|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
О физических закономерностях самосборки уникальной пространственной структуры линейных биополимеров (белков)тезисы доклада
- Автор: Шайтан К.В.
- Сборник: XXVIII Российская конференция по электронной микроскопии «Современные методы электронной, зондовой микроскопии и комплементарных методов исследованиях наноструктур и наноматериалов». г. Черноголовка, 7-10 сентября 2020 г
- Том: 3
- Тезисы
- Год издания: 2020
- Место издания: ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН Черноголовка
- Первая страница: 247
- Последняя страница: 248
- DOI: 10.37795/RCEM.2020.41.15.056
- Аннотация: DOI: 10.37795/RCEM.2020.41.15.056ISBN 978-5-6045073-3-9 (т.3)Проблема происхождения пространственных форм и динамика самосборки четко воспроизводимых уникальных 3D-структур линейных биополимеров (в частности, белков) активно обсуждается более полувека. Накоплен достаточно большой экспериментальный материал и обнаружен ряд закономерностей, которые нуждаются в осмыслении и построении физической теории процесса самосборки 3D-структуры линейных биополимеров, которые играют ключевую роль в формировании и функционировании живых систем. Понимание механизмов самосборки 3D-структуры (фолдинга), развитие соответствующего математического аппарата и развитие суперкомпьютерной техники в перспективе способно привести к эффективным численным методам предсказания результатов фолдинга и пространственной структуры биополимеров в реальных условиях. Это позволило бы рутинные задачи структурной биологии перенести на цифровую платформу и сосредоточить мощные экспериментальные методы на изучении особенностей структурных изменений при функциональных процессах. Эта часть проблемы существенно более сложная, чем просто определение равновесной (или квазиравновесной) пространственной структуры биополимера. Дело в том, что в функциональных процессах обычно также задействованы и электронные степени свободы, что предъявляет даже в обозримом будущем слишком серьезные требования к вычислительной технике. Поэтому для развития науки в этой области будет очень важно сочетание экспериментальной информации о деталях электронных и атомных перестроек (получаемых, например, с использованием рентгеновских лазеров на свободных электронах) с развитием теоретических и компьютерных подходов и моделей.На данный момент важной и не решенной проблемой является корректное описание энергетических поверхностей биополимеров, установление их связи с химической структурой макромолекул. Имеется большое число различных силовых полей, основанных на суммировании парных взаимодействий, каждое из которых параметризовано для относительно узкого класса молекулярных структур и хорошо работает вблизи равновесных конфигураций. Однако, процесс самосборки 3D-структуры биополимеров осуществляется из сильно неравновесных конфигураций и необходимо иметь более общие подходы для описания и параметризации энергетических поверхностей.В работе предлагается новый подход к описанию энергетических поверхностей линейных полимеров, который основан на последовательном математическом рассмотрении свойств многомерных поверхностей, заданных на пространстве конфигураций (конформаций) макромолекулярной цепи. Конфигурационное пространство линейного полимера задается топологическим произведением окружностей, которые соответствуют поворотам вокруг одинарных связей по торсионным углам. То есть топология конфигурационного пространства линейного полимера есть многомерный тор. Эта, на первый взгляд, «мелочь» при последовательном рассмотрении свойств функций, заданных на гиперторе очень большой размерности, оказывает принципиальное влияние на свойства энергетических поверхностей и динамику фолдинга.В работе развивается асимптотическая теория строения энергетических поверхностей, которые заданы на торах очень большой размерности. Показано, что разумные физические требования к устройству функций, заданных на гиперторе приводят к целому ряду важных свойств энергетических поверхностей линейных биополимеров и выводам, которые находятся в согласии с большим числом имеющихся экспериментальных данных:- существование уникальной пространственной структуры (единственного глобального минимума на энергетической поверхности) требует наличия хиральных элементов в макромолекулярной цепи;- строение энергетической поверхности биополимеров с уникальной пространственной структурой имеет вид воронки;- для входа в устье энергетической воронки необходимо преодолеть энтропийный барьер (вулканообразный профиль поверхности свободной энергии);- симметрия энергетической поверхности относительно перестановки в цепи одинаковых мономерных звеньев (например, аминокислотных остатков) приводит к разделению энергетической воронки на области (бассейны), которые отделены друг от друга относительно высокими энергетическими барьерами. При этом имеется наиболее глубокая центральная воронка и сателлитные менее глубокие воронки. Это приводит к тому, что при мягкой денатурации в растворе белковая цепь остается в пределах центральной воронки и может свернуться назад в ту же конфигурацию, а при растягивании цепи атомно-силовым микроскопом конфигурация цепи переходит в область сателлитной воронки и обратный фолдинг оказывается невозможным. Это обстоятельство указывает и на значимость начальной конфигурации цепи, получаемой при биосинтезе;- динамика процесса фолдинга на многомерных энергетических поверхностях организована по определенным правилам, которые в растворе (вязкой среде) запрещают репрезентативной точке использовать траектории, на которых происходит резкое изменение потенциальной энергии по относительно небольшому числу степеней свободы. Это позволяет траектории репрезентативной точке не запутаться при движении в глобальный минимум и снимает парадокс Левинталя.Данная работа поддержана РФФИ, гранты No18-02-40010мега (строение энергетической воронки), No18-504-12045 (динамика фолдинга).
- Добавил в систему: Шайтан Константин Вольдемарович
Прикрепленные файлы
| № | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. | Полный текст | пдф, с.247 | RCEM2020_V3_s.247.pdf | 357,7 КБ | 22 октября 2020 [ShaitanKV] |
| 2. | Полный текст | пдф, стр.248 | RCEM2020_V3_s.248.pdf | 273,7 КБ | 22 октября 2020 [ShaitanKV] |