автореферат и диссертация по педагогике 13.00.01 для написания научной статьи или работы на тему: Информационно-педагогический потенциал природной среды в формировании экологического сознания личности

Автореферат диссертации по теме "Информационно-педагогический потенциал природной среды в формировании экологического сознания личности"

на правах рукописи

ГАЛЗИТСКАЯ ОКСАНА ВАЛЕРИАНОВНА

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКОВ И

ПЕПТИДОВ

03.00.02-биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ПУШИНО - 2006 г.

Работа выполнена в Институте белка РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Туманян Владимир Гайевич

доктор физико-математических наук Полозов Роберт Валентинович

доктор биологических наук,

профессор Поройков Владимир Васильевич

Ведущая организация:

Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Защита состоится «ЛУ .¿¿О/Отплг, 2006 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 002.093.01 в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН по адресу: 142290, г. Пущино Московской обл., ул. Институтская, д. 3, Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН.

Автореферат разослан ф^АралЛ. 2006 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Ш

Н. Ф. Панина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Выяснение механизма самоорганизации белковых молекул - одна из важных, и по сей день все еще не решённых проблем биофизики. Помимо своей фундаментальной значимости, понимание механизма сворачивания белка имеет огромное значение для решения многих прикладных направлений, таких, как разработка лекарств и создание искусственных белков с заданными свойствами. Нарушение правильного сворачивания белков in vivo, а также часто сопутствующий этому процесс агрегации во многих случаях приводят к заболеваниям.

Ключевым этапом процесса сворачивания белка является формирование ядра сворачивания, которое представляет собой структурированную часть молекулы в переходном состоянии. Знание структуры ядер сворачивания позволяет выяснить, образование каких структурных элементов лимитирует скорость сворачивания белковой молекулы. Поэтому развитие нового направления — теории локализации ядер сворачивания является, несомненно, актуальным. Актуальность этого направления возрастает еще и потому, что единственный экспериментальный метод определения ядер сворачивания весьма трудоёмок.

Изучение кинетических аспектов самоорганизации белков, поиск факторов, определяющих скорость сворачивания белковых молекул, как с простой, так и сложной кинетикой, остается актуальной проблемой физики белка.

Умение предсказывать неупорядоченные участки белковой структуры важно как для понимания функции белка, так и путей его сворачивания. Такое понимание также необходимо при любом конструировании белка de novo с заданными биологическими функциями, чтобы прогнозировать, будет ли белок свернут или нативно-развернут.

Для повышения точности предсказания пространственной структуры белка, остро стоит проблема предсказания границ доменов по аминокислотной последовательности для больших белков.

Способность образования амилоидных фибрилл различными белками зависит от механизма сворачивания белковой цепи в нативную структуру. Смещение в сторону образования фибрилл при сворачивании белка ведет к необратимым последствиям для организма. Выявление факторов, которые могут приводить к структурным перестройкам молекулы белка или - к неправильному сворачиванию белков, является одной из важных фундаментальных задач в настоящее время. Поиск участков, ответственных за такие изменения особенно важен в связи с тем, что многие глобулярные белки могут образовывать амилоидные фибриллы, наличие которых может вызывать ряд тяжелых болезней в организме человека.

Целью настоящей работы является дальнейшее развитие теории сворачивания белковых молекул и пептидов и на ее основе разработка методов предсказания ядер и скоростей сворачивания белков, а также предсказания строения белков по аминокислотной последовательности и методов конструирования новых белковых молекул. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследования: 1) разработка методов анализа совокупности путей сворачивания-разворачивания однодоменного глобулярного белка с известной трехмерной структурой для локализации ядер сворачивания и расчета скоростей сворачивания; 2) разработка новых методов для предсказания границ доменов по аминокислотной последовательности; 3) выявление различий между структурами белка, определяемыми с помощью рентгеноструктурпого анализа и ядерного магнитного резонанса; 4) разработка новых методов для предсказания развернутых участков белковой цепи и поиска амилоидогенных участков, ответственных за образование амилоидных фибрилл.

Научная новизна диссертационной работы. Развито новое научное направление - теория локализации ядер сворачивания в пространственной структуре белков. Разработаны два метода поиска ядер сворачивания в пространственных структурах белков: первый основан на методе динамического программирования, который базируется на поиске самых низких «перевалов», отделяющих развернутое состояние цепи от нативпой

2

структуры на свободно-энергетическом ландшафте белковой цепи (именно им были сделаны первые в мире успешные предсказания ядер сворачивания), второй - на моделировании разворачивания структуры белка методом Монте-Карло.

Впервые был проведен систематический сравнительный анализ 60 белковых структур, расшифрованных методом рентгеноструктурного анализа (РСА) со структурами тех же белков, расшифрованных методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), и выявлены их важные «мелкомасштабные» различия.

Впервые было показано, что скорости самоорганизации белков, имеющих интермедиаты сворачивания при физиологических условиях, определяются в основном длинами их цепей, в то время, как скорости сворачивания белков, сворачивающихся в одну стадию при всех внешних условиях, мало зависят от этого параметра, и определяются в основном величиной другого параметра «порядка контактов» их нативной структуры.

Впервые было показано, что отношение средней конформационной энтропии к среднему числу контактов на остаток коррелирует со скоростью сворачивания белков: это соотношение самое высокое для быстро сворачивающихся а-белков, и самое низкое для медленно сворачивающихся а/р-белков.

Впервые было показано, что граница между доменами белков обусловлена преобладанием аминокислотных остатков с малой энтропией боковых групп, которая, в свою очередь, коррелирует с малым числом степеней свободы у аминокислотных остатков. Был предложен новый метод для предсказания границы доменов на основе статистики встречаемости аминокислотных остатков на границе доменов.

Основываясь на статистических данных, введен новый параметр -

ожидаемое среднее число окружающих остатков, ожидаемая средняя плотность

окружения аминокислотного остатка. Впервые показано, что участки белковой

цепи, обогащенные аминокислотными остатками, имеющими высокую

ожидаемую плотность окружения, часто ответственны за образование

3

амилоидных фибрилл, в то время как, участки, обогащенные аминокислотными остатками с низкой ожидаемой плотностью окружения, обычно являются нативно-развернутыми.

Практическая значимость диссертационной работы. Установленные закономерности процесса самоорганизации белков вносят заметный вклад в понимание процесса сворачивания белков и пептидов. Полученные данные и разработанные. новые методы позволят улучшить предсказание трехмерной структуры белка по его аминокислотной последовательности, и могут быть использованы при конструировании de novo белков с заданными свойствами. На основе развитой в диссертации теории построены новые методы, и программы для расчета ядер и скоростей сворачивания, для предсказания границ доменов, для поиска развернутых и амилоидогенных участков белковой цепи.. Некоторые результаты диссертации включены в курсы молекулярной биофизики, читаемые в МФТИ, МГУ и других университетах. Полученные методы могут найти применение в таких областях науки как белковая инженерия, биоинформатика и биотехнология.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях: International Symposium "Protein Structure, Stability and Folding. Fundamental and Medical Aspects" (Moscow, Russia, 1998), 5th workshop "Principles of protein architecture" (Tokyo, Japan, 1998), The 5th international symposium, "Strategies for complex systems" (Kanagawa, Japan, 1999), "Folding of soluble and membrane proteins" (Gembloux, Belgium, 1999), Pacific Symposium on Biocomputing (Hawaii, USA, 2000), Annual Meeting of International Research Scholars of the Howard Hughes Medical Institute (Washington DC, USA, 2000; Vancouver, Canada, 2001; Palm Cove, Australia, 2002; Tallinn, Estonia, 2004; Merida, Mexico, 2005), International school of physics "Enrico Fermi" Course CXLV "Protein folding, evolution and design" (Varenna, Italy, 2000), Fourth European Symposium of The Protein Siciety (Paris, France, 2001), «Protein Structure, Dynamics, Genomics and Function» (Erice, Italy, 2001), «Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction» (Pacific Grove, USA, 2002; Gaeta, Italy, 2004), Les Houches summer school «Slow relaxations and

4

nonequilibrium dynamics in condensed matter» (Les Houches, France, 2002), New Frontiers for Computational Methods (Verona, Italy, 2002), "EMBO lecture course on Protein Folding and Misfolding" (Rome, Italy, 2003), "EMBO practical course: Structure determination of biological macromolecules by solution NMR" (EMBL, Germany, 2003), 2nd international symposium CMTPI "Computational Methods in Toxicology and Pharmacology Integrating Internet Resources" (Thessaloniki, Greece,

2003), CSB summer school «Understanding protein stability» (Stockholm, Sweden,

2004), the Workshop on the Structure and Function of Biomolecules (Bedlewo, Poland, 2004), 12th International Conference on Intelligent Systems for Molecular Biology & 3rd European Conference on Computational Biology ISMB/ECCB 2004 (Glasgow, Great Britain, 2004), ESF Training Course on Molecular Interactions:, "Exploring Protein Structure" conference (Haifa, Israel, 2005), International Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'05 (Moscow, Russia,

2005), 13th Interantional conference on intelligent systems for molecular biology (Detroit, USA, 2005), Bioinformatics and disease Special interest group meetings (SIGs) (Detroit, USA, 2005), на российских конференциях: школа-конференция «Горизонты физико-химической биологии» (Пущино, Московская область,

2000), III Съезд биофизиков России (Воронеж, 2004), ежегодные научные конференции Института белка РАН (Пущино, 1997-2005), Московский семинар по биоинформатике (2004), отчетные конференции по программе РАН «Молекулярная и клеточная биология» (Москва, 2004, 2005), а также на семинарах Цюриховского университета (Цюрих, Швейцария, 1998), Брюссельского университета (Брюссель, Бельгия, 1999), Биомолекулярно инженерно исследовательского института (Япония, Осака, 1999), Европейской молекулярно-биологической лаборатории EMBL (Гейдельберг, Германия,

2001), Института биохимии и биофизики Польской Академии наук (Варшава, Польша, 2001), Университета Ла-Сапиенза, (Рим, Италия, 2002), Гарвардского университета (Бостон, Америка, 2005) и Университета Род-Айленд (Кингстон, Америка, 2005). Работа прошла апробацию на научных семинарах Института белка РАН (Пущино) и в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 30 статей в рецензируемых отечественных и международных научных журналах.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, заключения, выводов и списка 442 цитируемых литературных источников. Материалы диссертации иллюстрируют 50 рисунков и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются направление и цели исследования.

ГЛАВА 1 посвящена анализу литературных данных.

. ГЛАВА 2. Развитие метода для предсказания ядер сворачивания в

глобулярных белках.

В настоящее время существует единственный экспериментальный подход к поиску ядер сворачивания — Ф-анализ предложенный Фсрштом (Matouschek et al., 1990, Nature, 346, 440) и производные от него методы, суть которых сводится к введению в изучаемый белок множества точечных мутаций и выявлению тех аминокислотных остатков, замена которых меняет стабильность переходного состояния белка столь же сильно, как и стабильность нативного состояния. Экспериментально это проявляется в сильном изменении скорости сворачивания мутантного белка по сравнению с белком дикого типа, при малом изменении скорости разворачивания (рис.1).

Величина Ф для аминокислотного остатка г определяется как

_А^ГСС^сюрчумюиц» )]__ Ar[F/Krxxodi>oe ~ Fpextepiiymoe] (1)

/ Ьражречтшш')] A,[F™mm«<x - FpaM^ymac]

где и — константы скорости сворачивания и

разворачивания, Дг^^нативное развернутое^ — изменение в разности свободных энергий между нативным и развернутым состояниями, индуцированное мутацией в аминокислотном остатке г, а Аг[Рп<?раоаиое — Ррамфнутж] — индуцированное этой же мутацией изменение в разности свободных энергий между переходным и развернутым состояниями. Получаемые величины Ф для

6

каждого аминокислотного остатка отражают вовлечённость этого остатка в ядро сворачивания.

Поскольку единственный экспериментальный метод определения ядер сворачивания очень трудоёмок, возникла потребность в умении теоретически локализовывать ядра сворачивания. Для этого требуется развитие теории и методов для расчета ядер сворачивания.

Задача ставится так: дана трехмерная структура однодомениого глобулярного белка или белкового домена; найти положение в ней ядра ее сворачивания.

В данной главе мы рассматриваем поведение белка в точке термодинамического равновесия, то есть в условиях, когда свободные энергии нативного и полностью развернутого состояний одинаковы. Так как небольшие однодоменные глобулярные белки вблизи точки термодинамического равновесия плавятся обратимо и кооперативно, по механизму "всё-или-ничего", то в этой точке нет метастабильных интермедиатов сворачивания/разворачивания, которые затруднили бы анализ процесса. Пути сворачивания и разворачивания в этой точке совпадают согласно принципу детального равновесия, поэтому процессы сворачивания и разворачивания можно представить как обратимый процесс перехода через барьер свободной энергии. При этом максимально нестабильное состояние белковой цепи на пути ее сворачивания является переходным состоянием. Ядро сворачивания представляет собой структурированную часть молекулы в переходном состоянии. Скорость возникновения ядра сворачивания определяет скорость всего процесса сворачивания белковой молекулы. Таким образом, правильное нахождение ядер сворачивания позволяет определить, образование каких структурных элементов лимитирует скорость сворачивания белковой молекулы.

|п(^«а6л)

ф*>0

ф«1

-э-

концентрация денатуранта

->.

концентрация денатуранта

Рис. 1. Зависимости наблюдаемой скорости к„„вд, процессов сворачивания/ разворачивания от концентрации денатуранта (или от температуры), (а) Мутация остатка, входящего в ядро сворачивания, изменяет только скорость сворачивания мутантного белка по отношению к его «дикому типу» (б) Мутация остатка, не входящего в ядро сворачивания, наоборот,

изменяет только скорость разворачивания.

Разработанный подход для поиска ядер сворачивания основан на моделировании разворачивания белка с известной пространственной структурой. Мы рассматриваем сеть путей разворачивания, в которой каждый путь представляет собой упрощенное последовательное разворачивание белка (рис. 2). Чтобы сделать практически возможным поиск переходного состояния на сети с огромным набором путей сворачивания/разворачивания, мы должны как-то ограничить эту сеть. Поэтому мы рассматриваем только интермедиаты, содержащие, наряду с неупорядоченными № и С-концевыми хвостами, не более чем две замкнутые неупорядоченные петли (рис. 2). Каждый шаг на пути разворачивания состоит в исключении одного «звена» белковой цепи из иативной пространственной структуры белка («звено» может состоять как из одного аминокислотного остатка, так и из нескольких, подряд идущих в цепи). В данной модели считается, что исключенные звенья образуют неупорядоченный клубок, т.е. они теряют все невалентные взаимодействия, но приобретают энтропию клубка, кроме той относительно небольшой ее доли, что затрачивается на замыкание образующихся неупорядоченных петель, выступающих из оставшейся глобулы (см. частично развернутые структуры на рис. 2). Следующим упрощением является предположение о том, что все

оставшиеся в глобуле звенья сохраняют свое исходное расположение, а

развернутые участки не сворачиваются в другую, ненативную структуру.

Рис. 2. Схема сети путей сворачивания/разворачивания белка. На схеме изображены нативная структура 1о, полностью развернутое

состояние 4 и несколько частично развернутых

структур /,. Развернутые участки цепи показаны штриховой линией; свернутые нативоподобные участки изображены сплошной линией в облаке точек,

изображающем глобулу. Штриховые линии разделяют микросостояния с разным числом V развернутых звеньев цепи.

Еще одно упрощение состоит в том, что мы сосредотачиваем наше внимание на переходных состояниях, т.е. на стабильности частично развернутых состояний, а не на подробном описании движений цепи.

Свободная энергия каждой из структур вычисляется следующим образом. Рассмотрим последовательное разворачивание нативной структуры цепи, состоящей из Ь звеньев. У этой цепи есть нативная структура Ц, полностью развернутое состояние //, и множество промежуточных, частично развернутых структур Д., включающих V неупорядоченных звеньев и нативоподобную глобулярную часть из Ь—у звеньев (у = О для 10, V = Ь для /¿, V = 1, ..., Ь— 1 для частично развернутых структур). Структуры с ненативоподобными глобулярными частями, согласно сказанному выше, не рассматриваются.

Свободная энергия структуры I представляется в виде

Р{1) = п, 2Хт„„], (2)

летдые/

где гц - число атом-атомных контактов в нативоподобной части структуры I (контакты между ближайшими соседними по цепи аминокислотными остатками не учитываются, так как соседние остатки контактируют и в развернутом состоянии); г — энергия одного атом-атомного контакта (все

9

контакты полагаются равными по энергии, а взаимодействие с растворителем — неявным образом учитывается в величине е); Г - температура; v¡ — число аминокислотных остатков в развернутой части структуры Г, а - разница энтропии между развернутым и свернутым состояниями аминокислотного остатка (для любого остатка мы принимаем а = 2.3 R, согласно экспериментальной оценке (Privalov, 1979, Adv. Protein Chem., 33, 167), где R -газовая постоянная); SMima - энтропия Флори (Flory, 1969, Statistical Mechanics of Chain Molecules, Interscience, New York), затраченная на замыкание неупорядоченной петли, выходящей из нативоподобной части структуры I (сумма берется по всем замкнутым неупорядоченным петлям, существующим в структуре Г).

= --Х Д * In IА -71 -—— (3)

2 1 1 2xAxax\k-l¡ v

где га - расстояние между Са-атомами остатков knl,R- газовая постоянная,

а — 3.8 Â - расстояние между соседними по цепи Са-атомами, и А -

персистентная длина полипептида (согласно Флори, мы берем А - 20 Â). Мы

остановились на следующих параметрах для наших расчетов: контактное

расстояние между не водородными атомами - 6 Â; между атомами водорода - 4

Â; между атомом водорода и не водородным атомом — 5 À.

