Моделирование процесса переноса протонов в ионных каналах биомембран и родственных водородсвязанных структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Сапронова, Алла Вячеславовна

• Сапронова, Алла Вячеславовна
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сапронова, Алла Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I

СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОТЕНЦИАЛЗАВИСИМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ (ОБЗОР).

КАЛИЕВЫЕ КАНАЛЫ.

БАКТЕРИАЛЬНЫЙ КАНАЛ KCSA.

НАТРИЕВЫЕ КАНАЛЫ.

БАКТЕРИОРОДОПСИН.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

ПОТЕНЦИ АЛЗАВИСИМЫХ ИОННЫХ КАНАЛОВ.

АКТИВАЦИЯ ПОТЕНЦИ АЛЗАВИСИМЫХ КАНАЛОВ.

ГЛАВА II

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ.

БАЗИСНЫЕ РЯДЫ ОРБИТАЛЕЙ.

ТЕОРИЯ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ.

ПОВЕРХНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ.

ТОЧНОСТЬ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

И ВРЕМЕННЫЕ ЗАТРАТЫ.

ГЛАВА III

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕНОСА ПРОТОНА

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА IV

МОДЕЛЬ АКТИВАЦИИ ПОТЕНЦИАЛЗАВИСИМЫХ ИОННЫХ

КАНАЛОВ.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса переноса протонов в ионных каналах биомембран и родственных водородсвязанных структурах»

Каждая живая клетка окружена мембраной, которая играет активную роль в осуществлении процессов клеточного метаболизма и поддержании жизнедеятельности клетки. Среди различных функций биомембран транспортная может быть названа главнейшей: избирательный перенос малых молекул и ионов обеспечивает активный обмен клетки и ее органелл с окружающей средой и определяет эффективность процессов рецепции, образования биопотенциалов, передачи нервного возбуждения и т.п. Вот почему изучение функциональных структур мембран, обеспечивающих перенос зарядов, в частности - ионов, представляет большой интерес.

Ионные каналы представляют собой тетрамерные интегральные белки, находящиеся в липидном бислое и опосредующие транспорт ионов через мембрану. Вопросы функционирования ионных каналов составляют ключевую проблему в биофизике мембранных процессов, нейрофизике и важнейшую прикладную задачу для новейших биотехнологий.

Наибольший интерес исследователей привлекают потенциалзависимые ионные каналы, открываемые изменением электрического поля, которые играют основную роль при генерации и проведении нервного импульса за счет изменения мембранного потенциала нервного волокна. Для исследования механизма работы потенциалзависимых каналов в настоящее время используются самые современные физические, биологические и компьютерные методы, так как построение адекватной биофизической модели функционирования ионных каналов, - коррелирующей с их молекулярной структурой, позволит предсказать физические и биологические особенности их поведения в процессе работы.

Потенциалзависимые ионные каналы функционально представляют собой интегральный белок канальной структуры, встроенный в липидную биомембрану и образующий в ней пору. Также в структуре имеется механизм, обеспечивающий специфичность канала по отношению к различным ионам и управляющее устройство, которое открывает и закрывает ионный канал в зависимости от знака и величины потенциала - так называемый "воротный механизм". Потенциалзависимые каналы отличаются высокой избирательностью для ионов и активируют проводимость (открывание) ворот канала в ответ на электрический или химический импульс. И если проблема селективной проводимости ионов через мембрану была подробно исследована в последние годы, то вопрос о том, каким образом ионный канал активирует проводимость ионов и переходит из закрытого состояния в открытое до сих пор остается без ответа.

Основной трудностью на пути исследователей является то, что для ответа на вопрос о механизме активации ворот чрезвычайно важно знать пространственную молекулярную конфигурацию канала (его четвертичную структуру), которая для эукариотических клеток до сих пор не исследована в силу своей сложности. И хотя первичная молекулярная структура, т.е. полная аминокислотная последовательность, в настоящее время установлена для большого числа ионных каналов, знание первичной структуры канала мало способствует пониманию механизмов его функционирования. В последние годы, в связи с развитием компьютерной техники, исследователями было предпринято большое число попыток описать процесс открывания ионных каналов, но так как четверичная структура ионных каналов не известна, то адекватного биофизического объяснения этот процесс до сих пор не получил. В то же время экспериментально установлено, что процесс открывания потенциал зависимых ионных каналов определяется изменениями в протонной подсистеме канала и показано, что воротный ток определяется движением протонов в канале. Поэтому для понимания механизма, приводящего к открыванию потенциалзависимого ионного канала, очень важными являются исследования процесса протонного транспорта в ионных каналах. Построение модели переноса протонов в поре потенциалзависимого ионного канала и изучение структурных изменений канала в процессе протонного транспорта является главной задачей данной работы. На основе полученных данных предложена новая модель, описывающая механизм открывания ворот (гейтинга - от англ. "gating") потенциалзависимых ионных каналов, включающая в себя полное теоретическое описание его молекулярного механизма.

