Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
1.1 Функциональная роль белков bRHSRII 11
1.2 Транспорт протона 12
1.3 Структура бактериородопсина „ 13
1.3.1 Фотоцикл 15
1.3.1.1 КиЬ состояния..., 15
1.3.1.2 Ml,М2 и MN состояния 15
1.3.1.3 N и О состояния 16
1.4 Трансмембранные сигнальные белки 17
1.4.1 Структура NpSRII/NpHtrll комплекса 18
1.5 Методы получения пространственной структуры белков 19
1.5.1 Электронная и рентгеновская кристаллография 19
1.5.2 Нейтронная дифракция и неупругое рассеяние 19
1.5.3 ЯМР спектроскопия 19
1.5.4 Другие методы 20
1.6 Динамика молекул воды в белках 20
1.7 Методы компьютерного моделирования 21
1.8 Краткая формулировка целей и подходов диссертационного исследования...22
Глава 2. Материалы и методы 24
2.1 Силовые поля 24
2.1.1 Простая модель силового поля 24
2.1.1.1 Типы атомов 25
2.1.1.2 Растяжение связей 25
2.1.1.3 Колебания углов 26
2.1.1.4 Вращательные движения 26
2.1.1.5 Ложные вращения и движения вне плоскости 27
2.1.1.6 Непарные взаимодействия. Электростатика 27
2.1.1.7 Точечные заряды 28
2.1.1.8 Параметризация зарядов для больших систем 29
2.1.1.9 Поляризация 30
2.1.1.10 Взаимодействия ван-дер-Ваальса 31
2.1.1.11 Водородные связи 32
2.1.1.12 Силовые поля для объединенных атомов 33
2.1.2 Модели воды 33
2.1.3 Неявно заданные водное окружение и мембрана 34
2.1.4 Производные для функции энергии в молекулярной механике 35
2.2 Статистическая механика и термодинамика „ 36
2.2.1 Статистические ансамбли в моделировании 37
23 Вычисление термодинамических параметров системы 38
2.3.1 Внутренняя энергия 38
2.3.2 Теплоемкость 38
2.3.3 Давление 38
2.3.3.1 Вывод выражения вириала реального газа 39
2.3.4 Температура 39
2.3.5 Радиальная функция распределения 40
2.4 Уравнение Пуассона-Больцмана 40
2.4.1 Сеточное уравнение Пуассона-Больцмана 41
2.4.2 Вычисление энергии сольватации и энергии связывания при помощи уравнения Пуассона-Больцмана 42
2.5 Алгоритмы минимизации структуры 43
2.5.1 Метод быстрейшего спуска 44
2.5.2 Метод сопряженных градиентов .46
2.6 Обзор метода МД 47
2.6.1 Механика Ньютона и численное интегрирование 47
2.6.2 Связи 48
2.6.3 Статистические ансамбли в МД 50
2.6.4 Динамика при постоянной температуре 50
2.6.4.1 Методы шкалирования температур. Термостат Берендсена 50
2.6.4.2 Термостат Нозе-Хувера 51
2.6.4.3 Цепи термостатов Нозе-Хувера 52
2.6.4.4 Нагревание системы на границе 52
2.6.5 Динамика при постоянном давлении 53
2.6.5.1 Методы шкалирования давления. Алгоритм Берендсена 53
2.6.5.2 Алгоритм Нозе 54
2.6.6 Дальние взаимодействия 54
2.6.6.1 Метод суммирования Эвальда 54
2.6.7 Периодические условия на границе ~57
2.6.8 Равновесные характеристики системы 58
2.7 Подготовка системы для моделирования 58
2.7.1 Подготовка белка 58
2.7.2 Недостающие основания „ 58
2.7.3 Подготовка олигомеров 59
2.7.4 Протонирование перезаряжаемых групп и мутации 59
2.7.5 Солевые мостики 59
2.7.6 Параметризация новых молекул 59
2.7.7 Учет воды внутри структуры 60
2.7.8 Граничные условия 60
2.7.9 Подготовка мембраны 60
2.7.10 Подготовка водного окружения 61
2.8 Анализ Нормальных Мод 61
2.8.1 Вычисление В-факторов 63
2.8.2 Проекция нормальных мод „ 63
2.8.3 Квази-гармоническое приближение 63
2.8.4 Переход между несколькими конформациями 64
2.9 Анализ пространственной структуры белка 65
2.9.1 Лучшее наложение структур друг на друга 65
2.9.2 Определение поверхности белка 66
2.9.3 Вода внутри белка - 67
2.9.3.1 Первый алгоритм 67
2.9.3.2 Второй алгоритм 68
2.9.4 Анализ цепочек водородных связей 69
2.9.5 Анализ молекул воды 70
2.10 Структуры 71
2.10.1 Анализ и сравнение структур бактериородопсина 71
2.10.2 Анализ и сравнение структур сенсорного родопсина II 73
Глава 3. МД исследование механизма транспорта протонов в bR 75
3.1 Мономер .75
3.1.1 Подготовка структуры 75
3.1.2 Молекулярная динамика и вычислительные алгоритмы 76
3.1.3 Стабильность структуры 76
ЗЛ.4 Анализ данных 77
3.2 Тример 84
3.2.1 Подготовка структуры 85
3.2.2 Молекулярная динамика и вычислительные алгоритмы 85
3.2.3 Стабильность структуры „ 86
3.2.4 Анализ данных 87
3.2.4.1 Динамика молекул воды 87
3.2.4.2 Распределение молекул воды 90
3.2.4.3 Цепи водородных связей 92
3.3 Сравнение результатов мономер/тример и выводы 94
3.3.1 Стабильность структуры 94
3.3.2 Количество, распределение и динамика внутренних молекул воды 94
3.3.3 Цепочки водородных связей 96
3.4 Новые данные, полученные при помощи использованных методов 97
3.5 Границы применимости используемых методов 97
3.6 Перспективы развития метода 98
Глава 4. Исследование комплекса NpSRII с NpHtrll 99
4.1 Энергия связывания NpSRII с NpHtrll в липидной мембране 99
4.1.1 Система для моделирования 99
4.1.2 Вычисление энергии связывания 99
4.2 Вычисление нормальных мод для комплекса NpSRII с NpHtrll 101
4.2.1 Система для моделирования - 101
4.2.2 Вычисление нормальных мод 102
4.2.2.1 Движение конца спирали Htrll 102
4.2.2.2 Сравнение нормальных мод основного состояния с вектором смеще ния из основного в промежуточное состояние 106
4.3 Новые данные, полученные при помощи использованных методов 107
4.4 Границы применимости используемых методов 107
4.5 Перспективы развития метода - 108
Основные выводы работы 109
Библиографический список использованной литературы
