной проницаемости аквапорина АР, // Вестник КГУ им. H.A. Некрасова, 2005, Т.5, №4, с. 17-20.

28. Дмитриев A.B., Исаев П.П. Представление молекулы мембранного канала в системе координат с поворотной осью симметрии // Вестник КГУ им. H.A. Некрасова, 2005, Т.5, №7, с. 4-7.

29.Твердиелов В.А., Яковенко JI.B., Дмитриев A.B., Жаворонков A.A., Тверди-слова И.Л. Происхождение предшественников живой клетки. О двух фундаментальных асимметриях - ионной и хиральной / Проблемы регуляции в биологических системах. Биофизические аспекты / Под общей ред. А.Б. Рубина. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2007. с. 259291.

В материалах конференций

30. Дмитриев A.B., Зайнутдинов A.B., Рожков А.Н., Ткаченко К.Н., Исаева Г.А., Исаев П.П. Механизм местной анестезии: модельные взаимодействия в системе анестетик-мелиттин // Труды молодых ученых России: Сборник материалов 3-го Всероссийского медицинского конгресса. Ижевск: Изд-во Экспертиза, 2000. с. 16-18.

31. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П., Зайнутдинов A.B., Рожков А.Н. Математическое моделирование электростатических взаимодействий в системе анестетик-биомембрана // Математика. Образование. Экология. Тендерные проблемы: Тезисы докладов Международной конференции. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2000, с. 54-55.

32. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П., Зайнутдинов A.B., Рожков А.Н., Ткаченко К.Н. Математическое моделирование взаимодействий местных анестетиков с грамицидиновыми каналами биомембраны // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии: Тезисы докладов 4-я Международной научно-технической конференции. Владимир: Изд-во Ин-та оценки природ, ресурсов, 2000, с. 47-52.

33.Дмитриев A.B., Исаева Г.А., Исаев П.П. Математическое моделирование межмолекулярных взаимодействий в системе анестетик-биомембрана // Биохимическая физика на рубеже столетий: Тезисы докладов международной конференции. Москва: Изд-во Института биохимфизики РАН, 2000. с. 42.

34. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П., Зайнутдинов A.B., Рожков А.Н. Влияние внешней среды на равновесную геометрию грамицидинового канала // Математика. Компьютер. Образование: Тезисы докладов 8-й Международной конференции. Москва: Изд-во Прогресс-Традиция, 2001. с. 285.

35. Дмитриев A.B., Зайнутдинов A.B., Рожков А.Н., Исаева Г.А., Исаев П.П. Влияние внешней среды на структурируемость HHSH-конформера грамицидина А // Молекулярная физика неравновесных систем: Материалы 3-й Всероссийской научной конференции. Иваново: Изд-во ИГХТУ, 2001. с. 52-56.

36. Дмитриев A.B., Исаева Г.А., Исаев П.П., Слукина Ю.Л. Квантово-механическая модель движения иона в грамицидиновом канале мембраны // Компьютерное обеспечение химических исследований: Тезисы докладов Международного симпозиума. Москва: Изд-во ИОХ РАН, 2001. с. 49-50.

37.3айнутдинов A.B., Рожков А.Н., Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Исаев П.П. Моделирование равновесной геометрии аминокислот во внешнем электростатическом поле // Компьютерное обеспечение химических исследований: Тезисы докладов Международного симпозиума. Москва: Изд-во ИОХ РАН, 2001. с. 59-60.

38.Dmitriev А., Isaeva G., Isaev P. Analysis of residuals: statistical method in QSAR studies // Abstracts of the 7th Scandinavian Symposium on Chemometrics. 2001, V.3, p. 20-22.

39. Исаева Г.А., Дмитриев A.B., Казак Е.В., Кузьминова Р.В., Исаев П.П. Математическое моделирование физиологического отклика в системе анестетик-мембрана // XVIII Съезд физиологического общества им. И.П. Павлова: Тезисы докладов. Казань: Изд-во КГМУ, 2001. с. 104-105.

40.Лузянин С.Е., Дмитриев A.B., Исаева Г.А., Исаев П.П. Теоретическое и экспериментальное исследование ионных потоков через мембрану // Биология -наука 21-го века: Тезисы докладов 6-й Пущинской конференции молодых ученых. -Пущиио: Изд-во ПНЦ, 2002. с. 32.

41. Дмитриев A.B., Барышников В.Г., Лузянин С.Е. О конфигурациях электростатического поля в ионных каналах мембран // Биохимическая физика: тезисы докладов 2-й ежегодной молодежной конференции ИБХФ-ВУЗы. Москва: Изд-во ИБХФ РАН, 2002. с. 4.

42. Дмитриев A.B., Барышников В.Г. О движении ионов в порообразующих белковых молекулах // Молекулярное моделирование: тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции. - Москва: Изд-во ГЕОКХИ РАН, 2003. с. 9-10.

43.Мелихов Н.Д., Шмелев Р.В., Дмитриев A.B., Барышников В.Г. О распределении молекулярного электростатического потенциала в полости порообразующих белков // Молекулярное моделирование: тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции. - Москва: Изд-во ГЕОКХИ РАН, 2003. с. 94-95.

44.Исаева Г.А., Исаев В.П., Дмитриев A.B. Квантовохимическое исследование проводимости ионных каналов биологических мембран // Молекулярная биология, химия и физика гетерогенных систем: Материалы 7-й Международной конференции, Москва-Плес. 2003. Иваново: Изд-во ЮНОНА, 2003. с. 49-54.

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

46. Исаева Г.А., Шмелев Р.В., Исаев П.П., Дмитриев A.B., Лапшина Н.П. Моделирование биологической активности местноанестезирующих и антиаритмических препаратов // 3-й Съезд биофизиков России: тезисы докладов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2004. с. 525-526.

47. Дмитриев A.B., Марков И.В., Твердислов В.А. Моделирование третичной структуры функционально эквивалентных изомеров трансмембранных белков И 4-я Всероссийская конференция "Молекулярное моделирование": тезисы докладов. Москва, 2005. с. 35-37.

48. Марков И.В., Дмитриев A.B. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах распределения энергии в аксиально-симметричных мембранных каналах // Международная конференция «Ломоносов-2005»: тезисы докладов. Москва, 2005. с. 40-41.

49. Марков И.В., Дмитриев A.B. Предсказание первичной и третичной структуры D-изомеров модельных белков функционально эквивалентных природным мембранным белкам // Международная конференция «Ломоносов-2005»: тезисы докладов. Москва, 2005. с. 42-44.

Подписано в печать 20.01.09 г. Формат 60x84 1/16. Бумага 80 гр/кв.м.. Объем 3 печ. л. Тираж 100 экз. Отпечатано в ГУ «Издательский дом «Липецкая газета», г. Липецк, ул. Московская, 83. Лицензия ИД № 02891 от 26.09.2000 г. Заказ № 110.

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Дмитриев, Андрей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

I. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОФИЛЕЙ ИОНОВ МЕМБРАННЫХ КАНАЛОВ (НА ПРИМЕРЕ ПОТЕНЦИАЛ-НЕЗАВИСИМОГО КАЛИЕВОГО КАНАЛА KCSA).

1.1. Введение.

1.2. Расчет энергетических профилей ионов в мембранных каналах.

1.2.1. Введение.

1.2.2. Представление ионного канала в системе координат с поворотной осью симметрии.

1.2.3. Расчет эффективной диэлектрической постоянной и энергии ион-водного комплекса в поре канала.

1.2.4. Расчет энергетических профилей методами силового поля.

1.2.5. Расчет взаимодействия местных анестетиков с модельными каналами методом силового поля.

1.2.6. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах энергетических профилей: описание и физическое обоснование метода.

1.2.7. Результаты и их обсуждение.

1.3. Расчет функциональных характеристик одиночных каналов.

1.3.1. Введение.

1.3.2. Ионный ток, проводимость и вольтамперная характеристика одиночного канала.

1.3.3. Результаты и их обсуждение.

1.4. Неэмпирический расчет энергетических профилей ионов в канале.

1.4.1. Выбор системы базисных функций.

1.4.2. Результаты и их обсуждение.

1.5. Выводы.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУШСЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМЫХ КАЛИЕВЫХ КАНАЛОВ

КЛЕТКИ.

2.1. Введение.

2.2. Потенциал-зависимый калиевый канал KvAP из Aeropyrum pernix.

2.2.1. Структура и механизмы функционирования канала.

2.2.2. Энергетические профили канала.

2.2.3. Функциональные характеристики канала.

2.3. Потенциал-зависимый калиевый канал в виде комплекса а- и Р-субъединицы из Rattus norvegicus.

2.3.1. Структура и механизмы функционирования канала.

2.3.2. Энергетические профили канала.

2.3.3. Функциональные характеристики канала.

2.3.4. Построение третичной структуры а/р-канала в закрытом состоянии.!

2.4. Потенциал-зависимый калиевый канал Kvl.2 типа Shaker из Rattus norvegicus.

2.4.1. Структура и механизмы функционирования канала.

2.4.2. Энергетические профили канала.

2.4.3. Функциональные характеристики канала.

2.5. Выводы.

III. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ХИРАЛЬНО МОДИФИЦИРОВАННЫХ МОДЕЛЬНЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ С ИНВАРИАНТНОЙ И МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ.

3.1. Введение.

3.2. Структурные и функциональные характеристики хирально модифицированных каналов с инвариантной первичной структурой.

3.2.1. Потенциал-независимый калиевый канал KcsA.

3.2.2. Потенциал-зависимый калиевый канал KvAP.

3.2.3. Потенциал-зависимый калиевый а/(3-канал.

3.2.4. Потенциал-зависимый калиевый канал Kvl.2.

3.2.5. NRl-центр связывания NMDА-рецептора.

3.3. Структурные и функциональные характеристики хирально модифицированных каналов с модифицированной первичной структурой.

3.3.1. Энергетическое выравнивание структур — метод построения хирально модифицированных каналов с природной функциональностью.

3.3.2. Потенциал-независимый калиевый канал KcsA.

3.3.3. Потенциал-зависимый калиевый канал KvAP.

3.3.4. Модельный потенциал-зависимый калиевый канал в виде комплекса а-и (3-субъединиц.

3.3.5. Потенциал-зависимый калиевый канал Kvl.2.

3.3.6. NR1 -центр связывания NMDА-рецептора.

3.4. Выводы.

IV. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

НЕФЕРМЕНТАТИВНОЙ ИЗОМЕРИЗАЦИИ И РАЦЕМИЗАЦИИ АМИНОКИСЛОТ ИОННЫХ КАНАЛОВ НА ИХ СТРУКТУРНЫЕ И

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

4.1. Введение.

4.1.1. Рацемизация аминокислот в белках организма.

4.1.2. In vivo механизм рацемизации Asx стареющих белков.

4.1.3. Рацемизация Asx как молекулярный индикатор старения белков.

4.1.4. Связь рацемизации Asx с деградацией белков при патологических состояниях.

4.1.5. Механизмы репарации и обновления как защита от молекулярного повреждения рацемизацией Asx.

4.1.6. Патофизиологическая роль рацемизации Asx в ходе старения.

4.1.7. Скорость неферментативной рацемизации Asx.

4.1.8. Рацемизация Asx как часть комплексной биологии старения белков.

4.1.9. Неферментативная изомеризация Asx в белках организма.

4.2. Математическое моделирование динамики неферментативной изомеризации и рацемизации аминокислот в белках.

4.2.1. Одиночный модельный белок.

4.2.2. Совокупность белков организма в норме с учетом распределения скоростей изомеризации и относительных частот фрагмента Asn-Xxx.

4.2.3. Одиночный белок с учетом увеличения времени жизни белков с возрастом.

4.3. Влияние неферментативной изомеризации аспарагина ионных каналов на их структурно-функциональные характеристики.

4.3.1. Структура ионных каналов с isoAsp-остатками.

4.3.2. Функциональные характеристики ионных каналов с isoAsp-остатками

4.4. Структура модифицированного NR1-центра связывания NMDA-рецептора в комплексе с D-аминокислотными лигандами.

4.5. Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов"

Актуальность работы. Перенос ионов через биологические мембраны является одним из наиболее важных процессов, происходящих в живых клетках. Обеспечивая общую термодинамическую неравновесность клетки, он играет основополагающую роль в таких важнейших физиологических процессах, как преобразование энергии, поддержание постоянного химического состава внутренней среды, регуляция и рецепция, биологическая подвижность, распространение импульса и др. Так как липидный бислой мембраны создает исключительно высокий энергетический барьер для прохождения ионов, то осуществление ионного транспорта требует наличия специализированных макромолекулярных структур, которые могли бы существенно уменьшить этот энергетический барьер. Именно эту роль выполняют ионные насосы, ионные каналы, ионообменники, антибиотики. Среди различных ион-транспортных систем ионные каналы характеризуются относительно высокой скоростью транспорта в сочетании с высокой селективностью к транспортируемым ионам.