Как уже было отмечено, все расчеты свободных энергий в данной работе относятся к точке термодинамического равновесия между нативной структурой /о и клубком h. В этой точке F(I¿) = Fiji), т.е. энергия одного атом-атомного контакта s и температура Т подчиняются соотношению

s _ N

RT-'V^' <4>

где щ — число контактов в структуре нативного белка, а N — число

аминокислотных остатков в белке. Следовательно, мы можем вычислить все

FV) „ „ .

величины ——-, пользуясь нативнои структурой белка и единственным кт

экспериментально определенным параметром - разницей энтропии между развернутым и свернутым состояниями аминокислотного остатка (о).

Возможные пути сворачивания/разворачивания очень многочисленны и образуют огромную сеть (рис. 2): для каждого числа V неупорядоченных звеньев (0 < V < Ь) существует множество различных структур /„, и каждая последовательность структур (10, /;, ..., /¿) образует путь разворачивания, если все переходы (/о—>/у, //—..., »/¿) соответствуют элементарным шагам, состоящим в удалении одного звена из нативной пространственной структуры.

Поиск переходных состояний и ядер сворачивания на сети путей сворачивания/разворачивания (рис. 2) в данной работе осуществлялся двумя способами. В первом случае анализировалась полная, хотя и представленная в довольно грубом разрешении (см. ниже), сеть путей с помощью метода динамического программирования. Во втором случае анализировалась ограниченная выборка детально рассматриваемых путей сворачивания отдельной молекулы белка с помощью метода Монте-Карло. У каждого из этих способов есть преимущества и недостатки. Метод динамического программирования позволяет исследовать всю сеть путей сворачивания/разворачивания, однако, чтобы завершить расчет за разумное время, приходится вводить некоторые ограничения: разбивать аминокислотную последовательность на звенья из нескольких аминокислотных остатков и ограничивать число петель в частично развернутых состояниях. Метод Монте-Карло не требует этих ограничений, но моделирует лишь отдельные пути (в данной работе для каждого белка проводилось 50 запусков по 108 Мопте-Карловских шагов).

Наиболее эффективный кинетический путь имеет минимальную (среди всех путей) свободную энергию переходного состояния,

{/V*}: этот путь проходит от 10 (нативного состояния) до (клубка) через самый низкий барьер, т.е. через самую низкую седловую точку ландшафта свободной энергии. Переходное состояние наиболее эффективного пути сворачивания (и, значит, глобулярную часть этого переходного состояния — «ядро сворачивания») можно определить, отыскав эту седловую точку.

Каждый шаг от нативной структуры /0 ведет к некоторой структуре It, где одно звено «развернуто», то есть потеряло свою нативную структуру; шаг от любой структуры Ii-j, где только одно звено сохранило свою нативную структуру, ведет к полностью развернутому состоянию /¿; однако, когда v = 2, ..., L—1, шаг от I^i ведет лишь к некоторым из структур Iv Положим, что обозначение е {/^ означает, что может быть переведено в Iv одним элементарным шагом (т.е. удалением одного звена из нативной глобулярной части I^i); на любом пути все интермедиа™ должны подчиняться этому условию. Тогда свободная энергия седловой точки может быть представлена как

F*min =min{max{F(/0), F{I,).....ВД}}.

h.....h-i

(5)

Несмотря на астрономическое число возможных путей, F*min можно вычислить с помощью рекурсивного алгоритма, подобного алгоритму динамического программирования, который имеет следующий вид.

Пусть р(Г) будет высотой самого низкого энергетического барьера на пути, который ведет от 1ц к I включительно; в частности, F*min = p{Ii). Значения р(Г) вычисляются рекурсивно:

p(l)') = max{F(i0), F(I/)} для всех состояний//, p(I2) = min { mz.x{p{I,),F(I2)} } для всех состояний 12\ l^{I,->h}

(6)

p(h->) ~ min { m&x{p(IL-2), F(It,-i)} } для всех состояний I^r,

h-2<s {h-2-^h-i} F*m,n = p{h) = min { max{p(h_,), F(1L)} } . h-i

Такой алгоритм находит высоту самого низкого перевала через барьер

свободной энергии, разделяющий нативную укладку белка и клубок. Все

значения р(Г) сохраняются, чтобы использовать их позже для нахождения

12

структуры, соответствующей этому перевалу (или перевалам - так как нет никакой гарантии, что только один перевал имеет минимальную свободную энергию). Для нахождения этого перевала (или перевалов) мы выполняем подобную рекурсию в обратном направлении. Цель этой обратной рекурсии — для каждого / найти д(Г), высоту самого низкого барьера свободной энергии путей, следующих от I (исключительно) до /¿, а затем вычислить

1^(1) = т ах{рЮ. *(/)}, (7)

высоту самого низкого барьера свободной энергии на путях, ведущих от 1о к Ь через каждый интермедиат I. Значения q(J) тоже вычисляются рекурсивно.

Интермедиаты I с ^(Т)-!7*^ дают весь набор переходных состояний {^*тт} с минимальной свободной энергией.

Нет никакой гарантии, что белок сворачивается и разворачивается только через промежуточное состояние с минимальной свободной энергией. Он может использовать и другие, не оптимальные, но, возможно, весьма многочисленные перевалы через барьер свободной энергии, и нам нужно оценить их разнообразие.

Структура I соответствует одному из перевалов через барьер, если ее собственная свободная энергия Г(Г) совпадает с р'(7), с высотой самого низкого барьера свободной энергии на путях, ведущих от 10 к Д через эту I. Поэтому мы отбираем структуры с Р(1)=Р*(1) и, таким образом, получаем полный набор {/} всех возможных перевалов через барьер свободной энергии, отделяющий /» от /¿. Этот набор дает максимальную оценку разнообразия переходных состояний. В то же время набор (который включает только промежуточные

состояния с минимальной свободной энергией Г*^) дает минимальную оценку их разнообразия. Чтобы обрисовать ядро, мы исследуем оба этих набора.

Чтобы исследовать набор ={/} (или {/"„;„}), мы вычисляем больцмановы веса для всех переходных состояний в наборе:

(8) 13

ехр (-Г'(Г)ДТ-)

Здесь сумма охватывает все состояния, формирующие набор {/*} (или {-/"mm})- Чем выше величина P(f), тем быстрее путь через перевал /, и поэтому тем чаще цепи используют этот перевал f для своего сворачивания и разворачивания.

■ Чтобы понять, насколько хорошо разработанная нами модель описывает процесс сворачивания/разворачивания белка, и оценить ее возможности для предсказания ядер сворачивания, результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными: величинами Ф, показывающими вовлеченность аминокислотных остатков в ядро сворачивания, а также со скоростями сворачивания.

Считается, что величины Ф, полученные из эксперимента, показывают, насколько "нативно" окружение данного аминокислотного остатка в переходном состоянии. Обычно экспериментальные величины Ф интерпретируются в терминах нативных взаимодействий: Ф = 1 означает, что данный остаток уже в переходном состоянии образует все свои нативные взаимодействия (иными словами, этот остаток входит в ядро сворачивания); Ф = 0 означает, что этот остаток в переходном состоянии не имеет нативных взаимодействий вовсе (то есть, не входит в ядро сворачивания); дробные величины Ф (остаток в переходном состоянии образует лишь часть нативных взаимодействий) интерпретируются неоднозначно: либо этот остаток находится на краю ядра сворачивания, либо существует несколько альтернативных ядер сворачивания, и исследуемый остаток входит лишь в некоторые из них.

Величины Ф можно вычислить также теоретически. Согласно уравнениям (1) и (2), величина Ar[Fuamumae — Рразвирнутое] равна схАг(п0), где е — энергия одного контакта, а Д,("о) - изменение в числе контактов в нативном состоянии /о, вызванное мутацией остатка г (так как все нативные контакты предполагаются равными, а полностью развернутое состояние Д считается не имеющим контактов).

Аналогично, Ar[Fnepexoànoe — Fpaaeepuymoe] = SX < А,.(«;) >пс , ГДе <АГ(П/)>ПС ~ вызванное мутацией остатка г изменение в числе нативных контактов в

переходном состоянии, усредненное по ансамблю переходных состояний. Это изменение вычисляется следующим образом:

<Ar(n,)>nc=J]P(I*)Ar(nlt)t (9)

/еЯС

где P(f) - больцмановская вероятность состояния f в ансамбле переходных состояний (см. 7), а АХп№) - вызванное мутацией остатка г изменение числа нативных контактов в состоянии /.

Возникающие вследствие мутации величины ДX"/) можно вычислить для каждого члена ансамбля переходных состояний мутантного белка. В этих расчетах используются координаты атомов немутированного белка. При этом предполагается, что мутация не изменяет структуру нативного состояния. Поэтому теория может рассматривать лишь те мутации, которые не добавляют новых, «расталкивающих» белок атомов. Именно такие мутации — и по тем же причинам - применяют обычно , при экспериментальном исследовании ядер сворачивания (Matouschek et al., 1990, Nature, 346,440).

Вычисленные величины

<Аг(п,)>

пс

-к^Г (10)

можно сравнить с экспериментальными величинами Ф и оценить корреляцию

теории с экспериментом.

На рисунке 3 представлены экспериментальные и теоретические

величины Ф для аминокислот двух исследованных белков (в диссертации эти

данные представлены для всех исследованных белков): для В1 домена белка в

(рис.За) и для В1 домена белка Ь (рис. 36). Два представленных белка очень

похожи по пространственной структуре; несмотря на это, экспериментально

найденное ядро сворачивания в одном из них сдвинуто к С- (рис.За), а в другом

- к Оконцу цепи (рис. 36). Теория улавливает этот эффект, хотя для одного

белка коэффициент корреляции теории с экспериментом довольно высок (0.76;

рис. За), а для другого - существенно ниже (коэффициент корреляции

составляет всего лишь 0.3; рис. 36). Следует отметить, что пространственная

структура первого белка решена методом рентгеноструктурного анализа (далее

15

- РСА структура), а пространственная структура второго - методом ядерного магнитного резонанса (далее - ЯМР структура).

Номер аминокислотного остатка Номер аминокислотного остатка

Рис. 3. Теоретические (светлые кружки) и экспериментальные (черные кружки) величины Ф для аминокислотных остатков В1 домена белка G (а) и для В1 домена белка L (б).

Коэффициент корреляции теоретических и экспериментальных величин Ф, усредненный по всем исследованным 17 белкам, приведен в таблице 1. Он невысок (0.38), когда при расчете величин Ф во внимание принимаются только переходные состояния с минимальной свободной энергией. В ходе работы мы попытались оптимизировать методику расчета, чтобы улучшить качество предсказаний. Во-первых, мы проверили, как зависит качество предсказаний от того, принимаются ли во внимание лишь ядра сворачивания с минимальной свободной энергией, или рассматривается весь ансамбль ядер сворачивания. В последнем случае результат несколько улучшается. Во-вторых, мы добавили в расчет атомы водорода: прежние расчеты были сделаны лишь по не водородным атомам. Результат практически не улучшился. В-третьих, мы определили оптимальный (для поиска ядер сворачивания) размер звена. Он практически совпал со средним размером персистентного участка в полипептидах - 5 аминокислотных остатков (Flory, 1969, Statistical Mechanics of Chain Molecules, Interscience, New York). Результат еще немного улучшился: коэффициент корреляции достиг 0.54.

Разделив белки по методу определения их пространственной структуры, мы обнаружили, что корреляция теории с экспериментом намного лучше для

структур, полученных методом РСА, чем для структур, решенных методом ЯМР (см. табл. 1).

Таблица 1. Усредненные коэффициенты корреляции экспериментальных и теоретических величин Ф при исследовании сети путей сворачивания/разворачивания методом динамического программирования: для всех 17 исследованных белков; для 11 белков, структуры которых решены методом РСА; для б белков, структуры которых решены методом ЯМР.

Метод динамического программирования Все белки РСА ЯМР

Ядра сворачивания с минимальной свободной энергией г ■ 0.38±0.07 0.45±0.10 0.28±0.09

Полный ансамбль ядер сворачивания 0.45±0.08 0.57±0.05 0.22±0.13

Структура без атомов водорода 0.45±0.08 0.57±0.05 0.22±0.13

Структура с атомами водорода 0.46±0.08 0.64±0.05 0.15±0.17

Минимальный размер звена 0.46±0.08 0.64±0.05 0.15±0.17

Размер звена - 5 аминокислотных остатков 0.54±0.07 0.65±0.05 0.34±0.13

Полученные результаты показывают, что наш подход удовлетворительно учитывает основные характеристики белкового сворачивания, несмотря на то, что пренебрегает многими деталями взаимодействий и движений в белковой цепи.

Рис. 4. Предсказанные величины Ф для апомиоглобина (анализ сети путей сворачивания/разворачивания проводился методом динамического программирования). Для всех аминокислотных остатков

моделировалась мутация на остаток глицина. Если остаток является глицином в белке дикого типа, то в качестве величины Ф для него представлена вероятность Р(/) того, что этот остаток является структурированным в ансамбле переходных состояний. Прямоугольники над профилем показывают расположение а-спиралей в нативной структуре, а буквы в них - стандартные обозначения этих спиралей.

Нами было сделано предсказание ядер сворачивания в нескольких белках, кинетика самоорганизации которых изучается в настоящее время, но локализация ядер сворачивания в которых пока неизвестна. На рисунке 4

17

Номер аминокислотного остатка

представлены теоретически вычисленные величины Ф для апомиоглобина кашалота, ядро сворачивания которого экспериментально исследуется в нашей лаборатории в настоящее время. Наибольшие величины Ф предсказываются для аминокислотных остатков в В, С, Б и Е спиралях апомиоглобина.

нативное

Рис. 5. Фрагмент кинетики сворачивания отдельной молекулы белка (В1 домена белка в), промоделированной методом Монте-Карло. Тонкая кривая - изменение свободной энергии в процессе сворачивании белка; толстая кривая - число структурированных остатков (В1 домен белка в состоит из 56 аминокислотных остатков). Стрелками указаны переходное состояние на пути сворачивания и нативное состояние.

На рисунке 5 показан фрагмент кинетики сворачивания молекулы белка (в данном случае В1 домена белка в), промоделированной с помощью метода Монте-Карло. Рисунок иллюстрирует переход через барьер свободной энергии (переходное состояние отмечено стрелкой) и достижение нативного состояния. По оси абсцисс отложено число Монте-Карловских шагов. Каждый шаг моделируется следующим образом. Случайным образом выбирается один из аминокислотных остатков. При этом если остаток был нативным, он может «развернуться», если развернутым — «свернуться». Вычисляется изменение свободной энергии в случае такого элементарного шага. Если свободная

энергия падает, то такой элементарный шаг всегда принимается; если же свободная энергия растет, то такой элементарный шаг принимается с вероятностью exp(-AF/RT) (стандартный критерий Метрополиса (Metropolis et al.t 1953, J. Chem. Phys., 96, 768)). Для каждого белка проводилось 50 запусков по 108 шагов, соответственно было найдено 50 ядер сворачивания и для каждого были вычислены величины Ф, которые затем усреднялись по 50 запускам и сравнивались с экспериментальными величинами Ф. Следует отметить, что из 17 белков только 10 свернулись методом Монте-Карло за 108 шагов.

В таблице 2 приведены коэффициенты корреляции экспериментальных величин Ф с теоретическими, вычисленными с помощью метода Монте-Карло и метода динамического программирования. Корреляция теории с экспериментом выше в случае метода динамического программирования. Однако для обоих методов предсказания, основанные на структурах, полученных методом РСА, являются более успешными по сравнению с предсказаниями, основанными иа ЯМР структурах.

Таблица 2. Коэффициенты корреляции экспериментальных и теоретических величин Ф при исследовании путей сворачивания/разворачивания методом динамического программирования и методом Монте-Карло (10 белков, которые свернулись за 108 шагов).

Все белки РСА ЯМР

Метод динамического программирования 0.52±0.10 0.68±0.06 0.28±0.18

Метод Монте-Карло 0.31±0.11 0.52±0.07 0.00±0.13

Из двух приведенных выше таблиц видно, что ядра сворачивания предсказываются лучше для белков, структуры которых получены методом РСА, чем для тех белков, структуры которых решены методом ЯМР. Мы проверили этот результат на тех белках из нашей базы данных, для которых есть структуры, решенные обоими методами (таких белков 7). Результаты приведены в таблице 3. В этом случае мы снова видим, что теоретические величины Ф, полученные с помощью рентгеновских структур, коррелируют с экспериментальными Ф лучше (здесь коэффициент корреляции составляет

0.73), чем при использовании ЯМР структур (где коэффициент корреляции равен 0.43, если использовать первую приведенную в РОВ файле ЯМР модель, и 0.49, если вычислить Ф, исходя из каждой ЯМР модели, а затем усреднить величины Ф по всему ансамблю ЯМР моделей).

Таблица 3. Коэффициенты корреляции экспериментальных и теоретических величин Ф для 7 белков, структуры которых решены обоими методами (как РСА, так и ЯМР). Так как авторы ЯМР структуры обычно указывают не одну, а несколько ЯМР моделей, расчеты делались либо по первой модели, либо по всем моделям (а затем величины Ф усреднялись по всем моделям).

РСА ЯМР

Первая ЯМР модель Все ЯМР модели

0.73±0.05 0.43±0.14 0.49±0.13

ГЛАВА 3. Различия между структурами белка, определяемыми с помощью рентгеноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса.