Так как точная пространственная конфигурация ионных каналов эукариот не известна, для изучения их функционирования были привлечены аналогичные каналы бактериальных клеток. Бактериальные каналы содержат только центральную часть соответствующей структуры потенциалзависимого канала, что существенно облегчает исследование их пространственной структуры с помощью рентгенографических методов. Использование бактериальных аналогов является оправданным, так как установлено, что аминокислотная последовательность сегмента ионного канала, отвечающего за процесс гейтинга, консервативна для различных каналов. В данной работе в качестве модельной системы использовался бактериальный потенциалзависимый калиевый канал из Streptomyces lividans KcsA (1BL8), трехмерная структура которого впервые была определена в 1998 году Родериком МакКинноном и его коллегами из Рокфеллеровского университета (The Rockefeller University). В данной работе также исследовано влияние водной среды на перенос протонов в канале и на процесс гейтинга.

Для решения поставленной задачи были использованы два типа теоретических подходов: дискретный, т.е. подход, основанный на постулатах квантовой химии и континуальный, т.е. основанный на законах физики сплошных и конденсированных сред, включая солитонный подход для описания механизма транспорта протонов и теорию сегнетоэлектрических фазовых переходов, сопряженных с движением зарядов.

Квантово-химические расчеты проводились с использованием программных средств Gaussian98, HyperChem и др. на компьютерном сервере Compaq Alpha с 2 процессорами EV6 (Sity Colledge of NewYork,

NewYork, USA) и Linux кластере с 24 процессорами Pentium III, 1GHz (кластер Пущинского научного центра, г.Пущино, Моск.обл., Россия). При расчетах с помощью программы Gaussian 98 использовался метод B3LYP теории функционала плотности и базисное множество 6-311G**.

Работа над моделями непрерывной среды проводилась компьютерными методами расчета движения зарядов в солитонах на рабочей станции Pentium IV.

Использование одновременно двух теоретических методик позволило обосновать механизм активации воротного механизма канала, в котором деполяризация мембраны преобразуется в перенос протона, что приводит в конечном итоге к открыванию канала. Предложенный механизм открывания канала подтверждается имеющимися экспериментальными результатами и позволяет понять многие особенности, наблюдаемые экспериментально (например, величину воротного тока), которые до сих пор было трудно объяснить исходя из имеющихся теоретических моделей.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Сапронова, Алла Вячеславовна

Основные результаты работы:

1. Разработана принципиально новая молекулярная модель активации воротного механизма потенциалзависимых ионных каналов биомембран за счет транспорта протонов. Предложенная модель позволила понять многие особенности поведения ионных каналов, наблюдаемые экспериментально (например, величину воротного тока), которые до сих пор было трудно объяснить исходя из имеющихся теоретических моделей.

2. Проведены квантово-химические расчеты методом функционала плотности для переноса протона вдоль поры канала и определена форма энергетического барьера на пути следования протона. Величины потенциального барьера для "тяжелой" воды (дейтерия), полученные с помощью разработанных в диссертации методов, дают хорошее согласие с опубликованными экспериментальными данными.

3. Предложен новый подход к решению данной задачи на основе синтеза двух типов теоретических подходов, применяющихся на сегодняшний день в изучении данной проблемы: дискретного, основанного на постулатах квантовой химии, и континуального, основанного на законах физики сплошных и конденсированных сред. Использование этих двух теоретических методик позволило обосновать механизм активации канала, в котором деполяризация мембран преобразуется в перенос протона, и приводит в конечном итоге открыванию ворот канала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе основное внимание было уделено изучению механизма работы ионных потенциалзависимых каналов В частности, рассмотрена проблема гейтинга (открывания) канала, которая в настоящее время является ведущей проблемой для многих областей науки. Основной целью данной работы являлось определение роли протонного транспорта в процессе гейтинга и построение математической молекулярной модели гейтинга канала, отражающей влияние переноса протона на этот процесс. В процессе решения поставленных задач:

1. Были исследованы экспериментальные данные по «воротным токам» и найдены свидетельства о том, что ключевую, инициирующую роль в процессе гейтинга играет первоначальный транспорт протонов в канале. Изучение функционирования сегмента S4 потенциалзависимых каналов однозначно позволяет сделать вывод о том, что именно этот сегмент является своеобразным «сенсором напряжения», реагирующим на изменение мембранного потенциала. (Это имеет особое значение для потенциалзависимых и рН-зависимых ионных каналов возбудимых биологических мембран, в которых при деполяризации мембраны в процессе проведения возбуждения вдоль нервных и мышечных волокон происходит изменение мембранного потенциала покоя, или изменение локального электрического поля может быть вызвано изменение рН, т.е. изменением числа протонов.)

2. Предложена новая модель механизма гейтинга потенциалзависимого ионного канала - модель открывания канала за счет протонного транспорта вдоль канала. Согласно этой модели гейтинг канала складывается из трех основных этапов:

1) туннелирование протона между двумя молекулами амина или гуанидина в сегменте S4 ионного канала,

2) старт протонного транспорта вдоль S4 сегмента канала,

3) объединение протона с находящимися в поре канала молекулами воды Н50г6+, в результате чего происходит ослабление водородных связей, что и приводит к открыванию канала. Каждый из трех этапов гейтинга подтвержден экспериментальными данными.

