Методами молекулярной динамики исследуется проблема сворачивания макромолекул в пространственные структуры. Рассмотрена свободно сочлененная полимерная цепь с жесткими ковалентными связями, между звеньями которой действуют силы Ван-дер-Ваальса. Определены условия формирования различных пространственных структур, имеющих сходство со структурами типа α-спиралей, β-слоев и двойных спиралей, которые имеют место в биомолекулярных системах.

Рассмотрено формирование холестерических жидкокристаллических дисперсий из двухцепочечных молекул ДНК, обработанных положительно заряженными суперпарамагнитыми наночастицами феррита кобальта, а также действие этих наночастиц на жидкокристаллические дисперсии ДНК. Связывание магнитных наночастиц с линейными двухцепочечными молекулами ДНК в растворе высокой ионной силы (0,3 М NaСl) и последующее фазовое исключение таких комплексов из полиэтиленгликольсодержащего раствора приводит к тому, что формирование дисперсии, для частиц которой характерно пространственное спиральное расположение соседних двухцепочечных молекул ДНК, становится невозможным. При действии магнитных наночастиц на холестерическую жидкокристаллическую дисперсию ДНК (1 магнитная наночастица на 1 молекулу ДНК) происходит такое «возмущение» структуры молекул ДНК в местах связывания магнитных наночастиц, при котором упорядоченная пространственная структура частиц дисперсии ДНК «взрывается»; этот процесс сопровождается исчезновением как аномальной оптической активности, так и брэгговского пика на кривой малоуглового рассеяния. С учетом того, что физико-химические свойства частиц жидкокристаллических дисперсий двухцепочечной ДНК отражают особенности пространственной организации этих молекул в составе хромосом простейших, не исключено, что обнаруженный эффект может иметь важные биологические последствия.

Проведен анализ конформационно-стабильных (конформационно-консервативных) тетрапептидов, отобранных из структур белков, депонированных в банке РDBSeleсt. Подвыборка содержала 943 разных последовательностей аминокислот тетрапептидов, причем каждая последовательность встречалась в качестве разных сегментов структур белков не менее пяти раз. В результате анализа конформаций на основе разметки D SSР сделан вывод, что в большинстве случаев (900 из 943 последовательностей) реализуется α-спиральная конформация. Для 43 последовательностей имеет место иная конформация, в частности, замечена конформация типа левой спирали полипролина II. Физико-химические свойства конформационно-стабильных пептидов из соответствующей выборки оценивали по средней гидрофобности/гидрофильности тетрапептидов. Из результатов расчетов следует, что для конформационно-стабильных олигопептидов характерна «нейтральность» в аспекте гидрофобности/гидрофильности. Надо отметить, что дисперсия распределения гидрофобности/гидрофильности для конформационно-стабильных пептидов существенно меньше, чем для контрольных выборок. Таким образом, конформационно-стабильные олигопептиды являются выделенной группой локальных структур белка, предельно близких по конформационным и физико-химическим свойствам. В соответствии с разработанной нами ранее теорией специфических дальнодействующих взаимодействий, данные пептиды являются объектами, в наибольшей степени приспособленными для эффективного взаимного молекулярного узнавания.

Методом управляемой молекулярной динамики были определены пары аминокислотных остатков на поверхности взаимодействующих доменов формина mDia1: DID-DAD, контролирующих автоингибирование формина и DID с ГТФазой Rho, отвечающих за активацию. Наиболее стабильными являются ионные взаимодействия между остатками G lu178 и Arg248, а также гидрофобные взаимодействия атома углерода Thr175 с ароматическим кольцом Рhe247. Взаимодействия DID с Rho оказались наиболее сильными. Они опосредованы специфическими тройными ионными взаимодействиями между положительно заряженными аминокислотами из R ho и триплета аминокислот в составе домена DID, состоящего из двух отрицательно заряженных аминокислот, разделенных одной незаряженной. Сайты связывания домена DID с R ho и DAD частично перекрываются, но во взаимодействиях с различными партнерами принимают участие различные аминокислоты DID. Обсуждаются возможные конформационные изменения доменов формина при активации и инактивации.

