«Структура и динамика водных растворов осмолитов.
МД моделирование»
Медведев Н.Н., Волошин В.П., Аникеенко А.В., Кадцын Е.Д.
при участии
А. Гайгер1, Р. Винтер1, Н. Смолин2.
1 Physikalische Chemie, Technische Universität Dortmund, 44221 Dortmund, Germany.
2 Stritch School of Medicine Loyola University, Chicago, Maywood, Illinois 60153, USA
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность
Осмолиты, это низкомолекулярные органические вещества, растворимые в воде и внутриклеточной среде. Они поддерживают жизнедеятельность живой клетки при различных стрессовых нагрузках, воздействуя на физико-химические свойства водных растворов в организме. Важным аспектом работы осмолитов является их влияние на фолдинг белка, поэтому исследованию гидратной оболочки белка, содержащей молекулы осмолитов, уделяется большое внимание. Компьютерное моделирование позволяет исследовать проблему на молекулярном уровне, помогает объяснить действие разных осмолитов на белок и их взаимное влияние друг на друга.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение
В последние годы много работ посвящено исследованию растворов триметиламиноксида (ТМАО). Это связано с тем, что он является универсальным протектором белков: препятствует денатурации при повышении давления, температуры и добавок денатурантов. Однако механизм такого действия до сих пор до конца не понят. Остается неясным как взаимодействует ТМАО с мочевиной, которая тоже является важным осмолитом, но, наоборот, способствует денатурации белка. В данном цикле работ проводится исследование динамического поведения ТМАО и мочевины в гидратной оболочке глобулярного белка. Кроме того, исследуется строение водных растворов ТМАО и мочевины, изучаются бинарные и тройные растворы этих веществ при разных концентрациях.
3. Используемый подход, его новизна и оригинальность
Для получения молекулярно-динамических моделей растворов используется метод классической полноатомной молекулярной динамики, реализованный в пакете GROMACS. Исследование гидратной оболочки белка проведено на моделях, рассчитанных с помощь Н. Смолина (USA). Эти модели достаточно большие и надежные. В окружении белка при всех составах растворителя находится не менее 20000 молекул воды. Для получения желаемых концентраций косольвентов добавлялось 500 (или 1000) молекул мочевины и/или 500 молекул ТМАО. Модели водных растворов рассчитаны нами. Все бинарные растворы получены в широком диапазоне концентраций. Для тройного раствора получено семь моделей, при разных составах.
Подвижность молекул в гидратной оболочке белка рассчитана по методу функции ван-Хова в зависимости от расстояния до белка. Для оценки характерного время жизни молекул около белка отслеживали изменение количества молекул, изначально находившихся внутри оболочки заданной толщины. Для анализа взаимного расположения растворенных молекул в бинарных и тройных растворах рассчитывались парциальные функции радиального распределения. Для анализа глобальной структуры растворов использовано разбиение Вороного. Для анализа локальной структуры (ассоциатов растворенных молекул) применялись методы теории графов и теории перколяции.
4. Полученные результаты и их значимость
Показано, что по мере приближения к белку, подвижность молекул растворителя (воды и косольвентов) уменьшается в несколько раз, по сравнению с подвижностью в объеме раствора. Причем, это происходит в узком интервале вблизи поверхности белка.
Около 20 молекул воды и 6-7 молекул мочевины, независимо от ее концентрации, задерживаются у поверхности белка более чем на 1000 пс, тогда когда характерное время полувыхода порядка 15 пс. При этом молекулы ТМАО не задерживаются у белка. Все это указывает на прямое взаимодействие белка с водой и мочевиной и отсутствие такого взаимодействия с ТМАО.
Показано, что молекулы ТМАО быстрее выходят из гидратной оболочки белка, если в растворе есть мочевина.
Из анализа структуры водных растворов ТМАО и их сравнения с моделью случайных сфер при разной степени заполнения пространства следует, что молекулы ТМАО распределены в воде подобно случайно набросанным шарам.
Исследование тройных водных растворов ТМАО и мочевины показало, что они распределены в пространстве так же, как в двойных. Можно сказать, что ТМАО и мочевина не чувствительны друг к другу в растворе, а особенности их взаимного влияния у белка связаны с их взаимодействиями с белком, а не друг с другом.
Полученные результаты позволяют интерпретировать на молекулярном уровне многие известные экспериментальные данные.
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым
Работа подержана: гранты РФФИ № 15-03-03329, № 18-03-00045 и DFG -Cluster of Excellence RESOLV (EXC 1069), Германия.
Участие в 10 международных и российских конференциях.
В том числе, приглашенные доклады на конференциях:
1. Medvedev N.N., Voloshin V.P. Mobility of water, urea and TMAO molecules in the hydration shell of a globular protein. Кластер конференций 2018. XIII Международная научная конференция «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах». 1-6 июля 2018, Суздаль, Россия. Пленарный.
2. Medvedev N.N. Driving forces of the clustering in solutions. Book of abstracts XXII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, RCCT-2019, Saint Petersburg, Russia, June 19-23, P. 72. ISBN:987-5-9676-1076-9.
6. Вклад авторского коллектива
Работа в значительной мере выполнена авторским коллективом ИХКГ. Участие проф. А. Гайгера и проф. Р. Винтера (Германия) в обсуждении общих молекулярно-биологических проблем. Н. Смолин (США) оказал помощь в расчете МД моделей белка.
Список работ