Фактори, управляващи процесите на метално свързване и селективност в металопротеини и йонни канали: in silico изследвания



Дата20.08.2016
Размер73.06 Kb.
Рецензия

на дисертационния труд на проф. Тодор Дудев

“Фактори, управляващи процесите на метално свързване и селективност в металопротеини и йонни канали: in silico изследвания”
за получаване на научната степен доктор на науките
от проф. дн Венелин Енчев

Институт по органична химия - БАН



Биографични данни

Веднага след дипломирането си като магистър по химия през 1984 г. Тодор Дудев постъпва на работа в Химическия факултет на Софийския университет „Свети Климент Охридски”. Пет години по-късно под ръководството на проф. Борис Гълъбов защитава дисертацията си “Анализ на интензивностите в инфрачервените спектри – алгоритми и приложения” и му е присъдена научната степен кандидат на химическите науки (доктор). През 1997 г. е избран за доцент, а през 2013 г. за професор.

След хабилитирането си, доц. Дудев заминава на тригодишна специализация (1997-2000 г.) в Института по биомедицински науки към Academia Sinica в Тайпе, Тайван. В този институт той продължава да работи като старши научен сътрудник от 2000 г. до 2012 г. Тук започва ползотворното му сътрудничество с проф. Кармей Лим. Заедно с нея публикуват 35 статии във водещи международни списания, по-голямата част от които са в основата на дисертацията му за научната степен доктор на науките.
Актуалност на тематиката

При осъществяване на биохимични процеси като ензимна катализа, мускулна контракция, дишане и фотосинтеза специално място заемат металните катиони Mg2+, Ca2+, Zn2+, Na+ и K+. В дисертационния труд на проф. Дудев са обобщени резултатите от шестнадесет годишни теоретични изследвания върху някои страни от биохимията и биофизиката на тези катиони. Направените квантово-химични изчисления дават възможност за по-задълбочено разбиране на това как съответният протеин избира „правилния” метален кофактор за изпълнението на определен биохимичен процес, по какъв начин нативният метален кофактор е защитен от изместване от конкурентни биогенни метални катиони, присъстващи в разтвора и кои са физическите принципи, управляващи конкуренцията между различните метални катиони в биологичните системи. За актуалността на тематиката красноречиво говори факта, че 16 от статиите, включени в дисертацията са намерили място в Journal of the American Chemical Society, списание, публикуващо статии от общ интерс в областта на биоорганичната химия. За интереса към тези изследвания говори и факта, че за статията в Journal of the American Chemical Society от 2010 г. върху катионната селективност в натриеви канали е изработен видео абстракт по покана на редакционната колегия на същото списание, поместен на електронната му страница.


Преценка на публикациите по дисертационния труд

Резултатите, представени в дисертационния труд са публикувани в 31 статии. Всички, с изключение на една (в Computational Chemistry) са в международни научни списания с импакт фактор.

От тях 6 са обзорни статии, публикувани в реномирани издания с много висок импакт фактор: по две в Chemical Reviews (45.661) и Accounts of Chemical Research (24.348) и по една в Annual Review of Biophysics (12.25) и Journal of the Chinese Chemical Society (0.86). От останалите – 16 са в Journal of the American Chemical Society (11.444); 6 в Journal of Physical Chemistry B (3.377) и по една в Physical Chemistry Chemical Physics (3.83), Cellular and Molecular Life Sciences (5.856) и Computational Chemistry.

Ще отбележа, че обзорната статия, публикувана в Journal of the Chinese Chemical Society получава наградата за най-добра публикация за 2003 г. от Китайското химическо дружество.

29 от всичките 31 публикации са в съавторство с проф. Кармей Лим. Една от публикациите, в Computational Chemistry, е самостоятелна, a в 26 проф. Дудев е първи автор. В 23 от публикациите авторите са Дудев и Лим, като в 11 от тях и двамата са кореспондиращ автор, а в останалите само Лим.

Част от резултатите, включени в дисертацията са представени и като поканени доклади на научни форуми в 7 страни. Общо 20 доклада са изнесени в Чехия (5), България (4), Тайван (4), Франция (3), Китай (2), Испания (1) и Германия (1).

По статиите, включени в дисертацията има забелязани общо 1077 цитата в специализираната литература. Едната от обзорните статии, публикувана в Chemical Reviews през 2003 г., е цитирана 263 пъти.
Приноси на дисертационния труд

Дисертацията е написана на 131 страници. Резултатите са илюстрирани с 30 фигури и 10 таблици. Изложението е стегнато и ясно. Материалът е представен в 5 глави. В първата от тях се обсъждат свойствата на металните йони и лигандите, определящи структурата и свойствата на металните комплекси и на протеиновата матрица към процесите на метално свързване и селективност в биологичните системи. В следващите глави е разгледана конкуренцията между метални катиони с еднакъв заряд (Na+ и K+, и Mg2+ и Ca2+) и между едно- и двувалентни (Na+ и Ca2+, и Li+ и Mg2+) и дву- и тривалентни катиони (Mg2+/Ca2+ и La3+) в биологични системи. В началото на всяка от тези глави са описани изследваните биологични системи и са зададени въпроси, които трябва да получат отговор. Този отговор е предложен в края на съответната глава. Заедно с това са дадени и принципите, управляващи процесите на метално свързване и селективност в разглежданите системи.