Методом молекулярной механики были исследованы конформационные свойства двух молекул тахикининового семейства, гемокинина-1 человека и гемокинина-1 мыши/крысы, состоящих из 11 аминокислотных остатков каждый. На основе поэтапного подхода были определены энергетически предпочтительные пространственные структуры молекул гемокининов и их отдельных фрагментов, которые были представлены в виде набора конформаций, характеризующихся относительно лабильным N-концевым трипептидом и конформационно жестким С-концевым сегментом. Было показано, что конформационно консервативный С-концевой октапептид молекул предпочтительно формируют две конформации с различными структурными типами пептидной цепи, одна из которых представляет собой альфа-спиральную структуру, а другая формирует один изгиб цепи, переходящий в виток альфа-спирали на С-конце. В результате расчетов были определены энергетически предпочтительные области величин двугранных углов и взаимное расположение остатков в низкоэнергетических конформационных состояниях молекул. Конформационный анализ отдельных фрагментов позволил проследить процесс формирования вторичной структуры в молекулах. На основе полученных результатов были определены энергетические вклады межостаточных взаимодействий и определена структурообразующая роль каждого остатка в формировании оптимальных пространственных структур молекул гемокининов.

Различающиеся по происхождению белки могут проявлять разное физико-химическое поведение, иметь отличия в гомологии последовательностей, фолдинге, функциях. Поэтому изучение структурно-функциональной взаимосвязи белков из разных источников значимо в том смысле, что может привести к открытию сравнительных особенностей их взаимосвязей в ряду «последовательность–структура–функции». Дигидрофолатредуктаза – не только фермент, участвующий в регуляции клеточного цикла, но и значимый фермент при разработке противораковых препаратов. Поэтому детальное понимание структурно-функциональных взаимоотношений обширного числа вариантов дигидрофолатредуктазы будет иметь важное значение при подборе ингибитора или антагониста к данному ферменту, участвующему в процессах клеточного процессах развития. В представленной работе сообщается о сравнительной структурно-функциональной связи между дигидрофолатредуктазой E. сoli и человека. Различия в характере разворачивания этих двух белков исследовались для понимания различий таких свойств этих белков, как их относительная стабильность и конформационные изменения при идентичных условиях денатурации. Механизм равновесного разворачивания дигидрофолатредуктазы при использовании гидрохлорида гуанидина в качестве денатурирующего агента и в присутствии различных типов осмолитов наблюдали путем регистрации ферментативной активности, а также собственной флуоресценции триптофана и внешнего флуорофора 8-анилино-1-нафталинсульфоновой кислоты в качестве зонда. Обнаружено, что такие осмолиты, как 1 М сахароза и 30% глицерин, обеспечивают повышенную стабильность обеих дигидрофолатредуктаз, причем степень стабилизации зависит от собственной стабильности белка, тогда как 100 мМ пролина не оказывают значимого стабилизирующего эффекта. Показано также, что дигидрофолатредуктаза человека относительно менее стабильна, чем ее аналог из E. сoli.

Исследовано влияние увеличения вязкости реакционной среды на циклическое фотофосфорилирование в тилакоидах хлоропластов и на Сa²⁺-зависимый гидролиз АТФ сопрягающим фактором СF₁. Показано, что добавление в реакционную среду агентов разной природы (сахарозы, декстрана 40, полиэтиленгликоля 6000), увеличивающих вязкость среды, приводит к уменьшению скорости синтеза АТФ при концентрации АДФ 0,1–0,2 мМ в условиях, когда эти агенты еще не вызывают ни разобщения, ни ингибирования переноса электронов в отсутствие АДФ. Декстран и полиэтиленгликоль ингибировали синтез АТФ на 50% при концентрациях гораздо меньших (6–10%), чем сахароза (30–40%), тогда как 50%-е ингибирование Са2+-зависимого гидролиза АТФ СF₁-ATФазой наблюдалось при более высоких концентрациях декстрана и полиэтиленгликоля (9–13%), но при более низких концентрациях сахарозы (около 20%). Установлено, что эффективная константа Михаэлиса (K_М) для АДФ с возрастанием вязкости среды увеличивается в два–три раза, при этом максимальная скорость циклического фотофосфорилирования остается постоянной. Сделан вывод о том, что зависимость KМ от вязкости среды может служить критерием функционирования процесса фотофосфорилирования в диффузионно-контролируемом режиме. Обсуждаются возможные механизмы диффузии АДФ и АТФ.

