Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Для компиляции программ С++использовался стандартный Gnu Toolchain (http://gcc.gnu.org/), а также библиотекиBOOST C++ (http://www.boost.org/). Для работы с СУБД MySQL использовался свободныйредактор баз данных PHPMyAdmin (http://www.phpmyadmin.net/home_page/index.php).Для расчетов молекулярной динамики использовался програмный пакет GROMACS(http://www.gromacs.org/), собранный в последовательном и параллельном режиме.Используемые дистрибутивы GROMACS собирались как с использованием стандартногоGNU С++ компилятора, так и с использованием Intel C Compiler (http://software.intel.com/en-us/c-compilers).
В качестве внешнего вычислительного модуля для Фурьепреобразований использовались как библиотеки FFTW (http://www.fftw.org/), так иIntel Math Kernel Library (http://software.intel.com/en-us/intel-mkl). Для расчетовквантовой химии использовался программный пакет Firefly (http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html).Параллельные расчеты производились на суперкомпьютерах НИВЦ МГУ «Чебышев»и «Ломоносов», а также на SMP-машинах кафедры биофизики биологического факультета МГУ.
Параллельные приложения использовали различные библиотеки MPI:OpenMPI (http://www.open-mpi.org/), MPICH1 (http://www.mcs.anl.gov/research/projects/mpi/mpich1-old/).– 56 –Часть 3Результаты вычислительных экспериментов слипидным бислоем и их анализПроведение вычислительного экспериментас липидными бислоями в рамках молекулярнодинамического подхода для всех исследуемых нами систем включало в себя следующую последовательность действий:1. Выбор системы и начальных условий —набора составов бислоя и внешних условий: температуры давления, концентраций электролитов.Рис 3.0.1: Поляризация межфазной границы при (а) специфической адсорцбиикатионов, (б) изменении доли анионныхлипидов в составе бислоя и (в) изменении латеральной упаковки липидов.Поляризация межфазной границы осуществляласьтремя способами: адсорбцией катионов, изменением количества анионных групп в бислое, варьированием площади на липид (см.
рис. 3.0.1).Таким образом формировалось общее описание систем, по которым строились соответствующие молекулярные сцены и ставились вычислительные эксперименты.2. Конструирование молекулярных моделей всех запланированных систем: созданиенеобходимых топологий, формирование начальной геометрии.3.
Проведение расчета молекулярной динамики и отслеживание время достиженияравновесия.4. Из равновесного участка МД-расчета составление ансамбля и его обработка всоответствии с поставленными задачами. На данном этапе производилась обработкатраекторий и аналитическое описание полученных результатов.Обработка ансамблей, полученных на этапе 4 для различных систем, представляет собой основные результаты настоящего исследования. Обсуждаемые результатыпосвящены поиску условной границы или внешней плоскости Гельмгольца, воспроизведению некоторых экспериментальных феноменов и молекулярных механизмах, оприроде которых в конце формулируются выводы.– 57 –3.1. Основные характеристики молекулярно-динамическойкартины липидного бислояАнализ всех изученных нами систем производился на равновесном отрезке траектории молекулярной динамики, который отслеживался по выходу на плато потенциальной энергии и площади на липид.
Выход на плато этих параметров означает, чтоструктурные изменения в липидном бислое прекратились. Типичная кривая уравновешивания липидного бислоя приведена на рис. 3.1.1. В данной системе ключевыепараметры выходят на плато за время порядка 30 нс. Для различных систем времяуравновешивания составляло от 50 до 100 нс. Отметим, что нельзя утверждать,что ансамбль структур, собранных на данном участке соответствует каноническомуансамблю Гиббса и отражает состояние термодинамического равновесия.
Строгие критерии термодинамического равновесия в общем случае невыполнимы в вычислительныхэкспериментах такого рода. Тем не менее, опыт накопленный в большом количестверабот по молекулярной динамике показал, что в качестве разумного критерия можноиспользовать те случаи, когда молекулярная картина на квазиравновесном участкехорошо согласуется с результатами реального эксперимента. В наших МД расчетах мыпараллельно контролировали изменение тех параметров, которые являются предметомконкретного вычислительного эксперимента и для которых известны их равновесныезначения. Так, кроме потенциальной энергии и площади на липид, как на рис.
