Влияние катионов на структурные и электрические свойства липидного бислоя. Молекулярно-динамическое исследование (1102545), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Выделить вклад в дипольную компоненту граничного потенциала различных структурных факторов для бислоя в жидко-кристаллическом и гелевом состояниях вприсутствии адсорбированных катионов.5. Установить молекулярную природу взаимосвязи электрических и механическиххарактеристик липидного бислоя и монослоя. Предложить наиболее вероятныемолекулярные структуры комплексов катион-липид.– 39 –Часть 2Методы постановки и анализавычислительных экспериментовМетоды вычислительной химии разрабатываются уже больше 20 лет, однако далеко не все объекты становятся предметом вычислительного эксперимента.
Несмотряна то, что работ по моделированию липидных бислоев в литературе достаточно много, ни одна из разработанных в них методик не использовалась для сопоставлениеммодельных липидных систем с биоэлектрохимическими экспериментами. Поэтому значительная часть описанных в этом разделе методик разрабатываются здесь впервые.2.1. Конструирование молекулярных моделей липидного бислоя2.1.1. Начальная геометрия системы липидный бислой-водаНами разработана утилита memgen7 , которая позволяет формировать липидную мембрануиз искуственно «выпрямленных» молекул липидов. memgen позволяет конструировать мембраны произвольного размера и состава на основегексагональной решетки. Главное преимуществоперед аналогичными скриптами8 — получение достаточно плотной мембраны абсолютно произвольного состава.
Повышенная плотность достигаетсяпри последовательном заполнении узлов решетки молекулами липида в измененной конформации.Отбор конформаций производится с учетом минимизации межатомных перекрытий. Утилита memgenразработана с использованием открытой химиче-Рис 2.1.1: Вид сверху (A) и сбоку (B) намембрану из 168 молекул DPPC, собраннуюутилитой memgen.ской библиотеки OpenBabel [79].
При созданиибислоев смешанного состава липиды исходно располагались хаотическим образом.Пример мембраны, собранной этой утилитой на начальном этапе моделирования,представлен на Рис. 2.1.1. Программа memgen и другие, описанные ниже, программыразмещены на сайте исследовательской группы ERG (http://erg.biophys.msu.ru).78Здесь и далее жирным шрифтом выделены программы собственной разработки.Например, встроенный конструктор мембран VMD. См. “Использованные программные пакеты”– 40 –В работе использовались «модельные сцены» двух видов: маленькие и большие.На маленькую сцену помещалось 50 липидов и около 2000 молекул воды, на большую— 180 липидов и около 20000 молекул воды. Последовательность шагов при конструировании систем всегда была следующей (в скобках приведены соответствующиеутилиты, как свои, так и разработанные другими авторами):1.
Липидный бислой помещался по центру сцены (memgen).2. В окружающее свободное пространство помещались крупные органическиекатионы в тех случаях, когда это было необходимо (genbox).3. Затем окружающее свободное пространство заполнялось молекулами воды(genbox).4. Молекулы воды удалялись из гидрофобной области бислоя в пределах визуально выбранных координат, ограничивающих полярные группы верхнего и нижнегомонослоев (wat_rem.awk).5. Введение в систему ионов производилось путем замены произвольно выбранныхмолекулы воды (genion).Количество добавленных органических и неорганических ионов выбиралось такимобразом, чтобы их концентрация вдали от бислоя примерно соответствовала выбранным условиям эксперимента.
Задать точно концентрацию ионов в такой системене представлялось возможным, не имея априорных сведений о значениях физикохимических параметров системы, например, об адсорбции катионов на поверхностибислоя.2.1.2. Расчет и подбор параметров силового поляВ работе было использовано силовое поле OPLS-AA и созданное на его основелипидное силовое поле Бергера. Свои липидные топологии Бергер сделал под силовоеполе GROMOS96, взяв заряды из поля OPLS и изменив невалентные взаимодействия ипотенциалы двугранных углов для атомов углеводородных цепей [60]. В настоящемисследовании топологии липидов подготовлены в силовом поле поле OPLS, а из поляБергера, напротив, импортированы потенциалы атомов углеводородных цепей.
Преждевсего, в нашей работе мы разработали метод полуавтоматической генерации топологии на основе химической гомологии, описанный ниже. Для корректного построениямолекулярных моделей исследуемых систем параметры потенциалов как валентных,так и невалентных взаимодействий требовали расчета или корректировки.Конструирование топологии на основе химической гомологии.Конструирование то-пологий липидов осуществлялось при помощи специально разработанной нами про-– 41 –граммы, которая сопоставляет всем типам атомов силового поля OPLS образец (паттерн) химической структуры. Построение базы химических гомологий производилосьна языке SMARTS-паттернов.