Предложен метод анализа экспериментальных данных по кинетике индукции флуоресценции хлорофилла, основанный на получении спектральных характеристик сигнала кинетики индукции флуоресценции с помощью мультиэкспоненциального ряда и дальнейшем анализе частичных сумм полученного ряда. Метод позволяет выделить новые фазы в кинетике сигнала и вместо полуэмпирической оценки стадий, используемой в большинстве исследований, ввести более строгие и универсальные критерии оценки фаз индукционных кривых. Применение предлагаемого метода для анализа индукционных кривых, полученных на клетках водоросли Сhlamidomonas reinhardtii при серном голодании, показывает его эффективность для обнаружения возникающих неявных фаз индукционной кривой, соответствующих ранним стадиям развития стресса.

Исследована возможность применения индуцированной хемилюминесценции для оценки способности субстрата к перекисному окислению под действием гидроксильных радикалов и уровня свободнорадикальных процессов, которые произошли в биологических объектах, на основе анализа органических гидроперекисей в пробе. Для этого светосумма хемилюминесценции измерялась в три этапа: при введении Fe²⁺ в исследуемую пробу, при проведении реакции Фентона (введение Fe²⁺ и Н₂О₂) и при введении Fe²⁺ в пробу после проведения реакции Фентона. Измерена зависимость светосуммы от концентрации (разведения) пробы. Показано, что светосумма достигает максимальной величины при определенном разведении исследуемого субстрата. Положение максимума определяется концентрацией окисляющихся фрагментов RH, а величина светосуммы хемилюминесценции в максимуме – долей ингибитора [InH]/[RH] и долей оказавшихся в пробе органических гидроперекисей [ROOH]/[RH ].

Внеклеточно регистрировали ответы одиночных нейронов слухового центра продолговатого мозга травяной лягушки при действии длительных сигналов характеристической частоты, модулированных повторяющимися отрезками низкочастотного (0–15, 0–50 и 0–150 Гц) шума. Корреляционным методом оценивали эффективность различных участков огибающей в обеспечении генерации нейроном импульсного разряда. Осуществляя эти операции при разных временных интервалах между сигналом и ответом, оценивали задержки, при которых выявлялись максимумы. Выявлены два значимых участка огибающей, причем в большинстве случаев наиболее эффективным был участок нарастания амплитуды от среднего значения до максимума, а вторым по эффективности был участок падения амплитуды от максимума до среднего значения. Такой тип ответа наблюдался у подавляющего большинства клеток при диапазонах модулирующих частот сигнала 0–150 и 0–50 Гц. Эти клетки в своей реакции осуществляли однополупериодное детектирование огибающей. Однако у некоторых нейронов отмечалось более явное предпочтение к участкам нарастания амплитуды, в том числе даже тем, где ее значение было ниже среднего. Особенно ярко такое предпочтение к нарастающим участкам проявлялось при наиболее низкочастотной огибающей (0–15 Гц) и при больших глубинах модуляции. Данные показывают, что уже на уровне продолговатого мозга осуществляется специализация нейронных элементов слухового пути по отношению к выделяемым временны′м особенностям непрерывного звукового стимула. Такое разнообразие наиболее ярко проявляется при действии сигналов со сравнительно медленно меняющейся амплитудой.

Исследована активность ключевого фермента цитохромного участка дыхательной цепи цитохромоксидазы, количественное перераспределение митохондриальных цитохромов b, с1, с и aа3, а также активность ключевых ферментов метаболизма гема цитохромов – δ-аминолевулинатсинтазы и гемоксигеназы – в условиях ацетаминофен-индуцированного повреждения печени на фоне алиментарной депривации протеина. Установлено, что в условиях ацетаминофен-индуцированного гепатита наблюдается торможение цитохромоксидазной активности и снижение количественного содержания митохондриальных цитохромов на фоне повышения δ-аминолевулинатсинтазной и гемоксигеназной активности. У животных с токсическим повреждением печени, содержавшихся в условиях алиментарной депривации протеина, установлено прогрессирующее снижение количественного содержания митохондриальных цитохромов b, с1, с, aа3 на фоне повышения активности гемоксигеназы и сохранении активности δ-ами- нолевулинатсинтазы на уровне значений контроля. Сделан вывод, что алиментарная депривация протеина является критическим фактором для развития нарушений функционально-структурной целостности цитохромного участка дыхательной цепи и установленные изменения могут рассматриваться как один из возможных механизмов нарушения работы системы биотрансформации энергии в условиях недостаточности белка в рационе.

