Диссертация (Компьютерное моделирование фазового равновесия в системах жесткоцепных полимеров и сополимеров), страница 8

Связано это с тем, что в белковых глобулахгидрофильные звенья располагаются преимущественно на поверхности глобулы, агидрофобные формируют ядро. Поэтому корреляции в АВ- последовательности, котораяопределена таким образом, зависят от конформации глобулы как целого, т.е. от третичнойструктуры белка, и должны быть охарактеризованы как крупномасштабные. Исследованиесополимеров такого типа является актуальной задачей физико-химии полимеров.Идея предложенного в 1998 году в работах [328-330] (одна из работ входит всписок публикаций по теме настоящей диссертации) метода конформационно-зависимогосинтезасополимеровосновананатакназываемомбиомиметическомподходе.Уникальные свойства биополимеров появились в результате долгой биологическойэволюции.

В частности, в процессе этой эволюции были сформированы первичныепоследовательности мономерных звеньев в глобулярных белках, в которых закодированауникальная нативная структура белка и все его биологические функциональные свойства.Эти первичные последовательности также претерпели долгую эволюцию, т.е. на раннихстадиях эволюции они были, по-видимому, намного менее сложными, что должно было26проявляться в более простых функциях тех ранних предшественников современныхбиополимеров. В методе конформационно-зависимого синтеза сополимеров задачасостояла не в имитации реальных биополимеров на синтетических полимерных системах(это слишком сложная задача), а в получении лучших представлений о принципахбиологической эволюции последовательностей гетерополимеров на ранних стадиях и вприменении этих принципов к синтетическим сополимерам с целью получения систем,которые обладали бы специальными сложными функциональными свойствами.

Такойподход можно назвать (по аналогии) "биоэволюционной миметикой (имитацией)".Конечно, степень сложности функций, которые можно ожидать "привить" синтетическимсополимерам в рамках такого подхода, будет намного меньше, чем у современныхбиополимеров, но, тем не менее, сополимеры с такими специально синтезированнымипервичными последовательностями могут, как ожидается, обладать многими полезнымифункциями (в отличие от статистически случайных сополимеров).

Функции всехглобулярных белков определяются двумя главными факторами: 1) они являютсяглобулярными; 2) они растворимы в воде благодаря своей специфической первичнойпоследовательности: в нативной конформации большинство гидрофобных мономерныхзвеньев лежит во внутреннем ядре глобулы, в то время как гидрофильные звенья образуютвнешнюю оболочку. Конечно, разделение мономерных звеньев (аминокислот) 20 типоввсего на 2 класса (гидрофильные и гидрофобные) является весьма грубым, но дает болееили менее правильную картину общей структуры глобулярного белка. Имея в видуописанный выше подход "биоэволюционной имитации", можно исследовать проблемувозможности дизайна (создания) такой первичной последовательности синтетическогоАВ-сополимера (т.е.

сополимера, состоящего из мономерных звеньев только 2 сортов),чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации гидрофобные В-звенья находилисьбы в ядре, а гидрофильные А-звенья образовывали бы внешнюю оболочку глобулы. Этапроблема была впервые теоретически рассмотрена и промоделирована в компьютерномэкспериментевработе[328],исоответствующиесополимерыбылиназваны"белковоподобными". После этого данная модель получила дальнейшее развитие вработах [329-330].

Наиболее полный обзор этого метода и связанных с ним направленийисследования можно найти в работе [331].27a)b)c)d)Рис. 1. Общая схема конформационно-зависимого дизайна последовательностей:конформация гомополимерного клубка (a), плотная глобулярная конформацияполимерной цепи после коллапса (b), задание звеньям цепи типа А или типа В взависимости от их положения в глобуле (c), цепь сополимера с первичнойпоследовательностью, созданной на основе конкретной глобулярной конформации (d).Был использован следующий способ создания в компьютерном экспериментепервичной последовательности цепи (рис.1): сначала приготавливается обычная глобулаиз гомополимерной цепи, затем звеньям, лежащим на поверхности глобулы присваиваетсясорт А, а звеньям, попавшим в центральное ядро глобулы присваивается сорт В.

Вприготовленнойтакимобразомсополимернойцепочкезадаютсяпотенциалывзаимодействия звеньев этих двух разных сортов друг с другом и с растворителем, послечего рассматривается состояние такой новой макромолекулы. Необходимо заметить, чтобелковоподобныепоследовательности"отредактированными"попоследовательностями.Ониявляютсясравнениювполнесомогутужевзначительнойстатистическимипредставлятьстепени(случайными)первуюступеньбиомолекулярного эволюционного отбора, т.к. чтобы выполнять сложные функцииглобулы должны быть как минимум растворимыми в воде. Поэтому изучение АВсополимеров с такими последовательностями представляет собой простейшую начальнуюзадачу в рамках подхода "биоэволюционной имитации".281.3.2. Теория и компьютерное моделирование сополимеров из гибких и жесткихблоковСополимеры из гибких и жестких блоков. Весьма перспективным направлениемисследований является моделирование сополимеров из гибких и жестких блоков.

С однойстороны, морфологии многих биополимеров устроены по принципу сочетания жестких иполужестких частей (например, α-спиралей, β-слоев) с гибкими клубковыми участками,что дает стабильную пространственную структуру, которая при этом еще и кинетическидостижима [157]. С другой стороны, системы блок-сополимеров, состоящих из гибких ижестких блоков, имеют большой потенциал практического использования в органическойэлектронике, благодаря их способности формировать хорошо упорядоченные иконтролируемые гетероструктуры [158].

В отличие от двойной спирали ДНК, котораяимеет большую жесткость, каждая из двух цепочек по отдельности является гибкой.Способность одноцепочечной ДНК связываться не только с комплементарной ей цепью,но и с короткими участками комплементарной цепочки, имеющими подходящуюпоследовательность нуклеотидов, стимулировало появление нового направления в ДНКтехнологиях, получившей название ДНК-оригами [159]. Если гибкая однонитевая ДНКсвяжется с несколькими короткими цепочками, комплементарными ей в определенныхместах вдоль по последовательности, причем эти участки связывания не обязательноследуют непосредственно друг за другом, то образуется макромолекула, состоящая изгибких и жестких участков, которая может затем быть уложена в специально создаваемыенетривиальные двумерные или трехмерные структуры, причем этим процессом можноуправлять (см.

недавний обзор [160]). В случае синтетических полимеров можно пытатьсяследовать этой стратегии, управляя процессом формирования структуры при коллапсецепи. Как известно, гомополимеры коллапсируют в бесструктурные компактные капли, ажесткоцепныегомополимеры,как,например,ДНК,образуютоднородноструктурированные глобулы, как, например, тор или цилиндр. Простейшие глобулярныеконформации с неоднородной внутренней структурой могут быть получены, например,при коллапсе мультиблок-сополимеров, состоящих из гибких и жестких блоков.

Первыепопытки моделирования таких систем [161, 162] показали большое разнообразиевозникающих морфологий, но в этих работах блоки отличались не только жесткостью, нои параметрами объемного взаимодействия. Систематического исследования фазовойдиаграммы систем блок-сополимеров из гибких и жестких блоков, идентичных друг сточки зрения объемного взаимодействия, в компьютерном моделировании до настоящеговремени не проводилось. Другими важными аспектами, которые должны учитываться вмоделях,претендующихнаописаниебиополимеров,29являютсяспецифическиевнутрицепные потенциалы и топологическая структура глобул. Недавние экспериментыпо хроматину [163] и компьютерное моделирование очень длинных макромолекул [164] санализом внутренней фрактальной структуры, получающейся в ходе различных процедурприготовления глобулы (неравновесной и равновесной), подняли интерес к концепциискладчатой глобулы [165].

Влияние внутрицепной жесткости на фрактальную структуруглобулы пока еще детально не исследовалось. Топологические ограничения (узлы) влияютне только на динамику, но и на равновесные свойства макромолекул [166], причемповышение жесткости может даже способствовать образованию узлов [167]. Модели соспециальнымивнутрицепнымипотенциалами,которыевызываютформированиеспиралей или внутрицепных агрегатов, как элементов жесткости, исследовались,например, в работе [168].1.4. Растворы жесткоцепных макромолекул1.4.1. Растворы жесткоцепных полимеров в объеме – ЖК упорядочениеФазовый переход в ЖК состояние в полимерных системах [1, 2, 3] широко изучалсяэкспериментально [143-150], теоретически [44, 151-166] и с помощью компьютерногомоделирования [167-188].Согласно теоретическим оценкам [44, 153, 160, 162] вид фазовой диаграммыраствора лиотропного ЖК полимера, сильно зависит от жесткости макромолекул,механизма гибкости и качества растворителя (рис.2).