Центральной проблемой в исследовании физических свойств ионных каналов является установление связи между их структурой и функциями. Появление экспериментальной информации по структуре ионных каналов стимулировало разработку различных теоретических подходов к исследованию механизмов переноса ионов в каналах, основывающихся, прежде всего, на уравнениях молекулярной и броуновской динамики, теории абсолютных скоростей реакций Эйринга и теории диффузии Пуассона-Нернста-Планка. Вместе с тем прогресс в теоретическом исследовании механизмов переноса ионов существенно затруднен из-за отсутствия единого подхода к оценке энергетических профилей ионов в канале, которые, в явном или неявном виде, включены во все вышеуказанные уравнения. Следствием этого является физически неоднозначная калибровка параметров энергетических профилей и уравнений для расчета функциональных характеристик каналов, таких как проводимости, ионные токи, вольтамперные характеристики и отношения коэффициентов проницаемостей для различных ионов.

Ионная асимметрия в содержании важнейших катионов во внутренней среде клеток относительно внешней среды, формируемая при участии ионных насосов и ионных каналов, непосредственным образом связана с другой фундаментальной асимметрией - хиральной асимметрией важнейших биомолекул во всей биосфере, которая проявляется в построении нуклеиновых кислот из D-энантиомеров (дезокси)рибозы, а синтезируемых в рибосомах белков — из L-энантиомеров аминокислот. Так существуют близкие значения свободной энергии, необходимой для формирования хирально чистых биополимеров и ионной асимметрии клеток [110].'

Рассматривая общие структурные и функциональные особенности живой клетки, целесообразно выделить два аспекта нарушения зеркальной симметрии биомолекул. Во-первых, это эволюционно востребованная необходимость гомохиральности, во-вторых - эволюционно закрепившийся знак хиральности.

Физико-химические и биологические основы гомохиральности биополимеров в последнее время изучены достаточно разносторонне [1, 13, 110, 107]. Так гомохиральность белков и нуклеиновых кислот определяет их стереоспецифичность - необходимое условие матричного синтеза, обусловливает стабильность их структур, обеспечивающих их функционирование. Для биохимических преобразований гомохиральных соединений требуется значительно меньший набор ферментов, чем для таких же преобразований гетерохиральных соединений. Основы механизмов сопряжения ионной и хиральной асимметрий рассмотрены в работах Твердислова, Яковенко, Дмитриева (1988 - 2008).

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области исследования гомохиральности биополимеров, физико-химическое и биологическое основы того, что белки-ферменты и нуклеиновые кислоты имеют строго определенный знак хиральности, остаются недостаточно выясненными. Интерес к этой проблеме усиливается тем, что, согласно гипотезам спонтанной дерацемизации и решающей роли глобального фактора преимущества [13], повторение всей совокупности событий, приведших к появлению хиральной чистоты, равновероятно способно привести к такой гипотетической биосфере, которая использовала бы D-аминокислоты и L-caxapa.

Следует отметить, что, помимо Сахаров и аминокислот, другие хиральные компоненты клетки в определенных случаях могут встречаться как в одной, так и в другой изомерной форме. В некоторых бактериях обнаружены L-caxapa и D-аминокислоты. D-аминокислоты достаточно широко распространены в живой природе и, более того, входят в состав ряда биологически значимых коротких олигопептидов. Встречаются бактерии, которые содержат D-гл ютами новую кислоту и D-Ala в своих клеточных стенках, а в организме человека вырабатывается в качестве нейромедиатора D-Ser. Некоторые пептидные антибиотики, а также плазма крови высших организмов, имеют в своем составе D-аминокислоты. Некоторые термофилы используют высокие концентрации D-Ala в качестве осморегулятора. В нервных клетках высших организмов находят D-Ala, D-Asp и D-Ser, иногда в значительных концентрациях. Поэтому в деталях биологический мир не обнаруживает хиральной чистоты, но все, что относится к рибосомальному синтезу полипептидов, характеризуется абсолютной хиральной чистотой.

Нарушение хиральной чистоты аминокислот в белках является следствием их посттрансляционной модификации - неферментативной рацемизации и изомеризации аминокислот в белках. Причем из двадцати аминокислот, участвующих в рибосомальном синтезе, прежде всего Asp- и Asn-остатки в белках являются наиболее подверженными неферментативной модификации: рацемизации и изомеризации. Если накопление остатков D-Asp в белках - достаточно долгий процесс, который является наиболее значимым для очень медленно обновляющихся белков и белков организма, вовлеченных в патофизиологические процессы при заболеваниях пожилого возраста, то появление остатков iAsp в белках — существенно для функционирования медленно обновляющихся белков даже в норме.

Отдавая должное значительным успехам экспериментальной молекулярной геронтологии последних лет, достигнутым в данном направлении, следует отметить, что в ряде случаев функциональные нарушения, связанные с хиральными нарушениями, можно исследовать исключительно в модельных компьютерных экспериментах. В первую очередь это относится к молекулярным структурам, присутствующим в отдельных клетках в незначительных количествах, как, например, в белковых ион-транспортных системах мембран. Тем более, когда изменение знака хиральности захватывает аминокислотные группы, укрытые в их гидрофильных ион-связывающих полостях. При этом принципиально важно в рамках единого численного эксперимента выполнить сравнение функций нормальных и хирально модифицированных молекулярных структур.

Для достижения цели исследования решались следующие задачи:

1) Выбор и обоснование метода расчета энергетических профилей ионов в мембранных каналах, не требующего значительных затрат расчетного времени и предсказывающего с хорошей точностью функциональные характеристики каналов.

Объект и предмет исследования. Объектом теоретического исследования являлись:

1) ионные каналы клетки (потенциал-независимый калиевый канал KcsA из Streptomyces lividans, потенциал-зависимый калиевый канал KvAP из Aeropyrum pernix, потенциал-зависимый калиевый канал Kvl.2 из Rattus norvegicus, комплекс а- и (З-субъединицы калиевого канала из Homo sapiens)',

2) NR1-центр связывания NMDA-рецептора из Rattus noi~vegicus в комплексе с Gly, D-Ser и D-cSer;

3) модельные D-аминокислотные каналы с модифицированной и инвариантной природной первичной структурой;

4) модельные ионные каналы, содержащие остатки D-Asp и iAsp.

Сведения о четвертичной структуре природных белков получены из

Банка белковых структур". Выбор выше указанной группы каналов

2 Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory, USA обусловлен тем, что для них существуют надежные экспериментальные данные по структуре и функциональным характеристикам.

Предпосылки и направление исследования.

Экспериментально обнаруженная и теоретически изучаемая модификация отдельных аминокислотных остатков каналов приведет не к ожидаемой инвариантности их третичной структуры, а к ее нарушению. Последнее обстоятельство является причиной изменения функциональных характеристик каналов. Для построения хирально модифицированных модельных каналов с природной функциональностью необходима модификация их первичной структуры. Появление остатков D-Asp и iAsp в ионных каналах, обусловленное старением организма или его патологическим состоянием, повлечет изменение их функциональных характеристик и в определенных случаях нарушение механизмов их функционирования.

Научная новизна и значимость полученных результатов. В результате исследований впервые:

2) Установлено, что использование полученных комбинированных энергетических профилей дает возможность вычислять функциональные характеристики каналов с хорошей точностью, что показано на примере ионной специфичности калиевых каналов клетки. Предложена и теоретически обоснована модельная структура ионного канала в виде комплекса а и Р субъединиц, согласующаяся с экспериментально наблюдаемой структурой гомологичного потенциал-зависимого калиевого канала Kv 1.2.

4) Предложен метод, основанный на вариации первичной структуры и энергетическом выравнивании третичных структур, позволяющий моделировать атомную структуру хирально модифицированного модельного канала с природной функциональностью. Построенные из 10 D-аминокислотных остатков каналы являются энергетически эквивалентными по полной механической энергии соответствующим природным каналам и с аналогичными функциональными характеристиками.

6) В численном эксперименте показано, что появление остатков iAsp в калиевых ионных каналах приводит к уменьшению их энергетической стабильности, незначительному увеличению ионных токов при сохранении их калиевой избирательности. Появление остатков D-Asp в NR1-центре связывания NMDA-рецептора, обусловленное патофизиологическими процессами при хронических заболеваниях пожилого возраста, приводит к появлению дополнительных алифатических аминокислотных лигандов (D-Ala, D-Leu, D-Ile и D-Pro), что не свойственно для немодифицированного NR1 -центра связывания.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработанные подходы позволяют изучать функциональные характеристики ионных каналов, моделировать атомные структуры хирально модифицированных модельных ионных каналов с функциональными характеристиками, свойственными природным каналам.

Учитывая, что значительное число заболеваний связано с «каналопатологиями» - нарушениями функционирования ионных каналов или связанных с ними рецепторов, полученные результаты и разработанные подходы могут быть использованы при разработке стратегии и средств лечения этих заболеваний. Полученные результаты могут применяться при исследовании биологического отклика организмов на хиральные фармпрепараты и модификацию аминокислотных остатков каналов под воздействием антропогенных внешних факторов при решении проблем хиральной безопасности биосферы.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1) Теоретическое обоснование комбинированного квантово-классического метода для расчета энергетических профилей, с помощью которого установлено, что в клетке с хирально модифицированными калиевыми каналами с природной первичной структурой будут нарушены многие биологические процессы, обусловленные функционированием калиевых ионных каналов. Появление остатков iAsp в калий-избирательных каналах и остатков D-Asp в NR1-центре связывания NMDA-рецептора, обусловленное посттрансляционными неферментативными модификациями аминокислотных остатков, приводит к нарушению структуры и функциональных характеристик каналов.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации представлены на 3-й Региональной научно-технической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности ЦЧ РФ» (Липецк, 1999), 7-й Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 2000), 3-м Всероссийском медицинском конгрессе (Ижевск, 2000), 3-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1998), 5-й Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 1999), 3-й Всероссийский симпозиум «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 1999), 4-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 2000), 5-й Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2000), Международной конференции «Математика. Образование. Экология. Тендерные проблемы» (Воронеж,

2000), 4-й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2000), Международной конференции «Биохимическая физика на рубеже столетий» (Москва, 2000), 2-й Региональной научной конференции по органической химии «Органическая химия на пороге третьего тысячелетия - итоги и перспективы» (Липецк, 2000), 5-й Пущинской конференции молодых ученых «Биология - наука 21-го века» (Пущино, 2001), 8-й Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2001), 2-й Конференции молодых ученых России с международным участием «Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины» (Москва,

2001), 3-й Всероссийской научной конференции «Молекулярная физика неравновесных систем» (Иваново, 2001), Международном симпозиуме «Компьютерное обеспечение химических исследований» (Москва, 2001), 7th Scandinavian Symposium on Chemometrics (Copenhagen, 2001), XVIII Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Казань, 2001), Школесеминаре «Введение в многомерный анализ данных (проекционные методы)» (Москва, 2001), 3-й Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В. А. Фока (Великий Новгород, 2001), Международной школе-конференции «Введение в многомерный анализ данных (проекционные методы)» (Кострома, 2002), 13th International Congress on Molecular Biology (Toronto, 2002), 8-м Всероссийском симпозиуме «Биоинформатика и компьютерное конструирование лекарств» (Москва, 2002), 6-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология -наука 21-го века» (Пущино, 2002), 3-й Всероссийской конференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2003), 4th Symposium on Multivariate Data Analysis (Moscow, 2003), 3-м Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004), 4-й Всероссийской конференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2005), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005» (Москва, 2005), Международной научной конференции «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 2006), 5-м Съезде Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков (Минск, 2006), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания» (Липецк, 2006), 5-й Всероссийской конференции «Молекулярное моделирование» (Москва, 2007), 3-м Всероссийском съезде фармакологов (Санкт-Петербург, 2007), 5-м Международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» (Воронеж, 2007), 5-м Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2008).

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Дмитриев, Андрей Викторович

VI. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Модифицирован и теоретически обоснован комбинированный квантово-классический метод применительно к расчету энергетических профилей ионов в поре канала. Получено соответствие теоретических и экспериментальных значений функциональных характеристик каналов, определены значения функциональных характеристик ранее экспериментально не исследованных модифицированных каналов. Установлено, что расстояние между ионом и атомами поры канала, на котором возможно разделение квантовой и классической составляющей энергии, составляет 4.2А. Для калиевого канала в виде комплекса а- и (3-субъединиц предложена и теоретически обоснована модельная структура, которая согласуется с экспериментально наблюдаемой структурой гомологичного потенциал-зависимого калиевого канала Kv 1.2.

4) Формирование остатков iAsp может быть значимым процессом не только для очень медленно обновляющихся белков, но и для медленно обновляющихся белков, таких как ионные каналы. Теоретически прогнозируется, что появление остатков iAsp в калиевых ионных каналах приведет к уменьшению их энергетической стабильности, незначительному увеличению ионных токов при сохранении их калиевой избирательности.

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы являлось исследование структурных и функциональных характеристик природных и хирально модифицированных модельных каналах с инвариантной и модифицированной первичной структурой.

