Том 68, № 5 (2023)

Биомолекулярная сольватация играет одну из ключевых ролей в живой природе. От особенностей протекания данного процесса зависит биологическая активность молекул и выполнение ими своих целевых функций. Однако исследование гидратации биомолекул является нетривиальной задачей как для экспериментальных методов, так и для компьютерного моделирования. В работе демонстрируются возможности неэмпирического подхода 3D-SDFT/3D-RISM, основанного на 3D-распределении атомной плотности растворителя, для исследования особенностей гидратации биомолекул на примере ряда аминокислот - Gly-ZW, L-Ala-ZW, L-Val-ZW, L-Pro-ZW, двух модельных белков - BPTI (ингибитора трипсина бычьей поджелудочной железы) и PTP1B (белковой тирозинфосфатазы 1B), а также комплексов белка PTP1B с ингибиторами. Представленные результаты показывают, что подход позволяет в деталях и одновременно целостно описывать структуру гидратной оболочки биомолекул.

Полисахарид STP был выделен из водного экстракта Solanum tuberosum L. и очищен с помощью ионообменной хроматографии и гель-фильтрации. Его молекулярную массу определяли с помощью гельпроникающей хроматографии и высокоэффективной жидкостной хроматографии, а его моносахаридный состав анализировали методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и газовой хроматографии с использованием пламенно-ионизационного детектора и капиллярной колонки. Было показано, что полисахарид STP состоял из галактозы и арабинозы в количествах 37.5% и 23.5% соответственно, а также уроновых кислот (9.7%), остатков моносахарида глюкозы (15%) и белков (не менее 9%). Молекулярная масса STP составляла 70 кДа. Для структурного анализа STP использовали метод ИК-Фурье-спектроскопии. Митогенная активность экстрагированного полисахарида сравнима с активностью липополисахарида.

При болезни Альцгеймера в механизме нейродегенерации важную роль играет бета-амилоидный пептид (Ав). Отдельный фрагмент бета-амилоидного пептида Ав(25-35) (с последовательностью GSNKGAIIGLM) считается функциональным доменом амилоидного пептида Ae, ответственным за его нейротоксические свойства и биологически активной областью Ав. Конформационный анализ методом молекулярной механики каждого пептидного сегмента С-концевой части пептида выявил ограниченное число наиболее вероятных конформаций и достаточно четко определил силы, стабилизирующие структуры. Полученные результаты показали, что пептид Ав(25-35) энергетически предпочтительно принимает a-спиральную конформацию на С-концевом октапептидном сегменте. Для моделирования картины внутримолекулярной подвижности молекулы пептида Ав(25-35) был применен метод молекулярной динамики. Показано, что в низкоэнергетических конформациях пептида Ав(25-35) гибкие структуры в его N-концевой области по-разному ориентированы по отношению к структурам в C-концевой части.

Негистоновый хромосомный белок HMGB1 и гистон H1 представляют собой линкерные белки хроматина. Функции линкерных белков тесно связаны с их конформационным состоянием. В настоящее время активно изучается строение белков, играющих ключевую роль в формировании высших уровней структурной организации хроматина. В данной работе проведен сравнительный анализ вторичной структуры линкерного гистона H1 и негистонового белка HMGB1. Методами кругового дихроизма в УФ-области и ИК-Фурье-спектроскопии показано, что положительно заряженный гистон H1 связывается с С-концевым фрагментом HMGB1, стабилизируя образующийся комплекс и индуцируя формирование дополнительных а-спиральных участков в обоих белках.

Предложен механизм преобразования сигнала магнитной составляющей низкочастотного электромагнитного поля, имеющего крайне низкую энергию, в химический и биохимический отклик в водных растворах биополимеров на основе нуклеиновых кислот и белков. Из разработанной теоретической модели следует, что в основе окислительных повреждений ДНК и конформационных переходов белков лежит универсальный механизм, связанный с изменением количества наиболее долгоживущей формы - перекиси водорода в химическом осцилляторе взаимопревращений активных форм кислорода под действием низкоинтенсивного электромагнитного поля. Экспериментально определено, что количественное содержание перекиси водорода в растворах биополимеров резонансоподобно зависит от частоты воздействующего поля. Конформационные изменения белков сопровождаются увеличением доступности и активности нуклеофильных центров, являющихся потенциальными мишенями для активных форм кислорода. Полное разворачивание и денатурация аминокислотной цепи белка под действием низкочастотного электромагнитного поля не происходит. Показано, что повышенное образование перекиси водорода при частотах 3 и 50 Гц приводит к окислительной модификации азотистых оснований ДНК.

Структурные вариации генома являются одним из основных источников генетического разнообразия. Как мутагены структурные варианты могут оказывать значительное влияние на здоровье человека, являясь причинами наследственных и онкологических заболеваний. Существующие методы поиска структурных вариантов основываются на анализе данных высокопроизводительного секвенирования, и, несмотря на значительный прогресс в их развитии, не позволяют определять структурные вариации с точностью, достаточной для применения в диагностике. Новые возможности для разработки методов поиска структурных вариаций представляет анализ сигнала покрытия секвенирования (т.е. количества фрагментов секвенирования, выравненных в каждой точке генома), который может рассматриваться как временной ряд. В работе представлен метод для поиска повторяющихся паттернов в сигнале покрытия, разработанный с использованием алгоритмов, применяемых для анализа временных рядов, а именно: KNN- (K-nearest neighbour) и SAX-преобразования (Symbolic Aggregation Approximation) сигнала. С использованием данных проекта Human Genome Diversity Project, включающих полногеномное секвенирование 911 человек разного этнического происхождения, нами были построены обобщающие паттерны сигнала покрытия в окрестностях точек разрыва, соответствующих структурным вариациям. В дополнение был разработан программный пакет для быстрого поиска аномалий в сигнале покрытия с применением полученных паттернов.

Исследованы радиочувствительность к низким и высоким дозам рентгеновского излучения и способность к индукции радиационного адаптивного ответа лимфоцитов при облучении in vitro периферической крови пациентов с синдромом вторичного иммунного дефицита и здоровых доноров разного возраста. Критерием цитогенетического повреждения служила частота микроядер в цитохалазин-блокированных двуядерных лимфоцитах в культуре. Было обнаружено, что спонтанный уровень цитогенетических повреждений в лимфоцитах пациентов с синдромом вторичного иммунного дефицита в 2.5 раза выше, чем у здоровых молодых и возрастных волонтеров, а также наблюдалась значительная межиндивидуальная вариабельность значений по сравнению с контрольными когортами. Не было выявлено различий в средних значениях по радиочувствительности к низким и высоким дозам рентгеновского излучения между исследуемыми группами. Показано отсутствие корреляции между спонтанным уровнем микроядер в лимфоцитах и радиочувствительностью индивидуумов во всех группах. Радиационный адаптивный ответ индуцировался с той же частотой и в той же степени в лимфоцитах как у пациентов с синдромом вторичного иммунного дефицита, так и у здоровых доноров разного возраста.

Рассматривается влияние фармакологического аналога окисленного глутатиона - дисульфидсодержащего иммуномодулятора моликсана на транспорт Na⁺ в эпителии кожи лягушки. С использованием метода фиксации потенциала впервые показано, что моликсан модулирует транспорт Na⁺ в эпителии кожи лягушки. Обнаружено, что приложение моликсана со стороны апикальной поверхности кожи подавляет транспорт Na⁺, тогда как при добавлении со стороны базолатеральной поверхности моликсан имитирует действие инсулина и стимулирует транспорт Na⁺. Результаты свидетельствуют о том, что окисленный глутатион и его фармакологические аналоги моликсан и глутоксим однонаправленно модулируют транспорт Na⁺ в коже лягушки.

В сезон гибернации у межбаутных активных сусликов Urocitellus undulatus параметры клеточного цикла клеток красного костного мозга не отличаются от летних значений. У животных в состоянии оцепенения по сравнению с состоянием межбаутной активности суммарная доля покоящихся (G0) и находящихся в пресинтетической (G1) фазе клеток увеличена с 71.8 до 76.0%, доля клеток в синтетической (S) фазе снижена с 19.3 до 15.3%. Суммарная доля клеток в постсинтетической (G2) фазе и в митозе (М) не меняется, но растет соотношение (G2+M)/S. При входе в состояние оцепенения изменения параметров наблюдаются при снижении температуры тела ниже 25°С, их зависимость от температуры немонотонна. Активность ключевого фермента синтеза полиаминов орнитиндекарбоксилазы, маркера активации и пролиферации клеток, у межбаутных активных и летних животных достоверно не отличается, во время входа в состояние оцепенения при температуре тела ниже 25°С резко снижается, и остается на низком уровне в течение баута спячки и при пробуждении до достижения температуры тела 30°С. Обсуждается роль изменений параметров, связанных с пролиферативной активностью, в адаптации кроветворной ткани при гибернации якутского суслика.

Охарактеризованы взаимодействия противоопухолевого вещества цисплатина и антиоксидантного вещества лютеина с липосомами, выбранными в качестве модельных мембран. Морфология всех липосом была практически сферической, при этом в отсутствие этих веществ липосомы были более равномерно распределены и менее склонны к агрегации. Средний размер ненагруженных липосомных образцов составлял 617.90 ± 75.64 нм, в то время как после включения цисплатина, лютеина и их комбинации он составлял 425.60 ± 64.74 нм, 877.85 ± 93.90 нм и 189.91 ± 136.84 нм, соответственно. Включение цисплатина или лютеина в липосомные мембраны приводило к увеличению значений дзета-потенциала. В присутствии цисплатина в комбинации с лютеином дзета-потенциал достигал наименьших значений. Включение цисплатина в липосомы приводило к сдвигу в сторону более высокой температуры плавления по сравнению с основным пиком ненагруженных липосом, что указывает на конформационное нарушение структуры фосфолипидов. Добавление лютеина приводило к исчезновению основного характерного для чистых липосом эндотермического пика. Исследование методом ИК-Фурье-спектроскопии подтвердило взаимодействие лютеина и цисплатина с функциональными группами липосом. В отсутствии внешнего гамма-облучения значение IC₅₀ для свободного лютеина в тесте цитотоксичности с клетками MCF-7 составило 10.62 мкг/мл, в то время как для свободного цисплатина оно составило 41,02 мкг/мл. Для нанолипосомного лютеина и цисплатина значение IC₅₀ составило 65.84 мкг/мл и 34.29 мкг/мл соответственно. При использовании комбинированной терапии с дозой гамма-излучения 5 Гр и затем 10 Гр, IC₅₀ свободного лютеина снизилась с 17.0 до 9.5 мкг/мл. Для свободного цисплатина IC₅₀ изменилась с 51.00 до 43.09 мкг/мл. Эта работа показала, что цитотоксический эффект стандартной формы лютеина сильнее, чем нанолипосомального лютеина. Согласно обнаруженным фактам можно предложить новый протокол терапии, в котором цисплатин следует заменить свободным лютеином для увеличения эффективности терапии против опухолевых клеток линии MCF-7.

Проведено исследование эффектов агониста в-адренорецепторов изопротеренола на сократительную активность папиллярной мышцы правого желудочка сердца крысы как при температуре близкой к физиологической (30°С), так и в условиях глубокой гипотермии (10°С). При 30°С изопротеренол оказывает выраженный положительный инотропный эффект, сила сокращения увеличивается c 1.2 ± 0.1 мН в контроле до 2.4 ± 0.4 мН после добавления агониста, при этом происходит достоверное ускорение временных параметров сокращения, так, время достижения максимума сокращения уменьшалось с 101 ± 6 мс до 85 ± 4 мс; время расслабления до 50% - с 55 ± 3 мс до 36 ± 1 мс. В условиях гипотермии изопротеренол вызывал мощный отрицательный инотропный эффект, снижая силу сокращения с 2.2 ± 0.4 мН до 1.2 ± 0.4 мН. Как и при 30°С, сохранялась тенденция ускорения сокращения: время достижения максимума сокращения уменьшалось с 717 ± 52 мс до 624 ± 50 мс, а время расслабления до 50% - с 667 ± 86 мс до 450 ± 40 мс. Таким образом, в условиях глубокой гипотермии при 10°С направленность инотропного ответа на изопротеренол меняется с положительного на отрицательный, в то время как лузитропный эффект сохраняет негативный характер.

Описана минимальная математическая модель стенки малого артериального сосуда, построенная на основе опубликованных результатов экспериментов на церебральных сосудах крыс. Полагается, что активная составляющая напряжений имеет только окружную компоненту и зависит от окружного растяжения, концентрации кальция в цитоплазме и мембранного потенциала гладкомышечных клеток. Представленная модель стенки малой артерии качественно воспроизводит и результаты более сложных моделей других сосудов в условиях физиологической нормы. В отличие от аналогичной модели, учитывающей лишь один клеточный параметр, введение мембранного потенциала в число аргументов позволило выявить качественное изменение зависимости окружного напряжения от растяжения и радиальной координаты с изменением сосудистого тонуса. При фиксированных значениях мембранного потенциала и концентрации кальция в фазе развития сосудистого тонуса напряжение убывает по мере приближения к наружной стенке сосуда и увеличивается с ростом растяжения, а после того, как он сформируется, направленность изменений окружного напряжения меняется на противоположную.

