Быстрые движения боковых остатков в белках по данным методов молекулярной динамики и спин-метки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Никольский, Дмитрий Олегович

• Никольский, Дмитрий Олегович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Никольский, Дмитрий Олегович

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

Спектроскопия магнитного резонанса и метод спин-метки.

Методы решения обратной задачи спектроскопии ЭПР.

Описание быстрой хаотической переориентации спин-метки.

Динамические модели движения, использующиеся при интерпретации спектров ЭПР.

Численные методы моделирования.

Метод Молекулярной Динамики.

Метод Монте-Карло.

Методы Оптимизации.

Исследования макромолекул методом молекулярной динамики.

Глава 2 Исследование локальной динамической структуры белка в спин-меченом тетрагональном кристалле лизоцима методом спин-метки ЭПР.

Условия эксперимента.

Результаты и обсуждение.

Глава 3. Обнаружение спин-спинового взаимодействия при введении в иммуноглобулин

М и G спин-метки по углеводной части.

Условия эксперимента.

Результаты исследования.

Обсуждение результатов.

Глава 4 Моделирование спектров ЭПР.

Вычисление спектров ЭПР монокристалла для низкомолекулярных соединений.

Вычисление спектров ЭПР спин-меченых макромолекул в составе монокристалла.

Глава 5. Постановка вычислительного эксперимента на основе метода молекулярной динамики.

Построение модельной системы и оптимизация.

Расчеты методом МД.

Глава 6. Вычисление спектров ЭПР спин-меченых макромолекул по данным МД.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстрые движения боковых остатков в белках по данным методов молекулярной динамики и спин-метки»

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к применению метода спин-метки в молекулярной биологии, в связи с тем, что можно избирательно вводить спин-метки по любому аминокислотному остатку молекулы белка или основанию в ДНК [1,2]. Анализ формы спектра ЭПР таких спин-меченых макромолекул позволяет получить информацию о молекулярном движении и представляет собой доступный подход к изучению как конформационных изменений, так и биологических функций макромолекул.

Однако, несмотря на огромное количество полученных экспериментальных спектров ЭПР, корректной, недвусмысленной, единой для всех, кто использует метод спин-метки, интерпретации этих спектров до сих пор не существует. Нет единого подхода к решению обратной задачи ЭПР спектроскопии в методе спин-метки [3]. Основная причина отсутствия единого подхода к истолкованию спектров ЭПР заключается в следующем: нет четкого ответа на вопрос, как связывать экспериментальные параметры, определяемые из спектров ЭПР (для той или иной модели движения спин-метки), с наблюдающимися локальными конформационными изменениями структуры макромолекулы или с движением всей структуры макромолекулы в растворе.

При анализе спектров ЭПР необходимо учитывать, что вводимая в молекулу белка спин-метка не является статическим объектом, и характер ее собственного движения во многом определяет форму линии ЭПР спектра. С одной стороны мы имеем спектр ЭПР, отражающий локальную структуру макромолекулы в динамике, а с другой стороны -«застывшую» структуру по данным рентгеноструктурного анализа. При моделировании спектров ЭПР на ЭВМ используют различные модели быстрого переориентационного движения спин-метки. Однако, существует метод молекулярной динамики, который позволяет напрямую моделировать поведение сложных динамических систем [4,5], опираясь на данные рентгеноструктурного анализа. Метод молекулярной динамики представляет собой численное решение уравнений Ньютона для системы атомов, с учётом взаимодействия между ними. То есть метод молекулярной динамики в данном контексте можно рассматривать, как «мост» между экспериментальными данными ЭПР и данными рентгеноструктурного анализа. Иными словами, результаты, полученные методом молекулярной динамики с использованием в качестве начальных координат атомов данные метода рентгеноструктурного анализа, можно сопоставлять с данными экспериментальных методов магнитного резонанса, в том числе и ЯМР.

В настоящей работе методом молекулярной динамики оценивается влияние локальной структуры молекулы белка, уже известной по данным рентгеноструктурного анализа, на подвижность репортерской группы (нитроксила), присоединенной к выбранному аминокислотному остатку, и анализируется вклад собственного хаотического движения спин-метки относительно белка на спектр ЭПР. В качестве объекта исследования выбран спин-меченый монокристалл лизоцима [6]. Молекулы белка неподвижны в структуре монокристалла, по сама структура не препятствует локальной подвижности поверхностных групп. Поэтому белковый монокристалл можно рассматривать в качестве удобной модели для исследования характера движения аминокислотного остатка (или спин-метки) относительно белка. Ожидается, что сравнение теоретического спектра ЭПР, полученного методом молекулярной динамики, с экспериментальным будет критерием корректности развиваемого здесь физического подхода для решения биологических задач в рамках метода молекулярной динамики.

Наблюдение за характером быстрых движений боковых остатков в монокристаллах белков осуществлялось с помощью метода спин-метки [7,8]. Интерпретация спектров ЭПР монокристаллов спин-меченого лизоцима (при наличии различных ориентации тетрагонального кристалла белка относительно направления магнитного поля) проводилась с привлечением метода молекулярной динамики (МД). Предложена простая модель, согласно которой расчет траекторий движения спин-метки методом МД реализуется за сравнительно небольшое время. В рамках предлагаемой модели рассматривается «замороженная» в целом молекула белка и «размороженный» спин-меченый аминокислотный остаток. Для расчёта траекторий в вакууме была собрана модель спин-меченого лизоцима и заданы параметры силовых потенциалов атомов молекулы белка, включая спин-метку. Из проведенных расчётов следует, что белковое окружение стерически ограничивает область возможных угловых переориентаций репортерской N0 группы нитроксила в составе спин-метки, что в свою очередь влияет на форму спектра ЭПР. Однако, как оказалось, разброс положений репортерской группы в угловом пространстве соответствует распределению Гаусса. Используя координаты атомов спин-метки, полученные методом МД в выбранном временном интервале и учитывая распределение состояний спин-метки по ансамблю спин-меченых макромолекул в кристалле, мы смоделировали спектры ЭПР монокристаллов спин-меченного лизоцима. Полученные теоретические спектры ЭПР оказались сходными со спектрами, полученными экспериментальным путем.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Никольский, Дмитрий Олегович

Выводы

1. На основании данных метода спин-метки ЭПР показано, что характер быстрых либрационных движений спин-меченой боковой группы His 15 в молекулах лизоцима, как в составе тетрагонального кристалла при 100% влажности, так и в растворе, остается неизменным.

2. Определена модельная пространственная структура спин-меченного лизоцима, оптимизированная путем минимизации потенциальной энергии макромолекулы, которая хорошо совпала со структурой, полученной впоследствии методом рентгеноструктурного анализа.

3. На основании расчета методом МД показано, что белковое окружение стерически ограничивает область возможных угловых переориентаций репортерской N0 группы нитроксила в составе спин-метки, что, в свою очередь, влияет на форму спектра ЭПР.

4. Впервые методом молекулярной динамики проведен расчет спектра ЭПР в случае быстрого ограниченного в пространстве движения спин-метки на боковом остатке макромолекулы в рамках решения обратной задачи ЭПР спектроскопии спин-меченых макромолекул. Показано, что рассчитанный спектр ЭПР хорошо совпадает с экспериментальным спектром ЭПР монокристалла спин-меченого лизоцима.

5. Создан программный пакет, позволяющий рассчитывать спектры ЭПР спин-меченых объектов на основании записанного траекторного файла в рамках программы HyperChem и исходных магнитных параметров спин-метки.

6. Впервые методом спин-метки исследуется влияние влажности на состояние кристалла. Оказалось, что изменение формы спектров ЭПР спин-меченого кристалла лизоцима происходит по двухстадийному механизму. При этом линии уширяются, а положение пиков остается неизменным.

7. Экспериментально обнаружено быстрое обменное спин-спиновое взаимодействие между двумя спин-метками, носителем которых является гликопептид, нековалентно связанный с иммуноглобулинами М и G. Анализ спектров ЭПР спин-меченого гликопептида как бирадикала показал, что расстояние между атомами кислорода двух спин-меток не превышает 5А.

Заключение

Монокристаллы спин-меченного лизоцима являются хорошей основой для экспериментального исследования роли быстрого движения спин-метки в наблюдаемых спектрах ЭПР. Исключив движение молекулы белка как целого, мы уделяем внимание исключительно этой компоненте, то есть изучению сложного быстрого движения бокового остатка при наличии белкового окружения.

Для изучения динамики бокового остатка белковой молекулы методом молекулярной динамики предложена простая модель, для которой был произведен расчет траекторий быстрого движения спин-метки на боковом остатке макромолекулы. В рамках предлагаемой модели рассматривается «замороженная» в целом структура молекула белка и подвижный спин-меченый аминокислотный остаток.

Даже в рамках такой упрощенной модели без учета растворителя и кулоновских взаимодействий, на основании метода молекулярной динамики удалось получить теоретические спектры ЭПР хорошо согласующиеся с экспериментальными. Можно предположить, что учет заряда и добавление молекул несвязанной с белком воды будет влиять только на релаксационные свойства локальных конформационных перестроек в молекуле белка, а не на амплитудно-структурные изменения в макромолекуле.

Было бы некорректно пытаться получить спектр ЭПР только для одной как бы изолированной молекулы белка, поскольку спектр отражает вклад всего ансамбля спин-меченых молекул лизоцима. Кроме того, надо принимать во внимание, что в ансамбле каждая спин-метка движется не синхронно с остальными, хотя и в рамках одного стационарного стохастического закона. То есть, помимо усреднения магнитных тензоров за временные ворота метода ЭПР необходимо усреднять спектры ЭПР по ансамблю молекул белка, содержащих спин-метку.