Все расчетные методы оценки стабильности белковых структур чувствительны к методу определения структуры белка. Поэтому необходимо понимать, чем отличаются кристаллографические белковые структуры от тех, что расшифрованы методом ЯМР.

Чтобы сравнить РСА и ЯМР структуры одних и тех же белков (и, таким образом, избежать всех проблем, которые возникают при сравнении РСА и ЯМР структур различных белков), па основе базы данных РОВ была создана база данных пространственных структур белков, полученных обоими методами. Таких белков оказалось 60 (база данных находится по адресу: http://megrez.protres.ru/~mlobanov/prot-base/base-pair.zip).

Для каждого аминокислотного остатка в РСА и в ЯМР структурах было вычислено число контактов на заданном контактном расстоянии. На рисунке 6а приведена разница в среднем числе контактов на остаток (ЯМР минус РСА) в зависимости от контактного расстояния. Видно, что на некоторых контактных расстояниях между ЯМР и РСА структурами существуют достоверные различия в числе контактов на остаток. Особенно велики эти различия для

скрытых от воды аминокислотных остатков белковой глобулы, хотя сходные различия наблюдаются и для поверхностных остатков.

2 3 4 5 6 7 с 8 Энергия водорсдаюй связи, ккал/мопь

Контактное расстояние, А

Рис. 6. (а) Разница в числе контактов на остаток (между ЯМР и РСА структурами) в зависимости от контактного расстояния: для всех аминокислотных остатков (сплошная линия), для внутренних (доступная растворителю поверхность равна О А2) аминокислотных остатков (штриховая линия) и для поверхностных (доступная растворителю поверхность составляет более 60 А2) аминокислотных остатков (штрихпунктириая линия), (б) Распределения водородных связей основной цепи в РСА (светлые квадраты) и в ЯМР (черные кружки) структурах. Доступная поверхность аминокислотных остатков, а также водородные связи и их энергия найдены с помощью стандартной программы DSSP (Kabsch & Sander, 1983, Biopolymers, 22,257).

Отдельно были проанализированы водородные связи в РСА и ЯМР структурах. Распределения водородных связей по энергиям в РСА и ЯМР структурах показаны на рисунке 66. Видно, что РСА структуры (светлые квадраты) имеют больше более «сильных» водородных связей (с энергиями -2 --2.5 ккал/моль, согласно оценке, полученной из пространственной структуры с помощью стандартной программы DSSP), а в ЯМР структурах (темные кружки) больше более «слабых» водородных связей (-0.8 - -1.3 ккал/моль). Была оценена также доля водородных связей, которые в РСА и ЯМР структурах совпадают (то есть, один и тот же донор образует водородную связь с одним и тем же акцептором и в РСА, и в ЯМР структуре). Доля совпадающих водородных связей варьирует от 0.3 до 0.7 в зависимости от порогового значения энергии водородной связи.

В настоящее время разработан специальный комплекс программ для оптимизации данных ЯМР и получения более качественных ЯМР-структур (Nabuurs et al., 2004, Proteins, 55, 483).

Это позволило нам сравнить улучшенные ЯМР-структуры (http://www.ebi.ac.uk/msd-srv/docs/NMR/recoord/main.htm]) со старыми, оригинальными структурами, из этого же набора белков, рассматривая плотность контактов и водородные связи. На рисунке 7 показана разница (ЯМР-РСА) в плотности контактов и числа водородных связей между 13 структурами до и после их уточнения. Из рисунка видно, что разница между ЯМР и РСА структурами становится меньше после уточнения ЯМР структур, хотя и не исчезает совсем.

Таким образом, между РСА и ЯМР структурами существуют различия в плотности контактов, а также в энергии водородных связей. Кроме того, доля водородных связей, совпадающих в РСА и в ЯМР структурах, составляет не более 70%. Найденные различия в распределении контактов и водородных связей достаточны, чтобы привести к различным оценкам стабильности РСА и ЯМР структур.

контактное расстояние, РБЗР энергия, ккал/моль

Рис. 7. Разница (ЯМР-РСА) в плотности контактов (а) и числа водородных связей (б) между 13 структурами до и после их уточнения. 13 структур уточнены с помощью программы СЫ8 (КаЬиигБ ег Ы., 2004, Рго1ешз, 55,483) в водном окружении.

ГЛАВА 4. Расчет скоростей сворачивания и сравнение с экспериментом.

Задача ставится так: дана трехмерная структура однодоменного глобулярного белка или белкового домена; найти скорость ее сворачивания.

В случае, когда анализ сети путей сворачивания/разворачивания проводился с помощью метода динамического программирования, мы вычисляли эффективную величину свободной энергии барьера:

где /£ - полностью развернутое состояние белковой цепи. Эта теоретически вычисленная величина свободной энергии барьера должна коррелировать с логарифмом экспериментально измеренного времени сворачивания (рис. 8а).

Метод Монте-Карло позволяет получать время сворачивания отдельной молекулы, измеренное в числе Монте-Карловских шагов (см. рис. 5). В качестве теоретически рассчитанного времени сворачивания белка мы использовали время, за которое свернулась половина молекул (то есть, 25 из 50 проведенных запусков привели к образованию нативной структуры).

Корреляция теории с экспериментом показана на рисунке 8. На графике, который относится к методу динамического программирования, темными точками показаны белки, не свернувшиеся методом Монте-Карло за 108 шагов. Не свернулись, в основном, белки с высоким барьером свободной энергии. Коэффициенты корреляции примерно одинаковы для обоих методов, составляя 0.73 при использовании метода динамического программирования и 0.70 при использовании метода Монте-Карло. Однако для совокупности только тех белков, что сворачиваются методом Монте-Карло быстрее, чем за 108 шагов, корреляция для метода динамического программирования заметно хуже (коэффициент корреляции равен 0.48), чем для метода Монте-Карло (коэффициент корреляции 0.70).

(И)

Теория: свободная энергия переходных состояний. Лет число МК шагов, за которое в компьютерном

эксперименте сворачивается половина молекул

Рис. 8. (а) Корреляция между вычисленной (метод динамического программирования) свободной энергией переходных состояний и экспериментально измеренным полувременем сворачивания. Черные кружки соответствуют белкам, которые методом Монте-Карло не свернулись за 108 МК шагов, белые - свернувшимся методом Монте-Карло, (б) Корреляция между вычисленным (с помощью метода Монте-Карло) и экспериментально измеренным временами сворачивания.

Так как длина цепи является одним из определяющих факторов скорости сворачивания белков (Finkelstein & Badretdinov, 1997, Fold. Des. 2, 115), то нами была проанализирована зависимость скорости сворачивания белков (54 белка с известными экспериментальными данными) в воде от длины цепи и параметром «порядок контактов» (ПК), предложенным в работе (Plaxco et al., 1998, JMB, 277, 985):

— talu, (12)

l-n » ,j v '

где N— число нековалентных контактов (в пределах 6Â) между не водородными атомами в белке, ALy — число аминокислотных остатков, разделяющих в цепи контактирующие атомы, a L — число аминокислотных остатков в цепи. Величина ПК отражает устройство белка: она мала для просто устроенных белков, где массово контактируют между собой близкие по цепи остатки (это, в основном, а-спиральные белки), и велика для белков, где массово контактируют между собой далекие по цепи остатки (это, в основном, белки со сложной р-структурпой топологией).

При исследовании выяснилось, что параметр ПК отлично работает только для близких по размеру белков, сворачивающихся по механизму «двух

состояний», и совершенно не коррелирует с опытом для более крупных белков, сворачивающихся по механизму «трех состояний» (т.е. с наблюдаемыми интермедиатами, см. рис.9а). Коэффициент корреляции между величиной ПК и логарифмом скорости сворачивания для первых составил -0.76, а для вторых — 0.34.

пк ¿.

Рис. 9. Зависимость логарифма константы скорости сворачивания в воде от величины относительного «порядка контактов» (ПК) (а) и от длины цепи (б). Кружки и штриховые линии соответсвуют белкам, сворачивающихся в одну стадию. Треугольники и сплошные линии относятся к белкам, сворачивающихся в несколько стадий.

В то же время, оказалось, что длина цепи определяет скорость сворачивания многостадийных белков и совершенно не работает для белков, сворачивающихся в одну стадию (см. рис.9). Коэффициент корреляции между длиной цепи и логарифмом скоростей сворачивания для первых составил -0.80, а для вторых — -0.07 (то есть, корреляция отсутствует). Такая низкая корреляция может быть объяснена тем, что большинство белков, имеющих одностадийную кинетику сворачивания, примерно одного размера, поэтому длина цепи уступает роль в определении скорости сворачивания белка другим факторам, например порядку контактов.

ГЛАВА 5. Влияние средней конформационной энтропии и средней энергии остатка в белке на скорость сворачивания белкя.

Оценить влияние средней (в расчете на аминокислотный остаток белковой цепи) конформационной энтропии и средней энергии остатка в белке на

скорость сворачивания белка можно, рассматривая следствия из капиллярной модели сворачивания белков (Finkelstein & Badretdinov, 1997, Fold. Des. 2, 115), описывающей изменение свободной энергии белка в ходе его сворачивания. Для свободной энергии нативного состояния имеем

Для свободной энергии развернутого состояния —

G0=-77Vi_ (14)

Пренебрегая энтропией замыкания петель [т.е. формулой (3)], мы имеем для свободной энергии промежуточного состояния с и фиксированными (в своей нативной конформации и в своем положении в пространстве) остатками —

G„ =ne-jjn2l3e-T{N-n)s.

где N — число аминокислотных остатков в белке; е — средняя энергия контактов на остаток, лежащий внутри белка; член f.mm принимает во внимание, что поверхностные остатки имеют меньше контактов, чем внутренние остатки, причем fi —5 для шаровидных тел (Finkelstein & Badretdinov, 1997, Fold. Des. 2, 115); s - средняя конформационная энтропия на остаток для развернутой цепи; Т — температура. Тогда изменение свободной энергии между промежуточным и развернутым состояниями равно

AG„ = G„ - G„ = ns-fm1,3£ + Tns

Мы можем упростить данное выражение, используя следующие обозначения: £ = -dRT> 0 и су-s/R > 0. Тогда получается следующее выражение:

£„ =AGJRT = -nÇ + tmin4 + na _ ^

Переходное состояние на пути сворачивания определяется как максимум свободной энергии: g* - max{g3}. Чтобы определить переходное состояние, мы находим число фиксированных остатков пй, входящих в это состояние,

определив производную уравнения (17) по и: и0 = (—х-—| . Если подставить

данное выражение для п0 в уравнение (17), то мы получим следующие уравнение:

Чтобы ответить на вопрос, как изменяется величина свободной энергии барьера от двух главных параметров, ^ и сг, запишем изменение величины барьера в частных производных по £ и по сг:

,» . -» 1

а-?)

. £ { ^

(19)

В точке равновесия между нативным и развернутым состояниями мы имеем в*-вв = 0, т.е.

-N{¿-1+ = (20)

откуда 1 - Подставляя это выражение для в (19) и пренебрегая

членом (который невелик по сравнению с 1 при больших Ы), имеем:

2— -

= (21) Я сг ?

Вводя в уравнение (21) энтропийную емкость, С = получаем зависимость изменения величины барьера от изменения величины С при одинаковом (или близком) значении Л':

=(2^Лг'")х(ЛпС. (22)

М

Нас теперь интересует только, как зависит изменение величины барьера свободной энергии ¿я* от изменения величины С, которая, в свою очередь, зависит от свойств аминокислотных остатков в белке. Так как величина конформационной энтропии на остаток пропорциональна числу его степеней свободы, т.е. имеющихся у него углов вращения ср, у и % (см. табл. 4), а величина энергии па остаток пропорциональна числу остаток-остаточных контактов в белке, то энтропийная емкость пропорциональна отношению этих величин: С ~ сода/ х Смод; здесь Смод = 1Уот, где т - число контактов у остатка в нативиой структуре белка, а к— число степеней свободы у него.

Таблица 4. Число степеней свободы для 20 аминокислотных остатков.

А R N D С Q Е G* Н I

2 6 4 4 3 5 5 з- 4 4

L К М F р S Т W Y V

4 6 5 4 1 3 3 4 4 3

Число степеней свободы у аминокислотного остатка принималось равным числу углов вращения в нем (т.е. числу углов <р, у и х, по которым возможно вращение). Число конформаций для главной цепи глицина (G) больше, чем для других остатков. Поэтому, хотя глицин имеет всего два двугранных угла, по которым возможно вращение (ср и \|/), мы приписали ему число 3, а не 2.

Чтобы понять, существуют ли различия в среднем числе контактов и в средней конформационной энтропии у белков из различных структурных классов, мы проанализировали основные четыре класса белков согласно структурной классификации SCOP (Murzin et al., 1995, JMB, 247, 536) выпуск 1.61, год 2002.

Таблица 5. Структурные характеристики белков из различных классов.

Класс а Класс b Класс с Класс d

а-белки ß-белки a/ß-белки a+ß-белки

(1133 белков) (1644 белков) (1617 белков) (1435 белков)

<L> 151 156 256 163

<т> 18,33±0,09 19,48±0,06 21,56±0,06 19,39±0,07

<v> 3,87±0,01 3,71±0,01 3,76±0,01 3,80±0,01

<C„oö> 0,219±0,001 0,196^0,002 0,178±0,001 0,200±0,001

L - число остатков в белковой цепи; т - число контактов на остаток; v - число степеней свободы на остаток; Смоа — v/m -энтропийная емкость. Усреднение выполнено для каждого класса белков. Показано также стандартное отклонение от средней величины.

Из таблицы 5 можно видеть, что каждый основной структурный класс белков имеет класс-специфическое среднее число контактов и среднее число степеней свободы в расчете на аминокислотный остаток. При этом a/ß-белки имеют наибольшее число контактов на остаток, а a-белки - наибольшее число степеней свободы на остаток.

Для 60 белков с известными из опыта скоростями сворачивания (были исключены белки, имеющие дисульфидные связи и лиганды, а также белки, размер которых меньше 40 остатков) нами были вычислены, исходя из первичной и третичной структуры каждого из этих белков, величины CM0Ö - v/m, и, далее, эти величины СМОд были сопоставлены с константами скоростей сворачивания этих белков в воде (kf_вода). Результаты представлены на рисунке 10.

15 10

■Sc" с

— О

-5

-10

-2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0

Рис. 10. Зависимость скорости сворачивания а, р, сс/р и а+р белков в водном растворе вода) от «энтропийной емкости» (Сиов) аминокислотных остатков в этих белках.

Рисунок 10 показывает, что отношение средней конформадионной энтропии к среднему числу контактов на остаток коррелирует со скоростью сворачивания белков: для а-белков это соотношение самое высокое, и это -самые быстро сворачивающиеся белки, для а/р-белков это соотношение самое низкое, и это - самые медленно сворачивающиеся белки. Полученная корреляция не очень высока (в среднем по всем 60 белкам она равна 0.64), но для отдельных классов белков получилась высокой (см. вставку на рис.10).

ГЛАВА 6. Моделирование сворачивания пептидов методом молекулярной динамики и мульти-канонического моделирования.

Поиск факторов, важных для образования р-шпилечной структуры, независимо от оставшейся структуры белка, важен чтобы понять процесс сворачивания в нативную р-структуру. Для изучения путей сворачивания методом молекулярной динамики (МД) был выбран пептид, содержащий 16 аминокислотных остатков и соответствующий дистальной Р-шпильки из src SH3 домена (WWLAHSLTTGQTGYIP, PDB код белка lsrm, остатки от 42 до 57). МД моделирование было выполнено программой PRESTO (Morikami et al., 1992, Comput.Chem., 16, 243) с силовым полем AMBER С96 (Kollman et al, 1997, Computer simulation of biomolecular systems, 3, 83). Было выполнено 10 траекторий с температурным отжигом от 800К до 300К длительностью около 4нс. Только в одной из 10 траекторий мы наблюдали образование р-шпильки, и то со сдвинутым регистром водородных связей на один остаток относительно нативной структуры. Анализ траекторий на атомном уровне указывает на то, что образование данной 3-шпильки вероятнее всего начинается с образования Р-поворота, который усиливает вероятность образования сети водородных связей и образование гидрофобных взаимодействий между удаленными сегментами вдоль цепи.

Чтобы понять, какой структурный элемент Р-шпильки является более важным для сворачивания Р-структуры, было сделано четыре дополнительных моделирований длительностью 1 не каждое, где различные части структуры были заморожены около минимизированной структуры Смш. В первом случае мы заморозили движения структуры, соответствующей второму Р-участку (остатки 10-18), а во втором случае p-поворот (остатки 7-11). Стартовыми конформациями для данных моделирований были получены из траекторий разворачивания при 800 К, где движения соответствующей части структуры была заморожены. Только во втором случае, где был заморожен p-поворот, мы

наблюдали образование р-шпильки с нативным регистром водородных связей в обоих моделированиях при 300 и 400 К в течении 1 не (табл. 6).

Таблица 6. Стартовая и финальная структуры пептида при МД моделировании с замороженными участками белковой цепи (показано черным цветом): второй р-участок в первом случае и р-поворот во втором. Верхний индекс - среднеквадратичное отклонение для всех атомов, нижний - для атомов главной цепи.

