Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
1.1. Роль мембраны в осуществлении метаболизма и других процессов жизнедеятельности 9
1.2. Общая характеристика ионофоров. Транспорт
ионов черен биологические мембраны 15
1.3. Обзор работ по исследованию пространственного строения ионофоров 20
1.4. Метод теоретического конформационного анализа .38
1.5. Методика расчета 45
1.6. Обозначения и классификация пептидных (депсипептидных) структур .46
1.7. Задачи исследований .50
ГЛАВА П. КОНФОРМАЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ М0Н0-, ДИ-, ТРИ- И ТЕТРАДЕПСИПЕПТЩЩЫХ ФРАГМЕНТОВ 53
П.І, Конформационный анализ метиламид N -ацетил
1,- ж D -валина, #-ацетил L -лактина и О -ацетил І7 оксиизовалериановой кислоты 53
П.2. Молекула метиламид N -ацетил В -валил L -лактина 7
П.З. Молекула метиламид /У-ацетил- L -валил D -оксиизовалериановой кислоты 74
П. 4. Молекула метиламид N -ацетил- В -валил L, -лактил- L -валил- і7-оксиизовалериновой
кислоты ВО
ГЛАВА Ш. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КОНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МОЛЕКУЛЫ
ГЕКСАДЕКА-ВАЛИНОМИЦИНА 121
Ш.І. Конформации гексадека-валиномипина группы А 122
ПІ.2. Конформации гексадека-валиномицина группы В, С и Д 127
ГЛАВА ІУ. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КОНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ НЕВАЛЕНТНЫХ
КОМПЛЕКСОВ ГЕКСАДЕКА-ВАЛИНОМЩИНА С АЦЕТИЛХОЛИНОМ, ХОЛИНОМ И ТРЖЕТИЛАММОНИЕМ 140
IV..І. Конформационный анализ не валентных комплексов гексадека-валиномицина с триметиламмонием и холином 150
ІУ.2. Конформационный анализ не валентных комплексов гексадека-валиномицина с ацетилхолином 154
Выводы 167
Список опубликованных статей по теме диссертации Д68
Литература
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию пространственного строения и конформационных аспектов функционирования молекулы цикло-гексадекадепсипептида с органическими катионами. Задача решалась при использовании метода теоретического конформационного анализа. Предварительно были изучены конформационные возможности моно-, ди- и тетрадепсипептидных фрагментов ионофора. Затем на основе их низкоэнергетических структурных вариантов найдена геометрия и оценена энергия у всех возможных пространственных форм молекулы. Знание оптимальных форм и конформационных возможностей цикло-гексадекадепсипептида позволило рассмотреть механизм взаимодействия синтетического аналога валиномицина с триметиламмонием, холином и ацетилхолином.
Потенциальная энергия невалентных взаимодействий атомов представлялась в виде суммы энергии взаимодействия валентно несвязанных атомов, электростатических и торсионных взаимодействий, а также водородных связей. И при расчете фрагмента, и при расчете всей молекулы оценка энергии проводилась применительно к условиям полярной и неполярной среды. Для поиска минимума потенциальной энергии применялся метод сопряженных градиентов. Во многих случаях для определения набора нулевых приближений строились сечения потенциальной поверхности. В расчетах была использована разработанная в проблемной лаборатории молекулярной биофизики Азербайджанского государственного университета универсальная программа, написанная на алгоритмическом языке "ФОРТРАН". Расчеты выполнялись на электронно-вычислительных машинах EC-I033 и БЭСМ-6.
Актуальность темы. Многие важнейшие направления клеточной и молекулярной биологии связаны с изучением структуры и функции биологических мембран, играющих фундаментальную роль в основных процессах жизнедеятельности. Высокий уровень наших сегодняшних знаний в области мембранных явлений в значительной мере обусловлен тем прогрессом, который был достигнут в изучении структурно-функциональной организации антибиотиков, избирательно и эффективно осуществляющих транспорт катионов через биологические мембраны. При исследовании соединений этого типа, получивших название ионофоров, было установлено, что их функционирование сопровождается образованием комплексов с ионами щелочных и щелочноземельных металлов, что определяется особенностями пространственного строения и динамическими конформапдонными свойствами молекул. Поэтому нахождение связи между химическим строением ионофоров и трехмерной структурой, выяснение предрасположенности этой структуры к специфическому и эффективному катион анионному взаимодействию и описание на атомно-молекулярной основе механизма активного транспорта ионов через биологические мембраны относятся к одним из наиболее актуальных задач современной биофизики.
Целый ряд важных деталей индуцированного ионофорами механизма катионной проницаемости биологических мембран все еще остается неясным. В частности, неизвестны конкретные структуры некоторых антибиотиков и их синтетических аналогов, во многих случаях отсутствует не только количественное, но качественное представление о конформационных изменениях молекул в процессе захвата, транспорта через мембрану и передачи клетке катионов.
Он относится к классическим объектам исследования, на примере которого наиболее четко были впервые сформулированы основные принципы функционирования антибиотиков и вскрыт физико-химический механизм их действия как комплексонов и мембранных переносчиков. Данные, полученные при исследовании валиномицина, послужили основой для направленного синтеза его аналогов, обладающих уникальными свойствами, отсутствующими у природного ионофора. Наиболее значительным из них является цикло-гексадекадепсипеп тид [-(D-Val-L-Lac-L-Yal -D -Hylv )4-] 0н достроен из четырех тетрадепсипептидных звеньев и представляет собой ионофор, транспортирующий через мембраны органические катионы, в частности, триметиламмоний, холин и ацетилхолин.
Цель работы. Основные задачи, решаемые в диссертации, делятся на две части. В первую часть входит проведение априорного теоретического исследования пространственного строения и всех возможных конформационных состояний молекулы синтетического ионофора -(Б -Yal-L -Lac-L -Val -D -Hylv 4- поскольку расчет структуры выполнен путем поэтапного рассмотрения конформационных возможностей моно-,ди- и тетра-депсипептидных фрагментов,то найденные для этих участков оптимальные формы могут быть использованы в качестве исходных для определения пространственного строения многих других синтетических аналогов группы валиномицина. Таким образом решение конкретной структурной задачи проведено на основе разработанного в диссертации общего подхода к конформационному исследованию циклических и линейных депсипеп-тидных соединений.
Задача второй части диссертации заключалась в изучении пространственной структуры комплексов цикло-гексадекадепсипеп-тида с триметшгаммонием, холином и ацетилхолияом. Особое внимание уделено конформационным перестройкам комплексов и выяснению причин структурных изменений на разных стадиях взаимодействия синтетического аналога валиномицина с ионом.
Результаты расчета сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными.
Научная, новизна. В диссертации впервые выполнен, теоретический конформационный анализ молекулы цикло-гексадекадепсипел-тида, его ди-, и тетрадепсипептидных фрагментов, а также комплексов иояофора с органическими катионами. Впервые дано количественное описание конформационным изменениям структуры синтетического антибиотика в процессе его взаимодействий с ионами при комплексообразовании.
Практическая ценность. Продемонстрированы большие возможности метода теоретического конформационного анализа в исследовании структуры и функции весьма сложных молекул. Решенная задача и использованный при этом подход позволяют до синтеза ионофо-ров валиномицинового ряда оценивать потенциальные возможности ионофоров в отношении взаимодействия с ионами и целенаправленно конструировать молекулы, обладающие определенной склонностью к специфической трансмембранной проводимости неорганических и органических катионов.
Основные положения, выносимые на защиту.
I. Расчет всех возможных оптимальных конформационных состояний моно-,ди- и тетрадепсипептидных фрагментов, входящих в состав молекул валиномицина и его искусственных аналогов.
2. Установление трехмерной структуры и конформационных возможностей синтетического антибиотика -(]} -УаІ-L-LuD-L-Val-D -Hylv)4 в условиях полярного и неполярного окружения.
3. Определение пространственного строения невалентных комплексов пикло-гексадекадепсипептидного ионофора с органическими катионами холина, ацетилхолина и триметиламмония.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на П республиканском съезде фармацевтов Баку, 1983 г., Всесоюзном симпозиуме системы мозговых и внемозговых пептидов Ленинград, 1984 г.
Публикации, Основное содержание работы изложено в пяти публикациях.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста; состоит из введения, литературного обзора, трех глав, где представлена оригинальная часть диссертации, выводов и библиографии, включающей 115 ссылок. Диссертация содержит 32 рисунков и 35 таблиц.