На бактериальных модельных системах показано, что введение в среду растворимого соединения – натриевой соли октакарбоксифталоцианина кобальта (терафтала) – приводит в ультразвуковом поле к уменьшению доли выживших бактерий. Высказано предположение, что терафтал в бактериальной среде образует твердую фазу, которая в ультразвуковом поле вызывает деструкцию примыкающих к нанокристаллам структур вследствие локализованных кавитационных процессов.

Показано, что воздействие комбинированными постоянным (42 мкТл) и коллинеарным ему очень слабым переменным низкочастотным (1 Гц, 600 нТл; 4,4 Гц, 100 нТл; 16,5 Гц, 160 нТл) магнитными полями на гепаринизированную и разбавленную фосфатным буфером венозную кровь человека при физиологических температурах вызывает резкое 3–4-кратное усиление ее хемилюминесценции после добавки люминола.

Изучено воздействие лазерно-оптического излучения на кровь разных пациентов, облучаемую in vivo. Объекты исследования – три серии образцов крови пациентов, полученные при экстракорпоральном ультрафиолетовом облучении крови, внутривенном облучении крови лазерным излучением и надвенном облучении крови соответственно. До и после облучения сопоставлены результаты оптической оксиметрии и газовый состав венозной крови. Продемонстрированы результаты положительного и отрицательного влияния облучения крови на характеристики кислородного обмена отдельных пациентов и на содержание некоторых продуктов метаболизма. Показано, что при одной и той же энергетической дозе их изменения зависят от индивидуальных, исходных значений степени насыщения гемоглобина венозной крови кислородом и ее фотоиндуцированных изменений, которые объективно отражают индивидуальную чувствительность пациентов к воздействию оптического излучения на кровь и могут использоваться для оценки эффективности фототерапии.

Проведено моделирование трехволнового эпидемического цикла, вызванного новым серовариантом возбудителя. Исследован механизм ступенчатого спада прослойки восприимчивых к инфицированию лиц. В модель введена группа бессимптомно инфицированных лиц и показатель антигенной активности возбудителя, регулирующий интенсивности входных потоков в группы инфицированных. Клиническая заболеваемость дополнительно регулируется вирулентностью. Модель идентифицирована по данным наблюдений за трехволновым прохождением гонконгского сероварианта (H3N2). На основе результатов моделирования показана ведущая роль бессимптомно инфицированных лиц в обновлении вирулентного потенциала возбудителя и пополнении группы клинически инфицированных.

Предложен метод исследования вызванных потенциалов головного мозга, основанный на оценке структуры цепочек локальных максимумов, полученных из матрицы квадратов коэффициентов вейвлет-преобразования вызванных потенциалов. Представлен общий подход к анализу вызванных потенциалов, обеспечивающий формирование и выделение цепочек локальных максимумов и минимумов матрицы квадратов коэффициентов вейвлет-преобразования этих потенциалов. Описаны алгоритмы адаптивного восстановления элементов вызванных потенциалов после прямого вейвлет-преобразования на основе полученных областей в пространстве «масштаб вейвлет-преобразования – время», отражающих отдельные элементы компонентов этих потенциалов. При реализации метода для оценки зрительных вызванных потенциалов установлено, что их компоненты формируются не менее чем двумя–тремя элементами, представляющими собой отдельные частотно-временны′е области. Данные области, на основе которых адаптивно восстанавливались элементы вызванных потенциалов, имеющие свое определенное латентное время и амплитудные характеристики, могут представлять и самостоятельное клинико-физиологическое значение. Продемонстрирована устойчивость предложенного метода к изменению применяемой в анализе вейвлет-функции: при использовании вейвлетов Morlet и WAVE получены сходные результаты. Разработанный метод применен для анализа устойчивых зрительных вызванных потенциалов, возникающих при фотостимуляции. П ри этом было отмечено наличие, наряду с основным элементом, соответствующем частоте фотостимуляции, и других, не присутствующих постоянно в спектре устойчивых зрительных вызванных потенциалов.

