Подготовил: ученик 8Г класса Дмитриев Виктор Андреевич

1. обоснование эволюционно закрепившегося знака хиральности аминокислот белков – один из аспектов проблемы нарушения зеркальной симметрии биологического мира Муниципальное образовательное учреждение гимназия №12 Научные руководители: Заслуженный учитель РФ, к.п.н. Уласевич О.Н. Заслуженный учитель РФ, Зайцева Л.В. Подготовил: ученик 8Г класса Дмитриев Виктор Андреевич Липецк, 2010

2. Цель проекта Обосновать эволюционную востребованность строго определенного знака хиральности аминокислотных остатков белков живого организма. Решаемые задачи • Получить представление координат атомов ионного канала в системе координат с поворотной осью симметрии. • Построить структуру D-аминокислотного модельного ионного канала. • Определить зависимость диаметра поры от координаты оси поворотной симметрии ионного канала. Методы исследования • Методы аналитической геометрии и линейной алгебры. • Методы молекулярной динамики.

3. содержание • Введение. • Зеркальные энантиомеры молекул с асимметричным атомом углерода С*. • Какие энантиомеры аминокислот использует живая природа? • Правая аминокислотная спираль в белке. • Калиевый ионный канал – объект исследования. • Преобразование лабораторной в естественную систему координат с поворотной осью симметрии. • Преобразование координат атомов из лабораторной в естественную систему координат. • Построение D-аминокислотного канала с природной аминокислотной последовательностью. • Зависимость диаметра поры от координаты оси симметрии канала. • Выводы. • Информационные ресурсы.

4. введение Со времени открытия Луи Пастером «демаркационной линии» между живым и неживым – зеркальной дисимметрии организмов – прошло уже более ста лет. За этот срок практически любая область исследований (в том числе и эта), казалось бы, должна быть исчерпана. Однако тот факт, что живые организмы используют лишь один из двух зеркальных изомеров таких молекул, как аминокислоты и сахара, и совершенно не используют другой (в нуклеиновых кислотах содержатся лишь D-изомеры сахаров, а в ферментах – лишь L-изомеры аминокислот), до сих пор представляет собой интригующую загадку. Этот феномен – нарушение зеркальной симметрии молекулярной основы жизни, – по-видимому, первый и один из самых ярких примеров нарушения симметрии в естествознании. Интерес к этой проблеме, казалось бы, чисто биологической, проявляли в большей степени химики и физики, нежели математики и биологи. Дань ей отдали П. Кюри, лорд Кельвин, П. Иордан, Э. Фишер, Дж. Бернал и многие другие.

5. Зеркальные энантиомеры молекул с асимметричным атомом углерода С* С* С* зеркало

6. Какие энантиомеры аминокислот использует живая природа? Тот факт, что все синтезируемые в рибосомах белки состоят из L-аминокислот до сих пор представляет собой интригующую загадку

7. Правая аминокислотная -спираль в белке Из L-аминокислотных остатков формируются правые -спирали – одна из вторичных структур белков живых организмов.

8. Калиевый ионный канал – объект исследования Калиевый канал KcsA выбран в качестве объекта исследования по следующим причинам: 1. Существуют надежные экспериментальные данные по его структуре. 2. Хиральная асимметрия аминокислот белков непосредственным образом связана с другой фундаментальной асимметрией – ионной асимметрией в содержании важнейших катионов во внутренней и внешней среде клеток.

9. Преобразование лабораторной в естественную систему координат с поворотной осью симметрии Z Ось Cn (поворотной симметрии) проходит через две точки с заданными координатами в XYZ-системе: O(x0, y0, z0) и A(x1, y1, z1). Это координаты ионов, локализованных в поре канала. Лабораторная система координат X Y

10. Преобразование координат атомов из лабораторной в естественную систему координат – векторное уравнение для преобразования координат атомов Здесь i, j, k – орты XYZ-системы, i′, j′, k′ – орты X′Y′Z′-системы, представленные в XYZ-системе. Орт орты i′ и j′ определяли из условия их ортогональности:

11. Построение D-аминокислотного канала с природной аминокислотной последовательностью 1. Замена L-аминокислот на соответствующие D-аминокислоты 2. Молекулярно-динамическая оптимизация геометрии канала L D

12. Зависимость диаметра поры от координаты оси симметрии канала Диаметр поры D-аминокислотного канала примерно в 1.4 раз больше диаметра поры природного L-аминокислотного канала. Диаметр поры в области селективного фильтра D-канала столь критичен, что данный канал не является калий-избирательным.

13. выводы • Предложена математическая модель преобразования координат атомов аксиально-симметричных ионных каналов клетки от произвольной (лабораторной) системы координат к системе координат с осью поворотной симметрии канала. • Заменой L-аминокислотных остатков на соответствующие D-аминокислотные остатки канала, с последующей молекулярно-динамической оптимизацией его структуры, установлена геометрия модельного D-аминокислотного канала с природной первичной и вторичной структурой. • Вычислен диаметр поры D-аминокислотного канала, который примерно в 1.4 раз больше диаметра поры природного L-аминокислотного канала. • Диаметр поры в области селективного фильтра модифицированного канала столь критичен, что данный канал не является калий-избирательным. • Функциональная неэквивалентность энантиомеров пептидов могла играть важную роль в возникновении гомохиральности строго определенного знака на уровне отбора наиболее совершенных структур в ходе эволюции.

14. Информационные ресурсы • Рывкин А.А., Равкин А.З., Хренов Л.С. Справочник по математике. М.: Высшая школа, 1975. 554 с. • Гольданский В.И., Кузьмин В.В. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в природе и происхождение жизни // Успехи физических наук. 1989. Т. 157. С. 3-49. • Твердислов В.А., Дмитриев А.В. Происхождение предшественников живой клетки. О двух фундаментальных асимметриях – ионной и хиральной/ Проблемы регуляции в биологических системах. Биофизические аспекты. М.: МГУ, 2007. С. 259-291. • Дмитриев А.В., Твердислов В.А. О возможности существования и структурных особенностях зеркального антипода природной клетки. М.: МГУ, 2005. 50 с. • Дмитриев А.В., Твердислов В.А. Моделирование последовательности кодонов белок-кодирующей области калиевого канала зеркальной клетки // Технологии живых систем. 2006. Т. 3. С. 39-41.