Исследование структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах, страница 4

Аппроксимация графика радиальной зависимости атомов наповерхности сферической частицы проводилась при r0=5.15 нм, R=4.6 нм, q=0.76нм-1,  =0.0029 эВнм, a=0.5 нм, T=300 К. На рисунке 6Б изображен графикзависимости энергии системы от времени моделирования. Полная (Е t = 1.5·104ккал/моль) и потенциальная (Еp= 1.1·104 ккал/моль) энергия системы уменьшаетсяна участке от 0 до 0.41 нс, а затем флуктуирует около некоторого среднего значения(Еt = 1.3 ·104 ккал/моль, Еp = 0.9·104 ккал/моль).

Кинетическая энергия незначительнофлуктуируетунекоторогозначения,соответствующеготемпературе4моделирования (Еk= 0.4·10 ккал/моль). Такое поведение энергии свидетельствует о15том, что система находится в равновесном состоянии. Участок от 0 до 0.41 нссоответствует процессу адсорбции полипептида на поверхности частицы.Кривые радиальных распределений концентраций атомов для всех случаевадсорбции макромолекул на поверхности сферической частицы из оксидаалюминия или фуллерена С720, при различных температурах моделированияхорошо аппроксимируются кривыми, построенными на основе (2), (11) и (12).Кроме того, методом МД исследовалось поведение полипептида,размещенного на поверхности углеродной нанотрубки.

Использовалисьполипептиды, состоящие из 70 первых аминокислотных звеньев лизоцима иподобного лизоциму (129 звеньев), макромолекула полиаланина (500 звеньев).Макромолекула, располагалась рядом с углеродной нанотрубкой, длиной l=15 нм, схиральностью n=30 и m=30, диаметром d=4.08 нм.

Для проведения МДмоделирования в воде, построенную систему помещали в параллелепипед, которыйзаполнялся молекулами воды (32151 молекул). Параметры МД-моделирования былитакие же, как и в главе 2. В ходе МД-эксперимента наблюдалась адсорбцияполипептида на поверхности нанотрубки. Исходя из полученных данных,рассчитывалось радиальные распределения концентрации атомов полипептида наповерхности углеродной нанотрубки: мгновенное, среднее на некоторомпромежутке времени и по 5 экспериментам с одинаковыми начальными условиями водин момент времени._15nt (r ) , нм-3n(r ) , нм-3504010305320141020023А4 r,нм234Б5 r,нмРис.

7. Радиальное распределение концентрации атомов на поверхности углеродной нанотрубки(T=300 К): А) фрагмента лизоцима в воде при t=0.8 нс (1), Б) атомов полиаланина среднее по 5экспериментам в момент времени t=1 нс (3), оценка среднеквадратичного отклоненияконцентрации (вертикальные отрезки). Аппроксимирующие кривые (2,4).Для нахождения радиального распределенияплотности звеньевадсорбированной макромолекулы на поверхности цилиндрической частицы былополучено решение аксиально-симметричного уравнения (1) с потенциаломпритяжения в виде δ-функциональной ямы:I 0 (qR) , R  r  r0  I  A I 0 (qr )  K 0 (qr )K(qR)0,  AK (qr ) I 0 (qr0 )  I 0 (qR)  r  r  0 K (qr ) K (qR)  0 II0 0 0параметр q является корнем уравнения:(13)16K (qr0 ) I 0 (qr0 ) I (qR)a 2 k BT K 02 (qr0 ) 0.6r0K 0 (qR)(14)На рисунке 5Б представлена конформация фрагмента лизоцима в воде спустя0.8 нс от начальной конфигурации (300 К).

На рис. 7А представлена радиальнаязависимость концентрации атомов на поверхности углеродной нанотрубки в водечерез 0.8 нс (соответствует рис. 5Б). Параметры аппроксимирующих кривых спустя0.8 нс: r0=2.3 нм, R=2 нм, a=0.5 нм, q=1.18 нм-1,  =0.005 эВнм.Рис. 8. Конформация полиаланина через 1 нс от начала изменения исходной конфигурации .Температура 300 К, силовое поле CHARMM22.Аналогичные вычисления для полиаланина также привели к адсорбции наповерхности нанотрубки: макромолекулы обвивалась вокруг нанотрубки (рис.

