CC BY
35
_международный научный журнал «символ науки» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 577.3
Антонов Михаил Юрьевич к.ф.-м.н.
Северо-Восточный федеральный университет г. Якутск, Российская Федерация mikhail. antonoff@yandex. ru Прокопьев Георгий Анатольевич студент 4 курса Института математики и информатики Северо-Восточный федеральный университет г. Якутск, Российская Федерация
МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСМЕМБРАННОЙ ЧАСТИ СЕРОТОНИНОВОГО 5-
HT3 РЕЦЕПТОРА В МЕМБРАНЕ
Аннотация
Рассматривается модель ионного канала серотонинового рецептора 5-НТ3, пространственная атомная структура которого была разрешена методом рентгеноструктурного анализа в 2014 году с разрешением 0.35 нм (PDB код 4PIR). В работе была построена модель трансмембранной части рецептора в липидном бислое димиристоил-фосфатидилхолина при явно заданном растворителе. Внутриклеточная и внеклеточная части рецептора обрезаны, трансмембранный домен из 20 альфа-спиралей присутствует полностью. Разработан протокол молекулярной динамики и проведено моделирование структуры в течение не менее 10 нс, проведен анализ свойств мембраны в ходе моделирования.
Ключевые слова
Молекулярная динамика, молекулярное моделирование, биомембраны, ионные каналы,
серотониновый рецептор.
Ионные каналы являются порообразующими белками, которые обеспечивают проводимость клеточной мембраны для ионов. Основной их функцией является поддержка и модулирование разности потенциалов между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны посредством управляемого перемещения через мембрану клетки согласно электрохимическому градиенту различных ионов (таких, например, как Na+, K+ и CL-). При этом они отвечают за поддержку разности потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны, а также за генерацию потенциала действия, что является физиологической основой для нервной проводимости и нервной деятельности в целом [1].
Ионные каналы представляют третью по величине группу мишеней для фармацевтических препаратов [2]. Дисфункции в работе ионных каналов могут приводить к тяжелым неврологическим и наследственным заболеваниям [3], также убедительно показано, что процесс опухолевой трансформации и дифференциации клеток происходит совместно с изменениями экспрессии генов, кодирующих некоторые ионные каналы [4]. Все это обуславливает значительный интерес к исследованию структуры и функции ионных каналов как с фундаментальной, так и с терапевтической точек зрения.
Методы компьютерного моделирования давно показали свою эффективность при изучении различных процессов в самых различных областях науки. В данной работе был рассмотрен ионный канал серотонинового рецептора 5-HT3 мыши (PDB код 4PIR), пространственная атомная структура которого была получена методами рентгеноструктурного анализа в 2014 году с разрешением 0.35 нм [5]. Рассматриваемые ионный канал относится к классу катион-проводящих лиганд-активируемых ионных каналов. Схематично механизм его работы представлен на рисунке 1. Сравнение структуры канала с высоко-гомологичными структурами каналов никотинового-ацетилхолинового рецептора в открытой и закрытой конформациях указывает на то, что трансмембранная часть канала с высокой вероятностью находится в открытом состоянии, в связи с чем данная структура представляет интерес в качестве модели для изучения механизмов
международный научный журнал «символ науки»
№11/2015
ISSN 2410-700Х
ионного транспорта в канале.
5-НТЗ ссротопиповый рецептор i ИТ
Рисунок 1 - Общий принцип работы серотонинового рецептора.
В работе была построена модель трансмембранной части рецептора в липидном бислое и явно заданном растворителе. При этом внутриклеточная и внеклеточная части рецептора не рассматривались, концевые участки цепей при моделировании фиксировались, при этом трансмембранный домен из 20 альфа-спиралей присутствует полностью. Был разработан протокол молекулярной динамики и проведено моделирование структуры в течение не менее 10 нс.
Для исследования системы использовался метод молекулярного моделирования и, в частности, метод молекулярной динамики (МД, [6]). Потенциальная энергия системы описывается эмпирической дифференцируемой функцией, а возникающие уравнения движения решаются численно. Для параметризации кулоновских взаимодействий с молекулами липида, использовался пакет квантово-химических расчетов РкеАу/Оаше88 [7]. Для численных расчетов использовался пакет МД Огошао8 версии 6.3 [8].
В качестве модельной мембраны эукариотической клетки использовался бислой из молекул 1,2-димиристоил-.ге-глицеро-3-фосфатидилхолина (ДМФХ), структура липидов была получена из базы данных липидов ЬМ8Б [9]. Бислой был созданы с помощью оригинального программного обеспечения и включал 470 молекул липида. Площадь поверхности на одну молекулу липида составляла вначале расчета 72 А2. Полученные структуры были гидратированы 34144 молекулами воды из расчета не менее 72 молекул воды на 1 молекулу липида; использовалась модель воды Т1Р4Р [10]. Из структуры ионного канала были удалены внемембранные домены, погружение трансмембранного участка в мембрану осуществлялось согласно процедуре, описанной в [11], при этом концевые атомы спиралей были дополнены ацетильной и N метильной группами, пространственное положение атомов углерода в концевых группах фиксировалось гармоническим потенциалом с жесткостью. В целом модельная система с рецептором содержала 189 34 6 атомов, представлена на рисунке2 - 2.
а б
Рисунок 2 - Общий вид системы: 2а) вид параллельно плоскости мембраны 2б) вид перпендикулярно
плоскости мембраны, молекулы воды не показаны.
_международный научный журнал «символ науки» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
Минимизация энергии собранных систем проводилась методом сопряженных градиентов. Затем система подвергалась многоступенчатой релаксации. Основные параметры моделирования и протокол молекулярной динамики:
• Решение уравнений движения методом стохастической динамики с постоянной
термостатирования Tt = 1 пс;
• Шаг интегрирования 0.5 фс;
• Баростат Берендсена с постоянной баростатирования т = 0.5 пс;
• Радиус обрезания невалентных взаимодействий 1.8 нм;
• Длины связей и величин углов не фиксировались.
• Начальные скорости атомов определялись с помощью генератора случайных чисел по
распределению Максвелла.
Было исследовано влияние прикладываемого давления к системе на средний размер площади в расчете на 1 молекулу липида. Для этого варьировалось значение латерального давления, остальные параметры моделирования не изменялись. Были проведены расчеты при давлении в плоскости мембраны -100, -150, -250 и -350 бар длиной не менее 10 нс. Результаты приведены в таблице 1. Поскольку результаты моделирования при давлении -350 наиболее близки к известным экспериментальным данным [12], данная величина использовалась для дальнейшего исследования. Приложение дополнительного давления необходимо для моделирования эффектов поверхностного натяжения, а также для компенсации погрешностей силового поля, и является стандартной практикой [13].
Таблица 1
Результаты моделирования с различным давлением.
Давление в плоскости мембраны, бар -100 -150 -250 -350
Удельная площадь на 1 молекулу липида, нм2 0.53 0.54 0.56 0.6
Далее был осуществлен набор рабочего участка траектории длиной 10 нс. Произведена оценка стабильности структуры и распределения толщины бислоя.
Удельная площадь поверхности на молекулу липида варьирует от 0.59 до 0.6 нм2 (Рисунок 3, а), и находится в соответствии с экспериментальными оценками для насыщенных фосфолипидов липидов [31, 32]. Толщина мембраны, оцененная по атомам фосфора, составляет порядка 3-3.5 нм.
а б
Рисунок 3 - Результаты моделирования. 3а) флуктуации удельной площади на 1 молекулу мембраны
3б) распределение толщины мембраны, вид перпендикулярно плоскости мембраны Таким образом в данном исследовании построена модель трансмембранного участка ионного канала 5-НТ3 в полностью гидратированном липидном бислое, произведена релаксация системы и произведен набор траектории длиной 10 нс. Определены, в частности, следующие параметры: плотность упаковки
_международный научный журнал «символ науки» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
липидов, толщина бислоя, величина давления в плоскости мембраны, необходимая для поддержания удельной площади на поверхность липида в пределах известных из эксперимента оценок. Использование данного МД-протокола позволяет получить стабильные структуры и приводит систему к квазиравновесному состоянию, что допускает дальнейшее изучение рассматриваемых систем.
Вычислительные расчеты выполнены с использованием ресурсов суперкомпьютерного комплекса СВФУ «Ариан Кузьмин». Работа выполнена при финансовой поддержке Научно-образовательного фонда поддержки молодых ученых Республики Саха (Якутия) (№ 2014-01-0008) в рамках выполнения государственной работы «Обеспечение проведения научных исследований». Список использованной литературы:
1. T. J. Jegla, C. M. Zmasek, S. Batalov, S. K. Nayak, "Evolution of the human ion channel set.," Comb. Chem. High Throughput Screen., vol. 12, no. 1, pp. 2-23, Jan. 2009.
2. J. P. Overington, B. Al-Lazikani, A. L. Hopkins, "How many drug targets are there?," Nat. Rev. Drug Discov., vol. 5, no. 12, pp. 993-6, Dec. 2006.
3. G. Bernard, M. I. Shevell, "Channelopathies: a review.," Pediatr. Neurol., vol. 38, no. 2, pp. 73-85, Feb. 2008.
4. L. A. Pardo, C. Contreras-Jurado, M. Zientkowska, F. Alves, W. Stuhmer, "Role of voltage-gated potassium channels in cancer.," J. Membr. Biol., vol. 205, no. 3, pp. 115-24, Jun. 2005.
5. G. Hassaine, C. Deluz, L. Grasso, R. Wyss, M.B. Tol, R. Hovius, A. Graff, H. Stahlberg, T. Tomizaki, A. Desmyter, C. Moreau, X.D. Li, F. Poitevin, H. Vogel,. H. Nury, "X-ray structure of the mouse serotonin 5-HT3 receptor.," Nature, vol. 512, pp. 276-281, 2014.
6. H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren, A. DiNola, J. R. Haak, "Molecular dynamics with coupling to an external bath," J. Chem. Phys., vol. 81, no. 8, p. 3684, 1984.
7. M. Gordon, M. Schmidt, "Advances in electronic structure theory: GAMESS a decade later," pp. 1167 - 1189, 2005.
8. B. Hess, C. Kutzner, D. van der Spoel, E. Lindahl, "GROMACS 4: Algorithms for Highly Efficient, Load-Balanced, and Scalable Molecular Simulation," J. Chem. Theory Comput., vol. 4, no. 3, pp. 435-447, Mar. 2008.
9. E. Fahy, S. Subramaniam, R. C. Murphy, M. Nishijima, C. R. H. Raetz, T. Shimizu, F. Spener, G. van Meer, M. J. O. Wakelam, E. A. Dennis, "Update of the LIPID MAPS comprehensive classification system for lipids.," J. Lipid Res., vol. 50 Suppl, pp. S9-14, Apr. 2009.
10. W. L. Jorgensen, J. Chandrasekhar, J. D. Madura, R. W. Impey, M. L. Klein, "Comparison of simple potential functions for simulating liquid water," J. Chem. Phys., vol. 79, no. 2, p. 926, 1983.
11 S. K. Kandasamy, R. G. Larson, "Molecular dynamics simulations of model trans-membrane peptides in lipid bilayers: a systematic investigation of hydrophobic mismatch.," Biophys. J., vol. 90, no. 7, pp. 2326-43, Apr. 2006.
12 J. F. Nagle, "Area/lipid of bilayers from NMR," Biophys. J., vol. 64, no. 5, pp. 1476-81, May 1993.
13 K. V. Shaitan, K. B. Tereshkina, a. S. Kitaev, E. B. Tereshkin, O. V. Levtsova, M. Y. Antonov, M. P. Akimov, I. N. Nikolaev, "Conformational transitions in the nootropic peptide semax (MEHFPGP) and its N-terminal modifications," Biophysics (Oxf)., vol. 53, no. 2, pp. 121-124, Aug. 2008.
© Антонов М.Ю., Прокопьев Г.А., 2015
УДК 537.86
Ермилов Николай Владимирович
студент 4 курса физико-математического факультета СФ БашГУ, г. Стерлитамак, РФ E-mail: ermilov. nikolai. vladimirovich@gmail. com
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫ1Х ВОЛН В ПОЛОМ ВОЛНОВОДЕ
ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ
Аннотация
В статье описан процесс распространения электромагнитных волн в полом волноводе постоянного
