авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Моделирование взаимодействия днк с липидами и нанотрубками методами молекулярной механики и докинга

-- [ Страница 1 ] --

на правах рукописи

Дьячков Евгений Павлович

Моделирование взаимодействия ДНК с липидами и нанотрубками методами молекулярной механики и докинга

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Москва - 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук,

Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Научный руководитель: Кандидат химических наук Долин Сергей Петрович
Официальные оппоненты: Доктор химических наук, профессор Алиханян Андрей Сосович (ИОНХ РАН) Доктор физико-математических наук, Чугреев Андрей Львович (химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова)
Ведущая организация: Учреждение Российской академии медицинских наук, Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича РАМН

Защита состоится­ «___»_________ 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К002.021.01 в Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 31.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИОНХ РАН по адресу: г. Москва, Ленинский проспект, 31. Ознакомиться с авторефератом можно на сайте www.igic.ru

Автореферат разослан «___»_________2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, Кандидат химических наук, доцент Очертянова Л.И.

ОБщая характеристика работы

Актуальность работы

В данной работе изучены супрамолекулярные комплексы двунитевых ДНК с липидами и однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками. Липиды играют важную структурную и энергетическую роль в функционировании клетки. Они участвуют в процессах передачи сигнала, регуляции экспрессии генома, в структурной и функциональной организации ДНК, хромосом, хроматина и ядерного матрикса. ДНК-связанные липиды имеют специфический состав, отличный от состава липидов ядерной мембраны, хроматина, ядерного матрикса, митохондрий и микросом. Такие липиды как жирные кислоты, холестерин, диглицериды и кардиолипин, со структурной и функциональной точек зрения, являются важной частью хроматина и геномной ДНК. Приближенно известен жирнокислотный состав комплексов ДНК с липидами как прокариот, так и эукариот, что крайне важно для понимания их функции. Однако до настоящего времени отсутствовала прямая информации о структуре комплексов липидов, в частности, жирных кислот, с нуклеиновыми кислотами.

В последние несколько лет уделяется большое внимание вопросам взаимодействия биомолекул с одностенными углеродными нанотрубками. Этот интерес связан c необходимостью изучения возможного биологического действия нанотрубок, в частности, оценки их возможной канцерогенной активности. Обсуждается также возможность использования нанотрубок для доставки лекарств и генетической информации. Комплексы ДНК с нанотрубками предлагают использовать в качестве биосенсоров в биоинженерных приборах. С другой стороны, при помощи ДНК предлагают разделять смеси нанотрубок разного диаметра. Все это указывает на необходимость определения строения и прочности комплексов ДНК с нанотрубками.



Цели работы

В работе с единой методической точки зрения рассмотрены две задачи супрамолекулярной химии указанных биоактивных систем.

  1. Изучение зависимости комплексообразования ДНК с жирными кислотами, холестерином и его эфирами от нуклеотидного состава ДНК и состава липидов.
  2. Исследование зависимости комплексообразования однонитевых ДНК с нанотрубками от нуклеотидного состава ДНК и диаметра нанотрубок.

Научная новизна

С помощью методов молекулярной механики и докинга изучено взаимодействие двунитевых ДНК с жирными кислотами, холестерином и его эфирами и однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками. Определены строение и устойчивость таких комплексов. Получены теоретические данные о предпочтительности связывания липидов с малой бороздкой ДНК по сравнению с большой. При этом энергия взаимодействия жирных кислот с ДНК оказывается зависящей от числа двойных связей в жирной кислоте. Образование комплексов ДНК-липид приводит к ослаблению водородных связей между нитями ДНК.

Методом молекулярного докинга впервые изучены особенности координации однонитевых ДНК с нанотрубками разного размера. В случае нанотрубок малого диаметра энергетически выгодна координация однонитевых ДНК на внешней поверхности нанотрубки. В нанотрубке с диаметром 24 возможно образование комплексов с расположением однонитевых ДНК как внутри, так и снаружи нанотрубки. Дальнейшее увеличение диаметра нанотрубки приводит к энергетической выгодности внутреннего расположения биополимера.