При написании работы мы не задавались вопросом о возможных причинах, послуживших эволюционному закреплению хирального состава современной природной клетки. Частичные ответы на этот вопрос можно найти в обзорах [1, 13, 107, 110, 99, 88, 109, 460]. В любом случае, в литературе, посвященной данной проблеме, отсутствуют какие-либо физически обоснованные данные, свидетельствующие о невозможности существования эволюционного сценария происхождения зеркальной клетки — клетки компонентами которой являются белки-ферменты, построенные из D-аминокислот, и нуклеиновые кислоты, построенные из L-сахаров.

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

В заключение отметим, что за рамками данной работы остались весьма актуальная проблема эволюционной фиксации аминокислот и нуклеиновых кислот гомохиральности строго определенного типа, последствия загрязнения организма «неприродными» изомерами и, прежде всего, проблема хиральной безопасности биосферы. Кратко отметим, что под экологической безопасностью в настоящее время понимается защищенность населения и экосистем от негативных последствий природных и техногенных катастроф, а также антропогенного воздействия на качество окружающей среды. В связи с тем, что многие органические вещества природного и техногенного происхождения имеют энантиомерные формы, существенно различающиеся по эффектам воздействия на организмы, вплоть до токсического и мутагенного, проблема «хиральной чистоты биосферы», являясь по принадлежности экологической, по существу имеет биофизическую, или, шире, биогеофизическую и биогеохимическую основу.

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

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

Приведенные в настоящей диссертации результаты демонстрируют, что методы квантовой химии, молекулярной механики и динамики, теории абсолютных скоростей реакции Эйринга являются мощными средствами исследования функционирования как природных, так и модельных хирально модифицированных мембранных каналов, а также построения и исследования механизмов функционирования хирально модифицированных модлельных белков функционально эквивалентных соответствующим природным белкам.

Хирально модифицированные ионные каналы с модифицированной первичной структурой теоретически могут продуцироваться в клетке при условии, что ее нуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты включают L-сахара, а ферменты — D-аминокислоты. В этом случае возможны два взаимоисключающих сценария матричного синтеза таких каналов. Первый сценарий связан с тем, что ген «зеркальной клетки», кодирующий данную аминокислотную последовательность должен отличаться от гена, кодирующего природный калиевый канал. Второй сценарий теоретически возможен при сохранении нуклеотидной последовательности гена, кодирующего аминокислотную последовательность природного калиевого канала. Это изменение может быть следствием преобразования единого универсального генетического кода. Причем для получения первичной структуры любого D-белка, функционально эквивалентного природному, достаточно комбинации 10 аминокислот: G, A, S, С, D, N, К, Н, F, Р.

В таком «зеркальном мире» таблица генетического кода будет включать 10 D-аминокислот. Если предполагать, что ДНК будет составлена из четырех оснований, то в данном случае достаточным будет дублетный код, кодирующий 16 аминокислот, а не триплетный код с 64 кодонами.

Двукратное уменьшение аминокислот в генетическом коде приведет к сокращению в 2N раз (N - количество аминокислотных остатков в белке) количества различных вариантов D-аминокислотной последовательности белка и существенному уменьшению разнообразия структур и функций белков зеркальной клетки. Возможно, последнее обстоятельство играло решающую роль в выборе знака хиральности аминокислот в ходе эволюции.

Более подробно рассмотрим особенности гипотетического рибосомального синтеза хирально модифицированных каналов с природной функциональностью.

5.1. Особенности рибосомального синтеза природных мембранных каналов

Матричный синтез природных белков происходит с участием ДНК и различные РНК (матричная (мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК)). Упрощено [251] схема биологического синтеза белков выглядит следующим образом. Отрезок ДНК (ген), на котором закодирована первичная структура белка активизируется, т.е. в этом месте двойная спираль ДНК расплетается. На обнажившемся участке из отдельных нуклеотидов синтезируется молекула матричной РНК (мРНК). Законченная молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму. Здесь на нее нанизываются рибосомы, в которой происходит синтез белка по программе, записанной в мРНК. Каждая рибосома движется вдоль мРНК, переходя от одного триплета нуклеотидов к другому. В данном случае каждый триплет комплементарно связан с определенной молекулой транспортной РНК (тРНК). Из всех молекул тРНК, входящих в рибосому, именно эта тРНК (комплементарная) связывается с мРНК, и противоположный конец тРНК с присоединенной к нему аминокислотой приблизится к месту сборки полипептидной цепи. Здесь аминокислота отделяется от тРНК и присоединяется к аминокислотной цепи. Затем тРНК выделяется в цитоплазму, а рибосома передвигается к следующему триплету. Каждой тРНК соответствует только одна аминокислота, и таким образом, последовательность триплетов нуклеотидов мРНК копирует последовательность аминокислот в цепочке. Следует отметить, что каждый из этапов биосинтеза проходит при участии особых белков-катализаторов — ферментов и источников энергии — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

В более детальной схеме [94], биологический синтез происходит в результате последовательности двух стадий:

1) транскрипции - переноса генетической информации от ДНК к РНК;

2) трансляции — декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка.

Фундаментальную роль в матричном синтезе белков играет генетический код, который связывает последовательность оснований данного гена или его РНК-транскрипта с аминокислотной последовательностью соответствующего белка.

Генетический код удобно представлять в виде, так называемой, таблицы кода, которая указывает, какая аминокислота кодируется тем или иным кодоном (последовательность трех нуклеотидов). Направление чтения закодированной записи - от 5'-конца к З'-концу мРНК, являющейся транскриптом «+»-цепи ДНК, считанным с нее в направлении 5'—>3'. Первый с 5'-конца кодон отвечает N-концевой аминокислоте полипептидной цепи. Таким образом, белки синтезируются от N-конца к С-концу. В таблице 35 первый нуклеотид помещен в левом столбце, второй — в верхней строке, а третий — в правом столбце.

Библиография Диссертация по биологии, доктора физико-математических наук, Дмитриев, Андрей Викторович, Москва

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

2. Альберт Э. Избирательная токсичность. М.: Мир, 1971. с. 25, 50.

3. Бараш Ю.С. Силы Ван-Дер-Ваальса. М.: Наука, 1988. 344 с.

4. Бацанов С.С. Структурная химия. Факты и зависимости. М.: Диалог-МГУ, 2000. 292 с.

5. Бредов М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н. Классическая электродинамика. М.: Наука, 1985. 400 с.

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

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

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

9. Геннис Р. Биологические мембраны. Молекулярная структура и функции. М.: Мир, 1997, 624 с.

10. Гершфельдер Дж., Кэртисс Ч., Бэрд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961. 650 с.

11. Гладик Ж. Биофизика. М.: Мир, 1983. 72 с.

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

13. Грибов JI.A., Муштакова С.П. Квантовая химия. М.: Гардарики, 1999. 390 с.

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

15. Дмитриев А.В., Барышников В.Г. О движении ионов в порообразующих белковых молекулах // Молекулярное моделирование: тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции. -Москва: Изд-во ГЕОКХИ РАН, 2003. С. 10-11.

16. Дмитриев А.В., Барышников В.Г., Лузянин С.Е. О конфигурациях электростатического поля в ионных каналах мембран // Биохимическая физика: тезисы докладов 2-й ежегодной молодежной конференции ИБХФ-ВУЗы. Москва: Изд-во ИБХФ РАН, 2002. - С.З.

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

18. Дмитриев А.В., Твердислов В.А. Исследование ионной избирательности потенциал-зависимого калиевого канала // Журнал структурной химии. 2006. - Т.47. - №4. - С.557-565.

19. Дмитриев А.В., Исаев П.П. Представление молекулы мембранного канала в системе координат с поворотной осью симметрии // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. 2005. - Т.5. - №7. - С.4-7.

20. Дмитриев А.В., Исаев П.П. Сравнительный анализ методов расчета потенциала димера грамицидина А // Биохимическая физика: тезисы докладов 2-й ежегодной молодежной конференции ИБХФ-ВУЗы. -Москва: Изд-во ИБХФ РАН, 2002. С.4.

21. Дмитриев А.В., Исаев П.П. Физическое объяснение водной проницаемости аквапорина API // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. 2005. Т. 5. №4. С. 17-20.

22. Дмитриев А.В., Исаев П.П., Твердислов В.А. Влияние изомеризации аминокислотных остатков на структуру аквапорина // Журнал структурной химии. 2006. - Т.47. -№3. - С. 100-120.

23. Дмитриев А.В., Исаев П.П., Твердислов В.А. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах распределения энергии ионов в мембранных каналах // Журнал структурной химии. 2006. — Т.47. — №2. - С.255-259.

24. Дмитриев А.В., Исаева Г.А., Исаев П.П., Барышников В.Г., Ласточкин А.В. Уровни энергии и волновые функции иона в грамицидиновых каналах // Биофизика. 2002. Т. 47. №5. С. 864-868.

25. Дмитриев А.В., Исаева Г.А., Исаев П.П., Лузянин С.Е. Исследование ионных потоков через границу раздела раствор/мембрана // Конденсированные среды и межфазные границы. 2002. Т. 5. №3. С. 3540.

26. Дмитриев А.В., Марков И.В., Барышников В.Г., Твердислов В.А. Об использовании приближенных силовых полей для расчета распределения электростатического потенциала мембранных каналов // Журнал структурной химии. 2005. Т. 46. №5. С. 624-628.

27. Дмитриев А.В., Марков И.В., Барышников В.Г., Твердислов В.А. Распределение энергии и ионная избирательность бактериального калиевого канала // Биофизика. 2006. - Т.51. - №4. - С. 1006-1011.

28. Дмитриев А.В., Марков И.В., Твердислов В.А. Моделирование третичной структуры функционально эквивалентных изомеров трансмембранных белков // 4-я Всероссийская конференция "Молекулярное моделирование": тезисы докладов. Москва, 2005. С. 3537.

29. Дмитриев А.В., Твердислов В.А. О возможности существования и структурных особенностях зеркального антипода природной клетки // Препринт Физ. ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова. 2005. 50 с.

30. Дмитриев А.В., Твердислов В.А. О методах расчета распределения потенциала в белковых порах // Биофизика. 2004. Т.49. - №3. - С.506-510.

31. Дмитриев А.В., Марков И.В., Твердислов В.А. Рацемизация бактериального калиевого канала и хиральная безопасность биосферы // Технологии живых систем. 2006. - Т.З. - №1. - С.5-8.

32. Жаворонковс А.А. Взаимодействие ионов и хиральных соединений в модельных и биологических системах / Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М. МГУ, 2008. 134 с.

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

34. Зайнутдинов А.В., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Компьютерная программа моделирования равновесной геометрии молекул аминокислот // Биохимическая физика: тезисы докладов 2-й ежегодной молодежной конференции ИБХФ-ВУЗы. Москва: Изд-во ИБХФ РАН, 2002. - С.5.

35. Исаева Г.А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Анализ количественных соотношений структура анестезирующая активность ацетанилидов с применением регрессионных и квантово-химических методов // Химико-фармацевтический журнал. 2001. Т. 35. №6. С.54-56.

36. Исаева Г.А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Взаимодействие местных анестетиков с модельными ионными каналами // Биофизика. 2002. Т.47. №3. С. 506-511.

37. Исаева Г.А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Влияние вязкости растворителя на молекулярную динамику грамицидинового канала // Известия вузов. Серия Химия и химическая технология. 2001. Т. 44. №6. С. 560-568.

38. Исаева Г. А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Математическое моделирование межмолекулярных взаимодействий в системе анестетик-биомембрана // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова. 2000. Т. 2. №2. С. 50-55.

39. Исаева Г.А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Механизм местной анестезии: ориентационные эффекты на дальних расстояниях // Биофизика. 2000. Т.45. №6. С. 1066-1071.

40. Исаева Г. А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Моделирование поляризационных взаимодействий в системе спирт биомембрана // Известия вузов. Сер. Химия и хим. технология. 2003. Т. 46. №6. С. 101103.

41. Исаева Г.А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Моделирование растворимости местных анестетиков ряда фенилпропиофенона // Современные проблемы информатизации: Тезисы докладов 5-й Республиканской электронной научной конференции. Воронеж, 2000. — С.21.

42. Исаева Г.А., Дмитриев А.В., Исаев П.П. Поляризационные взаимодействия в системе анестетик-биомембрана: активность производных ацетанилида // Журнал физической химии. 2001. Т. 75. №10. С. 1716-1720.

43. Исаева Г.А., Дмитриев А.В., Исаев П.П., Зайнутдинов А.В., Рожков А.Н. Влияние базиса на точность оценки дипольного момента молекулы ацетанилида // Журнал структурной химии. 2001. Т. 42. №6. С. 1222-1225.

44. Исаева Г. А., Дмитриев А.В., Николаевский В. А., Исаев П.П. Дескрипторы молекулярной формы в исследованиях местноанестезирующей активности производных фенилпропиофенона // Прикладные информационные аспекты медицины. 2000. Т. 3. №2. С. 46-50.

45. Исаева Г.А., Шмелев Р.В., Исаев П.П., Дмитриев А.В., Лапшина Н.П. Моделирование биологической активности местноанестезирующих и антиаритмических препаратов // 3-й Съезд биофизиков России: тезисы докладов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2004. с. 525-526.

46. Каплан И.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. М.: Наука, 1982.312 с.

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

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

49. Корыта И. Ионы, электроды, мембраны. М.: Мир, 1983. 264 с.

50. Лайфут Э.И. Явления переноса в живых системах. М.: Мир, 1977. 520 с.

51. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). М.: Наука, 1989. 768 с.

52. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1973. 504 с.

53. Ленинджер А. Биохимия. М.: Мир, 1974. с. 869, 655, 661.

54. Лузянин С.Е., Дмитриев А.В., Исаева Г.А., Исаев П.П. Теоретическое и экспериментальное исследование ионных потоков через мембрану // Биология наука 21-го века: Тезисы докладов 6-й Пущинской конференции молодых ученых. - Пущино: Изд-во ПНЦ, 2002.

55. Лурия С.Е., Дарнелл Дж. Общая вирусология. М.: Мир, 1967. с. 367.

56. Маркин B.C., Пастушенко В.Ф., Чизмаджев Ю.А. Теория возбудимых сред. М.: Наука, 1981. 275 с.

57. Марков И.В., Дмитриев А.В. Предсказание первичной и третичной структуры D-изомеров модельных белков функционально эквивалентных природным мембранным белкам // Международная конференция «Ломоносов-2005»: тезисы докладов. Москва, 2005. — С.42-44.

58. Марков И.В., Дмитриев А.В. Разделение дальних и ближних взаимодействий в расчетах распределения энергии в аксиально-симметричных мембранных каналах // Международная конференция «Ломоносов-2005»: тезисы докладов. Москва, 2005. С.40-41.

59. Межмолекулярные взаимодействия: от двухатомных молекул до биополимеров / Под ред. Б. Пюльмана. М.: Мир, 1981. 592 с.

60. Мембраны: ионные каналы / Сб. статей. Под ред. Ю.А. Чизмаджева. М.: Наука, 1981.320 с.

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

62. Миронов С. Л. Сравнение структуры селективных фильтров кальциевого и натриевого каналов в возбудимых мембранах // ДАН СССР. 1983. Т. 268. №9. С. 731-735.

63. Наточин Ю.В. Физико-химические детерминанты физиологической эволюции: от протоклетки к человеку // Российский физиологический журнал. 2006. Т. 92. С. 57-72.

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

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

66. Погорелов А.Г., Русаков А.В., Погорелова В.Н. Цитоплазматический K/Na-баланс в мышечной клетке сердца при кислород-субстратномдефиците у молодых и старых крыс // Биофизика. 2006. Т. 51. №5. С. 852-858.

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

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

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

70. Рубин А.Б. Биофизика. Т.1 и 2. М.: Изд-во МГУ, 1987. Т. 1. 319 с. Т. 2. 302 с.

71. Сазыкин Ю.О. Антибиотики как ингибиторы биохимических процессов. М.: Наука, 1968. 265 с.

72. Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестник РАН. 2001. Т. 71. С. 320-328.

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

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

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

76. Тихонов А.Н., Погребная А.Ф., Романовский Ю.М. Электростатические взаимодействия в каталитических центрах F1-АТФазы // Биофизика. 2003. Т. 48. С. 1052-1070.

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

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

79. Хильчевская Р.И. Кровообращение и старость. Киев: Здоровье, 1965. с. 235.

80. Хильчевская Р.И. Материалы X научной конференции по возрастной морфологии, физиологии и биохимии. Т. 2, ч. II. М., АН СССР, АПН СССР, 1971. с. 291.

81. Хильчевская Р.И. Роль асимметрии симметрии в процессах происхождения жизни на Земле // Журн. Всес. хим. общества им. Д.И. Менделеева. 1980. Т. 25. №4. С. 418-425.

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

83. Чизмаджев Ю.А., Черномордик JI.B., Пастушенко В.Ф., Абидор И.Г. / Итоги науки и техники. Биофизика мембран. Т. 2. М.: ВИНИТИ, 1982. С. 161-266.

84. Эбелинг В., Андреас Э., Райнер Ф. Физика процессов эволюции. Пер. с нем. М.: Эдиториал УРСС, 2001. 328 с.

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

86. Adcock С., Smith G.R., Sansom M.S.P. Electrostatics and the Ion Selectivity of Ligand-Gated Channels // Biophys. J. 1998. V. 75. P. 12111222.

87. Aidley D.J., Stanfield P.R. Ion channels. Molecules in action. Cambridge University Press, 1996. 307 p.

88. Allen T.W., Chung S.H. Brownian dynamics study of an open-state KcsA potassium channel // Biochim. Biophys. Acta. 2001. V. 1515. P. 83-91.

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

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

91. Aqvist J., Luzhkov V. Ion permeation mechanism of the potassium channel //Nature. 2000. V. 404. P. 881-884.

92. Armstrong N., Gouaux E. Mechanisms for activation and antagonism of an AMPA-sensitive glutamate receptor: crystal structures of the GluR2 ligand binding core //Neuron. 2002. V. 28. P. 165-181.

93. Armstrong N., Sun Y., Chen G.-Q., Gouaux E. Structure of a glutamate receptor ligand binding core in complex with kainite // Nature. 1998. V. 395. P. 913-917.

94. Arseniev A.S., Barsukov I.L., Bystrov V.F., Lomize A.L., Ovchinnikov Y.A. 1H-NMR Study of Gramicidin A Transmembrane Ion Channel // FEBS Letters. 1985. V. 186. P. 168-174.

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

96. Aswad D.W., Paranandi M.V., Schurter B.T. Isoaspartate in peptides and proteins: formation, significance, and analysis // J. Pharm. Biomed. Anal., 2000, V. 21, P. 1129-1136.

97. Aswad, D.W. Deamidation and Isoaspartate Formation in Peptides and Proteins. CRC Press, Boca Raton, FL, 1995

98. Bada J.L. In vivo racemization in mammalian proteins // Methods Enzymol. 1984, V. 106, P. 98-115.

99. Bada J.L., Protsch R. Racemization reaction of aspartic acid and its use in dating fossil bones // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1973, V. 70, P. 13311334.

100. Bailey A.J. Molecular mechanisms of ageing in connective tissues // Mech. Ageing Dev., 2001, V. 122, P. 735-755.

101. Baker O.S., Larsson H.P., Mannuzzu L.M., Isacoff E.Y. Three transmembrane conformations and sequence-dependent displacement of the S4 domain in Shaker K+ channel gating // Neuron. 1998. V. 20. P. 12831294.

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

103. Berneche S., Roux B. Energetic of ion conduction through the K+ channel // Nature. 2001. V. 414. P. 73-77.

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

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

106. Bezanilla F. Voltage sensor movements // J. Gen. Physiol. 2002. V. 120. P. 465-473.

107. Bhattacharyya S.K., Banerjee A.B. // Can. J. Microbiol. 1969. V. 15. P. 1107-1113.

108. Biervert C., Schroeder B.C., Kubisch C., Berkovic S.F., Propping P., Jentsch T.J., Steinlein O.K. A potassium channel mutation in neonatal human epilepsy // Science. 1998. V. 279. V. 403-406.

109. Blumberg P.M., Sfrominger J.L. // Bacteriol. Rev. 1974. V. 38. P. 291-302.

110. Bogusz S., Boxer A., Busath D. P-barrel structure for the voltage-activated potassium channel //Protein Engineering. 1992. V. 5. P. 285-293.

111. Booth T.D., Wahnon D., Wainer I.W. Is chiral recognition a three-point process? // Chirality. 1997. V. 9. P. 96-98.

112. Borhani D.W., Harter T.M., Petrash J.M. The crystal structure of the aldose reductase. NADPH binary complex // J. Biol. Chem. 1992. V. 267. P. 24841-24847.

113. Brady J.D., Ju J., Robins S.P. Isoaspartyl bond formation within N-terminal sequences of collagen type I: implications for their use as markers of collagen degradation // Clin. Sci., 1999, V. 96, P. 209-215.

114. Braun W. Local Deformation Studies of Chain Molecules: Differential Conditions for Changes of Dihedral Angles // Biopolymers. 1987. V. 26. P. 1691-1704.

115. Brennan T.V., Clarke S. Spontaneous degradation of polypeptides at aspartyl and asparaginyl residues-effects of the solvent dielectric // Protein Sci., 1993, V. 2, P. 331-338.

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

117. Brooks 111, Karplus C.M., Pettit B.M. Proteins: a theoretical perspective of dynamics, structure and thermodynamics. New York: John Willey & Sons, 1988. 543 p.

118. Brown R.H. Ion channel mutations in periodic paralysis and related myotonic diseas // Annals of the New York Academy of Sciencees. 1993. V. 707. P. 305-316.

119. Browne D.L., Brunt E.R., Griggs R.C., Nutt J.G., Gancher S.T., Smith E.A., Litt M. Identification of two new KCNA1 mutations in episodic ataxia'mvokvmia families // Hum Mol Genet. 1995. V. 4. P. 1671-1672.

120. Browne D.L., Gancher S.T., Nutt J.C., Brunt E.R.P., Smith E.A. Episodic ataxia/myokomia syndrome is associated with point mutations in the human potassium channel gene // KCNA1. Nature Genetics. 1994. V. 8. P. 136-140.

121. Brunauer L.S., Clarke S., Age-dependent accumulation of protein residues which can be hydrolyzed to d-aspartic acid in human erythrocytes // J. Biol. Chem, 1986, V. 261, P. 12538-12543.

122. Bruner S.D, Norman D.P.G, Verdine G.L. Structural basis for recognition and repair of the endogenous mutagen 8-oxoguanine in DNA // Nature, 2000, v. 403, p. 859-866.

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

124. Butler A, Wei A, Baker K, Salkoff L. A family of putative potassium channel genes in Drosophila// Science. 1989. V. 243. P. 943-947.

125. Bycroft B.W. Comprehensive Organic Chemistry. Vol. 5. Oxford: Pergamon Press, 1979. p. 241.

126. Cannon S.C. Sodium channel detects in myotonia and periodic paralysis // Annu RevNeurosci. 1996. V. 19. P. 141- 164.

127. Capasso S. Estimation of the deamidation rate of asparagine side chains // Peptide Res, 2000, V. 55, P. 224-229.

128. Capasso S, Di Cerbo P. Kinetic and thermodynamic control of the relative yield of the deamidation of asparagine and isomerization of aspartic acid residues // J. Peptide Res, 2000, V. 56, P. 382-387.

129. Capasso S, Mazzarella L, Sica F, Zagari A, Salvadori S. Spontaneous cyclization of the aspartic acid side chain to the succinimide derivative // J. Chem. Soc. Chem. Comm., 1992, V. 12, P. 919-921.

130. Capasso S, Mazzarella L, Zagari A. Deamidation via cyclic imide of asparaginyl peptides: dependence on salts, buffers and organic solvents // Peptide Res, 1991, V. 4, P. 234-238.

131. Capasso S, Salvadori S. Effect of the three-dimensional structure on the deamidation reaction of ribonuclease A // J. Peptide Res, 1999, V. 54, P. 377-382.

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

133. Certain P.R, Bruch L.W. International review of science, Phys. Chem. Series 1. V. 1. Ch. 4. Butterworth. L, 1972. 450 p.

134. Chandy K.G, Douglas J, Gutman G.A, Jan L, Joho R, Kalzmavek L, MacKinnon D, North R.A, Numa S, Philipson L, Ribera A.B. Simplified gene nomenclature // Nature. 1991. V. 352. P. 26.

135. Charlier С., Singh N.A., Ryan S.G., Lewis T.B., Reus B.E., Leach R.J., Leppert M. A pore mutation in a novel KQT-like potassium channel gene in an idiopathic epilepsy family // Nat Genet. 1998. V. 18. P. 53-55.

136. Chazin W.J., Kossiakoff A.A. The role of secondary and tertiary structures in intramolecular deamidation of proteins. In: Aswad, D.W. (Ed.), Deamidation and Isoaspartate Formation in Peptides and Proteins. CRC Press, Boca Raton, FL, 1995. pp. 193-206.

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

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

139. Choi K.L., Mossman C., Aube J., Yellen G. The internal quaternary ammonium receptor site of Shaker potassium channel // Neuron. 1993. V. 10. P. 533-541.

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

141. Clarke S. Propensity for spontaneous succinimide formation from aspartyl and asparaginyl residues in cellular proteins // Int. J. Peptide Protein Res., 1987, V. 30, P. 808-821.

142. Clementy E. Computational aspects for large chemical systems. Berlin: Springer Verlag, 1980. 184 p.

143. Clementy E., Habitz P. // J. Chem. Phys. 1983. V. 78. P. 6841-6848.

144. Cloos P.A.C., Fledelius C. Collagen fragments in urine derived from bone resorption are highly racemized and isomerized: a biological clock of protein aging with clinical potential // Biochem. J. 2000, V. 345, P. 473-480.