8).Радиальная зависимость концентрации атомов полиаланина на поверхностиуглеродной нанотрубки (300 К) вычислялась как, средняя по 5 экспериментам содинаковыми начальными условиями через 1 нс (рис. 7Б), параметрыаппроксимирующих кривых: r0=2.5 нм, R=2 нм, a=0.5 нм, q=0.8 нм-1,  =0.0031эВнм.

Потенциальная (Еp = 1.1·104 ккал/моль) энергия системы уменьшается научастке от 0 до 0.27 нс, а затем флуктуирует около некоторого среднего значения(Еp = 0.9·104 ккал/моль). Кинетическая энергия незначительно флуктуирует унекоторого значения, соответствующего температуре моделирования (Еk= 0.4·104ккал/моль).Радиальные распределения для всех случаев адсорбции макромолекул наповерхности нанотрубки, хорошо аппроксимируются кривыми, построенными наоснове (2), (13) и (14). Из построенных координатных зависимостей локальнойатомарной концентрации полипептида видно, что в целом полученные из (1)модельные аналитические зависимости для сферической наночастицы и углероднойнанотрубки хорошо согласуются с результатами МД-моделирования в вакууме и вводе.Четвертая глава посвящена исследованию конформационной динамикимакроцепей с закрепленными на них дистанционно реагирующими молекуламиметками.Проведен ряд вычислительных экспериментов методом МД иЛанжевеновской динамики (ЛД), в которых исследовалась конформационнаядинамика макромолекулы полипептида с закрепленными на ней молекуламикрасителей (родамин 6G (Р6G), эритрозин (Э), малахитовый зеленый (МЗ), эозин17(Эз)).

Обработка результатов МД-моделирования заключалась в вычислениирасстояния между молекулами красителей на всем участке траектории.Макромолекула, состоящая из 70 первых аминокислотных звеньев лизоцима(β-конформация), была вытянутая в прямую линию. Рядом с фрагментом лизоцимарасполагались две молекулы красителей в разных сочетаниях на расстоянии около10 нм друг от друга. МД-моделирование было проведено при постояннойтемпературе 300 К с двумя типами термостатов (ТБ, ТЛА) для пар Э-Э, Э-Р6G, Р6G-Р6G, Эз-Эз, Эз-Р6G и фрагмента лизоцима с силовыми полями в вакууме до 1 нс,методом ЛД до 2 нс и в воде до 2 нс. Парциальные заряды на атомах красителярассчитывались в программном комплексе CPMD-3.13.2, методом функционалаплотности (нормо-сохраняющийся псевдопотенциал Тройлера-Мартинса (TrouillerMartins), обменно-корреляционный функционал – BLYP).Р6GР6GЭзР6GАБРис. 9.

Конформация фрагмента лизоцима с двумя красителями Эз-Р6G через 1 нс (А, ТЛА) и сдвумя красителями РР в воде через 2 нс (Б, ТБ), Т=300 К.23.5r (t ) , нм1.5312.50.500.20.40.6А0.81t, нсr (t ) , нм21.21.41.61.82t, нсБРис. 10. Зависимость среднего расстояния между двумя молекулами красителей от временимоделирования при T=300 К: А) Эз-Р в вакууме, Б) РР в воде.На рисунке 9А изображен фрагмент лизоцима с двумя молекуламикрасителей Эз-Р6G в момент времени 1 нс при температуре 300 К (ТЛА). Видно,что в процессе моделирования произошла адсорбция молекул Эз-Р6G намакромолекуле, а полипептид свернулся в клубок. Одна из молекул красителейрасполагалась снаружи клубка, а другая оказалась размещенной между петельмакромолекулы внутри клубка. На рисунке 10А изображен график зависимостирасстояния между красителями от времени моделирования.

Через 30 пс от началамоделирования произошло сворачивание полипептида в клубок, что отражаетизменение расстояния между красителями. Расстояние между молекулами18красителей уменьшается от начального (t=0 пс) 9.4 нм (после геометрическойоптимизации) до 1.2 нм через 40 пс, а затем через 230 пс увеличивается до среднегона участке 0.4-1 нс равного 1.57 нм. Амплитуда флуктуаций  r (t ) расстояниямежду красителями достигает 0.2 нм, среднеквадратичное отклонение  =0.048 нм.На рисунке 9Б представлен результат моделирования фрагмента лизоцима идвух молекул красителей Р6G-Р6G при температуре 300 К (ТБ) в воде (длянаглядности молекулы воды не показаны).

Расстояние между молекуламикрасителей уменьшается от начального 10 нм до 2.7 нм через 1.2 нс. Амплитудафлуктуаций расстояния между красителями на данном участке достигает 0.4 нм (рис10Б), среднеквадратичное отклонение  =0.12 нм.Аналогичные результаты (0.1-0.4 нм) величины амплитуд флуктуацийрасстояния между двумя красителями были получены и для других комбинацийкрасителей.Проведено моделирование равновесной конформации лизоцима (глобула) идвух красителей Р6G-МЗ, Эз-Р6G при 300 К (ТБ и ТЛА) в вакууме (методами МД иЛД) и в воде (при нормальном атмосферном давлении). Расстояние междукрасителями после адсорбции на макромолекуле в среднем равно 3.4-3.5 нм,амплитуда флуктуаций расстояния между красителями достигает 0.2 нм.Было показано, что такая флуктуационная динамика пространственногопозиционирования реагентов находит отражение в кинетике дистанционнойпередачи энергии электронного возбуждения между малыми молекулами, а такжеспин-селективной аннигиляции возбуждений триплетного типа.Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения между специально введенными в систему молекулами давно используется для зондированияструктуры неоднородных сред и нанообъектов искусственного и природного происхождения, включая биологическое.

Характерный радиус Reff переноса составляетвеличину 4-5 нм для ферстеровского механизма, основанного на межмолекулярномдиполь-дипольном взаимодействии, и 0.7-1 нм – для обменного, декстерова механизма. Кинетика затухания люминесцентного сигнала донорных центров позволяетполучить информацию о протяженности субъединиц наноструктуры относительнопростым способом, если реализован статический режим переноса. Однако, в рядеслучаев, молекулы донора или акцептора, входящие в состав бинарного люминесцентного зонда, способны изменять свое местоположение, затрудняя, тем самым,оценку пространственного масштаба нанообъекта.

В пределе быстрой миграциимолекул бинарный зонд практически перестает «чувствовать» размеры неоднородности структуры, и характерной длиной, в этом случае, служит лишь эффективныхрадиус Reff переноса, параметрически зависящий от коэффициента диффузии реагентов.Кинетика nD (t ) квазистатического тушения донорных молекул, расположенных на поверхности сферической наночастицы (акцепторные молекулы располагаются на макроцепи, адсорбированной наночастицей), представляется следующейформулой:19  (r ) t t2nD (t )  n0 exp    nA   f (r ) 1  exp   U eff (  , t ')dt '   2 r sin  dr d  , (15) 0 0  DRгде  – расстояние между донором и акцептором.Эффективная скорость квазистатического дистанционного переноса энергиизадается следующим соотношением:rmU eff  , t    U  ρ  r g r , t 2r 2 sin drd ,(16)0где U(r) – скорость элементарного акта переноса; g(r,t) – динамика радиальнойплотности вероятности позиционирования молекулы акцептора.В качестве модельной системы была рассмотрена макромолекула (лизоцим вравновесной конфигурации) в сферической полости адсорбента (оксид алюминия)или вблизи наночастицы (фуллерен С720 или сферическая частица из оксидаалюминия), с двумя молекулами органических красителей, одна из которыхадсорбировалась на сегменте макромолекулы (акцептор), а другая (донор) – наповерхности полости или наночастицы.

Производилось МД-моделированиеконформаций указанной системы при температуре 300 К (ТБ и ТЛА) на участкетраектории 1 нс (в вакууме) и 2 нс (в воде) из упорядоченной начальнойконфигурации. Рассмотрен случай с адсорбированной акцепторной молекулой (МЗ)на макромолекуле лизоцима, при этом донорный центр (Р6G) размещался вблизиповерхности оксида алюминия (радиус полости – 4.5 нм, частицы – 4.65 нм) илимолекулы С720, в последующие моменты наблюдалась его адсорбция.