Введение к работе
Актуальность проблемы.
Установление взаимосвязи между структурой белка и его функциями в организме является важной задачей современной биохимии и биокатализа. Подобные исследования необходимы как для выяснения функций белков и механизмов метаболизма того или иного организма, так и для создания биоматериалов с заданными свойствами. Для понимания молекулярных основ биокатализа необходимо обладать детальной информацией о трехмерной структуре белка, а также о конкретных структурных характеристиках, определяющих его физико-химические свойства.
Для многих важнейших биологических процессов необходимы металлобелки. Однако, нельзя приписать какому-либо конкретному металлу только ему одному свойственную функцию в биокатализе. Один и тот же металл может иметь различные функции, в то время как различные металлы участвуют в сходных каталитических реакциях. Стоит отметить разницу между сравнительно небольшим количеством биологически важных металлов и многообразием функций, которые они выполняют.
Окислительно-восстановительные ферменты и металлобелки составляют более 40 % всех классифицированных Международным союзом биохимии и молекулярной биологии белков. Они играют важную роль в сигнальных процессах, отвечающих за регуляцию генов и их экспрессию, в конверсии энергии в процессах фотосинтеза и дыхания.
Изменяя структуру и природу белкового окружения металла в активном центре, живые организмы способны эффективно регулировать физико-химические свойства этих белков. Одной из важнейших функциональных характеристик металлобелков является их окислительно-восстановительный потенциал. На его значение влияют множество факторов, в том числе координационная геометрия активного центра металлобелка, природа лигандов иона металла и доступность активного центра белка для молекул растворителя. В то же время значение потенциала в значительной мере зависит от внешних условий, в том числе, рН среды, ионного состава и диэлектрических характеристик растворителя. Эта зависимость особенно важна с физиологической точки зрения, т.к. позволяет установить, каким образом внешние условия влияют на процессы электронного переноса, протекающих в живых организмах.
Цитохромы являются важным классом металлобелков, участвующих в процессах электронного переноса и окислительно-восстановительного катализа. Изучение влияния внешних условий на структуру и физико-химические свойства цитохромов позволяет связать структурные особенности этих белков с их функциями, и таким образом, установить их структурно-функциональные особенности.
Цель работы и задачи исследования.
Целью настоящей работы являлось:
получение данных о структуре цитохромов класса с из различных источников;
установление функционально важных структурных элементов в соответствующих классах цитохромов;
изучение влияния внешних условий на структуру цитохромов с и их электрохимический потенциал;
соотнесение полученных структурных данных с функциональными свойствами этих белков - переносчиков электронов.
Для этого в работе были поставлены следующие задачи:
Выделить низкоспиновые и высокоспиновые цитохромы с из различных источников.
С помощью различных физико-химических методов получить данные о структуре выделенных цитохромов;
Изучить влияние внешних условий на структурные и функциональные характеристики выделенных в работе цитохромов с.
Выявить общие для цитохромов класса с структурно-функциональные закономерности.
Научная новизна и практическая значимость работы.
В работе впервые были получены кристаллы и определены структуры цитохрома с' из Rhodocyclus gelatinosus и цитохрома Сб из Cladophora glomerate. Разработана методика выделения цитохрома с из мутантного штамма метилотрофных дрожжей Hansenula polymorpha. В работе проведен детальный анализ влияния внешних условий на структурные характеристики изученных белков и на их окислительно-восстановительные свойства. Проведен сравнительный анализ структур изучаемых цитохромов со структурами гомологичных белков.
Выявлены общие для цитохромов класса с структурно-функциональные закономерности.
Полученные данные о структурно-функциональных зависимостях в цитохромах с могут быть применены при целевом моделировании ферментов с заданными каталитическими свойствами. Структурная информация о металлоцентре и функционально значимых участках белка необходима при создании комбинаторных библиотек металлосодержащих лекарств. Кроме того, знания механизмов электронного переноса могут быть применены при создании модуляторов электронного переноса.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях: "Microbial Physiology and Gene Regulation: Emerging Principles and Applications", Hague, December 10-14, 1995 и "Biocatalysis-2009. Fundamentals & Applications", Arkhangelsk, June 19-24, 2009.
Публикация.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них - 3 статьи, 2 тезисов докладов на международных конференциях.
Структура и объем работы.