3. Построена математическая модель гейтинга потенциалзависимого ионного канала на основе механизма протонного переноса между активными молекулярными компонентами аргинина (группами гуанидина), входящими в состав S4 сегмента потенциалзависимых ионных каналов. Построение математической молекулярной модели проводилось по гомологии аминокислотной последовательности калиевого канала Streptomyces lividans (KcsA) для которого имеются данные рентгеноструктурного анализа, полученные только в самое последнее время.

4. Построенная на основе экспериментальных данных молекулярная структура канала - его исходная геометрия, оптимизирована с использованием квантово-химических методов. Все математические расчеты молекулярной геометрии выполнены ab initio методами с помощью программы Gaussian 98. Расчет проводился на многопроцессорных компьютерных кластерах (компьютерном сервере Compaq Alpha с 2 процессорами EV6 и Linux кластере с 24 процессорами Pentium III, 1GHz).

5. Проведена серия компьютерных экспериментов, подтвердивших работоспособность предложенной модели. Вычисления выполнены с помощью программы Gaussian 98 методом функционала плотности и полуэмпирических вычислений для канала KcsA.

6. Рассчитана поверхность потенциальной энергии системы состоящей из двух гуанидиновых групп и молекул воды. Определены энергетические барьеры, образующиеся при транспорте протона в канале.

7. На основе анализа полученных результатов доказано, что транспорт протона в потенциалзависимом канале возможен.

8. Показано, что перенос протона в ионном канале происходит в присутствии двух или более молекул воды и полностью определяет процесс гейтинга: а именно - транспорт протона вдоль канала приводит к ослаблению водородных связей, удерживающих канал в закрытом положении, в результате чего канал открывается для переноса ионов.

9. Проведена аналогия с механизмом переноса протонов в других водородсвязанных системах, в частности — в сегнетоэлектриках.

10. Предложен новый синтетический подход для решения поставленной задачи, в котором равноправно используются две научные доктрины: дискретный подход квантовой химии и континуальный подход физики сплошных и конденсированных сред. Квантово-механические расчеты используются для определения вероятности переноса протона между молекулами и для исследования влияния протона на открывание KcsA канала, содержащего близкодействующие сильные водородные связи. Расчеты в непрерывных средах необходимы для понимания процесса переноса зарядов (солитонного механизма транспорта протонов) и фазовых переходов, особенно типа сегнетоэлектрических фазовых переходов, сопряженных с движением зарядов.

11. Исследована нелинейная динамика солитонных образований в водородсодержащих биомолекулярных системах. Рассмотрена система нелинейных уравнений, моделирующих перенос протона вдоль молекулярной цепочки в дискретной аппроксимации, что позволяет описать процесс протонного транспорта, согласованный с квантово-химическими расчетами, в сегментах внедренных в биологическую мембрану протеиновых молекул (типа ионного канала), а также процесс протонного переключения в сверхтонких полимерных сегнетоэлектрических пленках.

12. Разработана серия собственных программных приложений работающих во взаимодействии с такими программами как Gaussian98, HyperChem, Babel.

По результатам работы также подготовлены демонстрационные и методические материалы, необходимые в дальнейшей работе и при выступлениях на семинарах и конференциях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сапронова, Алла Вячеславовна, 2004 год

1. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М., Просвещение, 1987

2. Рубин А.Б. Биофизика. Том .1. М., Книжный дом, 1999

3. Jiang Y, Lee A, Chen J, Cadene M, Chait ВТ, mackinnon R. The Open Pore Conformation of Potassium Channels // Nature 417, 523-526, 2001

4. Bystrov V.S. Current Models of Ionic Channels in Biological Membranes // Bulletin of the Russian Academy of Sci., Physics. Vol. 61, No.12, pp.1905-1912, 1997

5. Волькенштейн M.B. Биофизика, M., Наука, 1981

6. Албертс Б., Брей Д., Ль юис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах, 2-е издание. М.: Мир, 1993

7. Физиология человека. Под. Ред. Г.И.Косицкого. М. Медицина, 1985

8. Hodgkin, A. L., and A. F. Huxley A Quantitative Description of Membrane Currents and its Application to Conduction and Excitation in Nerve. // J. Physiol. (Lond.). 117:500-544, 1952

9. Hodgkin A.L., Huxley A.F. // Movement of Radioactive Potassium and Membrane Current in a Giant Axon. J Physiol. Aug;121(2):403-414, 1953

10. Wray D. The Roles of Intracellular Regions in the Activation of Voltage-Dependent Potassium Channels.// Eur Biophys J. Nov 8, 2003

11. Silverman W.R., Tang C.Y., Mock A.F., Huh K.B., Papazian D.M. Mg(2+) Modulates Voltage-Dependent Activation in Ether-a-Go-Go