Прочность комплексов ДНК-липид и ДНК-нанотрубка зависит от нуклеотидной последовательности в биополимере.

Практическая значимость

Определена структура и стабильность комплексов двунитевых ДНК с жирными кислотами, холестерином и его эфирами, а также комплексов однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками.

На защиту выносятся следующие положения, вытекающие из проведенного теоретического анализа:

  1. Возможность образования стабильных комплексов между двунитевыми ДНК и жирными кислотами, холестерином и его эфирами благодаря взаимодействию липида и с малой, и с большой бороздками ДНК. При этом связывание с малой бороздкой оказывается более прочным, чем с большой бороздкой. Этот теоретический результат впервые дал объяснение наличия двух фракций жирных кислот, холестерина и его эфиров, извлекаемых из препаратов ДНК биохимическими методами. Процесс образования комплексов ДНК с липидами сопровождается заметным ослаблением водородных связей между нитями ДНК.
  2. Для нанотрубок малого диаметра энергетически выгодной является координация однонитевых ДНК на внешней поверхности нанотрубки, а для нанотрубок большого диаметра – внутреннее расположение биополимера. В нанотрубке с промежуточным диаметром (24 ) возможно образование комплексов с расположением однонитевых ДНК как внутри, так и снаружи нанотрубки.
  3. Прочность комплексов обоих типов непосредственным образом определяется нуклеотидной последовательностью в биополимерах, при этом наиболее важным фактором стабилизации комплексов оказывается изменения конформации лигандов.

Личный вклад автора заключается в выборе методов математического моделирования и адаптации компьютерных программ с учетом специфики изучаемых объектов исследования, а также в проведении всех компьютерных расчетов, написании статей, подготовке докладов, формулировке выводов и написании диссертации.

Задача изучения строения и стабильности комплексов ДНК с липидами была инициирована экспериментальными исследованиями по выделению таких комплексов, выполненными к.б.н. Стручковым В.А. и к.б.н. Стражевской Н.Б. (Российский Онкологический Научный Центр им. Н.Н. Блохина РАМН), а также профессором д.х.н. Ждановым Р.И. (Учреждение РАМН НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН), который проводит спектральные исследования таких систем.

Апробация работы. Работа докладывалась на следующих научных конференциях. «От современной фундаментальной биологии к новым наукоемким технологиям», Пущино, 2001. «Transeregio 5 Symposium Chromatin Assembly and Inheritance of Functional States», Munchen, 2003. «8-th Session of the V.A. Fock School on Quantum and Computational Chemistry», Velikiy Novgorod, 2004. «Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных проблем и прикладных научных задач», Москва, 2004.

Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (грант 08-03-00262) и советом при Президенте РФ по поддержке ведущих научных школ (грант 616.2008.3).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей и 4 тезиса докладов на российских и международных конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав (Глава 1. Моделирование взаимодействия ДНК с липидами методами молекулярной механики. Глава 2. Взаимодействие ДНК с липидами по данным метода молекулярного докинга. Глава 3. Взаимодействие однонитевых ДНК с углеродными нанотрубками по данным метода молекулярного докинга), выводов, списка литературы, содержит 17 рисунков, 12 таблиц и занимает объем 108 страниц.

Содержание работы

Во введении дается общая характеристика работы, включая ее цели и актуальность.

Первая глава (Моделирование взаимодействия ДНК с липидами и методами молекулярной механики) диссертации состоит из двух частей. Она начинается с литературного обзора, в котором приводится экспериментальные свидетельства в пользу существования комплексов ДНК с липидами. Литературный обзор содержит также краткое описание основ метода молекулярной механики. В работе непосредственно использован вариант метода, в котором полная энергия (Еполн) молекулярной системы представляется в виде суммы вкладов от растяжения химических связей (ER) и деформации валентных углов (EQ) относительно стандартных значений R0 и Q0, энергии торсионных взаимодействий (Eторс), энергии электростатических (Ee) и ван-дер-ваальсовых (Eвдв) взаимодействий между валентно несвязанными атомами, а также энергии водородных связей (EH).