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

146. Collins M.J., Waite E.R., van Duin A.C.T. Predicting protein decomposition: the case of aspartic-acid racemization kinetics // Philos. Trans. R. Soc. London 354 (Ser. B), 1999, P. 51-64.

147. Conway B.E. Ionic hydration in chemistry and Biophysics. New York: Elsewier Science, 1981. 301 p.

148. Copeland R.A. Enzymes: a practical introduction to structure, mechanisms and data analysis. New York: John Wiley & Sons, 2000. p. 149-150.

149. Corrigan J.J., Srinivasan N.G. // Biochem. 1966. V. 5. P. 1185-1195.

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

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

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

153. CovaiTubias M., Wei A., Salkoff L. Shaker, Shal, Shab and Shaw express independent K+ current systems // Neuron. 1991. V. 7. P. 763-773.

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

155. Creighton Т.Е. Proteins. New York: John Willey & Sons, 1993. 505 p.

156. Crozier P.S., Henderson D., Rowley R.L., Busath D.D. Model Channel Ion Currents in NaCl-Extended Simple Point Charge Water Solution with

157. Applied-Field Molecular Dynamics // Biophys. J. 2001. V. 81. P. 30773089.

158. Cull-Candy S., Brickley S. and Farrant M. NMDA receptor subunits: diversity, development and disease // Curr. Opin. Neurobiol. 2001. V. 11. P. 327-335.

159. Curran M.E., Splawski I., Timothy K.W., Vincent G.M., Green E.D., Keating M.T. A molecular basis for cardiac arrhythmia: HERG mutations cause cause long QT syndrome // Cell. 1995. V. 80. P. 795-803.

160. David C.L., Orpiszewski J., Zhu X.C., Reissner K.J., Aswad D.W. Isoaspartate in chrondroitin sulfate proteoglycans of mammalian brain // J. Biol. Chem., 1998, V. 273, P. 32063-32070.

161. Davies J.S. In: Chemistry and Biochemistry of the Amino Acids. Peptides. Proteins. Vol. 4. New York, Dekker, 1977, p. 1.188. de Marco C.//Enzymologia. 1969. V. 36. P. 111-120.

162. DeVry C.G., Clarke S. Polymorphic forms of the protein L-isoaspartate (D-aspartate) O-methyltransferase involved in the repair of age-damaged proteins // J. Hum. Genet., 1999, V. 44, P. 275-288.

163. Di Salvo M.L., Delle Fratte S., Maras В., Bossa F., Wright H.T., Schirch V. Deamidation of asparagine residues in a recombinant serine hydroxymethyltransferase // Arch. Bioch. Biophys., 1999, V. 372, P. 271279.

164. Dittrich M., Daut J. Voltage-dependent K+ current in capillary endothelial cells isolated from guinea pig heart // Am. J. Physiol. 1999. V. 277. P. 119127.

165. Dmitriev A., Isaeva G., Isaev P. Analysis of residuals: statistical method in QSAR studies // Abstracts of the 7th Scandinavian Symposium on Chemometrics. 2001. - V.3. - P.20-22.

166. Dmitriev A.V., Baryshnikov V.G., Markov I.V., Tverdislov V.A. Band and point statistical estimation of channelforming polypeptides potential /

167. Progress in Chemometrics Research. 2005. USA, NY: Nova Science Publishers, P.30-45.

168. Dobbs K.D, Hehre W.J. Molecular orbital theory of the properties of inorganic and organometallic compounds. 4. Extended basis sets for third-and fourth-row, main group elements // J. Comput. Chem. 1986. V. 7. P. 359-378.

169. Dobbs K.D, Hehre W.J. Molecular orbital theory of the properties of inorganic and organometallic compounds. 5. Extended basis sets for first-row transition metals // J. Comput. Chem. 1987. V. 8. P. 861-879.

170. Dobbs K.D, Hehre W.J. Molecular orbital theory of the properties of inorganic and organometallic compounds. 6. Extended basis sets for second-row transition metals // J. Comput. Chem. 1987. V. 8. P. 880-893.

171. Dopico A.M., Widmer H, JWang-G.^Lemos J.R, Treistman S.N. Rat supraoptic magnocellular neurons show district large conductance, Ca2+-activated K+ channel subtypes in cell bodies versus nerve endings // J. Physiol. (London). 1999. V. 519. P. 101-114.

172. Doyle D.A, Morais C.J, Pfuetzer R.A, Kuo A, Gulbis J.M, Cohen S.L, Chait B.T, MacKinnon R. The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity // Science. 1998. V. 280. P. 69-77.

173. Dunlop D. S, Neidle A, McHale D, Dunlop D. M, Lajtha A. The presence of free D-aspartic acid in rodents and man // Biochem. Biophis. Res. Commun. 1986. V. 141. P. 27.

174. Dunning J.T.H, Hay P.J. Gaussian basis set for molecular calculation / Methods of electronic structure theory. Modern theoretical chemistry. Schaefer H.F. (Ed.) V. 3. Plenum Press. New York, 1977. pp. 1-27.

175. Eisenberg R.S. Channels as Enzymes // J. Memb. Biol. 1990. V. 115. P. 112.

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

177. Eisenman G. Cation selective electrodes and their mode of operation // Biophys. J. 1962. V. 2. P. 259-323.

178. Eisenman G. The influence of Na, K, Li, Rb and Cs on cellular potentials and related phenomena // Bol. Inst. Estud. Med. Biol. 1963. V. 21. P. 155183.

179. Eisenman G., Horn R. Ionic selectivity revisited: The role of kinetic and equilibrium processes in ionic permeation through channels // J. Membr. Biol. 1983. V. 76. P. 197-225.

180. Eisenman G., Krasne S. The ionic selectivity of carrier molecules, membranes and enzymes / MTP International Review of Science. V. 2. London: Butterworths, 1975. p. 27-59.

181. Eyring H., Lumry R., Woodbury J.W. Some applications of modern rate theory to physiological systems // Record of Chemical Progress. 1946. V. 100. P. 100-114.

182. Fabian H., Szendrei G.I., Mantsch H.H., Greenberg B.D., Otvos L. Synthetic posttranslationally modified human a-beta peptide exhibits a markedly increased tendency to form beta-pleated sheets in vitro // Eur. J. Biochem., 1994, V. 221, P. 959-964.

183. Feller S.E., Yin D., Pastor R.W., MacKerell A.D. Molecular Dynamics Simulation of Unsaturated Lipids at Low Hydration: Parametrization and Comparison with Diffraction Studies // Biophys. J. 1997. V. 73. P. 22692279.

184. Fisher G.H., Garcia N.M., Payan I.L., Cadilla-Perzrios R., Sheremata W.A., Man E.H. D-aspartic acid in purified myelin and myelin basic protein // Biochem. Biophys. Res. Comm., 1986, P. 683-687.

185. Fu D., Libson A., Miercke L.J.W., Weitzman C., Nollert P., Krucinski J., Stroud R.M. Structure of a glycerol conducting channel and the basis for its selectivity// Science. 2000. V. 290. P. 481-486.

186. Fu S.-J., Fan C.-C., Song H.-W., Wei F.-Q. Age estimation using a modified HPLC determination of ratio of aspartic acid in dentin // Forensic Sci. Int.,1995, V. 73, P. 35-40.

187. Fujii N. D-Amino Acid in Elderly Tissues // Biol. Pharm. Bull. 2005. V. 28(9). P. 1585-1589.

188. Fujii N., Momose Y., Harada K. Kinetic study of racemization of aspartyl residues in model peptides of aA-crystallin // Int. J. Peptide Protein Res.,1996, V. 48, P. 118-122.

189. Fujii N., Momose Y., Ishibashi Y., Uemura Т., Takita M., Takehana M. Specific racemization and isomerization of the aspartyl residue of A-crystallin due to UV-B irradiation // Exp. Eye Res., 1997, V. 65, P. 99-104.

190. Fujii N., Momose Y., Ishii N., Takita M., Akaboshi M., Kodama M. The mechanism of simultaneous stereoinversion, racemization, and isomerization at specific aspartyl residues of aged lens protein // Mech. Ageing Develop., 1999, V. 107, P. 347-358.

191. Fujii N., Shimo-Oka Т., Ogiso M., Momose Y., Kodama Т., Kodama M., Akaboshi M. Localization of biologically uncommon d-beta-aspartate-containing alpha A-crystallin in human eye lens // Mol. Vis., 2000, V. 6, P. 1-5.

192. Fujii N, Takemoto L.J, Momose Y, Matsumoto S, Hiroko K, Akaboshi M. Formation of four isomers at the Asp-151 residue of aged human aA-crystallin by natural aging // Biochem. Biophys. Res. Comm., 1999, V. 265, P. 746-751.

193. Fujii N, Tamanoi I, Muraoka S, Joshima H, Kashima M, Harada K. D-aspartic acid in aged mouse skin and lens // J. Radiation Res, 1987, V. 28, P. 117-125.

194. Furukawa H, Gouax E. Mechanisms of activation, inhibition and specificity: crystal structures of the NMDA receptor NR1 ligand-binding core // EMBO J. 2003. V. 22. P. 2873-2875.

195. Galletti P, Ingrosso D, Manna C, Clemente G, Zappia V. Protein damage and methylationmediated repair in the erythrocyte // Biochem. J, 1995, V. 306, P. 313-325.

196. Gandhi C.S, Isacoff E.Y. Molecular models of voltage sensing // J. Gen. Physiol. 2002. V. 120. P. 455-463.

197. Gay L.A, Stanfield P.R. The selectivity of the delayed potassium conductance of frog skeletal muscle fibres // Pflugers Arch. 1978. V. 378. P. 177-179.

198. Geiger T, Clarke S. Deamidation, isomerization, and racemization at asparaginyl and aspartyl residues in peptides // J. Biol. Chem, 1987, V. 262, P. 785-794.

199. George J.C, Bada J, Zeh J, Scott L, Brown S.E, O'Hara T, Suydam R. Age and growth estimates of bowhead whales (Balaena mysticetus) via aspartic acid racemization // Can. J. Zool. Rev. Can. Zool, 1999, V. 77, P. 571-580.

200. Gineyts E, Cloos P.A.C, Borel O, Grimaud L, Delmas P.D, Garnero P. Racemization and isomerization of type I collagen C-telopeptides in human bone and soft tissues: assessment of tissue turnover // Biochem. J, 2000, V. 345, P. 481^85.

201. Giuffra M.E., Sethy V.H., Davis T.L. // Mov. Disord. 1993. V. 8. P. 147150.

202. Glasstone S.K., Laidler K.J., Eyring H. The theory of Rate Processes. New York: McGraw-Hill, 1941. 403 p.

203. Gray C.G., Gubbins K.E. Theory of molecular fluids. Oxford: Clarendon Press, 1984. V. 1. 626 p.

204. Grayson P., Tajkhorshid E., Schulten K. Mechanisms of selectivity in channels and enzymes studied with interactive molecular dynamics // Biophys. J. 2003. V. 85. P. 36-48.

205. Groenen P.J.T.A., van den Ijssel P.R.L.A., Voorter C.E.M., Bloemendal H., de Jong W.W. Site-specific racemization in aging A-crystalin // FEBS Lett., 1999, V. 269, P. 109-112.

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

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

208. Guidoni L., Torre V., Carloni P. Water and potassium inside the KcsA K+ channel // FEBS Lett. 2000. V. 477. P. 37-42.

209. Hagivara S., Takanashi K. The anomalous rectification and cation selectivity of the membrane of a starfish egg cell // J. Membr. Biol. 1974. V. 18. P. 6180.

210. ITagler A.T., Lifson S., Huler E. Peptides, Polypeptides and Proteins. Eds. E.R. Blout. New York: Willey, 1974. 323 p.

211. Hamase K., Homma H., Takigawa Y., Fukushima Т., Santa Т., Imai K. Regional distribution and postnatal changes of d -amino acids in rat brain // Biochem. Biophis. Acta. 1997. V. 1334. P. 214.

212. Hanna M.G., Wood N.V., Kullmann D.M. Ion channels and neurological disease: DNA based diagnosis is now possible, and ion channels may beimportant in common paroxysmal disorders // J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1998. V. 65. P. 427-431.

213. Hashimoto A., Oka T. Free D-aspartate and D-serine in the mammalian brain and periphery // Prog. Neurobiol. 1997. V. 52. P. 325.

214. Heginbotham L., LeMasurier M., Kolmakova-Partensky L., Miller C. Single Streptomyces lividans K+ channels: functional asymmetries and sidedness of proton activation //J. Gen. Physiol. 1999. V. 114. P. 551-559.

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

216. Helfman P.M., Bada J.L. Aspartic acid racemisation in dentine as a measure of ageing //Nature, 1976, V. 262, P. 279-281.

217. Helfman P.M., Bada J.L. Aspartic acid racemization in tooth enamel from living humans // Proc Natl. Acad. Sci. USA, 1975, V. 72, P. 2891-2894.

218. Helfman P.M., Bada J.L., Shou M.-Y. Considerations on the role of aspartic acid racemization in the aging process // Gerontology, 1977, V. 23, P. 419— 425.