12. Potassium Channels by Binding Between Transmembrane Segments S2 and S3. // J Gen Physiol. Nov;l 16(5):663-78, 2000

13. Papazian D.M., Silverman W.R., Lin M.C., Tiwari-Woodruff S.K., Tang C.Y. Structural Organization of the Voltage Sensor in Voltage-Dependent Potassium Cchannels. // Novartis Found Symp., 245:178-90; discussion 190-2", 261-4, 2002

14. 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.; 78:557-570, 2000

15. Biggin P.C., Smith G.R., Shrivastava I.H., Choe S., Sansom M.S.P: Potassium and Sodium Ions in a Potassium Channel Studied by Molecular Dynamics Simulations. // Biochim. Biophys. Acta, 1 13, 2000

16. Dutzler R. Structural Basis for Ion Conduction and Gating in C1C chloride channels. FEBS Lett. 2004 Apr 30;564(3):229-33.

17. Stewart R. Durell, Yili Hao, Tatsunosuke Nakamura, Evert P. Bakker, and H. Robert Guy Evolutionary Relationship between K+ Channels and Symporters // Biophys. J. 77: 775-788, 1999

18. Landau EM, Gavish B, Nachshen DA. Ph Dependence of the Acetylcholine Receptor Channel: a Species Variation. J. Gen'l. Physiol. 77:647-666, 1981

19. Jackson M.B. Advances in Ion Channel Structure. // Trends Neurosci. Jun;27(6):291, 2004

20. Papazian D.M., Schwarz 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, 237:749-753, 1987

21. Wu J.V. Dynamic Ion-Ion and Water-Ion Iinteractions in Ion Channels // Biophys. J., May; 61: 1316 1331, 1992

22. Hartmann H.A., Kirsch G.E., Drewe J.A., Taglialatela M., Joho R.H., Brown A.M. Exchange of Conduction Pathways Between Two Related K+ Channels. // Science, 251:942-944, 1991

23. Arai M., Ikeda M., Shimizu T. Comprehensive Analysis of Transmembrane Topologies in Prokaryotic Genomes. // Gene. Jan 30; 304: 77-86, 2003

24. Yang YC, Kuo CC. The position of the fourth segment of domain 4 determines status of the inactivation gate in Na+ channels.J Neurosci. 2003 Jun 15; 23(12): 4922-30.

25. Oliver Ohlenschlager, Hironobu Hojo, Ramadurai Ramachandran, Matthias Gorlach, and Parvez I. Haris Three-Dimensional Structure of the S4-S5 Segment of the Shaker Potassium Channel // Biophys. J. 82: 2995-3002, 2002

26. Pongs O, Kecskemethy N, Mtiller R, Krah-Jentgens I, Baumann A, Kiltz HH, Canal-I, Llamazares S, Ferrus A: Shaker Encodes a Family of Putative Potassium Channel Proteins in the Nervous System of Drosophila. // EMBO J, 7:1087-1096, 1988

27. Mohammad Shahidullah and Manuel Covarrubias The Link between Ion Permeation and Inactivation Gating of Kv4 Potassium Channels // Biophys. J. 84: 928-941, 2003

28. Noga Alagem, Semen Yesylevskyy, and Eitan Reuveny The Pore Helix Is Involved in Stabilizing the Open State of Inwardly Rectifying K+ Channels // Biophys. J. 85: 300-312, 2003

29. Ho K, Nichols CG, Lederer WJ, Lytton J, Vassilev PM, Kanazirska MV, Hebert SC: Cloning and Expression of an Inwardly Rectifying ATP-Regulated Potassium Channel. // Nature, 362:3 1-38, 1993

30. C. Dietrich, L. A. Bagatolli, Z. N. Volovyk, N. L. Thompson, M. Levi, K. Jacobson, and E. Gratton Lipid Rafts Reconstituted in Model Membranes // Biophys. J. 80: 1417-1428. 2001

31. Lecar H, Larsson HP, Grabe M. Electrostatic Model of S4 Motion in Voltage-Gated Ion Channels.Biophys // J. Nov; 85(5): 2854-64. 2003

32. Jiang Y, et al. The Орёп Pore Conformation of Potassium Channels. // Nature. May 30;417(6888):523-6. 2002

33. Durell SR, Guy HR. A Family of Putative Kir Potassium Channels in Prokaryotes.// BMC Evol Biol.; 1 (1): 14. Epub 2001 Dec 20. 2001

34. Monticelli L, Robertson KM, MacCallum JL, Tieleman DP. Computer Simulation of the KvAP Voltage-Gated Potassium Channel: Steered Molecular Dynamics of the Voltage Sensor. // FEBS Lett. Apr 30;564(3):325-32. 2004

35. MT Perez-Garcia, N Chiamvimonvat, R Ranjan, JR Balser, GF Tomaselli, and E Marban Mechanisms of sodium/calcium selectivity in sodium channels probed by cysteine mutagenesis and sulfhydryl modification // Biophys. J. 72: 989-996. 1997

36. J Lacapere, DL Stokes, and D Chatenay Atomic force microscopy of three-dimensional membrane protein crystals. Ca-ATPase of sarcoplasmic reticulum // Biophys. J. 63: 303-308. 1992

37. Zunkler BJ, Wos-Maganga M, Panten U. Fluorescence microscopy studies with a fluorescent glibenclamide derivative, a high-affinity blocker of pancreatic beta-cell ATP-sensitive K+ currents.// Biochem Pharmacol. 2003 Apr 1 5;67(8):1437-44.