Цитирани са 252 литературни източника, сред които почти всички статии на автора.

Ще отбележа основните, според мен, приноси в дисертационния труд.

Интересни са най-новите изследвания на проф. Дудев за определянето на факторите, контролиращи катионната селективност в йонни канали, за които е известно, че са специализирани протеини, транспортиращи йони през клетъчните мембрани. Установено е, че основен фактор за избора на K+ спрямо Na+ в калиеви канали е високата степен на координираност на катиона на калия в йонния канал (координационно число 8), докато натриевите канали проявяват избирателност към Na+ спрямо K+ в резултат на ниска степен на координираност на металния катион (координационно число 3).

Намерени са интересни зависимости за йонната селективност в съответните групи на периодичната система. Силата на взаимодействие на металните катиони с даден лиганд се понижава при увеличаване на поредния номер на метала в съответната група. Въпреки това обаче, калиевите йонни канали проявяват забележителен афинитет към K+ като принуждават по-малкия Na+ да възприеме неблагоприятни за него координационни числа, характерни за по-обемистия K+. По този начин отслабва силата на електростатичните взаимодействия на натриевия катион с пората на канала.

От определящо значение за избора на Na+ спрямо Ca2+ или Ca2+ спрямо Na+, съответно в натриеви или калциеви канали, имащи еднакъв филтър за селективност със структура глутамин-глутамин-глутамин-глутамин (Glu-Glu-Glu-Glu), е степента на хидратираност на транспортирания катион. Степента на хидратираност е свързана с размера на пората – ниска степен на хидратираност благоприятства преминаването на Ca2+, докато увеличаването на хидратната обвивка е в полза на Na+.

Установено е, че размерът на пората, който корелира със степента на хидратация на металния катион има ключова роля при йонната селективност в магнезиевите йонни канали – широки пори, които имат възможност да приемат хексахидриран метален катион са селективни спрямо магнезий.

Според изчисленията, филтър с тясна пора, където преминаващият метален катион е напълно дехидратиран проявява максимална селективност към Ca2+ спрямо Na+. Същият тип филтър, но с по-голям размер на пората, даващ възможност на металния катион да запази две или четири молекули вода от хидратната си обвивка, проявява селективност към Na+ спрямо Ca2+.

Нарастването на степента на окисление на металите от различните групи на периодичната система благоприятства техните взаимодействия с протеиновите лиганди. В някои случаи обаче, моновалентен катион, например Li+, може успешно да се конкурира с двувалентен метален кофактор, например Mg2+. В магнезиеви ензими, които имат висока положителна електронна плътност на активния център, нативният Mg2+ e податлив на атаки от страна на абиогенния Li+ и причина за това е по-ниската десолватационна енергия на едновалентния спрямо двувалентния катион.

Теоретичните резултати, представени в дисертацията показват, че магнезиевите активни центрове в металоензими не са особено селективни спрямо нативния Mg2+ кофактор. Изказана е хипотезата, че по време на еволюцията съответните протеини са избрали магнезия за свой кофактор поради неговото изобилие в околната среда и живата клетка. За разлика от цинковите протеини, които се отличават с висока специфичност по отношение на Zn2+ и са добре защитени от атаки от страна на конкурентния Mg2+, магнезиевите активни центрове в съответните протеини се оказват слабо защитени от атаки от страна на по-активните преходни метали, какъвто е Zn2+, и които, ако присъстват в съизмерими концентрации в разтвора, могат да изместят магнезия и да инхибират съответните ензими. В този случай не протеинът е този, който селективно се свързва с Mg2+ от клетъчния разтвор, а цялата клетка използва регулаторните си механизми за да поддържа оптималните за дадените йони цитозолни концентрации и по този начин да контролира процеса на конкуренция между тях – високите милимолни концентрации на Mg2+ в сравнение с ниските пикомолни концентрации на свободния Zn2+ повишават конкурентноспособността на Mg2+ спрямо тази на Zn2+ и така се осигурява нормалното функциониране на магнезиевите протеини.
Автореферат

Авторефератът на дисертацията правилно отразява нейното съдържание и приноси.


Забележки

Дисертацията като цяло прави отлично впечатление на читателя. Въпреки това имам две забележки, свързани с техническото оформяне на дисертационния труд. На фигури 5, 6, 7 и 30 има текст, който би било по-добре да е на български вместо на английски. На някои места в дисертацията са използвани термини на английски, които биха могли да бъдат преведени на български.

В дисертацията и автореферата са дадени само броя на цитатите на всяка статия. В представените документи не намерих представен списък на цитатите към всяка от работите.

Заключение

В заключение считам, че дисертационният труд обобщава значими научни резултати с водещ принос на автора. Той е ерудиран учен с интересни идеи в областта на теоретичната и биоорганичната химия.

Убеден съм във високото ниво на изследователската работа на проф. Дудев, който е оставил видима следа с научната продукция, представена в дисертацията – 1077 цитата на 31 публикации. Това ми дава пьлно основание да препоръчвам на почитаемото Жури да присъди на проф. д-р Тодор Дудев научната степен “доктор на науките”.

23.03.2015 г.



проф. Венелин Енчев


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница