CC BY
25УДК 577.352.465
А.С. Коротина, И.В. Марков, А.В. Дмитриев, В.А. Твердислов1
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ АКВАПОРИНА В РЕЗУЛЬТАТЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО
СТАРЕНИЯ ОРГАНИЗМА
(Липецкий филиал Орловской региональной академии государственной службы, 1 Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова)
E-mail: a_v_dmitriev@mail.ru
Проведено исследование влияния биологического старения организма на пространственную структуру аквапорина. Показано, что в результате изомеризации аспа-рагиновых аминокислот аквапорина, обусловленной биологическим старением, происходит уменьшение диаметра поры аквапорина и, как следствие, увеличение его водной проводимости.
Вплоть до 70-х годов прошлого века считалось, что все белки живых организмов на Земле, развившихся естественным образом, состоят из левосторонних аминокислот (L-аминокислот). Но живые системы, как принципиально неравновесные системы, стремятся к равновесию и увеличению энтропии.
Эксперименты, проведенные в различных лабораториях в последние годы однозначно указывают на то, что в процессе старения наблюдается увеличение содержания D-аминокислот в белках живых организмов [1-5].
Из двадцати аминокислот распространенных в живой природе аспарагиновые кислоты (Asp) в белках являются структурно нестабильными и наиболее подверженными рацемизации, вследствие чего активность белков в обмене веществ снижается. Аккумуляция D-аминокислот в белке приводит к изменению пространственной структуры белка и приводит к его деактивации.
Учитывая, что в процессе старения организма в белках увеличивается количество D-Asp, представляет интерес исследование структуры и механизмов функционирования белков, в которых проведена модельная рацемизация аминокислот вида (L-Asp)^(D-Asp). Учитывая, что пространственная структура белка определяет его функциональные свойства, данные исследования представляют несомненный интерес для современной физико-химической биологии.
На сегодняшний день методами рентгено-структурного анализа установлена пространственная структура более тысячи белков, поэтому исследование изменения их структурно-функциональных свойств не представляется возможным. В данной работе мы ограничимся исследованием одного из таких белков - аквапорина.
Аквапорин относится к классу трансмембранных каналов, которые регулируют содержа-
ние воды внутри и снаружи клетки [6,7]. Аквапо-рин избирателен для молекул воды и, в тоже время, непроницаем для гидрофильных соединений, которые могут повредить ДНК, клеточные белки, а также блокировать биологически важные внутриклеточные реакции. Данный белок состоит из четырех субъединиц, каждая из которых имеет индивидуальную водную пору (рис. 1А). Самая узкая часть поры канала имеет диаметр 2.8Ä, что примерно соответствует размерам молекулы воды. Координаты атомов аквапорина брали из Банка белковых структур (Protein Data Bank, Brookhaven National Laboratory, USA).
да®|$гжр
A
Рис. 1. Пространственная структура немодифициро-ванного (A) и подверженного рацемизации аспарагино-
вых кислот (B) аквапорина Fig. 1. Stereo structure of unmodified aquaporine (A) and aquaporine after aspartic acids racemation (B)
Модельный аквапорин строили путем замены всех его L-аспарагиновых аминокислот на соответствующие D-аминокислоты. Проблема построения стабильной конфигурации модельного аквапорина, в данном случае, сводится к проблеме «снятия стерического напряжения» в атомной структуре аквапорина, обусловленного его изомеризацией. Снятие стерического напряжения в мо-
дельном аквапорине проводили путем оптимизации его геометрии - минимизацией функции потенциальной энергии молекулы. При построении функции потенциальной энергии молекулы использовали силовое поле AMBER [8]. Структура модельного аквапорина представлена на рисунке 1B.
В результате проведенных расчетов установлено, что наиболее узкая часть модельного ак-вапорина имеет диаметр 2.4А. На таком расстоянии не наблюдается перекрывание Ван-дер-ваальсовых радиусов атомов молекулы воды и поры аквапорина (молекула воды не выталкивается обратно из поры канала). Данный результат можно рассматривать как увеличение интенсивности взаимодействия молекул воды с атомными группами поры аквапорина в процессе биологического старения за счет уменьшения расстояния между атомами взаимодействующих молекул, что приводит к увеличению водной проводимости ак-вапорина. Подобные результаты наблюдались нами при исследовании полной рацемизации аква-порина [9].
Таким образом, водная проводимость ак-вапорина увеличивается в процессе биологического старения организма и, как следствие, увеличивается содержание воды внутри клетки. При этом возможно увеличение объема, например, нервной
клетки, который влияет на состояние ионных каналов, участвующих в генерации и распространении нервного импульса.
В заключение следует отметить и другой аспект, связанный с нарушением работы D-аква-порина. Это «каналопатологии» - заболевания, связанные с нарушением функционирования мембранных каналов [10]. Например, аквапорины принимают участие в развитии ряда наследственных и приобретенных заболеваний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ohtani S. et. al. // Growth Dev Aging. 1995. V. 59(1-2) P. 55-61.
2. Fujii N. // Biol. Pharm. Bull. 2005. V. 28(9). P. 1585-1589.
3. Dunlop D. S. et. al. // Biochem. Biophis. Res. Commun. 1986. V. 141. P. 27.
4. Hamase K et al. // Biochem. Biophis. Acta. 1997. V. 1334. P. 214.
5. Masters P.M., Bada J.L., Zigler Jr. J.S. // Nature. 1977. V. 268. P. 71-73.
6. Aidley D.J., Stanfield P.R. Ion Channels. Molecule in Action. Great Britain: Cambridge University Press. 1996. 300 p.
7. Kozono D. et. al. // J. Clin. Invest. 2002. V. 10. P. 109-115.
8. Cornell W.D. et. al. // J. Am. Chem. Soc. 1995. V. 117. P. 5179-5197.
9. Дмитриев А.В., Исаев П.П., Твердислов В.А. // Журн. структ. химии. 2006. Т. 47. № 3. С. 100-120.
10. Ashkroft F.V. Ion Channels and Disease. San Diego: Academic Press. 2000. 293 p.
Кафедра естественнонаучных дисциплин