В основной части этой главы изложены оригинальные результаты, посвященные изучению взаимодействия ДНК с различными липидами с помощью этого метода. Для фрагментов двойной спирали ДНК, для свободных жирных кислот, а также комплексов ДНК-лиганд проведена полная оптимизация геометрии и определены значения энергии связи (Есвязи) лигандов с ДНК. Для последней в расчетах использована ее В-форма, а для выполнения условия электронейтральности системы применена стандартная процедура добавления ионов натрия. Рассмотрены олигомеры ДНК, включающие от четырех до десяти пар нуклеотидов с альтернативной последовательностью пиримидиновых (АТ)n или пуриновых нуклеотидов (ГЦ)n. Энергия связи ДНК с лигандами определялась как разность полных энергий комплекса ДНК-лиганд и изолированных молекул ДНК и лигандов. Молекулы лигандов, с учетом геометрических особенностей В-формы двойной спирали ДНК, размещались в малой или большой борозде. В соответствии с этим, были получены оценки энергии связи при координации лигандов с малой или большой бороздками. Во всех случаях для насыщенных частей углеводородных цепей лигандов были взяты полностью заторможенные шахматные конформации, относительно которых и проводилась оптимизация структуры комплекса.

В компьютерных экспериментах использованы одна насыщенная и ряд ненасыщенных жирных кислот, содержащих 18 атомов углерода: стеариновая (I), элаидиновая (II), олеиновая (III), линолевая (IV) и линоленовая (V).

В качестве иллюстрации в табл. 1 представлены значения энергий связи для комплексов изученных жирных кислот с ДНК, а на рис. 1 показано строение четырех наиболее устойчивых комплексов жирных кислот с олигонуклеотидом (АТ)10

Таблица 1. Энергии образования комплексов ДНК (АТ)10 и (ГЦ)10 с жирными кислотами при расположении жирных кислот в малой (м) и большой (б) бороздках.

Состав комплекса Распо-ложение кислоты Есвязи, ккал/моль
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 (АТ)10-(I) (АТ)10-(I) (ГЦ)10-(I) (ГЦ)10-(I) (АТ)10-(II) (АТ)10-(II) (ГЦ)10-(II) (ГЦ)10-(II) (АТ)10-(III) (АТ)10-(III) (ГЦ)10-(III) (ГЦ)10-(III) (АТ)10-(IV) (АТ)10-(IV) (ГЦ)10-(IV) (ГЦ)10-(IV) (АТ)10-(V) (АТ)10-(V) (ГЦ)10-(V) (ГЦ)10-(V) м б м б м б м б м б м б м б м б м б м б 41,5 29,2 17,6 16,8 29,2 16,8 23,2 12,5 21,7 10,9 19,9 10,4 48,2 31,5 46,9 30,2 12,6 6,4 22,3 12.9

Приведенные в табл. 1 данные указывают на предпочтительность расположения всех изученных жирных кислот именно в малой бороздке ДНК. Эта предпочтительность отражает большее соответствие размеров желоба в малой бороздке ДНК размерам неразветвленных углеводородных остатков этих кислот. В большой бороздке для них слишком “просторно”, что приводит к ослаблению взаимодействия между атомами жирной кислоты и бороздкой. Энергия связи всех жирных кислот с ДНК зависит от нуклеотидного состава ДНК и строения жирной кислоты.





Рис. 1. Равновесная геометрия комплексов (АТ)10 со стеариновой (I, А), олеиновой (III, Б), линолевой (IV, В) или линоленовой (V, Г) кислотами по данным метода молекулярной механики.

