Исследование структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах, страница 2

В полиэлектролитах ДНК формируется характерное аксиальноераспределение противоионов и ионов соли, формирующее эффективноеэлектростатическое поле в окрестности макроцепи, способное влиять на кинетикуреакций малых ионов на цепи ДНК.Апробация результатов. Основные положения и результаты работыдокладывались и обсуждались на 8 научно-практических конференциях, из которых4 – с международным участием.

В том числе: всероссийской научно-практическойконференции «Интеграция науки и образования как условие повышения качестваподготовки специалистов» (Оренбург, 2008), всероссийской научно-практическойконференции «Многопрофильный университет как региональный центробразования и науки» (Оренбург, 2009), международной конференции «Organicnanophotonics» (St. Petersburg, 2009), международной конференции «Фотоникамолекулярных наноструктур» (Оренбург, 2009), всероссийской научнопрактическая конференции «Интеграция науки и практики в профессиональномразвитии педагога» (Оренбург, 2010), международной конференции «Опто-,наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2010),международной конференции «Прочность и разрушение материалов иконструкций» (Оренбург, 2010), международном саммите проекта «Open Cirrus»(Москва, 2011), всероссийской конференции «Фотоника органических и гибридныхнаноструктур» (Черноголовка, 2011).

Основные положения диссертационнойработы отражены в 16 публикациях.Участие в научных проектахАвтор диссертации являлся одним из исполнителей следующих научныхпроектов, результаты которых частично вошли в материалы диссертации:«Исследование трансформации энергии электронного возбуждения в молекулярныхсистемах, конденсированных на поверхности твердых диэлектриков» (Заданиеминистерства образования и науки РФ №1.3.06), ФЦП «Исследования и разработкипо приоритетным направлениям развития научно-технологического комплексаРоссии на 2007 - 2012 годы»: «Разработка научных основ технологии созданиянаноструктурированныхматериаловсиспользованиембиополимеров»(Госконтракт № 02.5.13.11.3086), «Создание функциональных наносистем наоснове ячеечных структур оксида алюминия, заполненных окрашеннымимакромолекулярными цепями с селективным фотооткликом» (РФФИ проект № 0802-99035-р_офи), «Разработка лазерной технологии локального концентрированияфотоактивированных реагентов в структурах функциональных наносистем» (РФФИпроект № 10-02-96021), «Разработка методов создания функциональныхнаноустройств для датчика – измерителя молекулярного кислорода сдистанционным мониторингом состояний по оптическому каналу» (ГК №16.513.11.3015), «Разработка методов формирования упорядоченных массивовнаноструктур на основе оксида алюминия для люминесцентных сенсоровкислорода» (Госконтракт № 16.513.11.3042).Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения, списка использованных источников. Работа изложена на 189страницах, в том числе: основной текст на 170 страницах, 102 рисунка, списокиспользованных источников из 180 наименований на 19 страницах.7СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель изадачи работы.Перваяглавапосвященамолекулярно-динамическому(МД)истатистическому подходам в проблеме описания конформационных перестроекмакроцепных структур, а также математическим моделям кинетики реакций внаноструктурах. В ней представлен литературный обзор по МД-методам и ихприменению к изучению динамики макромолекул.Приведена статистическая теория распределения плотности звеньевполимерной цепи на поверхностях адсорбентов, предложенная Гросбергом А.Ю.

иХохловым А.Р. [1]. Согласно этой теории, в поле V (r ) поверхности описаниепространственного распределения звеньев сводится к нахождению решенияуравнения, аналогичного стационарному уравнению Шредингера:(a 2 / 6) 2 (r )  [(V (r )   ) / kT ] (r ) ,(1)где a – размер мономера,  – свободная энергия, приходящаяся на однучастицу,  2 – оператор Лапласа, r – радиус-вектор точки над поверхностью.Квадрат функции  (r ) определяет плотность n(r ) звеньев макроцепи:n(r)  const  2 (r) .(2)Кроме того, в первой главе рассмотрена кинетика двустадийныхлазероиндуцированных реакций с участием электронных возбуждений,локализованных на малых молекулах двух сортов (органический люминофор икислород), которые протекают в слое из звеньев полимерной цепи,адсорбированной на различных поверхностях твердого тела или размещенной внанопоре.

Молекулы красителей адсорбированы цепью однородно по ее длине, прилазерной активации системы часть из них трансформируется в триплетные (Т)электронно-возбужденные состояния, пространственное распределение ихконцентрации будет повторять распределение плотности звеньев. Показано, чтонеоднородное распределение концентрации молекул красителей оказываетсущественное влияние на формирование в нанообласти специфической кинетикифотореакций с их участием.Вторая глава посвящена вопросам конформационной динамики ираспределению звеньев макромолекулы полипептида при ее адсорбции накристаллических поверхностях и в полостях твердых адсорбентов.Расчеты методом МД проводились с помощью программного комплексаNAMD 2.7 [3] на кластере Оренбургского государственного университета,состоящего из 6 2-х процессорных узлов (Intel Xeon 3.2 ГГц), ОЗУ 2 Гб (всего 12ядер), 4 четырехпроцессорных узлов (Intel Xeon 5440), ОЗУ 16 Гб (32 ядра),суммарная пиковая производительность кластера составляет 451,6 Гфлопс/с.Для исследования конформационной динамики макромолекулы полипептиданад плоской поверхностью адсорбента использовались: макромолекула, состоящаяиз 70 первых аминокислотных звеньев лизоцима (фрагмент лизоцима),8макромолекула, состоящая из 73 первых аминокислотных звеньев альфа-цепигемоглобина (фрагмент гемоглобина), а также полипептид, подобный лизоциму(129 звеньев), все в β-конформации.

В качестве адсорбента использовались плоскиеподложки кристалла кварца, графита и графена. В начале моделирования фрагментлизоцима (гемоглобина) был вытянут в прямую линию и располагался примерно нарасстоянии 1 нм вдоль поверхности кристалла, а подобный лизоциму полипептидбыла свернут в клубок и располагался на некотором расстоянии от поверхности.Расчеты были выполнены с использованием силового поля CHARMM22 сдобавлением параметров потенциала Леннард-Джонса для кремния. Производилосьпоследовательное вычисление конформаций макромолекулы фрагмента лизоцимапри постоянной температуре (от 300 до 900 К) с шагом времени 1 фс на участкетраектории до 3 нс.

Скорости атомов макромолекулы задавались в началемоделирования из распределения Максвелла. Обрезание невалентныхвзаимодействий осуществлялось на расстоянии 3 нм. Атомы кристалла вэксперименте фиксировались. Для поддержания температуры использовалсятермостат Берендсена(ТБ) c коэффициентом сцепления bi равным 0.1, 1 и 10 итермостат Лоу-Андерсена (ТЛА, темп столкновений – 50 пс -1). Во всех случаяхимела место адсорбция части звеньев полипептида поверхностью кристалла.Обработка результатов моделирования заключалась в вычислении локальнойконцентрации nt (z ) (в количестве атомов на 1 нм) атомов макромолекулы наразличных расстояниях z от поверхности кристалла. Исходя из полученных_данных, рассчитывалось распределение средней концентрации n( z ) иадсорбированного полипептида на некотором промежутке времени по 5проведенным экспериментам c одинаковыми начальными условиями.

Методомнаименьшихквадратовпроизводиласьаппроксимацияполученныхконцентрационных зависимостей к экспоненциальной кривой, которая даетсястатистической теорией [1] распределения звеньев макромолекулы:n( z ) ~  2 (z) ~ exp[-2 ( z / a]) ,(3)где  – коэффициент,   (T  Tc ) / Tc – относительная отстройка от температурыTc фазового перехода «клубок-глобула», z – расстояние от поверхности. Далеестроилисьграфики«высотных»распределенийконцентрацииатомовмакромолекулы и аппроксимирующие их кривые.На рис.

1А изображена молекула подобного лизоциму полипептида наповерхности кристалла кварца в момент времени 3.3 нс при температуре 300 К(ТБ). Был установлен факт адсорбции части звеньев макромолекулы поверхностьюкристалла кварца, с одновременным вытягиванием петель в свободнуюпространственную зону. На рисунке 1Б представлены график среднего «высотного»распределения концентрации атомов полипептида подобного лизоциму на участкетраектории 3.2-3.3 нс. Концентрация при удалении от поверхности сначала резкорастет, достигая максимума на расстоянии 0.3 нм, а затем плавно спадает иобращается в ноль на расстоянии 4.1 нм. Резкий возрастающий участок былобъяснен особенностями строения макромолекулы, а именно – наличием вмодельной макромолекуле жестких связей между атомами.

Аппроксимация9полученного распределения экспоненциальной кривой, соответствующей случаю(3), проводилась на спадающем участке графика. Численные значения параметров_экспоненциальной кривой: n( z )  18.34 *10 2 * exp[ 1.24 * ( z  0.3)] , концентрация атомоввыражена в 1 нм-1._n( z ) ,100/нм2520152101500А1234 z, нмБРис. 1. Конформация полипептида, подобного лизоциму, на поверхности кристалла кварца через3.3 нс (А) и среднее «высотное» распределение концентрации атомов на участке траектории 3.23.3 нс (Б, 1), оценка среднеквадратичного отклонения концентрации (вертикальные отрезки).Аппроксимирующая кривая (2), T=300 К.Графики «высотного» распределения концентрации атомов исследуемыхполипептидов, адсорбированных на поверхности кристаллов кварца, графита играфена, при других температурах моделирования (с использованием различныхтермостатов) также хорошо аппроксимируются экспонентой.Для исследования конформационной динамики полипептида, размещенного вцилиндрической полости, макромолекула, свернутая в клубок, была помещенавнутри цилиндрической поры из оксида алюминия, рядом с дном, или внутриуглеродной нанотрубки.