3.1.1,в некоторых случаях приходилось контролировать компоненты тензора давления истепень заполнения центров связывания катионом. Во всех случаях нас в конечномитоге интересовал только ансамбль состояний на квазиравновесном участке.Рис 3.1.1: Изменение потенциальной энергии и площади на липид в процессе молекулярно-динамическогорасчета системы DPPC:BeCl2 . Область траектории, где значения находятся на плато, можно считатьравновесным участком МД-траектории.– 58 –3.1.1. Сопоставление структуры липидного бислоя по даннымрентгеноструктурного анализа и МД-расчетовВ работе использованы доработанные нами топологии липидов и протоколы вычислительного эксперимента.
Для доказательства их адекватности проводилось сопоставление равновесной структуры из МД с литературными данными. Структура любойбислойной липидной мембраны, состоящей из фосфолипидов, имеет общие черты. Политературным данным, расположенный внутри бислоя гидрофобный слой углеводородных цепей липидов имеет толщину около 30 Å, тогда как общая толщина составляетприблизительно 45 Å [96,97]. Геометрические характеристики бислоя наиболее точномогут быть измерены методом рентгено-структурного анализа ламеллярной фазы липидов (Lx ).
В такой фазе липидные бислои и водные слои упорядочены относительнонормали к мембране, а слои воды в промежутках между бислоями имеют одинаковуютолщину. Именно благодаря такой периодичности измерения толщины целого бислоя,гидрофобного слоя и водной прослойки оказываются возможными методами рассеяния рентгеновских фотонов или нейтронов [97]. Формируемые в нашем исследованиимодельные системы также соответствуют некоторой ламеллярной фазе, если не принимать во внимание толщины водного слоя, произвольной в МД расчетах.На рис.
3.1.2 изображена элек-СистемаA, Å2DHH , ÅDCC , ÅDPPC, L′β , 300 K (МД)50.047.838.0тронная плотность липидной мембра-DPPC, L′β , 303 K(a)47.944.234.4ны и ее первая производная по дан-DPPC, Lα , 340 К (МД)65.732.724.0ным вычислительного эксперимента. В64.038.328.5литературе толщину мембраны приня-DPPS, Lβ , 303 K (МД)47.144.033.8DOPS, Lα , 303 K (МД)60.242.232.064.139.030.844.040.030.0ной плотности (DHH ), а толщину гид-40.844.336.0рофобной области — как расстояни-DPPC, Lα , 323 KDOPS, Lα , 303 K(a)(b)DMPS, Lβ , 303 K (МД)DMPS, Lβ , 293 K(b)то характеризовать как расстояниемежду пиками на графике электрон-ями между пиками на графике проТаблица 3.1.1: Геометрические параметры бислоевDPPC, DPPS, DOPS и DMPS по данным расчета и работ(a)— [96] и (b) — [98].изводной (DCC ) [96].
Изображенныйна рис. 3.2.4 профиль распределенияочень хорошо согласуется с измеренным дифракционными методами. Подобное сравнение данных МД и данных рассеяния фотонов для похожего липида DOPC приводится вработе [99]. Результаты некоторых рассчитанных нами значений и литературные данные для этих же параметров для липидного бислоя DPPC приведены в таблице 3.1.1.Заметим, что наши расчеты несколько завышают площадь на липид в бислое DMPS вгелевом состоянии и завышают площадь DOPS в жидко-кристаллическом состоянии.– 59 –Рис 3.1.2: Электронная плотность (кружки) и ее первая производная (линия) вдоль оси Z по даннымвычислительного эксперимента для системы DPPC–вода при 340 K; рисунок отражает основные характеристики, измеряемые методом рентгено-структурном анализе ламеллярных фазах водно-липидныхсистем: DCC и DHH (см.
табл. 3.1.1).В ряду структур наблюдается неплохая корелляция с экспериментальными данными,условия которых, несомненно, всегда отличны от моделируемых. Для расчетов биосистем силовое поле для липидного бислоя подбирается таким образом, чтобы идеальновоспроизводить геометрические характеристики бислоя в физиологических условиях(см.
например, [99]). В нашем случае геометрические и механические характеристики бислоя сами по себе являются предметом исследования, поэтому такая процедуравалидирования силового поля нам не подходит. Таким образом, используемое в работе силовое поле, параметры которого подбирались для воспроизведения свойствнебольших органических молекул, оказывается способным воспроизводить геометрические характеристики существенно более сложных структур — липидных бислоевразличного состава.3.1.2. Важные детали структурной организации липидного бислояПодробное исследование структуры липидного бислоя, включая относительногорасположение отдельных молекулярных фрагментов фосфолипидов, доступно на сегодняшний день только методами вычислительной химии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