Важно подчеркнуть, что "процесс" комплексообразования ДНК-липид сопровождается значительным ослаблением водородных связей между нитями ДНК с ростом длины этих связей ( 0.05 А).

Поскольку структура и стабильность комплексов холестерина и его эфиров с ДНК не была известна, нами методами молекулярной механики было изучено взаимодействие олигомеров ДНК с холестерином (VI) и его эфирами стеариновой (VII), олеиновой (VIII), линолевой (IX) и линоленовой (X) кислот. В этом случае был использован тот же метод расчета, что и для комплексов ДНК с жирными кислотами. При этом для насыщенных частей углеводородных цепей лигандов расчеты проведены с полностью заторможенной (шахматной) конформацией, а в качестве фрагментов ДНК взяты олигонуклеотиды (АТ)n и (ГЦ)n с n = 10, т.е. той же длины, что и в случае комплексов жирных кислот. Были также рассмотрены более длинные олигонуклеотиды с n = 14, поскольку эфиры холестерина имеют большую длину, чем жирные кислоты. Расположения лигандов в бороздках ДНК показаны на рис. 2, где в качестве примера приведены оптимизированные структуры комплексов (ГЦ)5(ГЦ)5 с холестерином и его эфиром олеиновой кислоты в малой и большой бороздках.

Приведенные значения энергий связи (16 – 38 ккал/моль) показывают, что холестерин образует с ДНК комплексы примерно такой же прочности, как и жирные кислоты (табл. 1). Установлено, что взаимодействие холестерина с ДНК (АТ)5(ТА)5 более сильное, чем с ДНК (ГЦ)5(ГЦ)5. В комплексах с эфирами холестерина наблюдается дальнейшее упрочение наиболее устойчивых комплексов, отвечающих расположению лигандов в малой бороздке ДНК. Энергия связи при переходе от холестерина к его эфирам возрастает в 1,5 – 2 раза. Такое возрастание энергии связи согласуется с принципом аддитивности, в соответствии с которым энергия связи эфира холестерина с ДНК приближенно равна сумме энергий связи холестерина и жирной кислоты с ДНК:

Есвязи(эфир холестерина) ~ Есвязи(холестерин) + Есвязи(кислота).

Рис. 2. Равновесная геометрия комплексов олиго-(GC)10 с холестерином (VI) и с его эфиром олеиновой кислоты (VIII) в малой и большой бороздках.

Результаты расчетов энергий комплексообразования холестерина и его эфиров жирных кислот с фрагментами ДНК представлены в табл. 2.

Табл. 2. Энергии образования комплексов ДНК с холестерином и его эфирами

при расположении лигандов в малой и большой бороздках (м и б, соответственно).

Состав комплекса Расположение в бороздке Есвязи, ккал/моль
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 (АТ)5(ТА)5-VI (АТ)5(ТА)5-VI (GC)5(CG)5-VI (GC)5(CG)5-VI (АТ)5(ТА)5-VII (АТ)5(ТА)5-VII (GC)5(CG)5-VII (GC)5(CG)5-VII (АТ)5(ТА)5-VIII (АТ)5(ТА)5-VIII (GC)5(CG)5-VIII (GC)5(CG)5-VIII (АТ)7(ТА)7-VIII (АТ)7(ТА)7-VIII (GC)7(CG)7-VIII (GC)7(CG)7-VIII (АТ)5(ТА)5-IX (АТ)5(ТА)5- IX (GC)5(CG)5- IX (GC)5(CG)5- IX (АТ)5(ТА)5-X (АТ)5(ТА)5-X (GC)5(CG)5-X (GC)5(CG)5-X м б м б м б м б м б м б м б м б м б м б м б м б 38,1 33,9 30,1 16,2 58,3 31,2 67,1 37,1 45,7 29,5 66,1 39,5 64,7 41,9 56,6 42,8 45,3 40,1 47,6 29,6 50,7 33,5 46,5 46,2


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.