38. Littleton JT, Ganetzky B: Ion channels and synaptic organization: analysis of the Drosophila genome // Neuron, 2000, 26:35-43.

39. Beckstein O, Biggin PC, Bond P, Bright JN, Domene C, Grottesi A, Holyoake J, Sansom MS. Ion channel gating: insights via molecular simulations. // FEBS Lett. Review. 2003, Nov 27; 555(1): 85-90.

40. Doyle DA, Morais Cabral J, Pfuetzner RA, Kuo A, Gulbis JM, Cohen SL, Chait ВТ, mackinnon R: The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. // Science, 1998, 280:69-76.

41. Mackinnon R, Aldrich RW, Lee AW: Functional stoichiometry of Shaker potassium channel inactivation.Science, 1993, 262:757-759.

42. Michael J. Wood and Stephen J. Korn Two Mechanisms of K+-Dependent Potentiation in Kv2.1 Potassium Channels // Biophys. J. 2000 79: 2535-2546.

43. Nikolay Korolev, Alexander P. Lyubartsev, Allan Rupprecht, and Lars Nordenskiold Competitive Binding of Mg2+, Ca2+, Na+, and K+1.ns to DNA in Oriented DNA Fibers: Experimental and Monte Carlo Simulation Results // Biophys. J. 1999 77: 2736-2749.

44. I Favre, E Moczydlowski, and L Schild On the structural basis for ionic selectivity among Na+, K+, and Ca2+ in the voltage-gated sodium channel // Biophys. J. 1996 71: 31 10-3125.

45. Toby W. Allen, Serdar Kuyucak, and Shin-Ho Chung Molecular Dynamics Study of the kcsa Potassium Channel // Biophys. J. 1999 77: 2502-2516.

46. Shin-Ho Chung, Matthew Hoyles, Toby Allen, and Serdar Kuyucak Study of Ionic Currents across a Model Membrane Channel Using Brownian Dynamics // Biophys. J. 1998 75: 793-809.

47. S. Garofoli and P. C. Jordan Modeling Permeation Energetics in the kcsa Potassium Channel // Biophys. J. 2003 84: 2814-2830.

48. S Cukierman, EP Quigley, and DS Crumrine Proton conduction in gramicidin A and in its dioxolane-linked dimer in different lipid bilayers // Biophys. J. 1997 73: 2489-2502.

49. Turgut Bastug and Serdar Kuyucak Role of the Dielectric Constants of Membrane Proteins and Channel Water in Ion Permeation // Biophys. J. 2003 84: 2871-2882.

50. Noga Alagem, Semen Yesylevskyy, and Eitan Reuveny The Pore Helix Is Involved in Stabilizing the Open State of Inwardly Rectifying K+ Channels Biophys. J. 2003 85: 300-312.

51. AM Correa and F Bezanilla Gating of the squid sodium channel at positive potentials. I. Macroscopic ionic and gating currents Biophys. J. 1994 66: 1853-1863.

52. Noda M, Numa S. Structure and function of sodium channel. J Recept Res. 1987; 7(1-4): 467-97.

53. Stuhmer W, Methfessel C, Sakmann B, Noda M, Numa S. Patch clamp characterization of sodium channels expressed from rat brain cdna. Eur Biophys J. 1987; 14(3): 131-8.

54. Stuhmer W, Conti F, Suzuki H, Wang XD, Noda M, Yahagi N, Kubo H, Numa S. Structural parts involved in activation and inactivation of the sodium channel. Nature. 1989 Jun 22; 339(6226): 597-603.

55. Mccormick, K. A., L. I. Isom, D. Ragsdale, D. Smith, T. Scheuer, and W. A. Catterall. 1998. Molecular determinants of Na+ channel function in the extracellular domain of the R subunit. J. Biol. Chem. 273:39543962

56. Noda M. Structure and function of sodium channels.// Ann N Y Acad Sci. 1993 Dec 20; 707: 20-37. Review.

57. Lemaillet G, Walker B, Lambert S. Identification of a conserved ankyrin-binding motif in the family of sodium channel alpha subunits. J Biol Chem. 2003 Jul 25; 278(30): 27333-9.

58. D Porschke Electrostatics and electrodynamics of bacteriorhodopsin // Biophys. J. 1996 71: 3381-3391.

59. M Tsuda and-TG Ebrey Effect of high pressure on the absorption spectrum and isomeric composition of bacteriorhodopsin Biophys. J. 1980 30: 149-157.