Ace-WWL, Система 1 Ace-WWLi Система 2 GYIP-NMe

AHSLTI GQTGYIP-NMc 4.HSLTTGQT

Стартовая структура RMSD . Финальная структура Гпри ЗООЮ RMSD Финальная структура (при 400К) ^MSD Стартовая структура RMSD Финальная структура (при ЗООК) RMSD финальная Структура (при 400К) RMSD

4.0 2.6 Û 3.3 1.5 ■Û 3.1 1.8 г*) t V 4.6 3.3 jQ 3.1 1.7 jg* f '* 3.9 2.1

Данные результаты и результаты, полученные из других моделирований (Wang et al., 1999, Proteins, 37, 325; Bonvin & van Gunsteren, 2000, J MB, 296, 255) демонстрируют, что остатки p-поворота для данной последовательности важны для образования Р-шпильки, что только подтверждает экспериментальные данные (Grantcharova et al., 1998, Nature Struct. Biol. 5, 714), что соответствующая конформация p-поворота, определяемая дальними взаимодействиями, важна для сворачивания данной шпильки в нативную структуру.

Метод мульти-канонического (МК) моделирования хорошо дополняет метод МД: не воспроизводя кинетику процесса, он позволяет исследовать большую выборку точек конформационного пространства без затрат времени на преодоление энергетических ловушек. Таким образом, можно сравнительно быстро получить энергетический ландшафт для полипептида в воде и оценить его структурные и термодинамические свойства. Можно, было бы получить конформационное пространство пептида, рассмотренного методом МД. Но даже такой пептид из 18 остатков является слишком большой системой для МК

моделирования. Для данного моделирования был рассмотрен пептид из 11 остатков: 1Ace-2Ala-3His-4Ser-5Leu-6Thr-7Thr-8Gly-9Gln-10Thr-11Nme,

соответствующий остаткам с 45 по 53 из src SH3 домена. Для данного пептида было выполнено 28 МК симуляций. Рисунок 11 показывает распределение энергии, полученное из последней симуляции, охватывающее энергетический диапазон с 230 до 700К. Наличие плато у этого распределения говорит о том, что МК алгоритм работал хорошо.

Е, kcal/molx103

Рис. IX. Распределение энергии из последнего мульти-канонического запуска. Пунктирная и штриховая линии

соответствуют каноническому распределению при температуре 700 и 300 К, соответственно.

Исследование энергетического ландшафта полипептида показало, что данный пептид при 27°С в воде должен флуктуировать. При этом он принимает нерегулярную («клубковую»), спиральную и Р-шпилечную конформацию с вероятностью 75.6%, 18.0% и 6.4%, соответственно. Последнее хорошо совпадает с результатом, полученным с помощью метода молекулярной динамики, где, в ходе длительного моделирования, полипептид сворачивается в Р-шпильку один раз из 10.

ГЛАВА 7. Предсказание границ доменов по аминокислотной последовательности.

Предложен простой метод определения границы доменов в белках с неизвестной пространственной структурой по аминокислотной

последовательности белковой цепи. Метод основывается на гипотезе, что высокая энтропия гибких боковых групп, расположенных в какой-то области белковой цепи, должна компенсироваться сильными взаимодействиями аминокислотных остатков в той же области цепи, так что эта область должна соответствовать наиболее структурированной компактной части белка, т.е. глобулярному домену. Это означает, что междоменная граница обусловлена сгущением аминокислотных остатков с малой энтропией боковых групп, которая, в свою очередь, коррелирует с малым числом степеней свободы у аминокислотных остатков (таких, как аланин, глицин, пролин, см. табл.4). Данный метод был применен к 646 двухдоменным белкам (гомология <80%) и правильно (с точностью до ±40 остатков) предсказал границы доменов в 63% из них.

На основе статистики встречаемости аминокислотных остатков был предложен другой метод для предсказания границы доменов. Согласно этому методу, граница домена для двухдоменного белка совпадает с глобальным минимумом на вероятностном профиле, построенном по статистике встречаемости аминокислотных остатков на границе доменов. Нами была создана база двухдоменных белков (452 белка) с гомологией менее 25% между ними. Одна половина базы была использована для построения статистики встречаемости аминокислотных остатков на границах доменов, другая — для проверки качества предсказаний границ доменов по аминокислотной последовательности.

Вероятностная шкала полученная при усреднении встречаемости

аминокислотных остатков на приграничном участке размером 8 остатков (по 4

остатка от каждого домена), дает наилучший результат: в 57% белков границы

доменов которых были предсказаны в пределах 40 остатков от реальной

границы, а в 41% белков - в пределах 20 остатков от реальной границы.

Следует отметить, что при случайном угадывании доля правильно угаданных

границ доменов составляет 54% (в пределах 40 остатков от реальной границы)

и 34% (в пределах 20 остатков от реальной границы). Вероятность случайно

угадать столько же или больше границ доменов, сколько правильно

33

предсказано нашим методом, составляет 0.1 и 0.003 соответственно (см.

рис.12).

Рис. 12. Зависимость качества предсказаний от того, на каком расстоянии от реальной границы предсказанная граница все еще считается правильно

предсказанной по статистике встречаемости аминокислотных остатков на границе доменов. Черными кружками показана доля успешных предсказаний с помощью наилучшей из вероятностных шкал

(усреднение по ±4 остаткам вокруг границы доменов). Светлыми кружками

представлена вероятность

случайного угадывания. Числа возле светлых кружков означают вероятность угадать случайно столько же или больше границ доменов, сколько правильно предсказано нашим методом.

Таблица 7. Встречаемость каждого из 20 типов аминокислотных остатков на границах доменов по сравнению с встречаемостью в белках в целом.

л: Рго й1у АБП «и Эег ТЬг етп Ьуэ Туг

рХ ■"и 1.78 1.63 1.34 1.09 1.09 1.05 1.01 0.99 0.98 0.95

рх ±4 1.65 1.01 1.04 1.10 0.94 0.89 1.14 1.01 1.09 0.81

X Суэ Абр Уа1 А1а Не Ьеи Р11е Ме1 ТФ Шз

рх 1 0.95 0.89 0.81 0.79 0.75 0.73 0.72 0.69 0.64 0.58

рх ±4 1.34 1.00 0.93 0.89 0.85 0.96 1.02 0.77 0.52 0.79

В таблице 7 приведены относительные частоты встречаемости 20 типов аминокислотных остатков на границах доменов Р±? (±1 остаток относительно границы доменов). Из приведенных данных видно, что глицин и особенно пролин встречаются на границах доменов намного (в 1.5-2 раза) чаще, чем в белке в целом. Гидрофильные аминокислотные остатки, как правило, также встречаются на границах доменов чаще, в то время как гидрофобные (и алифатические, и ароматические) — реже, чем в белках в целом.

Предельно допустимое расстояние между реальной и предсказанной границами доменов

Интересно, что качество предсказаний границ доменов, сделанных с помощью вероятностной шкалы для первой базы (646 белков), практически совпадает с качеством предсказаний, сделанных по энтропийной шкале. Доля предсказанных границ доменов составила 63% для предельно допустимого расстояния в 40 остатков. Была показана применимость разработанного метода для предсказаний границы доменов в многодоменных белках (международное соревнование CASP6).

ГЛАВА 8. Предсказание нативно-развернутых участков белковой цепи.

На сегодняшний день известно более 100 белков с неупорядоченной структурой. Эти белки или домены либо развернуты в нативном состоянии (так называемые нативно-развернутые белки), либо содержат большие неструктурированные участки белковой цепи. При этом оказывается, что функционально важные белковые участки часто находятся вне глобулярных доменов (Wright & Dyson, 1999, JMB, 293, 321). Это противоречит классическому понятию, что белок обязательно должен быть глобулярным, чтобы быть функциональным.

Умение предсказывать неупорядоченные участки белковой структуры важно как для понимания функции белка, так и путей его сворачивания. Эти же данные необходимы и для дизайна белков de novo, где необходимо знать, какие особенности первичной структуры определяют, будет ли белок свернут или нативно-развернут.

Наш подход и метод (FoldUnfold) использует такое свойство остатков, как ожидаемое среднее число сближенных остатков (средняя плотность окружения), вычисленное по аминокислотной последовательности. Этот параметр определяет статус остатка: а именно, будет ли он свернут или развернут в нативном состоянии. Среднее число окружающих остатков (средняя плотность окружения) для каждого из 20 типов аминокислотных остатков была рассчитана для 6626 белковых структур из структурной базы белков SCOP (табл. 8). Остаток считался сближенным с рассматриваемым остатком, если расстояние между какой-либо парой не водородных атомов

35

было меньше 8.0 А. Полученные 20 чиесл (табл. 8) затем были использованы в качестве ожидаемого среднего числа сближенных остатков по аминокислотной последовательности, которое равно сумме ожидаемых сближенных остатков, деленной на число аминокислотных остатков в белке.

Таблица 8. Среднее число окружающих остатков для 20 аминокислот в глобулярном

состоянии.

о Р А О Е К Б N (3 Т

17.1 17.4 19.9 17.4 17.5 17.7 18.2 18.5 19.2 19.8

Я Н С V М Ь I У Р №

21.0 21.7 23.5 23.9 24.8 25.4 25.7 25.9 27.2 28.5

Профиль ожидаемого числа сближенных остатков строится следующим

образом. Каждому аминокислотному остатку исследуемой последовательности

белка приписывается одно число, равное среднему числу сближенных остатков

в глобулярных белках. Затем числа усредняются с некоторым окном, а среднее

присваивается центральному остатку окна. Для предсказания

разупорядоченных участков белковой цепи по аминокислотной

последовательности рассчитывается ожидаемое среднее число сближенных

Рис. 13. Зависимость изменения доли

правильных предсказаний для нативно-развернутых белков (129 белков) и доли ложных предсказаний для набора глобулярных белков (559 белков) при изменении параметра

границы раздела между двумя множествами белков (кривые для четырех рассмотренных нами

случаев). Более крупными кружками и квадратами отмечены точки,

соответствующие границе раздела 20.4 сближенных остатков. В усреднении результата по белкам оценивалась доля

развернутого белка.

0.2 0.4 0.6 0.8

доля ошибочных предсказаний

остатков по аминокислотной последовательности и строится профиль ожидаемого числа сближенных остатков с выбранным окном усреднения. Построение зависимости доли правильных предсказаний от доли ложных позволило сделать нам выбор параметра границы раздела между двумя множествами белков. Наилучший компромисс получается при значении плотности окружения равном 20.4, когда у нас увеличивается процент правильных предсказаний для нативно-развернутых участков (85%), но еще остается маленьким процент ложных предсказаний: 5% в случае размера усредняемого окна в 41 остаток (см. рис. 13).

Если среднее ожидаемое число сближенных остатков для целого белка меньше чем 20.4 (среднее число по всем аминокислотам, рассчитанное по данным табл. 8), то такой белок рассматривается как полностью нативио-развернутый. В случае, если это число больше чем 20.4, то такой белок не может рассматриваться как полностью развернутый, но в нем могут быть как структурированные, так и неструктурированные участки. Размер таких участков должен быть равен или больше размера усредняемого окна. Результаты сравнения нашего метода с другими программами приведены в Таблице 9.

Таблица 9. Сравнение различных методов предсказания нативно-развернутых участков для 129 нативно-развернутых белков и 559 глобулярных белков. Данные по другим методам взяты из (Dosztanyi et ai, 2005, J. Mol. Biol., 347, 827).

Доля правильно Доля неправильно

Метод предсказанных предсказанных

развернутых участков развернутых участков

Усреднение по Усреднение по

остаткам белкам остаткам белкам

Fold Unfold (Галзитская и др., 2006, 0.85 0.72 0.05 0.08

Молекуляр. Биология, 40,341)

IUPred (Dosztanyi et al., 2005, J. Mol. 0.76 0.68 0.05 0.06

Biol., 347, 827)

PONDRVL3H (Obradovic et al., 2003, 0.66 0.61 0.05 0.08

Proteins, 53, 566)

DISOPRED (Ward et al., 2004, 0.66 0.49 0.05 0.07

Bioinformatics, 20, 2138)

GlobPlot (Linding et al., 2003, Structure, 0.33 0.30 0.18 0.20

11, 1453)

Из данных, приведенных в таблице 8, видно, что наш метод дает на сегодняшний день наилучшие результаты. Используя наш подход, мы оценили процент полностью развернутых белков для 19 архейных протеомов, 159 бактериальных и 17 эукариотических. Он составил 2%, 3% и 12%, соответственно. Так же мы оценили процент белков, у которых имеются развернутые участки длиной более 41 остатков. Он составил 16%, 20% и 43%, соответственно.

ГЛАВА 9. Предсказание амилоидогенных участков белковой цепи.

Несмотря на активные исследования в области образования амилоидных фибрилл, детальное понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе трансформации водорастворимых белков в амилоидные нерастворимые агрегаты, остается нерешённой задачей.

Чтобы образовать амилоидную фибриллу, белковая молекула должна претерпевать очень существенные изменения своей конформации, так как центральная часть фибриллы всегда построена из Р—слоя или р—слоев, в которых отдельные р—тяжи ориентированны перпендикулярно главной оси фибриллы (Jimenez et al., 1999, EMBO, 18, 815), в то время как исходная «здоровая» молекула может вовсе не содержать p-структурных участков.

Образование достаточного числа контактов между остатками необходимо,

чтобы компенсировать потерю конформационной энтропии при сворачивании

белка. Тем самым, нативная структура есть результат баланса между

конформационной энтропией и энергией взаимодействия между остатками.

Принимая во внимание этот факт, мы предполагаем, что с одной стороны, если

средняя ожидаемая по статистике плотность окружения (среднее число

сближенных остатков на заданном расстоянии) на остаток меньше, чем

«нормальная величина» данного параметра для глобулярных белков, то будут

реализовываться нативно-развернутые белки (левая часть гистограммы рис. 14).

С другой стороны, если средняя ожидаемая плотность окружения на остаток

больше, чем «нормальная величина» данного параметра для глобулярных

белков, то белковой цепи будет выгоднее образовать амилоидную фибриллу, в

38

1000

которой смогут реализоваться все «ожидаемо-возможные» контакты (правая часть гистограммы рис. 14).

Рис. 14. Гистограмма распределения 5829

глобулярных белков от ожидаемой плотности окружения. Левая стрелка указывают на границу раздела (20.4) между глобулярными белками и нативно-развернутыми, правая стрелка на границу раздела между

глобулярными белками и амилоидными фибриллами. Граница раздела

соответствует фрактилю К0.98 для этого

19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 2,.5 22.0 Распределения - 21.4. Ожидаемая средняя плотность окружения на остаток

Чтобы проверить данную гипотезу: действительно ли участки белковой цепи, которые обладают повышенной ожидаемой плотностью окружения, ответственны за проявление амилоидогенных свойств белков и пептидов, были построены профили окружения для 11 белков и пептидов, для которых из эксперимента известны участки, вовлеченные в образование амилоидной фибриллы.

О 20 40 60 80 позиция остатка в р2 микроглобулине

0 20 40 60 80 100 120 позиция остатка в транстеретине

Рис. 15. Ожидаемые профили плотности окружения для двух белков. Предсказанные области выделены толстой линией. Экспериментально определенные участки отмечены прямоугольниками сверху каждого профиля.

Так как минимальный размер амилоидогенного участка составляет пять остатков (Tjernberg et al, J. Biol. Chem. 274, 12619), то мы использовали размер скользящего окна в пять остатков и рассматривали участок амилоидогенным, если пять или больше остатков находятся выше рассматриваемого порога плотности окружения (21.4, см. рис.14). Из 11 рассмотренных нами белков и пептидов, для 8 предсказания находятся в согласие с экспериментальными данными (см. рис.15). Из 17 экспериментально определенных участков с помощью нашей шкалы (ожидаемого числа сближенных остатков) мы находим 13 участков.

Мы рассмотрели разные варианты шкал для расчета средней плотности окружения (различающиеся критерием сближенности остатков). Оказалось, что шкала, полученная как среднее число сближенных остатков на расстоянии 8 А от заданного остатка, дает наилучшие результаты для предсказания амилоидогенных участков белковой цепи. Таким образом, мы предлагаем одно из новых свойств остатков белковой цепи — ожидаемая плотность окружения, которое может быть использовано как для поиска участков белковой цепи, ответственных за образование амилоидных фибрилл, так и для поиска неструктурированных участков белковой цепи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развито новое научное направление — теория локализации ядер сворачивания в пространственной структуре белков. Разработаны два метода поиска ядер сворачивания в пространственных структурах белков: первый основан на методе динамического программирования (именно им были сделаны первые в мире успешные предсказания ядер сворачивания), второй - на методе Монте-Карло. Оба метода дают возможность предсказывать как ядра, так и скорости сворачивания глобулярных белков, причем показано, что предсказания более успешны для белков, структура которых установлена методом рентгеноструктуриого анализа, чем для тех, структуры которых установлены методом ЯМР.

2. Впервые выявлены систематические различия во внутреннем строении белковых глобул, расшифрованных методами рентгеноструктурного анализа, с одной стороны, и ядерного магнитного резонанса, с другой. Они проявляются в разной зависимости от расстояния как числа Ван-дер-Ваальсовых контактов, так и числа водородных связей.

3. Впервые доказано, что наблюдаемые скорости самоорганизации белков, имеющих интермедиаты сворачивания, определяются в основном длинами их цепей, в отличие от скоростей самоорганизации тех небольших белков, которые таковых интермедиатов не имеют. Впервые показано, что отношение средней конформационной энтропии к среднему числу контактов на остаток коррелирует со скоростью сворачивания белков: для а-белков это соотношение самое высокое, и это самые быстро сворачивающиеся белки, для а/р-белков это соотношение самое низкое, и это самые медленно сворачивающиеся белки.

4. Разработан новый и самый успешный в настоящее время метод предсказания нативно-развернутых участков белковой цепи. Показано, что участки белковой цепи, обогащенные аминокислотными остатками, имеющими низкую «ожидаемую», (согласно статистике), плотность окружения, обычно являются нативно-развернутыми. Этим методом проведена оценка доли нативно-развернутых участков в различных протеомах: у эукариот эта доля оказалась в два раза больше, чем у бактерий и архей.

5. Предложены новые методы для предсказания границ доменов по аминокислотной последовательности белков, основанные на конформационной энтропии цепи и на статистике встречаемости аминокислотных остатков на границах доменов.

6. Предложен новый метод для предсказания амилоидогенных участков белковых цепей. Показано, что участки цепи, обогащенные аминокислотными остатками, имеющими высокую «ожидаемую» плотность окружения, имеют тенденцию к образованию амилоидных фибрилл. ■

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. И.Н.Сердюк, О.В.Галзитская, А.А.Тимченко (1997). О природе шероховатости поверхности белковых глобул. Биофизика. 42,1197-207.

2. O.V.Galzitskaya (1997). Geometrical factor and physical reasons for its influence on the kinetic and thermodynamic properties of RNA-like heteropolymers. Fold Des. 2,193-201.

3. A.A.Timchenko, O.V.Galzitskaya, I.N.Serdyuk (1997). Roughness of the globular protein surface: analysis of high resolution X-ray data. Proteins. 28, 194-201.

4. О.В.Галзитская, А.В.Финкелынтейн (1997). Теоретическое исследование зависимости скорости сворачивания РНК-подобных гетерополимеров от длины цепи. Молекуляр. биология. 31,478-487.

5. О.В.Галзитская (1997). Влияние энергии дальних контактов на время поиска нативной структуры для РНК-подобных гетерополимеров. Молекуляр. биология. 31, 488-491.

6. A.A.Timchenko, O.V.Galzitskaya, I.N.Serdyuk (1998). Roughness of the globular protein surface. JINR Rapid Communs. No.4,59-63.

7. O.V.Galzitskaya, A.V.Finkelstein (1998). Folding rate dependence on the chain length of RNA-like heteropolymers. Fold Des. 3, 69-78.

8. V.N.Uversky, S.Winter, O.V.Galzitskaya, L.Kittler, G.Lober (1998). Hyperphospho-rylation induces structural modification of tau-protein. FEBS Lett. 439,21-5.

9. O.V.Galzitskaya, A.V.Finkelstein (1999). A theoretical search for folding/unfolding nuclei in three-dimensional protein structures. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 96, 11299-304.

10. И.Н.Уверский, О.И.Галзитская, С.Винтер, Л.Киттлер, ГЛобер (1999). Влияние избыточного фосфорилирования на структурные свойства белка ТАУ. Цитология. 41, 540-549.

11. А.В.Скугарев, О.В.Галзитская, А.В.Финкелыптейн (1999). Поиск ядер сворачивания в пространственных структурах белков. Молекуляр. биология. 33, 1016-1026.

12. O.V.Galzitskaya, A.Caflisch (1999). Solution conformation of phakellistatin 8 investigated by molecular dynamics simulations. J! Mol. Graph. Model. 17, 19-27.

13. O.V.Galzitskaya, A.V.Skoogarev, D.N.Ivankov, A.V.Finkelstein (2000). Folding nuclei in 3D protein structures. Proc. of the Pacific Symp. on Biocomputing. 131-142.

14. O.V.Galzitskaya, A.K.Surin, H.Nakamura (2000). Optimal region of average side-chain entropy for fast protein folding. Protein Sci. 9, 580-586.

15. O.V.Galzitskaya, J.Higo, M.Kuroda, H.Nakamura (2000). P-hairpin folds by molecular dynamics simulations. Chem. Phys. Lett. 326, 421 -429.

16. j.Higo, O.V.Galzitskaya, S.Ono, H.Nakamura (2001). Energy landscape of a p-hairpin peptide in explicit water studied by multicanonical molecular dynamics. Chem. Phys. Lett. 337, 169-175.

17. O.V.Galzitskaya, D.N.Ivankov, A.V.Finkelstein (2001). Folding nuclei in proteins. FEBS Lett. 489, 113-118.

18.O.V.Galzitskaya, D.N.Ivankov, A.V.Finkelstein (2001). The state of art in steps of protein folding. Summer School "The Prediction and Mechanism of Protein Folding: from Topology to Intermediate States". (Chomilier, J., Labesse, G., and Sadoc, J.-F., eds.). Institute d'etudes scientifiques de Cargese, 8-19.

19.О.В.Галзитская, Д.Н.Иванков, А.В.Финкелыптейн (2001). Нуклеация и скорость сворачивания в белках. Молекуляр. биология. 35,708-717.

20. O.V.Galzitskaya, J.Higo, A.V.Finkelstein (2002). a-Helix and P-hairpin folding from experiment, analytical theory and molecular dynamics simulations. Curr. Protein Peptide Sci. 3, 191-200.

21. О.В.Галзитская (2002). Чувствительность пути сворачивания к деталям аминокислотной последовательности. Молекуляр. Биология. 36,386-390.

22. О.В.Галзитская (2002). Сворачивание р-шпилек. Молекуляр. биология. 36, 755-760.

23. K.Ikeda, O.V.Galzitskaya, H.Nakamura, J.Higo (2003). р-haiipin, a-helices, and the intermediates among the secondary structures in the energy landscape of a peptide from a distal P-hairpin of SH3 domain. J. Сотр. Chem. 24,310-318.

24. O.V.Galzitskaya, S.O.Garbuzynskiy, D.N.Ivankov, A.V.Finkelstein (2003). Chain length is the main determinant of the folding rate for proteins with three-state folding kinetics. Proteins. 51, 162-166.

25. O.V.Galzitskaya, B.S.Melnik (2003). Prediction of protein domain boundaries from sequence alone. Protein Sci. 12, 696-701.

26. S.O.Garbuzynskiy, A.V.Finkelstein, O.V.Galzitskaya (2004). Outlining folding nuclei in globular proteins. J. Mol. Biol 336, 509-525.

27. A.V.Finkelstein, O.V.Galzitskaya (2004). Physics of protein folding. Phys. Life Rev. 1, 23-56.

28. S.O.Garbuzynskiy, M.Yu.Lobanov, O.V.Galzitskaya (2004). To be folded or to be unfolded? Protein Sci. 13, 2871-2877.

29. Sh.Suzuki, O.V.Galzitskaya, D.Mitomo, J.Higo (2004). General dynamic properties of Ap 12-36 amyloid peptide involved in Alzheimer's disease from unfolding simulation. Eur. J. Biochem. 136, 583-594.

30. В.В.Марченков, И.В.Соколовский, Н.В.Котова, О.В.Галзитская, Е.С.Бочкарева,

А.С.Гиршович, Г.В.Семисотнов (2004). Взаимодействие шаперона GroEL с раними

43

кинетическими промежуточными состояниями ренатурирующих белков ингибирует формирование их нативной структуры. Биофизика. 49, 987-994.

31. Б.С.Мельник, С.А.Гарбузинский, М.Ю.Лобанов, О.В.Галзитская (2005). Различия между белковыми структурами, определенными с помощью рентгеноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса. Молекуляр. биология. 39, 113-122.

32. А.В.Финкелынтейн, Д.Н.йванков, О.В.Галзитская (2005). Предсказание скоростей и ядер сворачивания глобулярных белков на основе теории их самоорганизации. Усл. биол. химии. 45, 3-36.

33.O.V.Galzitskaya, S.O.Garbuzynskiy, A.V.Finkelstein (2005). Theoretical study of protein folding: outlining folding nuclei and estimation of protein folding rates. J. Phys.: Condensed Matter. 17, S1539-S1551.

34. S.O.Garbuzynskiy, B.S.Melnik, M.Yu.Lobanov A.V.Finkelstein, O.V.Galzitskaya (2005). Comparison of X-ray and NMR structures: is there a systematic difference in residue contacts between X-ray- and NMR-resolved protein structures? Proteins. 60, 139-47.

35. С.А.Гарбузинский, А.В.Финкельштейн, О.В.Галзитская (2005). К вопросу о ■ предсказании ядер сворачивания в глобулярных белках. Молекуляр. биология. 39,

1032-1041.

36. О.В.Галзитская, Н.В.Довидченко, М.ЮЛобанов, С.А.Гарбузинский (2006). Предсказание границ доменов на основе статистики встречаемости аминокислотных остатков. Молекуляр. биология. 40,111-121.

37. О.В.Галзитская, С.А.Гарбузинский, М.ЮЛобанов (2006). Предсказание нативно-развернутых участков белковой цепи. Молекуляр. биология. 40(2), 341-348.

38. O.V.Galzitskaya, S.O.Garbuzynskiy (2006). Entropy capacity determines protein folding. Proteins, 62, in press.

39. N.S.Bogatyreva, A.V.Finkelstein, O.V.Galzitskaya (2006). Trend of amino acid compositions of different taxa. J. Bioinf. Comput. Biol., inpress.

40. О.В.Галзитская, С.А.Гарбузинский (2006). Оптимальное соотношение между средней конформационной энтропией и средней энергией взаимодействия между остатками для быстрого сворачивания белков. Биофизика, в печати.

41. O.V.Galzitskaya, S.O.Garbuzynskiy, M.Yu.Lobanov (2006). Is it possible to predict amyloidogenic regions from sequence alone? J. Bioinf. Comput. Bio!., in press.

Принято к исполнению 16/02/2006 Исполнено 16/02/2006

Заказ № 83 Тираж: 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 (495) 747-64-70 www.autorcfcrat.ru

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Грибанова, Елена Сергеевна, 2006 год

Введение

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННО-ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ И ЕГО РОЛИ В ФОРМИРОВАНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОЗНАНИЯ ЛИЧНОСТИ

1.1. Информационный потенциал природной среды как основа педагогического процесса

1.2. Феномен экологического сознания и факторы, определяющие его формирование

1.2.1. Когнитивные механизмы формирования экологического сознания

1.2.2. Природная среда в системе ценностей общества

1.3. Педагогический потенциал природы в формировании экологического сознания и развитии личности

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОЗНАНИЯ ПОДРОСТКОВ И ЮНОШЕЙ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

2.1. Организация и методы исследования аспектов экологического сознания подростков и юношей

2.2. Результаты исследования аспектов экологического сознания подростков и юношей на констатирующем этапе

2.3. Условия использования информационно-педагогического потенциала природы в образовательном процессе

2.4. Анализ результативности экспериментальных педагогических условий в образовательном процессе

Выводы по второй главе

Введение диссертации по педагогике, на тему "Информационно-педагогический потенциал природной среды в формировании экологического сознания личности"

На формирование системы знаний, умений, усвоение социальных норм, ценностей, образцов поведения, развитие личности в целом большое влияние оказывает процесс познания окружающего мира, в основе которого находятся различные типы информации. Одним из типов информационного пространства выступает окружающая природная среда. В силу того, что природная среда характеризуется набором разнообразных функций, она обладает большим информационным, педагогическим, энергетическим, ресурсным и другими потенциалами.

Под информационным потенциалом понимаются возможности природы, определяющие проявление ее динамических свойств, структурно-смыслового и качественно-количественного разнообразия. Природа является источником информации об объектах и явлениях, обладающих протяженностью во времени и пространстве [155]. Согласно теории информационных полей (Р. Ф. Абдеев, Я. В. Рейзема, Е. А. Ракитина, В. Ю. Лыскова, В. Н. Михайловский, и др.) природа является частью информационного пространства, информационной среды и отражается в информационном поле индивида. В процессе познания природа представляет собой совокупность релизеров, воспринимаемых различными сенсорными системами человека [35]. Информация лежит в основе познавательной деятельности, и, следовательно, учебно-воспитательного процесса. Информационный потенциал природы представляет возможность использования ее многообразных объектов и свойств в процессе познания и взаимодействия.

Содержание понятия «педагогический потенциал природы» включает в себя функциональные возможности природной среды, проявляющиеся в ее способности влиять на развитие личности. В целях исследования мы объединим перечисленные потенциалы природы в единое понятие «информационно-педагогический потенциал природной среды». Указанный потенциал природы необходимо использовать в процессе обучения и воспитания человека, особенно в рамках актуального и необходимого на современном этапе экологического образования. Основная суть данного направления образования состоит в формировании экологического сознания личности и соответствующих способов взаимодействия человека с окружающей средой.

Феномен экологического сознания личности, на основании идей В. И. Медведева, А. А. Алдашевой, А. А. Горелова, Г. В. Платонова, Ю. Г. Маркова, С. Д. Дерябо, В. А. Левина, В. Р. Бганба и др., представляется как совокупность представлений о системе отношений человека с природной средой, о возможностях и последствиях изменения этих отношений для природы, человека и общества. Этот тип сознания подразумевает распространение существующих концепций, имеющих социальную природу, на явления и объекты природной среды и на их взаимные связи с человеком. В общей структуре экологического сознания выделяют гносеологический, аксиологический и практический компоненты (JI. Я. Полянов, В. Р. Бганба, В. И. Медведев, А. Н. Кочергин и др.).

В содержании гносеологического компонента экологического сознания личности обозначают следующие аспекты: различного рода эмпирические знания о природе, понимание органической связи человека, общества с природой, осознание закономерностей взаимодействия общества и природы (В. Г. Платонов, Т. И. Суравегина, И. Д. Зверев и др.); осознание ограниченности ресурсов природы (Н. Н. Моисеев, С. Д. Дерябо, В. А. Ясвин и др.); представления человека о себе самом как об одной из взаимодействующих сторон в отношениях с природой, осознание своего места в мире (В. И. Медведев, А. А. Алдашева, Ю. Г. Марков и др.) и т.д.

Аксиологический компонент включает ценности, мотивы, установки в отношении к природе, традиции той или иной культуры, имеющие важное экологическое значение, систему регулятивных принципов нравственного характера (А. Н. Кочергин, Э. Р. Барбашина и др.); экологический гуманизм (JI. Н. Толстой, М. Н. Ганди, А. Швейцер, А. А. Горелов и др.); понимание ценности жизни и потребность ее сохранения, признание необходимости отказа от доминирования человека над природой (В. Р. Бганба, С.Д. Дерябо, В. А. Ясвин, Д. П. Никитин и др.)

Содержание перечисленных выше компонентов экологического сознания определяют характер практической деятельности человека в отношениях с окружающим миром.

Идеи единства, взаимосвязи человека и природы получили свое развитие в учении о ноосфере В. И. Вернадского, созвучном основным направлениям американского инвайронментализма (от англ. environment - окружающая среда). Впервые взаимодействие общества со средой своего обитания оказалось в центре внимания науки. Эта ориентация проявилась в социологии, философии, политэкономии, правоведении, этике, эстетике.

Вопросы взаимоотношения общества с природной средой находят свое отражение в русской религиозной философии (Н. А. Бердяев, И. В. Киреевский, В. С. Соловьев, Н. Ф. Федоров, П. В. Флоренский и др.), центральной идеей которой стало представление о том, что Человек -составная часть Природы, что их не следует противопоставлять, а необходимо рассматривать в единстве.

Проблему взаимоотношения человека и среды обитания исследовали С. Н. Глазачев, Е. А. Когай, И. Д. Зверев, А. Н. Захлебный, И. Т. Суравегина и др.

Природа признается как педагогический фактор в процессе развития человека. Так, идея осуществления нравственного воспитания в процессе взаимодействия учащихся с природой рассматривалось в работах В. А. Сухомлинского, С. А. Каптеревой, И. С. Матрусовой, И. Н. Пономаревой, JI. П. Симоновой, В. М. Сенкевич. Эстетическое воспитание как одна из сторон экологической культуры изучалось Е. А. Елизаровой, А. П. Печко, А. Ж. Овчинниковой, Б. Т. Лихачевым, И. Ф. Смольяниновым, Ф. С. Худушкиным и др.

Идея формирования экологической культуры личности, в котором определяющим является развитие экологических представлений, раскрывается в работах А. Н. Ильина, С. Д. Дерябо, В. А. Левина, И. Д. Зверева, О. Н. Козловой, В. Д. Бондаренко, Т. Б. Барановой и др.

Проблемы экологического воспитания разработаны в работах И. Д. Зверева, А. Н. Захлебного, Б. Т. Лихачева, Н. М. Мамедова, Л. П. Салеевой, И. Т. Суравегиной и других. Этими авторами раскрываются цели, задачи, принципы, условия экологического воспитания. Характеристику средств, форм и методов экологического образования мы находим в работах А. Н. Захлебного, Н. А. Городецкой, Н. В. Добрецовой, А. В. Миронова.

Психолого-педагогическое обоснование проблемы взаимодействия среды и развития личности отражено в работах Л. И. Божович, А. Н. Леонтьева, В. Н. Мясищева, А. П. Сидельковского, П. М. Якобсона и др.

Проблема анализа окружающей человека среды с учетом экологических, технико-технологических, информационных, социальных, психологических и антропологических аспектов затрагивается в работах Т. М. Дридзе., Ю. С. Песоцкого и др. Вопрос о формировании целостных современных представлений учащихся о научной картине мира поднимают В. П. Михайловский, К. Колин и др.

Природа как часть воспитательной среды представлена в работах А. А. Ухтомского, Ю. С. Мануйлова, А. Н. Кочергина, Д. П. Никитина и др.

Возможности применения синергетического подхода в области образования с точки зрения формирования целостного мировоззрения учащихся и организации образовательного процесса рассматриваются В. Г. Виненко, Е. Н. Князевой, С. П. Курдюмовым, В. В. Налимовым, Л. И. Новиковой, В. А. Игнатовой, Т. С. Назаровой, М. В. Богуславским и др.

На современном этапе развития образования идея формирования экологического сознания школьников представлена с учетом разнообразных педагогических условий: разработаны учебные курсы по экологии как самостоятельной учебной дисциплине; реализуется идея формирования экологического сознания при изучении естественнонаучных и гуманитарных дисциплин; разработаны специальные курсы, направленные на формирование экологического сознания в рамках системы дополнительного образования, особенно в организации экологической практики и учебно-исследовательской деятельности обучающихся.

Однако следует отметить, что в большинстве учебных заведений экологические знания передаются традиционно - в процессе изучения отдельных тем естественнонаучных дисциплин. Анализ содержания учебных программ по этим дисциплинам показал, что они в основном отражают разнообразные знания о природе, где она представляется как объект изучения. Содержание и цели учебных предметов, включающих вопросы природопользования и охраны природы, несомненно, нацеливают на формирование экологического сознания учащихся, развитие их аналитических способностей, целостного восприятия окружающей действительности и умения использовать ресурсосберегающие приемы взаимодействия с природной средой. Тем не менее, зачастую при стимулировании осознания учащимися необходимости природоохранной деятельности акцент делается на прагматическую установку и экологический негатив. В силу того, что человек зависим от природных ресурсов, данный подход является правомерным. Но нельзя не отметить, что подобным образом укрепляется отношение учащихся к природе как источнику потребления. В силу этого, нам представляется важным и целесообразным формирование охранной установки подростков и юношей в отношении природы за счет осознания ее информационно-педагогического потенциала. В этом случае существенным стимулирующим фактором мы считает расширение арсенала методов познания природы.

Необходимо подчеркнуть, что содержание учебных программ естественнонаучных дисциплин имеет преимущественно рационально-аналитический характер, следовательно, ориентировано на формирование линейного, аналитического мышления. Но для формирования полноценного и устойчивого экологического сознания в процессе изучения природы целесообразно уделять внимание и развитию образного, синтетического мышления (эта идея раскрывается, например, в холистической теории обучения). Ориентация на активизацию перечисленных типов мышления при изучении природной среды, в частности, может способствовать формированию этической установки в отношении ее.

В педагогике существует идея персонификации природы (А. А. Ухтомский, С. Д. Дерябо, В. А. Ясвин и др.), что также является фактором формирования экологического сознания личности. Но в большинстве случаев она находит свое отражение лишь в содержании гуманитарных дисциплин, где большее внимание уделяется формированию эстетической установки обучающихся в отношении к природе. Следует отметить, что персонификация природы, расширение арсенала методов ее познания и углубление представлений об информационно-педагогическом потенциале природы может способствовать не только расширению знаний о социоприродной среде, формированию когнитивной и этической установки в отношении к природе, но в целом содействовать развитию личности, Познание природы может выступать средством самопознания и саморазвития обучающихся.

Основное противоречие, которое обусловило выбор проблемы исследования, определяется в необходимости формирования экологического сознания обучающихся и недостаточным использованием с этой целью информационно-педагогического потенциала природы в образовательном процессе.

Проблема исследования заключается в определении возможностей и педагогических условий использования информационно-педагогического потенциала природной среды в процессе формирования экологического сознания обучающихся.

Цель исследования - изучение информационно-педагогического потенциала природной среды как фактора формирования экологического сознания личности в педагогическом процессе.

Объектом исследования является информационно-педагогический потенциал природной среды. В качестве предмета исследования мы определяем информационно-педагогический потенциал природной среды как фактор формирования экологического сознания личности.

В соответствии с проблемой, целью, объектом и предметом определены следующие задачи исследования:

1. Определить информационный потенциал природной среды как основу педагогического процесса.

2. Охарактеризовать возможности природной среды как фактора развития личности.

3. Проанализировать основные внешние и внутренние факторы формирования экологического сознания подростков и юношей.

4. Определить и обосновать условия формирования экологического сознания личности через использование информационно-педагогического потенциала природной среды в образовательном процессе.

За методологическую основу принят гносеологический подход в сочетании с синергетическим, средовым и аксиологическим.

В качестве общенаучной основы нашего исследования выступает теория информационных полей, холистическая теория обучения, учение о доминирующем отношении личности к окружающему миру как внутреннем содержании ее деятельности, теория становления личности в активном взаимодействии с окружающей действительностью.

Конкретной научной основой являются ведущие положения педагогики и психологии о целостном характере личности, ее субъектности в деятельности и собственном развитии; значимости внешних условий в процессе развития личности; влиянии индивидуальных познавательных стилей на особенности деятельности человека; ценности развития не только личностно значимых свойств, но и формирования общественно важных качеств, в том числе устойчивой гуманистической установки в отношении природы и общества.

Идея о взаимосвязи явлений нашла отражение при определении программы эмпирического исследования, в логике нашего исследования на констатирующем и формирующем этапах эксперимента организации и содержании разработанного спецкурса для старшеклассников.

Гипотеза исследования: формирование экологического сознания у подростков и юношей будет более эффективным при соблюдении следующих педагогических условий:

- обогащения арсенала методов познания окружающей среды у подростков и юношей;

- расширения и углубление представлений об информационно-педагогическом потенциале природы. Вследствие этих условий происходит 1) переориентация подростков и юношей с прагматической на когнитивную и этическую установки в отношении природной среды; 2) персонификация Природы и признание ее подростками и юношами как субъекта образовательного процесса; 3) повышение познавательной активности в отношении природы; 4) стимулирование потребности подростков и юношей в самопознании, саморазвитии, самовоспитании через познание природы; 5) более глубокое осознание подростками и юношами взаимообусловленности явлений в мире.

Методы исследования. Для реализации задач исследования и проверки гипотетических предположения выбраны следующие методы:

- методы теоретического исследования: анализ философской, педагогической, психологической, социологической литературы по проблеме исследования; анализ содержания учебных программ и учебных пособий в рамках естественнонаучных дисциплин с целью суждения об отражении в них эколого-ценностных ориентаций и способов их формирования; эмпирические методы: анализ документов, тестирование, анкетирование, проективный метод, педагогический эксперимент, анализ продуктов творческой деятельности учащихся;

- методы математической статистики и качественного анализа результатов, интерпретационные методы.

Экспериментальной базой исследования служили образовательные учреждения г. Вологды: МОУ «Средняя общеобразовательная школа № 12», МОУ «Профессиональный лицей № 18», и пенитенциарное учреждение Вологодская воспитательная колония. В исследовании принимали участие 150 школьников, 80 учащихся профессионального лицея и 70 воспитанников колонии в возрасте 15-17 лет. На защиту выносятся характеристика информационно-педагогического потенциала природной среды и его роли в процессе формирования экологического сознания личности; описание основных внешних и внутренних факторов формирования экологического сознания личности, имеющих значение для образовательного процесса; характеристика условий использования педагогического потенциала природы в образовательном процессе с целью формирования экологического сознания подростков и юношей.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

- уточнены и проанализированы факторы, влияющие на формирование аспектов экологического сознания подростков и юношей;

- обоснована взаимосвязь оценки информационно-педагогического потенциала природы подростками и юношами с особенностями их отношения к природе и характеристикой целостных представлений о ней как основных аспектов экологического сознания;

- разработан и экспериментально обоснован спецкурс, ведущей идеей которого является использование информационно-педагогического потенциала природы с целью создания условий для формирования экологического сознания подростков и юношей.

Теоретическая значимость исследования заключается:

- в представлении информационно-педагогического потенциала природы как педагогического фактора;

- в обосновании процесса формирования экологического сознания личности через использование информационного-педагогического потенциала природы;

- в определении целесообразности формирования представлений об информационно-педагогическом потенциале природы и возможности его использования в процессе саморазвития подростками и юношами на основании ведущих потребностей и новообразований и возраста.

Практическая значимость исследования отражается в том, что

- уточнены и изучены внешние и внутренние факторы формирования аспектов экологического сознания подростков и юношей, имеющие значение для современного педагогического процесса;

- сформулированы рекомендации содержательного, процессуального и диагностического характера в целях использования информационно-педагогического потенциала природной среды в процессе формирования экологического сознания подростков и юношей;

- разработана и проверена диагностическая методика, которая может применяться в изучении целостных представлений подростков и юношей о природе, лежащих в основе экологического сознания; разработана и апробирована программа спецкурса для старшеклассников, которая может применяться в образовательной практике учебных заведений, обучении подростков и юношей из различных социальных групп.

Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечены соответствием избранной методологии исследуемой проблеме, всесторонним анализом проблемы, использованием комплекса методов и диагностических методик, адекватных задачам исследования, репрезентативностью выборки обследуемых, соответствием экспериментального плана и программы исследования заявленным задачам, проверкой экспериментальных условий в различных условиях, статистической значимостью экспериментальных данных, возможностью повторения инварианта эксперимента в новых условиях обучения и воспитания.

Организация и этапы исследования:

Первый этап (2002 - 2004 г.г.) - осуществлялся подбор и анализ научной и методической литературы по проблеме исследования, разрабатывался понятийный аппарат, проводился анализ и отбор методик исследования, разрабатывалась программа констатирующего этапа эксперимента, определялась экспериментальная база исследования.

Второй этап (2004 - 2005 г.г.) - разрабатывалась и проверялась дополнительная методика диагностики представлений о природе; организовывался констатирующий эксперимент, обрабатывались и обобщались его результаты, разрабатывалась программа формирующего этапа исследования.

Третий этап (2005 - 2006 г.г.) - проводилась экспериментальная работа по проверке гипотезы исследования через реализацию разработанной программы спецкурса в конкретных педагогических условиях общеобразовательной школы и Воспитательной колонии, осуществлялись обработка и анализ данных, полученных в результате экспериментальной работы, систематизация и обобщение результатов всей исследовательской работы, представление их в виде кандидатской диссертации.

Апробация результатов исследования. Основные теоретические положения и результаты были представлены на международной научно-технической конференции «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (Вологда, 2003 г.); межрегиональном фестивале «Здоровая жизнь» (Вологда, 2003 г.); всероссийской научной конференции по проблеме «Вузовская наука региону» (Вологда 2005 г.); всероссийской научно-методической конференции «Модернизация образования. Региональный аспект» (Вологда, 2006 г.); международной научно-практической конференции «Педагогическое образование в педагогических и непедагогических вузах и колледжах» (Москва, 2006 г.), международной научно-практической конференции «Уголовно-исполнительная система сегодня: взаимодействие науки и практики» (Кемерово, 2006 г.), а также на заседаниях методических объединений учителей естественнонаучных дисциплин общеобразовательной школы. Результаты исследования обсуждались на заседаниях кафедры педагогики и лаборатории педагогических исследований Вологодского государственного педагогического университета.

Основные результаты исследования представлены в 7 публикациях автора.

Структура диссертации отражает логику исследования и состоит из введения, двух глав, заключения, библиографии и приложений.

Заключение диссертации научная статья по теме "Общая педагогика, история педагогики и образования"

Результаты исследования позволяют нам подтвердить правомерность сформулированной нами гипотезы и констатировать следующее:

• осознанию и углублению представлений подростков и юношей об информационном потенциале природы способствует расширение арсенала методов познания окружающей среды;

• применение информационно-педагогического потенциала природы в образовательном процессе способствует стимулированию потребности подростков и юношей в самопознании, саморазвитии, самовоспитании через познание природы и признание ее субъектных свойств;

• расширение представлений подростков и юношей об информационном потенциале природы способствует формированию когнитивной, эстетической и этической установок в отношении к природе, а также персонификации природы и признанию ее субъектом взаимодействия, более глубокому осознанию взаимообусловленности явлений в мире, что лежит в основе формирования экологического сознания личности.

Таким образом, результаты эксперимента способствуют обоснованию целесообразности использования информационно-педагогического потенциала природы в образовательном процессе для формирования экологического сознания обучающихся. На основании выше изложенного мы можем рекомендовать:

- в целях формирования экологического сознания учащихся использовать прием расширения их представлений об информационном потенциале природы;

- использовать информационно-педагогический потенциал природы с целью создания условий для эстетического, нравственного, экологического воспитания; стимулирования познавательной активности учащихся, их стремления к самопознанию и саморазвитию через познание окружающего мира; в целом для формирования экологического сознания учащихся через осознание взаимосвязей явлений окружающего мира.

- расширять представления об информационно-педагогическом потенциале природы и возможностях их использования в процессе саморазвития у подростков и юношей на основании потребностей и новообразований возрастного периода;

- представленная программа спецкурса может выступать в качестве основы для реализации перечисленных выше задач в педагогическом процессе с различными социальными категориями подростков и юношей. Но различия в результатах эксперимента свидетельствуют о необходимости адаптации учебного курса в соответствии с особенностями аудитории. При этом программа может использоваться на разных этапах образовательного процесса в зависимости от задач: 1) как самостоятельная программа, ориентированная на содействие развитию личности подростков и юношей; 2) как начальный этап реализации задач экологического образования по обучению ресурсосберегающим способам взаимодействия с природой, направленный на формирование соответствующей мотивации учащихся.

На основании результатов проведенного исследования нам представляются актуальными и целесообразными следующие направления дальнейшего исследования: изучение влияния информационно-педагогического потенциала природы на развитие различных сфер личности человека; расширенное и более детальное изучение факторов, влияющих на формирование представлений о природе учащихся; исследование возможности использования информационно-педагогического потенциала природы в образовательном процессе для формирования экологического сознания обучающихся на различных возрастных этапах и т.д.

Глоссарий

Восприятие - целостное отражение предметов, ситуаций и событий, возникающее при непосредственном воздействии физических раздражителей на рецепторные поверхности органов чувств. Будучи необходимым этапом познания, оно всегда в большей или меньшей степени связано с мышлением, памятью, вниманием, направляется мотивацией и имеет определенную аффективно-эмоциональную окраску [72].

Единство мира - заключается в том, что все существующие в мире предметы и явления представляют собой различные свойства движущейся материи. Единство мира находит свое выражение во всеобщей связи явлений и предметов, в наличии у всех видов материи таких универсальных атрибутов, как движение, пространство, время, способность к саморазвитию, в существовании всеобщих диалектических закономерностей бытия [166].

Идентификация - уподобление (как правило, неосознанное) себя значимому другому как образцу и на основании эмоциональной связи с ним. Посредством механизма идентификации начиная с раннего детства у человека формируются многие черты личности, поведенческие стереотипы и ценностные ориентации [72].

Информация - фундаментальное проявление динамических свойств мира, его структурно-смыслового и качественно-количественного разнообразия [164].

Информационный потенциал природы - возможности природы, определяющие проявление ее динамических свойств, структурно-смыслового и качественно-количественного разнообразия; совокупность сигналов природы, воспринимаемая сенсорными системами человека.

Когнитивный стиль - относительно устойчивые индивидуальные особенности познавательных процессов субъекта, которые выражаются в используемых им познавательных стратегиях [72, 155].

Когнитивная установка в отношении природы - ориентация во взаимодействии с природой на ее познание, изучение [36].

Личность - человек как субъект социальных отношений и сознательной деятельности [72].

Мотивация - побуждения, вызывающие активность индивида и определяющие ее направленность. Мотивация лежит в основе поведения человека [72].

Образ - субъективная картина мира или ее фрагментов, включающая самого субъекта, других людей, пространственное окружение и временную последовательность событий [164].

Объект - фрагмент реальности, на которую направлена активность взаимосвязанного с ней субъекта. Вещи, существующие независимо от субъекта, становятся объектом по мере того, как субъект взаимодействует с ними [164].

Персонификация - наделение животных, растений, отвлеченных понятий, неодушевленных предметов и явлений природы человеческими свойствами, представление их в лицах [72].

Познание - обусловленный законами общественного развития и неразрывно связанный с практикой процесс отражения и воспроизведения в человеческом мышлении действительности [72, 166].

Потенциал - явные и скрытые возможности, ресурсы материального и нематериального характера.

Прагматическая установка в отношении природы - ориентация на восприятие природы с точки зрения оценки ее «полезных» свойств, способствующих удовлетворению потребностей человека [36].

Педагогический потенциал природы - функциональные возможности природы по отношению к реализации процесса развития личности.

Развитие личности - процесс закономерного изменения личности как системного качества индивида в результате его социализации [72].

Самопознание - познание Я, самости в его специфике, условиях и способах реакции, характерных для него, предрасположениях и способностях, силах и границах собственного Я [72].

Саморазвитие - сознательная деятельность, направленная на возможно более полную реализацию человеком себя как личности. Основываясь на активизации механизмов саморегуляции, С. Предполагает наличие ясно осознаваемых целей, идеалов, личностных смыслов [72].

Синергия - совместное действие; взаимодействие различных потенций или видов энергии в целостном действии [164].

Синергетический эффект - комбинированное воздействие двух и более факторов, характеризующееся тем, что совместное действие значительно превышает эффект каждого из компонентов в отдельности и их простой суммы [6]

Синтез - включенный в акты взаимодействия организма со средой процесс практического или мысленного воссоединения целого из частей или соединения различных элементов, сторон объекта в единое целое [164].

Система - множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой, которое образует определенную целостность, единство [165].

Сознание - совокупность когнитивных и эмоциональных образов, непосредственно предстающих перед субъектом в его «внутреннем опыте» и предвосхищающих его практическую деятельность [72].

Субъективное отношение к природе - индивидуальное отношение к природной среде человека, выражающееся в установках, ценностях, мотивах взаимодействия с ней, определяющие характер практических действий в процессе взаимодействия [36].

Холизм - учение о целостности. X. исходит из целостности мира как внешней и всеохватывающей целостности - и в качественном, и в организационном отношении, - целостности, объединяющей область психологической, биологической и физической (внешней) действительности [164].

Ценность - любой объект, в том числе и идеальный, имеющий важное значение для субъекта [164].

Экология - наука, изучающая взаимоотношения организмов друг с другом и со средой их обитания [185].

Экологическое сознание - совокупность когнитивных и эмоциональных образов о взаимосвязи и взаимоотношениях природы, общества и человека [88,185].

Эстетическая установка в отношении природы - ориентация на восприятие чувственно-выразительных элементов природы, стремление к восприятию природы как источника красоты и эстетических переживаний [36].

Этическая установка в отношении природы - ориентация на охрану природы [36].

Заключение

Анализ проблемы исследования показал, что природная среда имеет значительный информационно-педагогический потенциал, который необходимо использовать в образовательном процессе. Гносеологический потенциал любой области знаний составляют информационные и методические характеристики изучаемых объектов. Природная среда как источник знаний представляет совокупность сигналов, определяемых с помощью органов чувств или усиливающих их свойства приборов. Природа обеспечивает холистическое (целостное) изучение объектов и в качестве средства обучения имеет большие возможности, так как привлекает и развивает все органы чувств как каналов познания. Объекты в природе постоянно взаимно влияют друг на друга, поэтому воспринимаются в многообразии свойств и качеств, которые рассматриваются не по отдельности, а в совокупности.

Познание природы, формирование знаний и представлений о ней, как и о любых явлениях объективного мира, происходит на основании деятельности когнитивных каналов человека. Для обогащения представлений об образе природы, обеспечения ее полноценного познания необходимо расширение арсенала методов, средств познания ученика. За счет специфики холистического обучения, когда привлекаются все сенсорные системы, арсенал этих средств обогащается за счет взаимодействия человека с многообразием объектов и условий их существования. Обучение развивается за счет таких приемов, когда транслятором знаний становится не только учитель, но и сама природа (животные, растения, биоценозы и т.д.). Кроме того, учащиеся получают возможность увидеть «приложение» полученных знаний в положительной и негативной форме. Таким образом, любой объект природы предстает перед человеком во всех связях и отношениях. Перечисленные возможности являются благоприятными для реализации целей экологического обучения, и в частности формирования экологического сознания обучающихся.

Природа как педагогический фактор включает в себя функциональные возможности, проявляющихся в ее способности влиять на развитие личности. Согласно средовому и аксиологическому подходам, природа представляется как средство эстетического, этического, нравственного, трудового воспитания, способствует физическому, психическому и личностному развитию человека. Соответственно, природа является ценным фактором социализации личности. Перечисленные возможности природы делают возможным обоснование целесообразности применения информационно-педагогического потенциала природной среды в организации учебно-воспитательного процесса, а при решении актуальных задач экологического образования - в формировании экологического сознания обучающихся.

В содержании современного экологического образования идея формирования экологического сознания обучающихся основана на признании природы как субъекта взаимодействия, изменения ценностных ориентаций с прагматических на непрагматические в отношении природы и осознании взаимосвязи объектов и явлений социоприродной среды. Но данная идея недостаточно реализуется в рамках учебных дисциплин.

Экологическое сознание выступает как феномен, основными компонентами которого являются гносеологический, отражающий совокупность представлений человека о социоприродной среде, и аксиологический, лежащий в основе формирования личностных позиций человека по отношению к этой среде и способов взаимодействия с ней. На процесс формирования экологического сознания оказывают влияние внутренние и внешние факторы, к числу которых относятся индивидуально-психологические и социальные соответственно.

Анализ проблемы позволяет констатировать, что на современном этапе слабо отражены конкретные способы формирования экологического сознания на основе персонификации природы и раскрытия ее информационно-педагогического потенциала в образовательном процессе. На основании актуальных потребностей педагогики является целесообразным включение идей гносеологического подхода в сочетании со средовым, синергетическим и аксиологическим в программы экологического образования молодежи, а также использования возможностей природы в процессе развития личности учащихся. Реализация обозначенных идей представляется возможной при изучении специальных учебных курсов, ориентированных на формирование целостных представлений обучающихся о социоприродной среде, в рамках дополнительного школьного образования.

Результаты эмпирического исследования позволили нам определить возможности и целесообразность использования информационно-педагогического потенциала природы в педагогических условиях с целью формирования экологического сознания подростков и юношей. Анализ результатов формирующего этапа эксперимента свидетельствуют о наличии определенных изменений в установках, мнениях, мотивах участников эксперимента по отношению к природе. Так, в представлениях подростков и юношей природа обрела еще большую степень значимости в качестве источника эстетических переживаний, получив высокую оценку таких свойств, как красота, естественность, гармоничность. Появилось отношение к природе как субъекту взаимодействия. При сравнении природы и человека возросло количество ответов, в которых респонденты не противопоставляют их, а подчеркивают их единство, равноценность и взаимозависимость. При определении своего личного отношения к природе участники эксперимента перенесли акценты на ценность природы как таковой. У части респондентов проявилась ориентация на осуществление идентификации себя с природой, что также может служить одним из механизмов осознания и принятия субъектных свойств природы.

Следует заметить, что в целом в ответах старшеклассников снизился уровень прагматической установки в отношении природы, при этом стала проявляться направленность на самопознание и саморазвитие посредством изучения природы. Среди подростков и юношей сохраняется установка относительно большей ценности природы и отрицательной роли человека в ней, но при этом укрепляется мнение, что человек - ее часть. Анализируя новые оценки подростками и юношами информационного потенциала природы, мы обнаружили, что участники эксперимента расширили арсенал методов познания природы за счет большего использования аудиального канала восприятия. Респонденты чаще стали указывать на то, что в процессе взаимодействия с природой человек может познать не только мир, но и себя, раскрыть свои потенциальные возможности. Важным является факт изменения установки старшеклассников в отношении природоохранной деятельности. Показательно не только то, что старшеклассники осознают значимость деятельности человека и общества в отношении защиты и очищения природы, а проявляют личную готовность и желание осуществлять эту деятельность. Данный факт подтверждает наше предположение о том, что в целом изменение установок в отношении природы, расширение представлений о ней способствует самостоятельному осознанию необходимости изменения личных способов взаимодействия с ней.

Перечисленные факты свидетельствуют, что экспериментальные условия способствовали изменению содержания гносеологического и аксиологического компонентов экологического сознания подростков и юношей, что отражается в проявлении готовности по осуществлению практического взаимодействия с природой и выполнению природоохранной деятельности.

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Грибанова, Елена Сергеевна, Вологда

1. Абдеев Р. Ф. Философия информационной цивилизации / Р. Ф. Абдеев. М.: ВЛАДОС, 1994.

2. Аршинов В. И. Синергетическое познание в контексте проблемы единства двух культур / В. И. Аршинов // Высшее образование в России. 1994. - № 4. - С. 13 - 16.

3. Атраментова Л. А. Введение в психогене гику: учебное пособие / Л.А. Атраментова, О.В. Филипцова. М.: Флинта: Московский психолого-социальный институт, 2004.

4. Баранова Т. Б. Психологические особенности ценностного отношения к природе (на материале 4-10 классов): автореф. дис. . канд. псих, наук. / Т. Б. Баранова:-Киев, 1984.

5. Башин М. Троянский конь на информационных полях / М. Башин // Деловой мир. 1994. - 2 июля.

6. Бганба В. Р. Социальная экология: учеб. пособие / В. Р. Бганба. М.: Высш. шк., 2005.

7. Бганба-Церера В. Р. Становление экологической этики / В. Р. Бганба-Церера.-М., 1992.

8. Безруких М. М., Ефимова С.П. Знаете ли вы своего ученика? / М. М. Безруких, С. П. Ефимова. М.: Просвещение, 1991.

9. Белинский В. Г. Собрание сочинений. Т. 3. / В. Г. Белинский. М., 1987.

10. Ю.Бирюкова Н. А. Проблемы формирования экологического сознания / Н.

11. А. Бирюкова // Педагогика. 2004. - № 10. С. 34 - 41. П.Богуславский М. В. Синергетика и педагогика / М. В. Богуславский //

12. Magister. 1995. - № 2. - С. 89 - 95. 12.Божович Л. И. Личность и ее формирование в детском возрасте / Л. И. Божович. - М., 1968.

13. Буданова Г. Организация дополнительного образования детей в общеобразовательных школах / Г. Буданова, J1. Буйлова, Н. Кленова // Народное образование. 2005. - № 9. С. 68 - 78.

14. Василенко J1. И. Отношение к природе как нравственная проблема. Экология: Пути выживания и развития человечества / JI. И. Василенко. -М., 1998.

15. Василенко Н. Л. О возможностях политической герменевтики / Н. Л. Василенко // Вопросы философии. 1999. - № 6. - С. 28 - 34.

16. Васильев Р. Ф. Охота за информацией / Р. Ф. Васильев. М.: Знание, 1973.

17. Власова Т. И. Диагностика индивидуальной культуры современных школьников (аксиологический подход) / Т. И. Власова // Стандарты и мониторинг в образовании. 2002. - № 2. - С. 32 - 37.

18. Виненко В. Г. Познавательная модель самоорганизации в экологическом образовании / В. Г. Виненко. Саратов, 1998.

19. Виненко В. Г. Синергетика в школе / В. Г. Виненко // Педагогика. -1997.- №2.-С. 55-60.

20. Вовканыч С. И., "Социальный интеллект": метафора или научное понятие / С. Н. Вовканыч, Н. А. Парфенцева // Социс. 1993.

21. Волковысский Р. Педагогика противоречий или педагогика гармонии? / Р. Волковысский //Вестник высшей школы. 2002. - № 3. - С. 15 -16.

22. Вульфов Б. 3. Время взрослых поступков / Б. 3. Вульфов, В. Д. Иванов. -М.: Новая школа, 1993.

23. Гайсин И. Т. Эколого-нравственное воспитание учащихся в процессе изучения естественно-научных дисциплин: автореф. дис. . канд. пед. наук. / И. Т. Гайсин:- Казань, 1995.

24. Гирусов Э. В. Экология и культура / Э. В. Гирусов, И. Ю. Широкова. -М., 1989.

25. Гиппенрейтер Ю. Б. Введение в общую психологию: курс лекций / Ю. Б. Гиппенрейтер. М.: ЧеРо, 1996.

26. Глазачев С. Н. Экологическая культура и образование: очерки социальной экологии / С. Н. Глазачев, Е. А. Когай. М.: Горизонт, 1999.

27. Глазачев С. Н. Экологическая культура учителя: Исследования и разработка экогуманитарной парадигмы / С. Н. Глазачев. М.: Современный писатель, 1998.

28. Глушков В. М. Основы безбумажной информатики / В. М. Глушков. -М.: Политиздат, 1987.

29. Головаха Е. К. Психологическое время личности / Е. К. Головаха, А. А. Кроник. Киев, 1986.

30. Горелов А. А. Экология: учеб. пособие для вузов / А. А. Горелов. М.: Юрайт-М, 2002.

31. Громов Г. Р. Очерки информационной технологии / Г. Р. Громов. М.: ПРИОР, 1993.

32. Гусейнов А. А. Природа как ценность культуры. Экология. Культура. Образование / А. А. Гусейнов. М., 1998.

33. Дерябо С. Д. Методика диагностики и коррекции отношения к природе / С. Д. Дерябо, В. А. Левин. М., 1995.

34. Дерябо С.Д. Экологическая педагогика и психология / С. Д. Дерябо, В. А. Ясвин. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996.

35. Дольник В. Р. Вышли мы все из природы. Беседы о поведении человека в компании птиц, зверей и детей / В. Р. Дольник. М.: LINKA PRESS, 1996.

36. Дрейер О. К. Экология и устойчивое развитие / О. К. Дрейер, В. А. Лось. М., 1997.

37. Дридзе Т. М. Экоантропоцентрическая модель социального познания как путь к преодолению парад и гмального кризиса в социологии / Т. М. Дридзе // Социс. 2000. - № 2. - С. 20 - 27.

38. Дружинин В. Н. Когнитивные способности: Структура. Диагностика. Развитие / В. Н. Дружинин. М.; СПб.: ПЕР СЭ: ИМАТОН - М., 2001.

39. Дубровина И. В. Особенности обучения и психологического развития школьников 13-17 лет / И. В. Дубровина, Б. С. Круглова. М.: Педагогика 1988.

40. Дубровский Е. Н. Информационно-обменные процессы как факторы эволюции общества / Е. Н. Дубровский. М.: МГСУ, 1996.

41. Жариков Е. Познавая себя, человек становится сильнее / Е. Жариков // Воспитание школьников. 1995. -№ 1.-С. 29-33.

42. Жилин Д. М. Теория систем: опыт построения курса / Д. М. Жилин. -М.: Елиториал УРСС, 2003.45.3ахлебный А. Н. Школа и проблемы охраны природы: содержание природоохранного образования / А. Н. Захлебный. М.: Педагогика, 1981.

43. Зверев И. Д. Экологические знания на уроках и после уроков / И. Д. Зверев, А. Н. Захлебный // Народное образование. 1985. -№ 2. - С. 81 -84.

44. Зимняя И. А. Педагогическая психология: учебник для вузов / И. А. Зимняя. Изд. 2-е, доп., испр. и перераб. - М.: Логос, 2002.

45. Зорина JI. Я. Отражение идей самоорганизации в содержании образования / JI. Я. Зорина // Педагогика. 1996. - № 4. - С. 105 - 109.

46. Игнатова В. А. Педагогические аспекты синергетики / В. А. Игнатова // Педагогика. 2001. - № 8.

47. Игнатова В. А. Синергетика как метод познания природы и общества / В. А. Игнатова // Экология и жизнь. 1999. - №2. - С. 26 - 32.

48. Ильченко В. И. Духовно-гуманитарный потенциал естественнонаучных дисциплин / В. И. Ильченко, А. Т. Проказа // Педагогика. 2005. - № 3. - С. 117 - 122.

49. Исаченко А. Г. География в современном мире: кн. для учителя / А. Г. Исаченко. М.: Просвещение, 1989.

50. Каган М. С. Синергетика и Культурология / М. С. Каган // Синергетика и методы науки / под ред. М. А. Басина. СПб., 1998. - С. 219.

51. Каргина М. Проблемы социализации подростков / М. Каргина // Воспитание школьников. 2003. - № 4. - С. 56-57.

52. Киселев Н. Н. Мировоззрение и экология /Н. Н. Киселев. Киев: Наук думка, 1990.

53. Клаус Г. Введение в дифференциальную психологию учения / Г. Клаус.-М.: Педагогика, 1987.

54. Князева Е. Н. Антропный принцип в синергетике / Е. Н. Князева, С. П. Курдюмов // Вопросы философии. 1997. - № 3.

55. Князева Е. Н. Интуиция как самодостраивание / Е. Н. Князева, С. П. Курдюмов // Вопросы философии. 1994. - № 2. - С. 32 - 41.

56. Князева Е. Н. Синергетика как средство интеграции естественнонаучного и гуманитарного образования / Е. Н. Князева, С. П. Курдюмов // Высшее образование в России. 1994. - № 4. - С. 31 -36.

57. Ковалев А. М. Изменяющийся и самоорганизующийся мир / А. М. Ковалев. М., 1999.

58. Когай Е. А. Экологическая парадигма культуры и образования / Е. А. Когай // Социально-гуманитарные знания. 2002. - № 4. - С. 18-19.

59. Козлова О. Н. Гуманизация и экологизация образования: соотношение тенденций / О. Н. Козлова, С. Н. Глазачев // Философия экологического образования / Под. общ. Ред. И. К. Лисеева. М.: прогресс-Традиция, 2001.

60. Колин К. Информатизация образования: новые приоритеты / К. Колин // Вестник высшей школы. 2002. - № 2. - С. 16 - 22.

61. Колин К. Социальная информатика научная база постиндустриального общества / К. Колин // Социальная информатика. -М., 1994.

62. Кон И. С. Психология ранней юности / И. С. Кон. М.: Просвещение, 1989.

63. Кон И. С. Психология старшеклассника / И. С. Кон. М: Просвещение, 1980.

64. Корнилова Т. В. Подходы к изучению когнитивных стилей: двадцать лет спустя / Т. В. Корнилова, Г. М. Парамей // Вопросы психологии. -1989.-№6.-С. 140- 147.

65. Корсакова Н. К. Неуспевающие дети: нейропсихологическая диагностика трудностей в обучении младших школьников / Н. К. Корсакова, Ю. В. Микадзе, Е. Ю. Балашова. Изд. 2-е, доп. - М.: Педагогическое общество России, 2001.

66. Кочергин А. Н. Системный подход и экологическое сознание / А. Н. Кочергин, Э. Р. Барбашина // Система «общество природа». Проблемы и перспективы. - М., 1983.

67. Кочергин А. И. Экологическое знание и сознание: особенности формирования / А. И. Кочергин, Ю. Г. Марков, Н. Г. Васильев. -Новосибирск: Наука Сиб. отд., 1987.

68. Кочетов А. Н. Интеллектуальный потенциал общества / А. Н. Кочетов. Саратов, 1991.

69. Краткий психологический словарь / сост. JI. А. Карпенко; под общ. ред. А. В. Петровского, М. Г. Ярошевского. М.: Политиздат, 1985.

70. Краткий психологический словарь / ред.-сост. Л. А. Карпенко; под общ. ред. А. В. Петровского, М. Г. Ярошевского. 2-е изд., расш., испр. и доп. - Ростов н/Д: Феникс, 1999.

71. Красота и мозг. Биологические аспекты эстетики: пер. с англ./ под ред. И. Ренчлера, Б. Херцбергер, Д. Эпстайна. М.: Мир, 1995.

72. Кузнецова Ю. И. Формирование ценностного отношения к экологическим знаниям у учащихся 8-9 классов средней школы: автореф. дис. канд. пед. наук. / Ю. И. Кузнецова:-М., 1995.

73. Кэмпбелл Д. Дж. Эффект Моцарта / Д. Дж. Кэмпбелл / пер. с англ. Л. М. Щукина; худ. обл. М. В. Драко. М.: Поппури, 1999.

74. Ливер Бетти Лу. Обучение всего класса / Бетти Лу Ливер / пер. с англ. О. Е. Биченковой М.: Новая школа, 1995.

75. Лурьев С. В. Историческая этнология, учебное пособие для вузов / С. В. Лурьев. М.: Аспект Пресс. - 1997.

76. Львова В. Ю. Формирование экологической культуры у подростков в учебно-воспитательном процессе средней общеобразовательной школы: дис. . канд. пед. наук: 13.00.01. / В. Ю. Львова. Чебоксары, 1998.

77. Майнцер К. Сложность и самоорганизация / К. Майнцер // Вопросы философии. 1997. - № 3.

78. Маловидченко Т. А. Формирование экологической воспитанности старших подростков в школе: автореф. дис. . канд. пед. наук. / Т. А. Маловидченко:-М., 1999.

79. Мамедов Н. М. Проблемы экологии: некоторые актуальные аспекты / Н. М. Мамедов.-М., 1989.

80. Мамедов В. Н. Экологическая культура, образование / В. Н. Мамедов. М.: РЭФИА, 1996.

81. Мандельштам JI. И. Лекции по колебаниям / Л. И. Мандельштам. М.: Изд-во АН СССР, 1955.

82. Мануйлов Ю. С. Средовой подход в воспитании / Ю. С. Мануйлов // Педагогика. 2000. - №7. - С. 36 - 41.

83. Марков Ю. Г. Социальная экология. Взаимодействие общества и природы: учеб. пособие / Ю. Г. Марков. 2-е изд., испр. и доп. -Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004.

84. Маркович Д. Ж. Социальная экология / Д. Ж. Маркович. М., 1997.

85. Медведев В. И. Экологическое сознание: учеб. пособие / В. И. Медведев, А. А. Алдашева . Изд. 2-е, доп. М.: Логос, 2001.

86. Медведева Г. П. Аксиологические аспекты социальной работы / Г. П. Медведева. Н. Новгород: Изд-во НИСОЦ, 2004.

87. Медведева Е. А. Основы информационной культуры (программа курса для вузов) / Е. А. Медведева // Социс. 1994. -№11.

88. Мильков Т. Ф. Общее землеведение / Т. Ф. Мильков. М.: Высш. школа, 1990.

89. Миславский Ю. А. Саморегуляция и активность личности в юношеском возрасте / Ю. А. Миславский. М.: Педагогика, 1991.

90. Михайловский В. Н. Формирование научной картины мира и информатизация / В. Н. Михайловский СПб., 1994.

91. Моисеев Н. Н. Человек, среда, общество / Н. Н. Моисеев. М., 1982.

92. Мудрик А. В. Время поисков и решений, или старшеклассникам о них самих / А. В. Мудрик. М.: Просвещение, 1990.

93. Мухина В. С. Возрастная психология: феноменология развития, детство, отрочество: учебник для студ. Вузов / В. С. Мухина. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Академия, 2001.

94. Назарова Т. С. «Синергетический синдром» в педагогике / Т. С. Назарова, В. С. Шаповаленко // Педагогика. 2001. - № 3.

95. Налимов В. В. Спонтанность сознания. Вероятностная теория смыслов и смысловая архитектоника личности / В. В. Налимов. М., 1989.

96. Неменский Б. М. Мудрость красоты: о проблемах эстетического воспитания / Б. М. Неменский. М., 1981.

97. Нефедова С. Н. Образ природы как компонент поэтической модели мира (на материале произведений В. М. Шукшина): дис. . канд. филос. наук: 10.02.01./С. Н. Нефедова. Северодвинск, 2001.

98. Никитин Д. П. Окружающая среда и человек / Д. П. Никитин, Ю. В. Новиков.-М., 1986.

99. Николис Дж. Хаотическая динамика лингвистических процессов и образование паттернов в поведении человека / Дж. Николис // Вопросы философии. 1997. -№ 3.

100. Ногтева Е. Ю. Аксиологические основы развития экологической культуры учащихся в процессе обучения: дис. . канд. пед. наук: 13.00.01. / Е. Ю. Ногтева. Вологда, ВГПУ, 2001.

101. Ногтева Е. Ю. Развитие экологической культуры учащихся / Е. Ю. Ногтева, И. Д. Лушников. Вологда, 2004.

102. Новикова Л. И. Воспитание как педагогическая категория / Л. И. Новикова // Педагогика. 2000. - № 6. - С. 28 - 34.

103. Оганов А. А. Эстетическое в системе духовных ценностей / А. А. Оганов // Философия. 2002. - № 5. - С. 59 - 70.

104. Ожерельева О. Тендерные различия в когнитивных стратегиях переработки информации / О. Ожерельева // Вестник НСО. Сер. «Психолого-педагогические науки». Вып. 3. Вологда: Русь, 2005. - С. 50-51.

105. Орехов А. М. Информатизация общества информационное общество / А. М. Орехов // Социальная информатика. - М., 1993.

106. Отношение школьников к природе / Под ред. И. Д. Зверева, И. Т. Суравегиной. М.: Педагогика, 1981.

107. Педагогика: учеб. пособ. для студ. пед. учебных заведений / В. А. Сластенин, И. Ф. Исаев, А. И. Мищенко, Е. Н. Шиянов. 4-е изд. - М.: Школьная Пресса, 2002.

108. Песоцкий Ю. С. Высокотехнологическая образовательная среда: принципы проектирования / Ю. С. Песоцкий // Педагогика. 2002 - № 5.-С. 36-40.

109. Петров К. М. Общая экология: взаимодействие общества и природы / К. М. Петров. СПб., 1997.

110. Петровский А. В. Введение в психологию / А. В. Петровский. М., 1998.

111. Пищелко А. В. Социально-педагогические основы нравственного перевоспитания осужденных: учебное пособие / А. В. Пищелко. М., 1992.

112. Платонов Г. В. Диалектика взаимодействия общества и природы / Г. В. Платонов. М.: МГУ, 1989.

113. Полянов Л. Я. Проблемы формирования экологического сознания и поведения в урбанизированной сфере / Л. Я. Полянов. СПб, 1996.

114. Поромонов Е. А. Разработка образовательных стандартов в Вологодском регионе / Е. А. Поромонов, В. В. Судаков // Источник. -1997. № 5 - 6. С. 18.

115. Поярова Т. А. Индивидуальный подход как учет когнитивных стилей обучающихся / Т. А. Поярова // Государственные стандарты профессионального образования и новые технологии обучения в вузе. -Вологда: Русь, 1996. С. 50 52.

116. Практикум по общей экспериментальной и прикладной психологии / под ред. А. А. Крылова и С. А. Маничева СПб: Питер, 2000.

117. Практическая психология образования: учеб. для студ. высш. и сред, спец. учеб. завед. / под ред. И.В. Дубровиной. М.: Сфера, 1997.

118. Практическая экология в работе со школьниками: информационный экодайджест. Вып. 1. / сост. Л. А. Коробейникова, А. Н. Ласточкин; под. ред. проф. Л. А. Коробейниковой. Вологда: ВИРО, 2000.

119. Пригожин И. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках / И. Пригожин. М., 1985.

120. Пригожин И. Время, хаос, квант: К решению парадокса времени / И. Пригожин, И. Стингере. М., 1994.

121. Пригожин И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой / Пригожин, И. Стингере. М., 1986.

122. Прокопов М. П. Организация нравственного воспитания осужденных в НТК / М. П. прокопов, Н. С. Фомин. М., 1980.

123. Психологические портреты персонала: типология и диагностика: учеб. пособие / под ред. Ю. П. Платонова СПб.: Речь, 2003.

124. Рабочая книга школьного психолога / под ред. И. В. Дубровиной. -М.: Просвещение, 1991.

125. Равич-Щербо И. В. Психогенетика, учебник / И. В. Равич-Щербо, Т. М. Марютина, Е. Л. Григоренко; под ред. И. В. Равич-Щербо М.: Аспект Пресс, 2000.

126. Ракитина Е. А. Информационные поля в учебной деятельности / Е. А. Ракитина, В. 10. Лыскова // Информатика и образование. 1999. -№ 1.

127. Раттер М. Помощь трудным детям : пер. с англ. / М. Раттер; общ. ред.

128. A. С. Спиваковской; предисл. О. В. Баженовой и А. Я. Варга. М.: Прогресс, 1987.

129. Рейзема Я. В. Информатика социального отражения (информационные и социальные основания общественного разума) / Я.

130. B. Рейзема. М.: Наука, 1990.

131. Реймерс Н. Ф. Начало экологических знаний / Н. Ф. Реймерс. М., 1993.

132. Робертсон Д. С. Информационная революция // Информационная революция: наука, экономика, технология: реферат, сб./ Д. С. Робертсон; ИНИОН РАН. М., 1993.

133. Родионова И. А. Глобальные проблемы человечества / И. А. Родионова. М., 1995.

134. Родоман Б. Ведаем ли мы, что творим, или Пейзаж России / Б. родоман // Знание сила. - 1990. - № 10.

135. Романов А. А. Экологические и духовно-нравственные аспекты изучения литературы в средней школе: материалы в помощь учителю и методисту / А. А. Романов; под ред. проф. С. Ю. Баранова, д.п.н, проф. JI. А. Коробейниковой. Вологда, 2004.

136. Ротенберг В. С. Мозг. Обучение. Здоровье: кн. для учителя / В. С. Ротенберг, С. М. Бондаренко. М.: Просвещение, 1989.

137. Рубинштейн С. JI. Основы общей психологии. В 2-х т. Т. 1. М., 1989.

138. Рубинштейн С. JI. Самосознание личности и ее жизненный путь / С. JI. Рубинштейн // Психология личности. Тексты. М., 1982.

139. Рузавин Г. И. Синергетика и диалектическая концепция развития / Г. И. Рузавин // Флософские науки. 1989. - № 5. - С. 11 - 21.

140. Самохин Ю. С. К вопросу об экологическом мышлении / Ю. С. Самохин // Стандарты и мониторинг в образовании. 2002. - № 6. - С. 19-24.

141. Самохин Ю. С. Преодоление антропоцентризма в экологической подготовке студента-географа / Ю. С. Самохин // межвузовский сборник научных трудов. Владимир. - 2001.

142. Селевко Г. Уклад жизнедеятельности современной школы / Г. Селевко, О. Соловьева // Народное образование. 2006. - № 1. С. 185.

143. Селиванова Н. JI. Воспитание: теория и реальность / Н. JI. Селиванова // Известия РАО. 1999. - №2.

144. Селиванова Н. JI. Современные представления о воспитательном пространстве / Н. JI. Селиванова // Педагогика. 2000. - № 6. - С. 35 -39.

145. Сиротюк A. JI. Обучение детей с разным типом мышления / A. JI. Сиротюк // Школьный психолог: приложение к газете «Первое сентября». 2000. - № 38.

146. Ситаров В. А. Социальная экология: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / В. А. Ситаров, В. В. Пустовойтов. М.: Академия, 2000.

147. Словарь иностранных слов. 14-е изд., испр. М.: Рус. яз., 1987.

148. Современная западная философия: словарь. М.: Изд-во полит, литературы, 1991.

149. Соколов А. В. Феномен информатики и псевдофеномен информации / А. В. Соколов // Вестник ВОИВТ. 1990. - № 3.

150. Соколов А. В. Эволюция социальных коммуникаций / А. В. Соколов. -СПб, 1995.

151. Солдаткина И. Ю. Формирование экологической культуры личности как проблема экологического воспитания: дис. . канд. филос. наук: 10.02.01. / И. Ю. Солдаткина. -М., 1985.

152. Соломкина М. А. Экологическое сознание: Понятие, типология, интерпретация / М. А. Соломкина // Экология человека. 2000. - № 2. -С. 49-50.

153. Солсо P. JI. Когнитивная психология / P. JI. Солсо. М.: Тривола, 1996.

154. Сухомлинский В. А. Рождение гражданина / В. А. Сухомлинский. -М., 1971.

155. Таланчук Н.М. Системно-синергетическая концепция педагогики и учебно-воспитательного процесса. Казань. - 1993.

156. Тихомиров Ю. Геополитические императивы безопасности / Ю. Тихомиров // Высшее образование в России. 2004. - № 9. С. 159.

157. Тоффлер О. Смещение власти: знание, богатство и принуждение на пороге XXI века / О. Тоффлер. М.: Изд-во АН СССР, 1991.

158. Ухтомский А. А. Письма / А. А. Ухтомский. М.: Новый мир, 1973.

159. Фельдштейн Д . И. Психология становления личности / Д. И. Фельдштейн. М.: Международная педагогическая академия, 1994.

160. Фетискин Н. П. Социально-психологическая диагностика развития личности и малых групп / Н. А. Фетискин, В. В. Козлов, Г. М. Мануйлов. М., изд-во Института Психотерапии, 2002.

161. Физиология человека. В 3-х т. Т. 1.: пер. с англ. / под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. М.: Мир, 1996.

162. Философский словарь. М., 1991.

163. Философский словарь / под ред. М. М. Розенталя. 3-е изд. - М.: Политиздат, 1975.

164. Философский словарь / под. ред. И. Т. Фролова. 5-е изд. М.: Политиздат, 1987.

165. Флоренская Т. А. Мир дома твоего. Человек в решении жизненных проблем / Т. А. Флоренская. М.: Русский Хронографъ, 2004.

166. Хайек Ф.А. Контрреволюция науки. (Этюды о злоупотреблениях разумом) Электронный ресурс. Режим доступа: http. // www.libertariurn.ru/libertariurn . 10181.

167. Холодная М. А. Когнитивные стили и интеллектуальные способности / М. А. Холодная // Психологический журнал. 1992. - № 3. - С. 84 -93.

168. Холодная М. А. Когнитивный стиль как квадриполярное измерение / М. А. Холодная // Психологический журнал. 2000. - № 4. - С. 46 - 56.

169. Холодная М. А. Когнитивные стили как проявление своеобразия индивидуального интеллекта / М. А. Холодная. Киев, 1990.

170. Холодная М. А. Когнитивные стили: О природе индивидуального ума. учеб. пособие / М. А. Холодная. М.: ПЕР СЭ, 2002.

171. Холодная М. А. Психологический статус когнитивных стилей: предпочтения или «другие» способности? / М. А. Холодная // Психологический журнал. 1996. - № 1. - С. 61 - 69.

172. Хомская Е. Д. Нейропсихология индивидуальных различий / Е. Д. Хомская и др.. Российское педагогическое агентство. М., 1997

173. Хоффман У. Система аксиом математической биологии / У. Хоффман // Кибернетический сборник. Вып. 12. - М.: Мир, 1975. - С. 184 - 207.

174. Цветкова И. В. Экологическое воспитание младших школьников: Теория и методика внеурочной работы / И. В. Цветкова. М.: Педагогическое общество России, 2000.

175. Чуприкова Н. И. Связь показателей интеллекта и когнитивной дифференцированности у младших школьников / Н. И. Чуприкова, Т.

176. A. Ратанова // Вопросы психологии. 1995. - № 3. - С. 104 - 118.

177. Шевандрин Н. И. Психодиагностика, коррекция и развитие личности /

178. H. И. Шевандрин. М.: ВЛАДОС, 1998.

179. Шевелева С. С. К становлению синергетической модели образования / С. С. Шевелева // Общественные науки и современность. 1997. -№1.-С. 125- 133.

180. Школа и здоровье учащихся: Валеолого-педагогическая консультация для организаторов здоровьесберегающей деятельности / Составители:

181. B. В. Соколов, М. Н. Попов, А. В. Старостина, Л. А. Коробейникова, Б. Б.Быков / под. редакцией проф. Л. А. Коробейниковой. Вологда, 2006.

182. Шнейдер Л. Б. Основы психодиагностики: учеб.-методич. пособие. 1 часть / Л. Б. Шнейдер М.: МОСУ, 1994.

183. Шрейдер Ю. А. Проблемы развития инфосферы и интеллект специалиста / Ю. А. Шрейдер // Интеллектуальная культура специалиста. Новосибирск: Наука, 1988.

184. Штейн С. О психологии общения с подростками / С. Штейн // Воспитание школьников. 2001. - № 3 - 4. - С. 34 - 38.

185. Экологический подход к зрительному восприятию. М.: Прогресс, 1988.

186. Экологический энциклопедический словарь. М., 1999.

187. Экологическое образование школьников / под ред. И. Д. Зверева, И. Т. Суравегиной; Науч.-исслед. ин-т содержания и методов обучения Акад. пед. наук СССР. М.: Педагогика, 1983.

188. Экология вокруг нас: факультативный исследовательский практикум для учащихся 8-11 классов / сост. и ред. проф. Л. А Коробейникова. -Вологда: ВИРО, 2003.

189. Эксперимент и квазиэксперимент в психологии: учебное пособие / под ред Т.В. Корниловой СПб.: Питер, 2004.

190. Экхольм Э. Окружающая среда и здоровье человека / Э. Экхольм. -М., 1980.

191. Юрчук В. В. Современный словарь по психологии / авт. Сост. В. В. Юрчук. Мн.: Элайда, 2000.

192. Левин В. А. Психология в отношении к природе / В. А. Левин. М.: Смысл, 2000.