219. Hienmann S.H., Terlau H., Stuhmer W., Imoto K., Numa S. Calcium channel characteristics conferred on the sodium channel by single mutations // Nature. 1992. V. 356. P. 441-443.

220. Hill T.L. Free energy transduction in biology. New York: Academic Press, 1977. 365 p.

221. Hille B. Ionic channels of excitable membranes. 2nd ed. Sunderland: Sinauer Associates, 1992. 487 p.

222. Hille B. Potassium channels in myelinated nerve. Selective permeability to small cations // J. Gen. Physiol. 1973. V. 61. P. 669-686.

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

224. Hirsch J.R., Weber G., Kleta I., Schlatter E. A novel cGMP-regulated K+ channel in immortalized human kidney epithelial cells // J. Physiol. (London). 1999. V. 519. P. 645-655.

225. Hirschberg В., Maylie J., Adelman J.P., Marrion N.V. Gating properties of single SK channels in hippocampal CA1 pyramidal neurons // Biophys. J. 1999. V. 77. P. 1905-1913.

226. Hoeprich P.D. // J. Biol. Chem. 1965. V. 240. P. 1654-1663.

227. Honorio K.M., Da Silva A.B.F. An AMI study on the electron-donating and electron-accepting character of biomolecules // Int. J. Quant. Chem. 2003. V 95. P. 126-132.

228. Horn R. Coupled movements in voltage-gated ion channels // J. Gen. Physiol. 2002. V. 120. P. 449-453.

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

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

231. Inaba M., Gupta K.C., Kuwabara M., Takahashi Т., Benz E.J., Maede Y. Deamidation of human erythrocyte protein 4.1: possible role in ageing // Blood, 1992, V. 79, P. 3355-3361.

232. Ingrosso D., Perna A.F. D-amino acids in aging erythrocytes // EXS. 1998. V. 85. P. 119-141.

233. Ingrosso D., Perna A.F. D-amino acids in aging erythrocytes // EXS, 1998, V. 85, P. 119-141.

234. Isacoff E,Y., Jan Y.N., Jan L.Y. Putative receptor for the cytoplasmic inactivation fgate in the Shaker K+ channel // Nature. 1991. V. 353. P. 8690.

235. Isacoff E.Y., Jan Y.N., Jan L.Y. Evidence for the formation of heteromultimeric potassium channel in Xenopus oocytes // Nature. 1990. V. 345. P. 530-534.

236. Jez J.M., Flynn T.G., Penning T.M. A new nomenclature for the aldo-keto reductase superfamily//Biochem. Pharmacol. 1997. V. 54. P. 639-647.

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

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

239. Jiang Y, Lee A, Chen J, Ruta V, Cadene M, Chait B.T, MacKinnon R. X-ray structure of a voltage-dependent K+ channel // Nature. 2003. V. 423. P. 33-41.

240. Jiang Y, Ruta V, Chen J, Lee A, MacKinnon R. The principle of gating . charge movement in a voltage-dependent K+ channel // Nature. 2003. V. 423. P. 42-48.

241. Johnson B.A, Aswad D.W. Identification and topography of substrates for protein carboxyl methylrransferase in synaptic membranes and myelin-enriched fractions of bovine and rat brain // J. Neurochem, 1985, V. 45, P. 1119-1127.

242. Johnson B.A, Ngo S.Q, Aswad D.W. Widespread phylogenetic distribution of a protein methyltransferase that modifies L-isoaspartyl residues // Biochem. Int., 1991, V. 24, P. 841-847.

243. Jurkat R.K, Lerche H, Mitrovic N, Lehmann H.F. Teaching course: ion channelopathies in neurology // J Neurol. 1999. V. 246. P. 758-763.

244. Kagan R.M, McFadden H.J, McFadden P.N, Oconnor C, Clarke S. Molecular phylogenetics of a protein repair methyltransferase // Сотр. Biochem. Physiol. B, Biochem. Mol. Biol, 1997, V. 117, P. 379-385.

245. Kagan R.M, Niewmierzycka A, Clarke S. Targeted gene disruption of the Caenorhabditis elegans L- isoaspartyl protein repair methyltransferase impairs survival of dauer stage nematodes // Arch. Biochem. Biophys, 1997, V. 348, P. 320-328.

246. Karin N.J, Cook J.S. Turnover of the catalytic subunit of Na, K-ATPase in HTC cells //J. Biol. Chem. 1986. V. 261. P. 10422-10428.

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

248. Kebarle P. Modern aspects of electrochemistry. V. 11. Eds. Conway B.E. and Bockris J.O.M. New York: Plenum Publishing, 1974. 503 p.

249. Kemp J.A., McKernan R.M. NMDA receptor pathways as drug targets // Nat. Neurosci. 2002. V. 5. P. 1039-1042.

250. Kenessey A., Yen S.H., Liu W.K., Yang X.R., Dunlop D.S. Detection of d-aspartate in tau-proteins associated with Alzheimer paired helical filaments // Brain Res., 1995, V. 675, P. 183-189.

251. Koch M.C., Steinmeyer K., Lorenz C., Ricker K., Wolf F., Otto M., Zoll В., Lehmann H.F., Grzeschik K.IL, Jentsch T.J. The skeletal muscle chloride channel in dominant and recessive human myotonia // Science. 1992. V. 257. P. 797-800.

252. Kohler M., Burnashev N., Sakmann В., Seeburg P. H. Determinants of ca2+ permeability in both TM1 and TM2 of high affinity kainate receptor channels: Diversity by RNA editing // Neuron. 1993. V. 10. P. 491-500.

253. Kohr G., Eckardt S., Luddens H., Monyer H., Seeburg P.H. NMDA receptor channels: subunit-specific potentiation by reducing agents // Neuron. 1994. V. 12. P. 1031-1040.

254. Kossiakoff A.A. Tertiary structure is a principal determinant to protein deamidation // Science, 1988, V. 240, P. 191-194.

255. Kraus J.E, McNamara J.O. Clinical relevance of defects in signalling pathways // Cur. Opin. Neur. 1995. V. 5. P. 358-366.

256. Krupka R.M., Deves R. Kinetics of inhibition of transport systems // Int. Rev. of Cyt. 1983. V. 84. P. 303-352.

257. Kuhn J, Somerville R.L. Uptake and utilization of aromatic в-amino acids in Escherichia coli K12// Biochem. et Biophys. Acta. 1974. V. 332. P. 298400.

258. Kuhn W. Advances in Enzymology. V. 20. New York, 1958. p. 1.

259. Kuhn W. Katalytische Erzeugung optisch aktiver Stoffe und chemische Notwendigkeit eines einseitigen Ablaufs biochemischer Vorga'nge // Angew. Chem, 1936, V. 49, P. 215-219.

260. Kuhn W. Mo" gliche Beziehungen der optischen Aktivita't zum Problem des Alterns // Experientia, 1955, V. 11, P. 429-436.

261. Kuhn W. Possible relation between optical activity and aging // Adv. Enzymol, 1958, V. 20, P. 1-29.

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

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

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

265. Kvenvolden K.A, Lawless J, Pering K, Peterson E, Flores J, Ponnamperuma C, Kaplan I.R, Moore C. Evidence for extraterrestrialamino acids and hydrocarbons in the Murchinson meteorite // Nature, 1970, V. 228, P. 923-926.

266. Kyte J., Doolittle R.F. A simple method for displaying the hydropathic character of a protein // Journal Molecular Biology. 1982. V. 157. P. 105132.

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

268. Lara J., Acevedo J.J., Onetti C.G. Large-conductance Ca2+-activated potassium channels in secretory neurons // J. Neurophysiol. 1999. V. 82. P. 1317-1325.

269. Larsson H.P., Baker O.S., Dhillon D.S., Isacoff E.Y. Transmembrane movement of the Shaker K+ channel S4 //Neuron. 1996. V. 16. P. 387-397.

270. Latorre R., Miller C. Conduction and selectivity in potassium channel // J. Membr. Biol. 1983. V. 71. P. 11-30.

271. Latorre R., Oberhauser A., Labarca P., Alvarez O. Varieties of calcium-activated potassium channels // Annu. Rev. Physiol. 1989. V. 51. P. 385399.

272. Laube В., Hirai H., Sturgess M., Betz H., Kuhse J. Molecular determinants of agonist discrimination by NMDA receptor subunits: analysis of the glutamate binding site on the NR2B subunit //Neuron. 1997. V. 18. P. 493503.

273. Lauger P. Ion transport through pores: a rate theory analysis // Biochim. Biophys. Acta. 1973. V. 311. P. 423-441.

274. Lauger P. Thermodynamic and kinetic properties of electrogenic ion pumps //Biochim. Biophys. Acta. 1984. V. 779. P. 307-341.

275. Lehmann W.D., Schlosser A., Erben G., Pipkorn R., Bossemeyer D., Kinzel V. Analysis of isoaspartate in peptides by electrospray tandem mass spectrometry // Protein Sci., 2000, V. 9, P. 2260-2268.

276. Lehrman S.R., Hamlin D.M., Lund M.E., Walker G.A. Identification and characterization of an anti-isoaspartic acid monoclonal antibody // J. Protein Chem., 1992, V. 11, P. 657-663.

277. Letokhov V.S. // Physics Letters. 1975. V. 53A. P. 275.

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

279. Li M., Jan Y.N., Jan L.Y. Specification of subunit assembly by the hydrophilic amino-terminal domain of the Shaker potassium channel // Science. 1992. V. 257. P. 1225-1230.

280. Lian J.B., Gundberg C.M. Osteocalcin. Biochemical considerations and clinical applications // Clin. Orthop. Relat. Res., 1988, V. 226, P. 267-291.

281. Liman E.R., Tytgat J., Hess P. Subunit stoichiometry of a mammalian K+ channel determined by construction of multimeric cDNAs // Neuron. 1992. V. 9. P. 861-871.

282. Lipton S.A., Choi Y.-B., Takahashi H., Zhang D., Li W., Godzik A., Bankston L.A. Cysteine regulation of protein function exemplisied by NMDA-receptor modulation // Trends Neurosci. 2002. V. 25. P. 474-480.

283. Long S.B., Campbell E.B., MacKinnon R. Crystal Structure of a Mammalian Voltage-Dependent Shaker Family K+ Channel // Science. 2005. V. 309. P. 897-903.

284. Long S.B., Campbell E.B., MacKinnon R. Voltage Sensor of Kvl.2: Structural Basis of Electromechanical Coupling // Science. 2005. V. 309. P. 903-908.

285. Lowenson J., Clarke S. Does the chemical instability of aspartyl and asparaginyl residues in proteins contribute to erythrocyte aging? // Blood Cells, 1988, V. 14, P. 103-117.

286. Lowenson J.D., Clarke S. Recognition of d-aspartyl residues in polypeptides by the erythrocyte L-Isoaspartyl/D-Aspartyl Protein Methyltransferase-implications for the repair hypothesis // J. Biol. Chem., 1992, V. 267, P. 5985-5995.

287. Lowenson J.D., Kim E., Young S.G., Clarke S. Limited accumulation of damaged proteins in L-Isoaspartyl (D-Aspartyl) OMethyltransferase-deficient mice // J. Biol. Chem., 2001, V. 276, P. 20695-20702.

288. Lura R., Schirch V. Role of peptide conformation in the rate and mechanism of deamidation of asparaginyl residues // Biochemistry US, 1988, V. 27, P. 7671-7677.

289. MacDermott A.J., Tranter G.E., Trainor S. // J. Chem. Phys. 1992. V. 194. P. 152.

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

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

292. MacKinnon R. Determination of the subunit stoichiometry of a voltage-activated potassium channel //Nature. 1991. V. 350. P. 232-235.

293. MacKinnon R., et al // Science. 1998. V. 280. P. 106-109.

294. Madden D.R. The structure and function of glutamate receptor ion channels //Nat. Rev. Neurosci. 2002. V. 3. P. 91-101.

295. Man E.H., Sandhouse M.E., Burg J., Fisher G.H. Accumulation of D-aspartic acid with age in the human brain // Science, 1983, V. 220, P. 14071408.

296. Manning J.M., Soper T.S. Enzyme activated Irreveversible Inhibitors. Amsterdam: Elsevier, 1978. p. 163.

297. Margenau H., Kestner N.R. Intermolecular forces. 2nd ed. L.: Pergamon Press, 1971. 560 p.

298. Maroudas A., Bayliss M.T., Uchitel-Kaushansky N., Schneidermann R., Gilav E. Aggregan turnover in human articular cartilage: Use of aspartic acid racemization as a marker of molecular age // Arch. Biochem. Biophys., 1998, V. 350, P. 61-71.

299. Maroudas A, Palla G, Gilav E. Racemization of aspartic acid in human articular cartilage // Connect. Tissue Res, 1992, V. 28, P. 161-169.

300. Masaki R, Yamamoto A, Tashiro Y. Cytochrome P-450 and NADPH-cytochrome P-450 reductase are degraded in the autolysosomes in rat liver // J. Cell. Biol. 1987. V. 104. P. 1207-1215.