60. Toshihiko Oka, Naoto Yagi, Fumio Tokunaga, and Mikio Kataoka Time-Resolved X-Ray Diffraction Reveals Movement of F Helix of D96N Bacteriorhodopsin during M-MN Transition at Neutral pH Biophys. J. 2002 82: 2610-2616.

61. Emadeddin Tajkhorshid, Jerome Baudry, Klaus Schulten, and Sandor Suhai Molecular Dynamics Study of the Nature and Origin of Retinal's Twisted Structure in Bacteriorhodopsin Biophys. J. 2000 78: 683-693.

62. С Ganea, С Gergely, К Ludmann, and G Varo The role of water in the extracellular half channel of bacteriorhodopsin Biophys. J. 1997 73: 2718-2725.

63. J Cladera, J Torres, and E Padros Analysis of conformational changes in bacteriorhodopsin upon retinal removal Biophys. J. 1996 70: 2882-2887.

64. J. Wang and-M. A. El-Sayed The Effect of Protein Conformation Change from alpha II to alpha I on the Bacteriorhodopsin Photocycle Biophys. J., April 1, 2000; 78(4): 2031 2036.

65. Barnett, S. M., С. M. Edwards, I. S. Butler, and I. W. Levin. 1997. Pressure-induced transmembrane alpha(II)-helical to alpha(I)-helical conversion in bacteriorhodopsin an infrared spectroscopic study. J. Phys. Chem. B. 101:9421-9424.

66. Kresheck, G. С., С. T. Lin, L. N. Williamson, W. R. Mason, D. J. Jang, and M. A. El-Sayed. 1990. The thermal stability of native, delipidated, deionized and regenerated bacteriorhodopsin. J. Photochem. Photobiol. B. 7:289-302.

67. Vogel, H., and W. Gaertner. 1987. The secondary structure of bacteriorhodopsin determined by Raman and circular dichroism spectroscopy. J. Biol. Chem. 262:1 1464-11469

68. Stoeckenius, W., and R. H. Lozier. 1974. Light energy conversion in Halobacterium halobium. J. Supramol. Struct. 2:769-774

69. Dencher, N. A., D. Dresselhaus, G. Zaccai, and G. Bueldt. 1989. Structural changes in bacteriorhodopsin during proton translocation revealed by neutron diffraction. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 86:78767879

70. Okajima TL and Hong FT Kinetic analysis of displacement photocurrents elicited in two types of bacteriorhodopsin model membranes Biophys. J. 1986 50: 901-912

71. Sansom MSP, Shrivastava IH, Ranatunga KM, Smith GR. 2000. Simulations of ion channels-watching ions and water move. Trends Biochem. Sci. 25:368-374.

72. R Govindjee, К Ohno, and TG Ebrey Effect of the removal of the COOH-terminal region of bacteriorhodopsin on its light-induced H+ changes Biophys. J. 1982 38: 85-87.

73. EH Tan and RR Birge Correlation between surfactant/micelle structure and the stability of bacteriorhodopsin in solution Biophys. J. 1996 70: 2385-2395.

74. TN Earnest, J Herzfeld, and KJ Rothschild Polarized Fourier transform infrared spectroscopy of bacteriorhodopsin. Transmembranealpha helices are resistant to hydrogen/deuterium exchange Biophys. J. 1990 58: 1539-1546.

75. Unwin N. 2002. Structure of the acetylcholine gated channel. Novartis Foundation Symposium 245:5-21.

76. Bezanilla F. 2000. The voltage sensor in voltage dependent channels. Physiological Reviews 80:555-592.

77. Yang YC, Kuo CC. The position of the fourth segment of domain 4 determines status of the inactivation gate in Na+ channels. J Neurosci.2003 Jun 15; 23(12): 4922-30.

78. A.Sapronova, V.Bystrov, M.Green Water, Proton Transfer, and Hydrogen Bonding in Ion Channel Gating // Frontier in Bioscience 8 -September 1, 2003. pp.1356-1370

79. Wang Z, Fedida D. Gating charge immobilization caused by the transition between inactivated states in the Kvl.5 channel.Biophys J. 2001 Nov; 81(5): 2614-27.

80. Bell DC, Yao H, Saenger RC, Riley JH, Siegelbaum SA. Changes in Local S4 Environment Provide a Voltage-sensing Mechanism for Mammalian Hyperpolarization-activated HCN Channels. J Gen Physiol.2004 Jan; 123(1): 5-20.

81. Kuhn FJ, Greeff NG. Gating properties of a sodium channel with three arginines substituted by histidines in the central part of voltage sensor S4D4.J Membr Biol. 2003 May 1; 193(1): 23-34.

82. A.V.Sapronova, V.S.Bystorov, M.E.Green Proton Transport as a Possible Source of Gating Current in Voltage Gated Channels Abstracts 46-th Annular Meeting of Biophysical Society. San-Francisco, CA, USA, 2002

83. Yang, N., George, A.L., Jr., and Horn, R (1996) Molecular basis of charge movement in voltage-gated sodium channelsneuron 16(), 113-122

84. Gandhi CS, Clark E, Loots E, Pralle A, Isacoff EY. The orientation and molecular movement of a k(+) channel voltage-sensing domain. Neuron. 2003 Oct 30; 40(3): 515-25.

85. Leuchtag HR. Long-range interactions, voltage sensitivity, and ion conduction in S4 segments of excitable channels. // Biophys J. 1994 Jan;66(l):217-24.

86. Starace DM, Stefani E, Bezanilla F. Dependent proton transport by the voltage sensor of the Shaker K+ channel. Neuron. 1997 Dec; 19(6): 1319-27.

87. A.Sapronova, V.Bystrov, M.Green Ion Channel Gating and Proton Transport // Journal of Molecular Structure (Theochem) 630 2003. pp.297-307.

88. Cha A, Snyder GE, Selvin PR, Bezanilla F. Atomic scale movement of the voltage-sensing region in a potassium channel measured via spectroscopy. Nature. 1999 Dec 16; 402(6763): 809-13.

89. Leuchtag HR. Phase transitions and ion currents in a model ferroelectric channel unit. J Theor Biol. 1987 Aug 7; 127(3):341-59.

90. Dorine M. Starace and Francisco Bezanilla Histidine Scanning Mutagenesis of Basic Residues of the S4 Segment of the Shaker K+ channelj. Gen. Physiol., Apr 2001; 117: 469 490.

91. Durell SR, Guy HR. A family of putative Kir potassium channels in prokaryotes. BMC Evol Biol. 2001; 1(1): 14. Epub 2001 Dec 20.

92. A. Kuo, J.M'. Gulbis, J.F. Antcliff, T. Rahman, E.D. Lowe, J. Zimmer, J. Cuthbertson, F.M. Ashcroft, T. Ezaki, D.A. Doyle, Science 330 (2003) 1921-1926

93. A. Miyazawa, Y. Fujiyoshi, N. Unwin, Nature 423 (2003) 949-955

94. G. Chang, R.H. Spencer, A.T. Lee, M.T. Barclay, D.C. Rees, Science 282 (1998) 2220-2226

95. Holyoake J, Domene C, Bright JN, Sansom MS. Kcsa closed and open: modelling and simulation studies. Eur Biophys J. 2003 Oct 22

96. В.Быстров, А.Сапронова, М.Грин Математическое моделирование ионных каналов. Международный конгресс по математическому моделированию. Дубна, Моск. обл., Россия, 2002.

97. Sigg D, Bezanilla F, Stefani E. Fast gating in the Shaker K+ channel and the energy landscape of activation. Proc Natl Acad Sci USA. 2003 Jun 24; 100(13): 761 1-5.

98. Islas LD, Sigworth FJ. Voltage sensitivity and gating charge in Shaker and Shab family potassium channels.J Gen Physiol. 1999 Nov; 114(5): 723-42.

99. Fenimore PW, Frauenfelder H, mcmahon BH, Parak FG. Slaving: solvent fluctuations dominate protein dynamics and functions. Proc Natl Acad Sci USA. 2002 Dec 10; 99(25): 16047-51.

100. 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 Oct; 1 14(4): 551-60.

101. M.E.Green, V.S.Bystrov, A. V.Sapronova Nonlinear Dynamics of Proton Transfer in the H-bonded Systems. // Physics of Vibration. V.9, N 3, 2001, pp.168-172.

102. Cuello LG, Romero JG, Cortes DM, Perozo E. Ph-dependent gating in the Streptomyces lividans K+ channel.Biochemistry. 1998 Mar 10; 37(10): 3229-36.

103. Jiang Y, Ruta V, Chen J, Lee A, mackinnon R.The principle of gating charge movement in a voltage-dependent K+ channel.Nature. 2003 May 1; 423(6935): 42-8.

104. Green ME. 2001a. Ab initio calculations on a critical part of a protein, with an H5O2 partially charged group in a central role. J. Phys. Chem. В 105:5298-5303.

105. Мелешина A.M. Курс квантовой химии. — Воронеж: Издательство воронежского университета. 1981, 200

106. V.Bystrov, M.Green, A.Sapronova Proton Transfer in Hydrogen-bonded Ferroelectrics and Related Systems European Meeting on Ferroelectrics. Cambridge, UK, 2003

107. Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. Л: Химия, 1986

108. Эйринг Г. и др. Квантовая химия. М: Издательство иностранной литературы, 1948

109. Мак-Вини Р., Сатклиф Б. Квантовая механика молекул: М: Мир, 1972, 384с.