При анализе спектров ЭПР спин-меченных макромолекул в растворе необходимо вводить более сложную модель, учитывающую как медленное движение спин-метки вместе с макромолекулой (определяется временем т), так и быстрое движение спин-метки вместе с ближайшим окружением относительно макромолекулы. Впервые эта модель, состоящая из двух движений спин-метки - быстрого и медленного, - была обозначена, как BiMoC model - bimotional cluster model.

Использование развитых здесь подходов открывает широкий спектр возможностей оценивать подвижность любой боковой группы в белках и нуклеиновых кислотах в реальных измеряемых физических величинах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Никольский, Дмитрий Олегович, 2006 год

1. Hubbell WL, Cafiso DS, Altenbach C. // Nature Struct. Biol. 2000 V.7. 735-739

2. Borbat P.P., Costa-Filho A.J., Earle K.A., Moscicki J.K., Freed J.H. // Science 2001. V.291. P. 266-269.

3. Тимофеев В.П. // Молекулярная биология. 1986. Т. 20. С. 697-711.

4. Балабаев Н.К. // Метод молекулярной динамики в физической химии. / Под ред. Товбина Ю.К. М.: Наука, 1996. С. 258-279.

5. Мазо М.А., Балабаев Н.К., Олейник. Э.Ф. // Метод молекулярной динамики в физической химии. / Под ред. Товбина Ю.К. М.: Наука, 1996. С. 280-295.

6. Артюх Р.И., Качалова Г.С., Ланина Н.Ф., Никольский О.Д., Тимофеев В.П., Бартуник Х.Д. (2002) Локальная динамическая структура белка в спин-меченом тетрагональном кристалле лизоцима при изменении влажности. Биофизика 47, 795-805.

7. Д.О. Никольский, В.П. Тимофеев "Роль быстрого движения спин-метки при интерпретации спектров ЭПР спин-меченых макромолекул". Биофизика, 2003, Т.48, №4, с.606-617.

8. V.P. Timofeev, D.O. Nikolsky "The role of the fast motion of the spin label in the interpretation of EPR spectra for spin-labeled macromolecules". Journal of Biomolecular Structure & Dynamics, 2003, ISSN 0739-1102, V.21, No 3.

9. L.J.Berliner. Spin Labeling I. Theory and Application. Academic Press Inc. New York. 1976.

10. L.J.Berliner. Spin Labeling II Theory and Application. Academic Press Inc. New York 1979

11. Berliner. L. J. and J. Reuben. 1989. Biological Magnetic Resonance 8, Spin Labeling. Plenum Press, New York.

12. Нордио П. Л. в кн.: Метод спиновых меток. Теория и применение/Под ред. Берлинера. М.: Мир, 1979, т.1 с. 13-63

13. Лихтенштейн Г. И. Метод спиновых меток в молекулярной биологии. М.: наука, 1974

14. Кузнецов А. Н. Метод спинового зонда. М.: Наука, 1976

15. McCalley R. С., Shimshik Е. L., McConnell Н. М. Chem. Phys. Lett., 1972, v 13, р 115-119

16. Freed, J. H. 1976. Theory of slow tumbling ESR spectra for nitroxides. In Spin Labeling Theory and Applications. L. J. Berliner, editor. Academic Press, New York. 53-132.

17. Timofeev V.P., Samarianov B.A. //Appl. Magn. Reson. 1993. V.4. P. 523-539.

18. Timofeev V.P., Samarianov B.A. //J. Chem. Soc. PERKIN TRANS. 1995. V.2. P.2175-2181.

19. Гриффит О.Г. в кн.: Метод спиновых меток. Теория и применение/Под ред. Берлинера. М.: Мир, 1979, т.1 с. 489-569

20. Schneider, D. J. and J. H. Freed. 1989. Calculating slow motional magnetic resonance spectra: a users guide. In Biological Magnetic Resonance 8. Spin Labeling. L. J. Berliner and J. Reuben, editors. Plenum Press. New York. 1-76.

21. Ю.А. Готлиб, А.А. Даринский, Ю.Е. Светлов. Физическая кинетика макромолекул, Ленинград, Химия, 1986.

22. А.А. Даринский, Ю.А. Готлиб 1980, Молекулярная динамика полимерных цепей с жёсткими связями. Локальные времена релаксации. Высокомолекулярные соединения т.22А, №1, стр. 123-132.

23. Метод молекулярной динамики в физической химии, Москва, Наука, 1996.