301. Masters P.M. Amino acid racemization in structural proteins. Proc Conf. Non-lethal Biological Markers of Physiological Aging, 19-20 June 1981 (NIH Publication 82-2221), 1982, P. 120-137.

302. Masters P.M., Bada J.L, Zigler J.S. Aspartic acid racemization in heavy molecular weight crystallins and water-insoluble protein from normal human lenses and cataracts // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1978, V. 75, P. 12041208.

303. Masters P.M., Bada J.L, Zigler Jr. J.S. Aspartic acid racemisation in the human lens during ageing and in cataract formation // Nature. 1977. V. 268. P. 71-73.

304. Matsu'ura S, Ueta N. Fraction dependent variation of aspartic acid racemization age of fossil bone // Nature, 1980, V. 286, P. 883-884.

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

306. McFadden P.N, Clarke S. Conversion of isoaspartyl peptides to normal peptides: Implications for the cellular repair of damaged proteins // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1987, V. 84, P. 2595-2599.

307. McFadden P.N, Clarke S. Methylation of D-aspartyl residues in erythrocytes: Possible step in the repair of aged membrane proteins // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1982, V. 79, P. 2460-2464.

308. McKerrow J.H. Non-enzymatic, post-translational, amino acid modifications in ageing // A brief review. Mech. Ageing Dev., 1979, V. 10, P. 371-377.

309. Meister S. In: Biochemistry of the Amino Acids. Vol. 1, 2. New York -London, Academic Press. 1965. p. 113, 220, 297, 357, 619, 671.

310. Miyazaki J., Nakanishi S., Jingami H. Expression and characterization of a glycine-binding fragment of the N-methyl-D-aspartate receptor subunit NR1 //Biochem. J. 1999. V. 340. P. 687-692.

311. Molnar S.P., King J.W. Theory and applications of the integrated molecular transform and the normalized molecular moment structure descriptors: QSAR and QSPR paradigms // Int. J. Quant. Chem. 2001. V. 85. P. 662-675.

312. Morais-Cabral J.H., Zhou Y., MacKinnon R. Energetic optimization of ion conduction rate by the K+ selectivity filter //Nature. 2001. V. 414. P. 27-42.

313. Mornstad H., Pfeiffer H., Teivens A. Estimation of dental age using HPLC-technique to determine the degree of aspartic acid racemization // J. Forensic Sci., 1994, V. 39, P. 1425-1431.

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

315. Murray R.K. Harper's Biochemistry. 24th ed. Appleton & Long, 1996. p. 25.

316. Najbauer J., Orpiszewski J., Aswad D.W. Molecular aging of tubulin: Accumulation of isoaspartyl sites in vitro and in vivo // Biochemistry, 1996, V. 35, P. 5183-5190.

317. Nakamura Т., Sadakane Y., Fujii N. Kinetic study of racemization of aspartyl residues in recombinant human aA-crystallin // Biochim. Biophys. Acta. 2006. V. 1764. P. 800-806.

318. Neuberger A. Stereochemistry of Amino Acids. In: Anson, M.L., Edsall, J.T., (Eds.), Advances In Protein Chemistry, Vol. IV., 1948, pp. 297-83.

319. Newman J.S. Electrochemical Systems. New Jersey: Prentice-Hall, 1991. 560 p.

320. Niewmierzycka A, Clarke S. Do damaged proteins accumulate in Caenorhabditis elegans Lisoaspartate methyltransferase (pcm-1) deletion mutants? //Arch. Biochem. Biophys, 1999, V. 364, P. 209-218.

321. Noguchi S, Miyawaki K, Satow Y. Succinimide and isoaspartate residues in the crystal structures of hen egg-white lysozyme complexed with tri-iV-acetylchitotriose // J. Mol. Biol, 1998, V. 278, P. 231-238.

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

323. Noulin J.F, Brochiero E, Lapointe J.Y, Laprade R. Two types of K+ channels at the basolateral membrane of proximal tubule: inhibitory effect of taurine // Am. J. Physiol. 1999. V. 277. P. 290-297.

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

325. Ogino T, Ogino H, Nagy B. Application of aspartic acid racemization to forensic odontology: post mortem designation of age of death // Forensic Sci. Int., 1985, V. 29, P. 259-267.

326. Ohtani S. Estimation of age from dentin by using the racemization reaction of aspartic acid// Am. J. Forensic Med. Pathol, 1995, V. 16, P. 158-161.

327. Ohtani S. Rate of aspartic acid racemization in bone // Am. J. Forensic Med. Pathol, 1998, V. 19, P. 284-287.

328. Ohtani S, Matsushima Y, Kobayashi Y, Kishi K. Evaluation of aspartic acid racemization ratios in the human femur for age estimation // J. Forensic Sci, 1998, V. 43, P. 949-953.

329. Ohtani S, Matsushima Y, Ohhira H, Watanabe A. Age-related changes in D-aspartic acid of rat teeth // Growth Dev Aging. 1995. V. 59(1-2) P. 55-61.

330. Ohtani S, Sugimoto H, Sugeno H, Yamamoto S, Yamamoto K. Racemization of aspartic acid in human cementum with age // Arch. Oral Biol, 1995, V. 40, P. 91-95.

331. Ohtani S., Yamamoto Т., Matsushima Y., Kobayashi Y. Changes in the amount of d-aspartic acid in the human femur with age // Growth Develop. Aging, 1998, V. 62 (4), P. 141-144.

332. Ohtani S., Yamamoto Т., Sugimoto H., Sashima M., Satoh M. Age-related changes in the D-aspartic acid content of the teeth of the senescence-accelerated mouse // Arch. Oral Biol. 2000. V. 45(1) P. 13-18.

333. Okazaki S., Touhara H., Nakanishi K. Computer experiments of aqueous solutions. V. Monte Carlo calculation on the hydrophobic interaction in 5 mol % methanol solution // J. Chem. Phys. 1984. V. 81. P. 890-894.

334. Orpiszewski J., Benson M.D. Induction of beta-sheet structure in amyloidogenic peptides by neutralization of aspartate: A model for amyloid nucleation // J. Mol. Biol., 1999, V. 289, P. 413^128.

335. Orpiszewski J., Schormann N., Kluve-Beckerman В., Liepnieks J.J., Benson M.D. Protein aging hypothesis of Alzheimer disease // FASEB J. 2000, V. 14. P. 1255-1263.

336. Papazian D.M., Schwartz T.L., Tempel B.L., Jan Y.N., Jan L.Y. Cloning of genomic and complementary DNA from Shaker, a putative potassium channel gene from Drosophila // Science. 1987. V. 237. P. 749-753.

337. Paranandi M.V., Aswad D.W. Spontaneous alterations in the covalent structure of synapsin I during in vitro aging // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1995. V. 212. P. 442^148.

338. Payan I.L., Chou S.J., Fisher G.H., Man E.H., Emory C., Frey W.H. Altered aspartate in alzheimer neurofibrillary tangles // Neurochemical Res. 1992. V. 17. P. 187-191.

339. Perez-Garcia M.T., Lopez-Lopez J.R., Gonzalez C. Kvbl.2 subunit coexpression in HEK293 cells confers 02 sensitivity to Kv4.2 but not to Shaker channels // J. Gen. Physiol. 1999. V. 113. P. 897-907.

340. Perez-Otano I., Schulteis C.T., Contractor A., Lipton S.A., Trimmer J.S., Sucher N.J., Heinemann S.F. Assembly with the NR1 subunit is required forsurface expression of NR3A-containing NMD A receptors // J. Neurosci. 2001. V. 21. P. 1228-1237.

341. Perna A.F., Daniello A., Lowenson J.D., Clarke S, DeSanto N.G., Ingrosso D. D-Aspartate content of erythrocyte membrane proteins is decreased in uremia: Implications for the repair of damaged proteins // J. Am. Soc. Nephrol. 1997. V. 8. P. 95-104.

342. Pfeiffer H, Mornstad H, Teivens A. Estimation of chronological age using the aspartic-acid racemization method. 1. On human rib cartilage. Int. J. Legal Med, 1995, 108, 19-23.

343. Pfeiffer H, Mornstad H., Teivens A. Estimation of chronological age using the aspartic-acid racemization method. 2. On human cortical bone // Int. J. Legal Med. 1995. V. 108. P. 24-26.

344. Pongs O. Molecular biology of voltage-dependent potassium channels // Physiological Reviews. 1992. V. 72. P. 69-88.

345. Potter S.M, Henzel W.J., Aswad D.W. In vitro aging of calmodulin generates isoaspartate at multiple Asn-Gly and Asp-Gly sites in calcium-binding domains II, III and IV // Protein Sci. 1993. V. 2. P. 1648-1663.

346. Powell J.T, Vine N, Crossman M. On the accumulation of d-aspartate in elastin and other proteins of the ageing aorta // Atherosclerosis. 1992. V. 97. P. 201-208.

347. Powell J.T, Vine N, Crossman M. On the accumulation of D-aspartate in elastin and other proteins of the aging aorta // Atherosclerosis. 1992. V. 97. P. 201-208.

348. Powell M.F. Peptide stability in aqueous parenteral formulations-prediction of chemical-stability based on primary sequence // ACS Symp. Ser. 1994. V. 567. P. 100-117.

349. Ptacek L.J. Channelopathies: ion channel disorders of muscle as a paradigm for paroxysmal disorders of the nervous svstem // Neuromuscul Disord. 1997. V. 7. P. 250-255.

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

351. Qiu X.Q, Jakes K.S, Kienker P.K, Finkelstein A, Slatin S.L. Major transmembrane movement associated with colicin la channel gating // J. Gen. Physiol. 1996. V. 107. P. 313-328.

352. Quane K.A, Healy J.M, Keatins K.E, Manning B.M, Couch F.J, Palmucci L.M, Doriguzzi C, Fagerlund Т.Н., Berg K, Ordine H. Mutations in the ryanodine receptor gene in central core disease and malignant hyperthermia // Nat Genet. 1993. V. 5. P. 51-55.

353. Radkiewicz J.L, Zipse H, Clarke S, Houk K.N. Accelerated racemization of aspartic acid and asparagine residues via succinimide intermediates: An ab initio theoretical exploration of mechanism // J. Am. Chem. Soc. 1996. V. 118. P. 9148-9155.

354. Rattan S.I.S, Derventzi A, Clark B.F.C. Protein synthesis, posttranslational modifications, and aging // Ann. New York Acad. Sci. 1992. V. 663. P. 4862.

355. Reid G, Scholz A, Gostock H, Vogel W. Human axons contain at least five types of voltage-dependent potassium channels // J. Physiol. (London). 1999. V. 518. P. 689-696.

356. Rettig J, Heinemann S.H, Wunder F, Lorra C, Parcej D.N, Dolly J.O, Pongs O. (1994). Inactivation properties of voltage-gated K1 channels altered by presence of beta-subunit // Nature. 1994. V. 369. P. 289-294.

357. Reuter H, Stevens C.F. Ion conductance and ion selectivity of potassium channels in snail neurons // J. Membr. Biol. 1980. V. 57. P. 103-118.

358. Ritz S., Schutz H.W. Aspartic acid racemization in intervertebral discs as an aid to post mortem estimation of age at death // J. Forensic Sci. 1993. V. 38. P. 633-640.

359. Ritz S., Schutz H.W., Peper C. Postmortem estimation of age at death based on aspartic acid racemization in dentin: its applicability for root dentin // Int. J. Legal Med. 1993. V. 105. P. 289-293.

360. Ritz S., Turzynski A., Schutz H.W. Estimation of age at death based on aspartic acid racemization in non-collagenous bone proteins // Forensic Sci. Int. 1994. V. 69. P. 149-159.

361. Ritz S., Turzynski A., Schutz H.W., Hollmann A., Rochholz G. Identification of osteocalcin as a permanent aging constituent of the bone matrix: Basis for an accurate age at death determination // Forensic Sci. Int. 1996. V. 770. P. 13-26.

362. Ritz-Timme S., Collins M.J. Racemization of aspartic acid in human proteins // Ageing Research Reviews. 2002. V. 1. P. 43-59.

363. Robinson A.B., McKerrow J.H., Cary P. Controlled deamidation of peptides and proteins: An experimental hazard and a possible biological timer // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1970. V. 66. P. 753-757.

364. Robinson N.E., Robinson A.B. Molecular clocks // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2001. V. 98. P. 944-949.

365. Robinson N.E., Robinson A.B. Prediction of protein deamidation rates from primary and three-dimensional structure // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. P. 4367-4372.

366. Roher A.E., Lowenson J.D., Clarke S., Wollcow C., Wang R., Cotter R.J., Reardon I.M., Zurcher-Neely H.A., Heinrikson R.L., Ball M.J., Greenberg

367. B.D. Structural alteration in the peptide backbone of amyloid core protein may account for its deposition and stability in Alzheimerr's disease // J. Biol. Chem. 1993. V. 268. P. 3072-3083.