110. W. J. Hehre, R. F. Stewart, and J. A. Pople, J. Chem. Phys., 51, 2657 (1969)

111. J. B. Collins, P. V. Schleyer, J. S. Binkley, and J. A. Pople, J. Chem. Phys., 64, 5142 (1976)

112. R. F. Stewart, J. Chem. Phys., 52, 431 (1970).

113. J. S. Binkley, J. A. Pople, and W. J. Hehre, J. Am. Chem. Soc., 102, 939 (1980)

114. M. S. Gordon, J. S. Bin-kley, J. A. Pople, W. J. Pietro, and W. J. Hehre, J. Am. Chem. Soc., 104, 2797 (1982)

115. W. J. Pietro, M. M. Francl, W. J. Hehre, D. J. Defrees, J. A. Pople, and J. S Binkley, J. Am. Chem. Soc., 104, 5039 (1982).

116. W. J. Hehre, R. Ditchfield, and J. A. Pople, J. Chem. Phys., 56, 2257 (1972)

117. P. C. Hariharan and J. A. Pople, Theor. Chim. Acta, 28, 213 (1973)

118. M. S. Gordon, Chem. Phys. Lett., 76, 163 (1980)

119. R. Krishnan, J. S. Kinkley, R. Seeger, and J. A. Pople, J. Chem. Phys., 72, 650 (1980)

120. D. Mclean and G. S. Chandler, J. Chem. Phys., 72, 5639 (1980)

121. Т.Н. Dunning and P.J. Hay, in Modern Theoretical Chemistry, Plenum, New York, 1976.

122. Кларк Т., Компьютерная химия, М., Мир, 1990

123. Richard F. W. Bader Atoms in Molecules. A quantum theory. Clarendon Press, Oxford, 2000

124. David С. Young Computational Chemistry, Willey & Sons Publication, Inc. 2001

125. В.И.Минкин, Б.Я.Симкин, Р.М.Миняев Теория строения молекул. М., Наука, 1997

126. A.R.Leach. Molecular Modelling: Principles and Applications, Pearson Education Limited, 2001

127. D.Frenkel, B.Smit. Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. Academic Press, 1996

128. Monte Carlo and Molecular Dynamics Simulations in Polymer Science. K.Binder (ed.), Oxford University Press, 1995

129. Gaussian 98 Programmers Reference, Gaussian, Inc., 1998

130. Слэттер Дж., Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел, М., 1978.

131. A.Hinchliffe. Modelling Molecular Structures, John Wiley & Sons Ltd., 2000

132. V.S. Bystrov, A.V.Sapronova , T.R.Tazieva, V.A.Zavorov Bioferroelectricity, Nanotechnology and Related Problems. 10-th International Meeting on Ferroelectricity. Madrid, Spain, 2001

133. Фудзинага С., Метод молекулярных орбиталей, М., 1983

134. P.Honenberg and W. Kohn. Physical Review, 136:864B-871B6 1964

135. W. Kohn and L. J. Sham. Physical Review, 140:1 133A, 1965

136. J. P. Perdew. In P. Ziesche and H. Eschrig, editors, Electronic Structure of Solids. Akademie Verlag, Berlin, 1991

137. Н.Ф.Степанов Квантовая механика и квантовая химия. М., Мир, 2001

138. Szabo and N. S. Ostlund, "Modern Quantum Chemistry", 1st edition, revised, mcgraw-Hill, New York, 1989; reprinted by Dover, New York 1996

139. JB Foresman, A. Frisch, Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods: A Guide to Using Gaussian, Second Ed., Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA, 1996

140. M. Дьюар Теория молекулярных орбиталей в органической химии М 1999

141. Счастнев П.В. Теория электронных оболочек молекул. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1973

142. Cramer С.J., Essentials of Computational Chemistry. Theories and Models. Chichester: John Wiley & Sons, 2002.

143. P. Alexander, J. Orban and P. Bryan, Biochemistry 31, 7243 (1992).

144. S. A. Harfenist, Z. L. Wang, M. M. Alvarez, I. Vezmar and R. L. Whetten, J. Phys. Chem. 100, 13904 (1996)

145. Claes L, Francois JP, Deleuze MS. Theoretical study of the internal elimination reactions of xanthate precursors.J Comput Chem. 2003 Dec;24(16):2023-31.

146. F. H. Stillinger, Science 267, 1935 (1995)

147. M. R. Garey and D. S. Johnson, Computers and Intractability: A Guide to the Theory of NP-Completeness , WH Freeman, San Francisco (1979)

148. D. J. Wales and J. P. K. Doye, in Large Clusters of Atoms and Molecules , edited by T. P. Martin, vol. E 313 of NATO ASI , pp. 241279, Kluwer Academic, Dordrecht (1996)

149. Lu J, Green ME. 1997. Simulation of water in a pore with charges: application to a gating mechanism for ion channels. Progress in Colloid and Polymer Science 103:121-129

150. Lu J, Green ME. 1999. Simulation of water in a small pore: Effect of electric field and density II: Immobilized molecules. J. Phys. Chem. В 103:2776-2780

151. Stefani E, Sigg D, Bezanilla F. 2000. Correlation between the early component of gating current and total gating current in Shaker К channels. Biophysical Journal 78:7A

152. Bystrov VS. 1997. Ferroelectric liquid crystal models of ion channels and gating phenomena in biological membranes. Ferroelectr., Lett. Sect. 23(3/4):87-93