Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Совреиенный период развития естественных наук характеризуется все более глубокий проникновением в секреты строения и структурных превращений химических веществ. Особую важность иыела расиифровка принципов генетического кодирования синтеза белка, что привело к созданию совершенно новой области науки - молекулярной биологии. Важной наукой стала мембранология, изучающая биологические мембраны и связанные с последней многие первостепенные функции клеток. Основой развития этих наук явилось выяснение структуры химических компонентов клеток и организма на молекулярном уровне. Главным объектом исследования стали разные макромолекулы, представляющие собой биополимеры. В отличие от простых неорганических веществ и мономерных органических соединений, биомолекулы имеют сложную пространственную структуру. При этом важна не только обиап последовательность атомных групп и мономеров (т.е. первичная структура), но еще более их относительное расположение - конфориация - в пространстве, т.н. вторичная и третичная структура. Именно последняя определяет функциональное назначение самой молекулы, а также возможности ее взаимодействия с другими молекулами.
В настоящее время установлена первичная структура большинства биологических молекул. Выяснение же вторичной и третичной структур явно отстает от расшифровки первичной. Это обусловлено главным образом методическими трудностями и иа-лым числом подходящих биофизических методов. Наибольшую точность дает рентгеноструктурный анализ, однако последний используется в основном лишь для изучения кристаллического, статического, нередко небиологического состояния молекул.Выяснению структуры макромолекул во многом способствовали методы конформационного анализа и компьютерной графики. Однако последние позволяют точно вычислить структурные состояния лишь конкретных молекулярных комплексов с заданными теоретическими характеристиками, но они малопригодны для генерирования новых идей об изначальном составе и расположении отдельных молекул и атомных групп в пространстве.
По мере развития тонких биофизических и математических методов увеличивается объем сведений о детальном строении химических веществ, однако все труднее получить общее представление о закономерностях микромира. Такая противоречивая
тенденция ощущается как в области научных исследований, так и в педагогике: учащихся с помощью обычных методов трудно ознакомить со стереохимией даже относительно простых, моио-мерных молекул, не говоря ухе о сложных макромолекулах и биополимерах. Поэтому все более явной становится необходимость изыскания новых способов доступного и динамичного исследования строения и структурных превращений молекул и наглядного демонстрирования особенностей химического микромира.
Одним из таких методов является молекулярное моделирование с поиоиыо объемных атомно-молекулярных моделей, позволяющих исследовать не только конкретные стереохимические особенности молекул, но и переходы из одной конформации в другую. Особенно важно, что работа с такими моделями дает ценный исходный материал для развития новых представлений о структуре молекул, которые в дальнейшем могут быть уточнены методами конформационного анализа и компьютерной графики. Молекулярное моделирование помогло бы решить многие проблемы в области синтеза белков, эволюционной биохимии, мембраколо-гии, биоэнергетики и других важных разделов биологической химии и молекулярной биологии. Однако использование в этих целях объемных атомно-молекулярных моделей довольно ограничено ввиду дефицитности и несовериенства указанных пособий.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Исходя из выиепржведенно-го целью работы являлось создание нового типа высококачественных объемных атомно-молекулярных моделей, пригодных для широкого внедрения в практику научно-исследовательской к учебно-педагогической работы, и выяснение эффективности применения метода молекулярного моделирования при создании новых конформационных моделей биоструктур и исследовании их эволюционных особенностей.
Конкретными задачами исследования были: I) усовервевст-вование параметров, создание наглядной унифицированной номенклатуры и улучневие технической конструкции объемных атомно-молекулярных моделей; 2) создание методики определения двугранных конформационных углов и моделирования апла-нарных циклических соединений с помощью объемных атомно-молекулярных моделей; 5) разработка метода рентгеномодельного анализа для определения атомных координат ж имитируемых химических связей в объемных моделях, а также непосредственного сопоставления моделей с кристаллографическими картами электронной плотности самой молекулы; 4) характеристика и молекулярное моделирование нестандартных пар нуклеотждов в
составе тРНК; 5) уточнение эволюционных особенностей структуры тРНК с помопьп новых атомно-иолекулярных моделей; 6) молекулярное моделирование лнпкдных комплексов в ноно- '. -'^слоях, а также общей структури бяомомбран; ?) вкпененяе -о-;.«>-ционн-.'г особенностей лкпидной части Ско.ембран «?тс~о-- г-оло-куларного моделирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. I) Созданы нового типа объемные
атОУИО-ЧОЛекуЛЛрННЄ МОДелН а ПревОСХОДЯГТС ПрвЦКГ, /"„' - 'JO'-T
к г. к по параметрам, тзк и технической конструкції:»; ї-'j t-азра-бо?--г ::г!г;і-'!7.:і^-: узпг^лцировачнкя номенклатура этих моделе». . ... :;::ст: .: :;: 10і;і;С:їі;ОСЇЬ Определения Двугпяя—_— .,1-ггл» ~ „jiip-
..«ровання апланарных пя-г-^исли" -:_«»иечг'^ с ..оыощью объемных »"".:..« я "-^-іи-г»" гіііод рентгеноиодельного анализа .UjiR»7""r"»-t структур; 3) впервые проведена систематическая характеристика нестандартных пар нуклеотидов в структуре тШК и кодон-антикодонового комплекса; 4) выявлены закономерности конфорцаднонных сдвигов рибоэо-фосфатных цепей и положения азотистых оснований при включении нестандартных пар нуклеотидов в двойную спираль РНК; 5) проанап»згг.'.;:-.;--і стеряческие условия третипноЗ структур* тГ"К ;;г-« 1.--.,^-., ,-.-! нестандартны»- r.zr. ::ук.чсоткцоь г. полохенип Зё-ч.-. :: '.'' ті*. І"-. '') ^'гог'.'.'-'-и '.сокї'Орчлцяої'нио волмоіност;: дг'-.. .--;.--;-
:.>! ..-.-,ід:ч^і; >:;о;-о:-с «о'.'пліїксг; ?) установлена коргг':..;".: -'<,c--,,.;.. -,.-:.-,0-,-(11--00.-,:-: 'іссі-гшдйртпц-/: пар пук л ест дед; о .::-:-..-r-.-in'': с: руг.туреи н стеряческими условиями six возник.- "-:;пмл j- ґГ.ІК; 6) йперл^-о осуществлено точное молекулярні.о додс;:;;-р-оохнио яаппдних комплексов ноно- и бислоев разной структури v, происхождения; 9) создана новая модель сотовидного о.-оа-иак Іаоиеибран; 10) выявлено функциональное зночок::<. jj опционных особенностей ляпндннх структур биомембран.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Со я-; шише автором объемные атомно-молекулярные модели нового типа способствуют повышению как уровня паучник исследований в институтах химического и биологического профилей, так я качества учебного процесса в вузах и общеобразователь-нме зколах. Предлагаемые конформационные модели биоструктур нугну для планирования и проведения многочисленных новых экспериментальных работ в молекулярной биологии. Концепции, выдвинутые автором на основания молекулярного моделирования, ухе получили подтверждение и дальнейшее развитие в трудах других исследователей (Gu et al., 1?83; Trifonov, Bolshoi,
1983; Hickey et al., 1985; Sibler et al., 1985; Wrede, 1985; Гимаудтинова и соавт., 1986 ж др.).
