Lecture 11, 2011

1. Немцева Елена Владимировна Биология клетки: биофизика Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной биологии и биотехнологии 2011 11

2. Лекция 11 1. Физические модели динамической подвижности белков 2. Механизмы электронных переходов в биополимерах

3. Характеристические времена подвижности биополимеров Физические модели динамики биополимеров 1

4. Характеристические времена подвижности биополимеров Физические модели динамики биополимеров 2

5. Экспериментальные результаты отражают локальное движение в той микрообласти белка, где находится метка Как установить общую картину? Понять законы внутренней динамики белка? Составить соответствующие модели и проанализировать их свойства! Необходимость моделирования Физические модели динамики биополимеров 3

6. Адаптация физических моделей к белкам Колебания атомов в твердом теле: высокая частота, малая амплитуда Модель гармонического осциллятора Физические модели динамики биополимеров 4

7. Адаптация физических моделей к белкам Колебания атомов в твердом теле: высокая частота, малая амплитуда Модель гармонического осциллятора Простое гармоническое движение. На этой анимированной картинке по вертикальной оси отложена координата частицы ( x в формуле), а по горизонтальной оси отложено время ( t ) Движение маятника, не имеющего затуханий, можно приближённо рассматривать как простое гармоническое движение, если амплитуда колебаний очень мала в сравнении с длиной стержня. (http://ru.wikipedia.org) Физические модели динамики биополимеров 5

8. Колебания атомов в твердом теле: высокая частота, малая амплитуда Микродвижения белка: высокая амплитуда Модель гармонического осциллятора Необходимость масштабных смещений при высокой плотности Фрагмент белка как бы «расталкивает» соседние группы Модель движения в вязкой среде (диффузия) !  Адаптация физических моделей к белкам Физические модели динамики биополимеров 6

10. Модель: Непрерывная ограниченная диффузия в вязкой среде со случайными толчками или тепловым шумом Среднеквадратичное смещение: Характерное время релаксации в процессе ограниченной диффузии: Коэффициент трения: Вязкость: С ростом температуры экспоненциально уменьшается время релаксации Адаптация физических моделей к белкам Физические модели динамики биополимеров 8

12. Диффузия СО в миоглобине: за 100 нс соединяется с гемом, скорость зависит от вязкости среды, медленная кинетика Адаптация физических моделей к диффузии в белках КАК? Шайтан К.В. Диффузия лигандов вбелках, СОЖ 1999 (http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0006_008.pdf ) Физические модели динамики биополимеров 10

13. Диффузия в твердых телах и жидкостях «Продвижение в переполненном автобусе» Адаптация физических моделей к белкам Шайтан К.В. Диффузия лигандов вбелках, СОЖ 1999 (http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0006_008.pdf ) Физические модели динамики биополимеров 11

14. Модель: Непрерывная ограниченная диффузия в вязкой среде со случайными толчками или тепловым шумом «Продвижение в переполненном автобусе» Адаптация физических моделей к белкам Шайтан К.В. Диффузия лигандов вбелках, СОЖ 1999 (http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0006_008.pdf ) Физические модели динамики биополимеров 11

15. Численное моделирование динамики белка Общее выражение для конформационной энергии Получают координаты атомов, соответствующие минимуму конформационного потенциала Физические модели динамики биополимеров 12

17. Диффузия СО в миоглобине: за 100 нс соединяется с гемом, скорость зависит от вязкости среды, медленная кинетика Адаптация физических моделей к диффузии в белках КАК? Шайтан К.В. Диффузия лигандов вбелках, СОЖ 1999 (http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0006_008.pdf ) Физические модели динамики биополимеров 14

18. Пример: моделирование внутренней динамики белка - ингибитора трипсина панкреатической железы (1977). Но существуют долго живущие, до 20 пс, флуктуации, отражающие конформационные переходы в белке (например, вращение тирозинового кольца). Флуктуационные «дрожания» создают условия и предпосылки для функционально направленных конформационных переходов в белках. Масштаб объекта: 58 а.к.о., 454 тяжелых атома. Результаты : флуктуации положений С  –атомов – 0,6 А, других – 0,75 А. флуктуации углов  и  – 10-20  ,  – 7-9  . Затухают за 1-2 пс. Численное моделирование динамики белка Физические модели динамики биополимеров 15

19. Модель: Непрерывная ограниченная диффузия в вязкой среде со случайными толчками или тепловым шумом В реальных биополимерах с плотной упаковкой именно структурные флуктуации делают возможным перенос лигандов внутри молекулы, что важно для ее функциональной активности. Адаптация физических моделей к белкам Физические модели динамики биополимеров 16

20. Миграция энергии и электрона в биоструктурах Участие белка в метаболических процессах Впервые миграция электронного возбуждения обнаружена при фотодиссоциации карбомиоглобина: Эффективность процесса одинакова при поглощении света гемом (410 нм ) и белком (280 нм) Изменение электронного состояния белка Конформационные переходы Медленно Быстро Миграция энергии возбуждения и электрона происходит на большие расстояния без непосредственного контакта донора и акцептора. Миграция энергии и электрона 2-1

21. Роль электронного возбуждения в фотобиологических процессах – преодоление активационного барьера. В фотосинтезе происходит еще и запасание энергии света в виде энергии химических связей. Перенос происходит за счет кулоновского взаимодействия между электронами в молекулах донора (Д) и акцептора (А) в условиях резонанса: Никакого высвечивания кванта донором! Безызлучательный резонансный перенос энергии Механизмы электронных переходов в биополимерах Миграция энергии и электрона 2-2

22. Безызлучательный резонансный перенос энергии Осуществляется при слабых энергиях взаимодействия между молекулами (  10 -3 эВ ) Время миграции энергии: превышает время тепловой деградации энергии и по колебательным подуровням Механизмы электронных переходов в биополимерах Миграция энергии и электрона 2-3

23. Безызлучательный резонансный перенос энергии Вероятность такого перехода  J/R 6 , где J – интеграл перекрытия спектров, R – расстояние между донором и акцептором Расстояния эффективного переноса – 20-50 А Скорости эффективного переноса – 10 6 -10 11 с -1 Механизмы электронных переходов в биополимерах Миграция энергии и электрона 2-4

24. Безызлучательный резонансный перенос энергии Перенос возможен между уровнями разной мультиплетности Триплет-триплетный перенос: Пример: фотосинтетические мембраны Механизмы электронных переходов в биополимерах Миграция энергии и электрона 2-5

25. Экситонный механизм миграции энергии Осуществляется при больших энергиях взаимодействия между молекулами (  10 -2 эВ ) Время миграции энергии: миграция происходит раньше тепловой деградации Возбуждение охватывает несколько сот молекул ! Механизмы электронных переходов в биополимерах Миграция энергии и электрона 2-6

26. Туннельный механизм миграции электрона Обеспечивает эффективный транспорт электронов между донорно-акцепторными группами, расположенными на расстоянии 10-15 А. Носит квантово-механический характер Механизмы электронных переходов в биополимерах Миграция энергии и электрона 2-7

27. Туннельный механизм миграции электрона Принцип неопределенности  частица обладает ненулевой вероятностью прохождения сквозь потенциальный барьер Вероятность туннельного переноса: Механизмы электронных переходов в биополимерах Шайтан К.В. Каким образом электрон движется по белку, СОЖ 1999 (http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9903_055.pdf) Миграция энергии и электрона 2-8

28. Электронно-конформационные взаимодействия Механизмы электронных переходов в биополимерах Миграция энергии и электрона 2-9

29. 1 . Применима ли модель гармонического осциллятора к описанию конформационного движения белковой молекулы? Вопросы для самоконтроля по теме 4 . В чем заключается модель «армированной капли» для белковой глобулы? 5 . При каких условиях может произойти безызлучательный резонансный перенос энергии возбуждения? Почему он безызлучательный? Почему он резонансный? 2 . Как выглядит конформационный потенциал U(x) для колебательных движений в вязкой среде? 6 . Что такое экситонный перенос энергии возбуждения? В каких биологических системах наблюдается? 3 . Почему скорость диффузии СО в миоглобине зависит от вязкости растворителя?