Временная разрешающая способность зрительной системы имеет важное значение для восприятия объективного мира. Наименьшая частота дискретизации последовательности изображений, при которой восприятие становится слитным, называется критической частотой слияния мельканий. Многообразие экспериментальных данных о порогах критической частоты может найти объяснение с позиций предложенной модели контрастной чувствительности зрительной системы, основанной на треморном модуляционном сигнале. Модель описывает зависимость критической частоты слияния мельканий от яркости стимула, яркости адаптации, длительности и углового размера стимула. Модель демонстрирует, что для ярких стимулов с малой длительностью и большим угловым размером значения критической частоты лежат в диапазоне до 1000 Гц; оптимальной для зрительной системы следует считать кадровую частоту 300-500 Гц; для малоразмерных угловых стимулов критическая частота лежит в области низких частот. Различия в скорости слияния мерцаний могут быть объяснены временной чувствительностью нейронов магно-и парвоцеллюлярной зрительных подсистем.

Анализируются специфические процессы локальной эпидемической динамики COVID-19 с сопоставлением качественных различий колебаний в 2020 и в 2023 гг. Исследование методами нелинейной динамики развития эпидемических процессов в контексте быстро менявшейся обстановки потребовало классификации типичных трендов и уникальных ситуаций, сменявшихся иногда с необычайной быстротой. Отличительная особенность современной пандемии - достаточно резкая смена локальных трендов: эффекта затухания первичной вспышки заболеваемости и внезапное резкое начало новой эпидемической волны после длительного тренда уменьшения суточных заражений. Минимизация заражений не стала победой над распространением вируса, но создавал ложную иллюзию успеха. Имевшийся опыт построения прогнозов на основе моделей прошлых эпидемических процессов не смог помочь при столкновении с новым эволюционирующим вирусом. Полученное ранее представление о развитии и завершении эпидемических процессов для штаммов гриппа скорее помешали при прогнозировании сценария завершения распространения новой инфекции, что связанно и с событийным характером процесса и многообразием динамических ситуаций. Объявлявшаяся многими странами победа над COVID в фазе минимума после волны оказалась преждевременной. Новая Зеландия и Япония, выбравшие стратегию строгих мер изоляции в 2020 г., испытали в начале 2023 г. рост случаев заражений из-за прорывающих вакцинный иммунитет новых штаммов. Пандемии респираторных вирусов «испанки» и «свиного» гриппа, на аналогии с которыми многие строили прогнозы, затухали естественным образом после прохождения двух или трех волн. В начале 2023 г. на фоне глобального позитивного тренда в некоторых странах наблюдали рекордный рост показателей и смертности и суточной заболеваемости в связи с появлением локально циркулирующих «тревожных» штаммов. Современный этап c обособлением стабильных региональных штаммов обосновывает классификацию ряда дифференцированных свойств динамики региональных эпидемических ситуаций. Среди наблюдавшихся эпидемических эффектов отдельно выделены экстремальные явления в форме моментального бифуркационного разрушения установившихся режимов - резкого перехода от длительно затухающих осцилляций к новой экспоненциальной вспышке числа заражений. Выделенные варианты развития эпидемических переходных колебательных процессов по отдельности описываются уравнениями с запаздыванием для локальных эпидемических трендов. Предложены уравнения для описания трех вариантов развития наблюдавшихся этапов локальных эпидемий. Задача построения обобщающей прогностической модели пандемии для описания взаимосвязанных региональных процессов на данном этапе неразрешима.

Целью работы служила разработка и апробация комбинированного метода оценки структурнофункциональных особенностей ожоговой раны и околораневой зоны, включавшей СВЧ-диэлектрометрию и допплерометрию. Исследование выполнено на двадцати крысах линии Вистар, которым моделировали контактную термическую травму, и десяти здоровых животных. Оценку состояния раны выполняли через 24 и 72 ч после нанесения травмы. Изучение диэлектрических свойств тканей осуществляли с помощью программно-аппаратного комплекса для ближнепольного резонансного СВЧ-зондирования. Проведенные исследования позволяют заключить, что в ранний послеожоговый период (первые сутки) в тканях раны наблюдается резкое согласованное снижение интенсивности микроциркуляции и диэлектрической проницаемости, постепенно и частично восстанавливаемое к завершению трех суток после нанесения ожога. В околораневой зоне регистрируется компенсаторная активация кровотока, приводящая к увеличению степени гидратации тканей, что проявляется повышением обоих указанных показателей. Кроме того, показано, что при термической травме формируется регуляторный дисбаланс факторов, обеспечивающих капиллярный кровоток в зоне ожога и окружающих ее тканях, носящий компенсаторный характер и, в отсутствие адекватной коррекции, способствующий угнетению процессов регенерации. Таким образом, сочетанное применение рассматриваемых методов позволяет полноценно охарактеризовать структурно-функциональные особенности анализируемой ткани и их динамику. Это отчетливо проявляется на примере экспериментальной ожоговой раны.