368. Rosenberger R.F. Senescence and the accumulation of abnormal proteins // Mutat. Res. 1991. V. 256. P. 255-262.

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

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

371. Ruppersberg J.P., Schroter K.H., Sakmann В., Stocker M., Sewing S., Pongs O. Heteromultimeric channels formed by rat brain potassium channel proteins //Nature. 1990. V. 345. P. 535-537.

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

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

374. Sajdok J., Kozak A., Zidkova J., Kotrba P., Pilin A., Kas J. Protein modification during aging of organism // Chemicke Listy. 2001. V. 95. P. 98-101.

375. Salkoff L. Genetic and voltage-clamp analysis of a Drosophila potassium channel // Cold Spring Harbor Symposium on Quantitative Biology. 1983. V. 48. P. 221-231.

376. Salkoff L., Baker K., Butler A., Covarrubias M., Рак M.D., Wei A. An essential "set" of K+ channels conserved in flies, mice, and humans // Trends in Neurosciences. 1992. V. 15. P. 161-166.

377. Sandmeier E., Hunziker P., Kunz В., Sack R., Christen P. Spontaneous deamidation and isomerization of Asnl08 in prion peptide 106-126 and infull-length prion protein // Biochem. Biophys. Res. Comm. 1999. V. 261. P. 578-583.

378. Sanguinetti M.C, Jiang C, Curran M.E, Keating M.T. A mechanistic link between an inherited and an acquired cardiac arrhythmia: HERG encodes the Ikr potassium channel // Cell. 1995. V. 81. P. 299-307.

379. Sarkadi L.S. Occurrence of D-amino acids in food. In: Progress in biological chirality. G Palyi, C.Zucchi, L.Caglioti, eds. - 2004. -Elsevier Ltd. -429 pp.-P. 339-354.

380. Schmidt J.W, Catterall W.A. Palmitylation, sulfation, and glycosylation of the a-subunit of the sodium channel // J. Biol. Chem. 1987. V. 262, P. 13713-13723.

381. Schrempf H, Schmidt O, Kummerlen R, Hinnah S, Muller D. Wagner R. A prokaryotic potassium ion channel with two predicted transmembrane segment from Streptomyces lividans //EMBO J. 1995. V. 14. P. 5170-5178.

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

383. Scolnik Y, Portnaya I, Cogan U, Tal S. et al. Subtle differences in structural transitions between poly-L- and poly-D-amino acids of equal length in water // Phys. Chem. Chem. Phys, 2006, v. 8, p. 333-339.

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

385. Shapira R, Jen Chou C.H. Differential racemization of aspartate and serine in human myelin and basic protein // Biochem. Biophys. Res. Comm. 1987. V. 146. P. 1342-1349.

386. Shapira R, Wilkinson K.D, Shapira G. Racemization of individual aspartate residues in human myelin basic protein // J. Neurochemistry. 1988. V. 50. P. 649-654.

387. Shen N.V., Chen X., Boyer M.M., Pfaffinger PJ. Delection analysis of K+ channel assembly //Neuron. 1993. V. 11. P. 67-76.

388. Shen N.V., Pfaffinger P.J. Molecular recognition and assembly sequences involved in the subfamily-specific assembly of the voltage-gated K+ channel subunit proteins //Neuron. 1995. V. 14. P. 625-633.

389. Sheng M., Liao Y.J., Jan Y.N., Jan L.Y. Presynaptic A-current based on heteromultimeric K+ channels detected in vivo // Nature. 1993. V. 365. P. 72-75.

390. Shimizu Т., Watanabe A., Ogawara M., Mori H., Shirasawa T. Isoaspartate formation and neurodegeneration in Alzheimer's disease // Arch. Biochem. Biophys., 2000. V. 381. P. 225-234.

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

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

393. Singh N.A., Charlier C., Stauner D., DuPont B.R., Leach R.J., Metis R., Ronen G.M., Bjerre I., Qiiattlebaum Т., Murphy J.V. A novel potassium channel gene. KCNQ2 is mutated in an inherited epilepsy of newborns // Nat Genet. 1998. IS. P. 25-29

394. Slatin S.L., Qiu X.Q., Jakes K.S., Finkelstein A. Identification of a translocated protein segment in a voltage-dependent channel // Nature. 1994. V. 371. P. 158-161.

395. Slesinger P.A., Jan Y.N., Jan L.Y. The S4-S5 loop contributes to the ion-selective pore of potassium channel // Neuron. 1993. V. 11. P. 739-749.

396. Smith G.R, Sansom M.S.P. Dynamic Properties of Na+ Ions in Models of Ion Channels: A Molecular Dynamics Study // Biophys. J. 1998. V. 75. P. 2767-2782.

397. Stadtman E.R, Levine R.L. Protein oxidation // Ann. New York Acad. Sci. 2000. V. 899. P. 191-208.

398. Stephenson R.C, Clarke S. Succinimide formation from aspartyl and asparaginyl peptides as a model for the spontaneous degradation of proteins //J. Biol. Chem. 1989. V. 264. P. 6164-6170.

399. Stocker M, Stuhmer W, Wittka R, Wang S, Muller R, Ferrus A, Pongs O. Alternative Shaker transcripts express either rapidly inactivating or noninactivating K+ channels // Proc. Nat. Acad. Sc. USA. 1990. V. 87. P. 8903-8907.

400. Strong M, Chandy K.G., Gutman G.A. Molecular evolution of voltage-sensitive ion channel genes: on the origins of electrical excitability // Mol. Biol. Evol. 1993. V. 10. P. 221-242.

401. Sundaresan V, Abrol R. Biological Chiral Recognition: The Substrate's Perspective// Chirality. 2005. V. 17. P. 30-39.

402. Sundaresan V, Abrol R. Towards a general model for protein-substrate stereoselectivity // Prot. Sci. 2002. V. 11. P. 1330-1339.

403. Swartz K.J, MacKinnon R. Mapping the receptor site for hanatoxin, a gating modifier of voltage-dependent K+ channels //Neuron. 1997. V. 18. P. 675-682.

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

405. Szymanska G, Leszyk J.D, O'Connor C.M. Carboxyl methylation of deamidated calmodulin increases its stability in Xenopus oocyte cytoplasm —Implications for protein repair // J. Biol. Chem. 1998. V. 273. P. 2851628523.

406. Takats Z., Nanita S.C., Cooks R.G. Serine Octamer Reactions: Indicators of Prebiotic Relevance // Angewandtle Chemie Int. Edition. 2003. V. 42. P. 3521-3523.

407. Tamkun M.M., Fambrough D.M. The Na/K-ATPase of chick sensory neurons: studies on biosynthesis and intracellular transport // J. Biol. Chem. 1986. V. 261. P. 1009-1019.

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

409. Thompson N., Thompson G., Cole C.D., Cotten M., Cross T.A., Busath D.D. Noncontact Dipole Effects on Channel Permeation. IV. Kinetic Model of 5F-Trpl3 Gramicidin A Currents // Biophys. J. 2001. V. 81. P. 12451254.

410. Thornally P.J. The clinical significance of glycation // Clin. Lab. 1999. V. 45. P. 263-273.

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

412. Tikhonova I.G., Baskin I.I., Palyulin V.A., Zefirov N.S. A spatial model of the glycine site of the NR1 subunit of NMDAreceptor ligand docking // Dokl. Biochem. Biophys. 2002. V. 382. P. 67-70.

413. Tomiyama Т., Asano S., Furiya Y., Shirasawa Т., Endo N., Mori N. Racemization of Asp23 residue affects the aggregation properties of Alzheimer amyloid protein analogues // J. Biol. Chem. 1994. V. 269. P. 10205-10208.

414. Tricarico D, Servidei S, Tonali P, Jurkal R.K, Camerino D.C. Impairment of skeletal m'.bde adenos;ne triphosphate-sensitive K+ channels in patients with hApok.ilemic periodic paralysis // J Clin. Invest. 1999. V. 103. P. 675 -682.

415. Van Duin A.C.T, Collins M.J. The effects of conformational constraints on aspartic acid racemization // Org. Geochem. 1998. V. 29. P. 1227-1232.

416. Van Gunsteren W.F, Berendsen H.J.C. Algorithms for Macromolecular Dynamics and Constraint Dynamics // Mol. Phys. 1977. V. 34. P. 13111327.

417. Vandenoetelaar P.J.M, Hoenders H.J. Racemization of aspartyl residues in proteins from normal and cataractous human lenses-an aging process without involvement in cataract formation // Exp. Eye Res. 1989. V. 48. P. 209-214.

418. Verzijl N, De Groot J, Thorpe S.R, Bank R.A, Shaw J.N, Lyons T.J, Bijlsma J.W.J, Lafeber F, Baynes J.W, Те Koppele J.M. Effect of collagen turnover on the accumulation of advanced glycation end products // J. Biol. Chem. 2000. V. 275. P. 39027-39031.

419. Visick J.E., Cai H., Clarke S. The L-isoaspartyl protein repair methyltransferase enhances survival of aging Escherichia coli subjected to secondary environmental stresses // J. Bacteriol. 1998. V. 180. P. 26232629.

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

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

422. Wang H., Kunkel D.D., Martin T.M., Schwartzkroin P.A., Tempel B.L. Heteromultimeric K+ channels in terminal and juxtaparanodal regions of neurons //Nature. 1993. V. 365. P. 75-79.

423. Warmke J.W., Ganetzky B. A family of potassium channel genes related to eag in Drosophila and mammals // Proc. Nat. Ac. Sci. USA. 1994. V. 91. P. 3438-3442.

424. Watanabe A., Takio K., Ihara Y. Deamidation and isoaspartate formation in smeared tau in paired helical filaments — Unusual properties of themicrotubule-binding domain of tau // J. Biol. Chem. 1999. V. 274. P. 73687378.

425. Weber D.J., McFadden P.N. Injury-induced enzymatic methylation of aging collagen in the extracellular matrix of blood vessels // J. Protein Chem. 1997. V. 16. P. 269-281.

426. Wei A., Covarrubias M., Butler A., Baker К., Рак M., Salkoff L. K+ current diversity is produced by an extended gene family conserved in Drosophila and the mouse // Science. 1990. V. 248. P. 599-603.

427. Weimar W.R., Neims A.H. // J. Neurochem. 1977. V. 29. P. 649-663.

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

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

430. White A., Handler P., Smith E.L. Principles of Biochemistry. New York, 1968. p. 248.

431. Williams K., Chao J., Kashiwagi K., Masuko Т., Igarashi K. Activation of N-methyl-D-aspartate receptors by glycine: role of an aspartate residue in the M3-M4 loop of the NR1 subunit // Mol. Pharmacol. 1996. V. 50. P. 701708.

432. Wilson S. Basis sets / Ab initio methods in quantum chemistiy. Part I. Advances in chemical physics. V. 67. Wiley-Interscience. Chichester, 1987. pp. 439-500.

433. Wolosker H., Sheth K. N., Takahashi M., Mothet J.-P., Brady R. O., Jr., Ferris C. D., Snyder S. H. Purification of serine racemase: Biosynthesis of the neuromodulator D-serine // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. V. 96. P. 721.

434. Wong J.T. A coevolution theory of the genetic code // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1975. V. 72. P. 1909-1912.

435. Wood M.W, VanDongen H.M.A, VanDongen A.M.J. A mutation in the glycine binding pocket of the N-methyl-D-aspartate receptor NR1 subunit alters agonist efcacy // Mol. Brain Res. 1999. V. 73. P. 189-192.

436. Wright H.T. Nonenzymatic deamidation of asparaginyl and glutaminyl residues in proteins // Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 1991. V. 26. P. 1-52.

437. Xie M.L, Schowen R.L. Secondary structure and protein deamidation // J. Pharm. Sci. 1999. V. 88. P. 8-13.

438. Yusaf S.P, Wray D., Sivaprasadarao A. Measurement of the movement of the S4 segment during the activation of a voltage-gated potassium channel // Pflugers Arch. 1996. V. 433. P. 91-97.

439. Zhao Z.Y, Chang D.C. Ion selectivity of delayed rectifier K+-channel in squid axon // Biophys. J. 1987. V. 51a. P. 52.

440. Zheng F, Errenger K, Low C.M, Banke T.G., Lee C.J., Conn P.J, Traynelis S.F. Allosteric interaction between the amino terminal domain and the ligand-binding domain of NR2A // Nat. Neurosci. 2001. V. 4. P. 894901.

441. Zhong Q, Jiang Q, Moore P.B, Newns D.M, Klein M.L. Molecular Dynamics Simulation of a Synthetic Ion Channel // Biophys. J. 1998. V. 74. P. 3-10.

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

443. Zioupos P, Currey J.D, Hamer A.J. The role of collagen in the declining mechanical properties of aging human cortical bone // J. Biomed. Mater. Res. 1999. V. 45. P. 108-116.

Информация о работе

Дмитриев, Андрей Викторович
доктора физико-математических наук
Москва, 2009
ВАК 03.00.02

Диссертация

Структурные и функциональные характеристики природных и хирально модифицированных модельных ионных каналов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы