БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.4, c.675-680
= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =
УДК 577.3
МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИР ОВАНИЕ П P ОЦЕССА ИНГИБИРОВАНИЯ ПЕРЕКИСНОГО ОКИСЛЕНИЯ ЛИПИДОВ
а-ТОКОФЕР ОЛОМ © 2009 г. П.Ю. Новикова, П.М. Красильников
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119992, Москва, Воробьевы горы
E-mail: polina_novik @mail. ru Поступила в p едакцию 12.03.09 г.
На основе метода молекулярной динамики изучен хар актер взаимодействия в липидном бислое фосфолипида, содержащего в своем со ставе пер оксильный радикал, с мембр анным антиокси-дантом а-токоферолом (витамин Е). И сследованы равновесные со стояния окисленного липида и а-токофер ола в мембр ане. Выяснена взаимная геометр ия молекул в мембране, пр и которой осуществляется реакция переноса атома водорода с гидроксильной группы а-токоферола на пероксильный радикал фосфолипида. Показано, что пр и этом равновесные положения исследованных молекул характеризуются тем, что пероксильная группа окисленного липида приближена к полярной поверхности мембраны, а а-токофер ол погружен в гидрофобную область липидного бислоя.
Ключевые слова: молекулярное моделирование, перекисное окисление липидов, а-токоферол, пероксильный радикал, антиоксидант, мембрана.
В клетке, под влиянием различных факторов, может происходить нарушение баланса между окислительными и защитными процессами. П ри этом активные формы кислор ода вызывают интенсивное перекисное окисление липидов (ПОЛ), что приводит к изменениям физиологических пар аметров мембран, их барьерных и структурных функций, нарушает регуляцию внутриклеточных процессов. Как и любое отклонение от гомеостаза, это приводит к развитию различных клеточных патологий. Имеются многочисленные подтверждения, что окислительная деградация липидов является фундаментальным механизмом развития клеточных изменений, связанных со старением и сопутствующими заболеваниями [1].
В организме существует сложная система защиты от перекисного окисления, включающая как ферменты, так и небольшие молекулы антиоксидантов. В биологических мембранах функционируют такие антиоксиданты, как витамин Е и каротиноиды. Показано, что а-то-коферол, наиболее часто встречающаяся форма витамина Е в организме, прерывает цепную реакцию окисления мембранных липидов при
Сокращения: ПОЛ - перекисное окисление липидов, ДСФX - дистеароилфосфатидилхолин.
взаимодействии с пероксильными радикалами [2-4].
Целью работы является изучение механизма взаимодействия а-токофер ола и фосфолипида с пероксильным радикалом в составе одного из жирно-кислотных остатков (линолеил-11-пе-роксиоктадекадиенил-7,9-фосфатидилхолин) на основе молекулярного моделирования. В процессе реакции происходит перено с атома водорода с гидроксильной группы хроманольного кольца а-токоферола на пероксильный радикал, пр и этом реагирующие участки молекул должны находиться в непосредственной близости друг от друга. Пероксильная группа находится преимущественно на середине длины жирно-кислотного остатка липида, что обусловлено расположением ненасыщенных связей, которые легче подвергаются атаке свободных радикалов. Это, казалось бы, предполагает локализацию пероксильной группы в глубине гидрофобной области бислоя. Хроманольное кольцо а-токоферола содержит полярные группы и, видимо, располагается в области фосфолипидных головок. При такой геометрии молекул в мембране атом водорода, восстанавливающий пероксиль-ную группу, находится от нее на расстоянии
порядка 10 А. Такая дистанция существенно
675
7*
Рис. 1. Cxема пеpеноcа атома водоpода c хрома-нольной группы токофеpола на перокеильный радикал липида при пеpвоначально пpедполагаемой геометpии.
превышает допуетимую для пpотекания pеак-ции (рие. 1).
Вместе е тем появление поляр ных окисленных функциональных групп в жирно-киелотном остатке мембр анного липида может приводить к конформационным перестройкам в его етр ук-туре. Поэтому еущеетвует предположение, что окиеленный жирно-киелотный оетаток липида пер емещает ея к гидрофильной облаети, т.е. из-гибаетея к поверхноети мембраны [5-7]. Это пр иводит к еокращению р аеетояния до гидро-кеильной группы токоферола (ем. рие. 2).
Интер еено, что результаты некоторых эке-пер иментов показывают, что хр оманольное кольцо токоферола в мембране находитея на уровне двух-ееми углеродных атомов жирно-
Рис. 2. Окиеленный жирно-киелотный оетаток поднят к полярной поверхноети мембраны. П ри такой геометрии обеепечиваетея доетаточное раеетояние для переноеа атома водорода между гидрокеильной группой а-токоферола и перокеильным радикалом окиеленного липида.
Рис. 3. На ехеме раеетояние, доетаточное для пе-реноеа атома водорода между гидрокеильной группой токоферола и перокеильным радикалом окиеленного липида, обеепечиваетея за ечет погружения хроманольного кольца а-токоферола в гидрофобную облаеть мембраны.
киелотных о етатков фоефолипидов [4]. Это еви-детельетвует о возможноети еущеетвования и другого варианта раеположения молекул, при котором хроманольное кольцо а-токоферола по-гружаетея в гидрофобную облаеть мембраны, приближаяеь к перокеильному радикалу (рие. 3).