Разработана математическая модель роста опухоли в ткани с учетом ангиогенеза. Злокачественные клетки, находящиеся в состоянии метаболического стресса, вырабатывают фактор роста эндотелия сосудов, стимулируя опухолевый ангиогенез, что увеличивает приток питательных веществ. В модели учтена дихотомия миграции и пролиферации клеток опухоли в зависимости от концентрации питательного вещества, а также учитываются конвективные потоки, возникающие в плотной ткани при активном делении клеток опухоли. Численное исследование модели показало, что для инвазивных опухолей ангиогенез практически не влияет на скорость роста в ткани, в то время как рост неинвазивных опухолей значительно изменяется при вариации параметров ангиогенеза, тем не менее никогда не останавливается полностью. П роведено обсуждение причин и значения данного результата для оценки противоопухолевой эффективности антиангиогенной терапии.

Для аппроксимации известных экспериментальных временны′ х рядов по изменению численностей Рarameсia сaudatum, представленных в монографии Г.Ф. Гаузе (G.F. G ause, The Struggle for Eхistenсe, 1934), использованы модели Ферхюльста и Гомпертца. Для каждой модели оценены параметры всех временны′ х рядов двумя различными методами: методом наименьших квадратов и нетрадиционным методом, не требующем использования каких-либо функций потерь. Полученные результаты сопоставлены между собой и с результатами, представленными в монографии Г.Ф. Гаузе. Свойства отклонений теоретических (модельных) данных от экспериментальных проверены с помощью множества различных непараметрических статистических тестов. Показано, что оценки методом наименьших квадратов приводят к результатам, которые не всегда соответствуют требованиям, предъявляемым к «хорошим» моделям. Также показано, что в некоторых случаях возможна незначительная модификация оценок методом наименьших квадратов, позволяющая получить удовлетворительные результаты аппроксимации экспериментальных данных.

Представления об активных средах использованы в качестве биофизической основы для построения модели пространственно-временнóй самоорганизации в природно-антропогенных экосистемах, проявляющейся в образовании регулярных динамических структур, которые характеризуются устойчивыми или неустойчивыми режимами развития. Урбоэкосистемы составлены иерархиями сопряженных активных сред, и их нелинейность объективно формируется экстремальностью антропогенных нагрузок, несоответствием характерных времен и масштабов эволюции природной и антропогенной компонент, а также наличием сложной системы положительных и отрицательных обратных связей между подсистемами. В основе представленной, заведомо упрощенной, модели лежит модифицированное уравнение Фитц–Хью–Нагумо. Разрабатываемый подход носит общий характер и систематизирует описание пространственно-временнóго развития урбоэкосистем как распределенных диссипативных систем.

Изучена возможность получения материала на основе коллагена и биологически активного полифенола – таксифолина и исследованы его свойства. Получены данные по динамике высвобождения полифенола, химически связанного с коллагеном, и определена его металл-восстанавливающая активность. Изучено действие таксифолина, глутарата таксифолина и геля, содержащего полифенол, на продукцию активных форм кислорода нейтрофилами, стимулированными форбол-миристат-ацетатом. Показано наличие антиоксидантных и металл-восстанавливающих свойств полифенола, высвобождаемого из гелевого материала, что свидетельствует об эффективном включении неокисленной формы полифенола в состав коллагенового геля.

Изучая ритмы электромагнитных шумов Земли и сейсмичности, многочисленные данные по вызовам «Скорой помощи», данные по детской рождаемости и смертности населения, авторы обнаружили в них и суточные, и годовые, и сезонные ритмы, являющиеся главными в жизни на Земле. Анализ как главных закономерностей, так и отдельных нюансов внутрисуточных и внутригодовых ритмов в живой и неживой природе заставляет предположить, что именно глубинные процессы, связанные с эксцентричным вращением внутреннего ядра и оболочки Земли, являются могущественным дирижером жизни и смерти на Земле. Полученные результаты не только подтверждают существование глубинных волн, создаваемых ядром Земли, но и убеждают в том, что эти постоянно циркулирующие волны воздействуют на самочувствие человека, его рождение и смерть, «дирижируют» даже самоубийствами.