Для использования методов искусственного интеллекта в фармакологии и дизайне лекарств важно понимать механизмы реализации биологических функций на уровне отдельных атомов.
В данном курсе разбирается трехмерное строение основных классов биологических макромолекул и важнейших метаболитов, дается введение в вопросы статистической термодинамики и кинетики, а также на конкретных примерах рассматриваются структурно-функциональные основы реализации ферментативной, рецепторной, структурной функций белков.
Во введении слушателей знакомят с разнообразием и масштабами биомолекул и клеточных структур. Подчеркивается роль белков как «подвижных» биомолекул в явлении жизни и функционировании клетки и важность структурных ограничений, определяющих степени свободы этой подвижности.
Далее разбирается топология молекул, способы отображения их трехмерной структуры. Рассматриваются типы движений атомов в молекулах, различается неструктурированное (тепловое) и структурированное движение. Вводятся понятия эргодичности, микро и макросостояний, энтропии, свободной энергии. Разбирается вывод уравнения распределения Больцмана.
Затем рассматривается связь полной энергии с температурой, на примере фазовых переходов вводится понятие профиля энергии. Обсуждается значение профилей энергии для понимания процессов связывания.
Следующий раздел курса посвящен нековалентным взаимодействиям, природе Ван-дер-Ваальсовых, ионных и водородных связей, гидрофобных взаимодействий и стекинга. Разбирается роль нековалентных взаимодействий в поведении биомолекул в растворах и мембранах.
Далее разбираются свойства аминокислот и то, как их взаимодействия определяют структуру белков. Вводятся понятия первичной и вторичной структуры белков, описываются наиболее часто встречающиеся варианты вторичной структуры. Обсуждаются структурные основы каталитических свойств белков, молекулярные механизмы ферментативного катализа, принципы устройства активных центров ферментов.
Отдельные лекции посвящается свойствам мембранных белков, их особенностям, разнообразию и функциям (переносчики, каналы, структурные белки, рецепторы), а также свойствам белков, связывающих нуклеиновые кислоты (белки, осуществляющие репликацию, транскрипцию, трансляцию; регуляторы этих процессов; структурные белки).
Разбираются эффекты мутаций и аминокислотных замен на структуру и функцию белков, обсуждаются способы предсказания степени влияния замен (а также связывания ингибиторов) на активность белков исходя из знаний их пространственной структуры.
В заключительной части курса освещаются методы дизайна новых белков с заданными свойствами. В этой связи обсуждаются наиболее типичные фолды (способы укладки) отдельных белковых доменов, функциональные мотивы, их разнообразие. Разбираются эволюционные механизмы появления белков с новыми свойствами и возможности применения этих механизмов в области биоинженерии и белкового дизайна.
Преподаватели
- Александр Злобин
- Валентина Маслова