В целом, выделяютея два возможных вар и-анта раеположения молекул в мембране, при которых раеетояние между перокеильным радикалом и гидрокеильной группой удовлетворяет возможноети переноеа атома водорода: окиеленный жирно-киелотный оетаток поднят к поверхноети мембраны, и/или а-токоферол погружен вглубь мембраны (р ие. 2,3). Детальное изучение геометрии молекул в мембране необходимо для понимания механизма р еакции.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Метод молекулярной динамики реализуетея пр ограммным пакетом вИОМЛСБ. И епользуе-мый интегр атор во веех раечетах - (етохае-тичеекая динамика). Шаг интегрирования ео-етавляет 0,25 фе. Поддержание поетоянной темпер атуры в еиетеме реализуетея термоетатом Берендеена. Для уменьшения краевых эффектов применяютея периодичеекие граничные уело-вия. Выходные значения координат, екороетей, еил, энергий запиеываютея на каждом 4000 шаге раечета. Во веех раечетах иепользуетея полноатомное еиловое поле ОРЬБ-ЛЛ.
Сиетема для моделирования взаимодейетвия токоферола и окиеленного липида еоетоит из
трех оеновных элементов: фоефолипидной мембраны, молекулы окиеленного липида и молекулы а-токофер ола. Модель билипидной мембраны включает 46 молекул диетеароилфоефа-тидилхолина (ДСФ X), 1645 молекул воды йр4р [10]. Вычиеления парциальных зарядов, жеет-коетей валентных евязей, валентных и тореи-онных углов для топологий молекул окиеленного липида и токофер ола о еущеетвляли е помощью прогр амм вЛМЕББ и вИОМЛСБ.
Пер вым шагом работы етало иееледование евойетв отдельной молекулы окиеленного ли-пида, которое проводили в двух вариантах:
1. При фикеированном атоме азота в еоетаве холиновой группы липида прикладывалаеь внешняя еила к перокеильной группе в направлении головки липида (рие. 4). Раечеты проводили при низких значениях температуры.
2. Без применения внешних еил, при температуре 300 К.
Длины траекторий таких раечетов еоетав-ляют 1 не, иеключены вращение и параллельный пер ено е отноеительно центр а маее еиетемы.
На втор ом шаге были опр еделены равно-вееные еоетояния молекул окиеленного липида и токоферола в мембране по отдельноети. Для еокращения количеетва раечетных еиетем ие-еледуемые молекулы помещали в разные ли-пидные елои одной мембраны. При этом в начальном положении хр оманольное кольцо токофер ола раеполагалоеь в полярной облаети мембраны, а конфор мация окиеленного липида не отличалаеь от др угих фоефолипидов. Моле-кулярно-динамичеекое иееледование такой еие-темы проводили без применения внешних еил при температуре 300 К. Длина поечитанной траектории е шагом 0,25 фе еоетавляла 1 не.
На тр етьем шаге работы проводили иееледование еовмеетной динамики молекул окие-ленного липида и а-токоферола. Для этого был выполнен раечет, пр и котором начальные положения окиеленного липида и а-токоферола отличалиеь от предыдущей еиетемы лишь тем, что иееледуемые молекулы раеполагалиеь близко др уг к др угу в одном липидном елое мембраны.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Сначала иееледовали конфор мационную подвижноеть одиночной молекулы окиеленного липида е иепользованием неравновееной молекулярной динамики. Изменения потенциальной энергии липида и раеетояния от перокеильной группы до холиновой в ходе раечета изображены на рие. 5. Видно, что резкое уменьшение
Рис. 4. Начальное конформационное еоетояние окиеленного липида в вакууме. Перокеильная группа и атом азота выделены еферами, етрелкой показано направление внешней еилы, приложенной к перокеильной группе, атом азота оетаетея неподвижным.
значения потенциальной энергии (еплошная кривая) еоответетвует еокращению раеетояния между перокеильной и холиновой группами ли-пида (пунктирная кривая). Значение ередней величины етупеньки энергии еоетавляет примерно 1 эВ. Таким образом, поднятие окиелен-ного жирно-киелотного оетатка приводит к енижению потенциальной энергии молекулы фоефолипида. Такой эффект обуеловлен элек-троетатичееким взаимодейевием парциальных зарядов этих групп. Поэтому можно говорить о наличии локального минимума энергии в конформации липида, при которой окиеленный жирно-киелотный оетаток приближен к холиновой группе (рие. 6).
Второй вариант раечетов для одиночного окиеленного липида, т.е. без применения внешних еил и пр и Т = 300 К, показал, что иееле-дуемая молекула может переходить в конфор-мационное еоетояние е поднятым окиеленным жирно-киелотным оетатком еамопроизвольно. Это являетея дополнительным указанием на наличие локального минимума в такой кон-формации.
Результаты иееледования подвижноети поднятого окиеленного жирно-киелотного оетатка показали, что имеетея определенная етепень евободы данного конформационного еоетояния. Для опиеания удобно ввеети еектор, образуемый крайними положениями перокеиль-ного радикала в уетойчивом поднятом состоянии, е центром на оси молекулы. Плоскость еекто ра параллельна плоскости мембранной поверхноети. Угол такого сектор а, внутр и которого конформационное еоетояние поднятого
Рис. 5. Pезультаты для пеpвого
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.