24. К.В. Шайтан, М.Д. Ермолаева, Н.К. Балабаев, А.С. Лемак, М.В. Орлов, Молекулярная динамика олигопептидов. 2. Корреляционные функции внутренних степеней свободы модифицированных дипептидов. // 1997,42, 3, 558-565.

25. К.В.Шайтан, М.Д.Ермолаева, С.С.Сарайкин, Молекулярная динамика олигопептидов. 3. Карты уровней свободной энергии модифицированных дипептидов и динамические корреляции в аминокислотных остатках. // Биофизика, 1999,44, 18-21.

26. К.В. Шайтан, А.А. Беляков, Молекулярная динамика олигопептидов. 4. Динамические особенности часто и редко встречающихся дипептидных фрагментов белков // Биофизика 2002, 47, 2, 219-227.

27. N.L. Allinger, J. Am. Chem. Soc., 99, 8127 (1977).

28. U.Burkert and N.L. Allinger, Molecular Mechanics, ACS Monograph 177 (1982).

29. J. Lii et. al., J. Сотр. Chem. 10, 503 (1989).

30. Weiner S.J., Kollman P.A., Case D.A., Singh U.C., Ghio C., Alagona G., Profeta S.J., Weiner P. //J. Am. Chem. Soc. 1984. V. 106 P. 765-784.

31. Weiner S. J., Kollman P.A., Nguyen D.T., Case D.A. // J. Сотр. Chem., 1986. V. 7. P. 230.

32. S. W. Homans 1990. A Molecular Mechanical Force Field for the Conformational Analysis of Oligosaccharides: Comparison of Theoretical and Crystal Structures of Manarl -3Man/?/-4GlcNAc. Biochemistry, 29, 9110-9118.

33. H.J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren, A. di Nola, and J. R. Haak 1984. J.1. Chem. Phys. 81,368

34. В.Л.Голо, К.В.Шайтан, Динамический аттрактор в термостате Берендсена и медленная динамика биомакромолекул, // Биофизика, 2002, 47 (4), 611-617.

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

36. Leo S.D. Caves, Jeffrey D. Evanseck, and Martin Karplus 1998. Locally accessible conformations of proteins: Multiple molecular dynamics simulations of crambin. Protein Science, 7:649-666. Cambridge University Press.

37. Balabaev N.K., Fushman D.A., Lemak A.S., Mironova Yu.V. 1990. Molecular dynamics simulation of spin label on model surface. Preprint, Pushchino.

38. Steinhoff, H.-J., and C. Karim. 1993. Protein dynamics and EPR-spectroskopy: comparison of molecular dynamic simulations with experiment. Ber.Bunsenges. Phys.Chem: 97:163-171.

39. Robinson, В. H., L. J. Slutsky, and F. P. Auteri. 1992. Direct simulation of continuous wave electron paramagnetic resonance spectra from Brownian dynamics trajectories. J. Chem. Phys. 96:2609-2616.

40. Steinhoff, H.-J., and Hubbell, W. L. 1996. Calculation of electron paramagnetic resonance spectra from Brownian dynamic trajectories: Application to nitroxide side chains in Proteins. Biophys. J. 71:2201-2212.

41. Артюх P.И., Качалова Г.С., Панина Н.Ф., Мозолева А.П. Анисимов Н.В., Тимофеев В.П. 1999. Спектры ЭПР спин-меченого лизоцима в кристаллах тетрагональной формы, ориентированных в магнитном поле. Молекуляр. биология. 33, 542-552.

42. Тимофеев В.П., Никольский О.Д., Лапук В.А., Алешкин В.А. (2002) Обнаружение спин-спинового взаимодействия при введении в иммуноглобулины М и G спин-метки по углеводной части. Биофизика 47, 618-624.

43. V.P.Timofeev, D.O.Nikolsky, V.A.Lapuk, V.A.Aleshkin (2002) Revealing of the spin-spin interaction due to incorporating a spin label in the carbohydrate parts of immunoglobulins M and G. J.Biomolecular Structure & Dynamics, 20, N4, 1-7.

44. Bernstein F.G., Katzie T.F., Williams G.J.B., Meyer E.F., Brice M.D., Rogers J.R., Kennard 0., Shmakouchi Т., Tasumi M. // J. Mol. Biol. 1977. V. 112. P. 535-546.

45. Артюх Р.И., Качалова Г.С., Самарянов Б.А., Тимофеев В. П. // Молекуляр. биология. 1995. Т. 29. С. 149-158.

46. Barone V., Bencini A., Cossi М., di Matteo A., Mattesini М., Totti F. // J. Am. Chem. Soc. 1998. V. 120. P. 7069-7078.

47. Morozov V.N., Morozova T.Ya., Kachalova G.S., Myachin E.T. 1988. Interpretation of water desorption isotherms of lysozyme. Int. J. Biol. Macromol. 10, 329-336.