SMARTS (от SMiles ARbitrary Target Specification)являются специальными последовательностями символов, которые способны узнавать структурные подсистемы молекулы. Например, SMARTS «[CH2]-O» узнает всеподсистемы молекулы, которые имеют алифатический атом углерода с двумя водородами и кислород, присоединенный одинарной валентной связью. SMARTS является своеобразным языком регулярных выражений по структурам, записанным вфомрате SMILES (Simplified Molecular Input Line Entry Specification) [80].Подробные сведения о стандарте SMARTS находятся на странице разработчиковhttp://www.daylight.com/dayhtml/doc/theory/theory.smarts.html.
В нашей программе конструирования топологий на основе химической гомологии основной алгоритм искалпаттерны SMARTS внутри молекулярной системы и в зависимости от найденных совпадений, подбирал для каждого атома наиболее подходящий тип атома из набора OPLS.Согласно выбранным типам атомов и их стандартных характеристикам, задавались ихпарциальные заряды и потенциалы валентных взаимодействий.Программа, осуществляющая конструирование топологии на основе химическойгомологии, получила название tppmktop. Она получает на вход структурный файл PDBи параметры связи с базой данных.
В базе данных хранятся таблицы соответствияSMARTS и типов атомов OPLS, а также параметры всех валентных и невалентныхвзаимодействий для всех типов атомов и их комбинаций.Модификация параметров алканов.Некоторые модификации были внесены в функциюдвугранного угла алифатических атомов углерода. Использовался потенциал РикартаБеллемана со следующими значениями констант: 4.235, -2.74, -12.75, +15.96, 25.78и -30.47 кДж·моль−1 . Глубина потенциала для алифатических кислородов и водородов(ε) была несколько уменьшена для лучшего воспроизведения удельного объема итеплоты испарения пентадекана (εC = 0.26, εH = 0.115 кДж·моль−1 ), как былосделано в работе [60] для виртуальных атомов «CH2» и «CH3».Корректировка зарядов с использованием расчетов ab initio.
Выбранная за основутопология Бергера, является “дамми”-атомной, то есть некоторые группы атомоврассматриваются как один [60]. В то же время используемое в работе силовое поле,напротив, является полноатомным, поэтому парциальные заряды требовали некоторой корректировки. Стандартные заряды, предлагаемые в таблицах поля OPLS-AA,расставленные на исследуемой молекуле не дают в сумме необходимого заряда (+1,– 42 –-1 или 0). Поэтому на некоторых атомах заряды были скорректированы согласноквантово-химическим расчетам. В этих расчетах геометрии молекул DPPC и DPPSбыли оптимизированы в базисе 631G* в рамках теории функционала плотности сиспользованием гибридного функицонала B3LYP5 при помощи пакета Firefly [81].Парциальные заряды на атомах молекул были расчитаны из 3-мерного электростатического ab initio потенциала при помощи алгоритма RESP (Restrained ElectrostaticPotential) [82].Определение невалентных параметров для катиона бериллияВ силовом поле OPLS-AAотсутствуют параметры потенциала Ленарда-Джонса для катиона бериллия.
В настоящей работе они были рассчитаны на основании данных о структуре гидратной оболочкии энергии сольватации Be2+ , приведенных в [83]. В этой же работе геометрия иэнергия сольватации бериллия рассчитывалась с использованием методов квантовойхимии. В молекулярной динамике для воспроизведения правильных параметров гидратации необходимо добиться баланса между электростатическим притяжением атомовкислорода воды к катиону и ван-дер-ваальсовым отталкиванием от него. Кроме того,необходимо, чтобы энергия сольватации, рассчитанная при помощи метода FEP (FreeEnergy Perturbation) [84] в молекулярной динамике в используемом силовом поле,соответствовала экспериментальной величине (приведенной в [83]).
Для гидратированного катиона Be2+ , Be(H2 O)2+4 , потенциал Ленарда-Джонса в силовом поле OPLSзаписывается следующим образом:U (r) = 4ϵBeO((σBeOr)12−(σBeO)6 )r(2.1.1)где константы ϵBeO и σBeO можно физически интерпретировать как «глубину» и «положение» потенциальной ямы. Подбор этих констант производился таким образом, чтобыдобиться наилучшего воспроизведения энергии сольватации и геометрии комплексаBe(H2 O)2+в молекулярной динамике. Далее, используя правила комбинирования атом4ных параметров Ленарда-Джонса:ϵBeO =√ϵBeBe ϵOO ;σBeO =1(σBeBe σOO )2(2.1.2)оказывается возможным получить значения ϵBeBe и σBeBe , которые составили 0.153 нми 6.0 кДж·моль−1 ·нм−1 , соответственно.
Эти параметры использовались в дальнейшихрасчетах для систем липидный бислой-вода в присутствии катионов бериллия.– 43 –Прочие технические детали.Атомы молекул в GROMACS объединяются в зарядовыегруппы, которые характеризуют межмолекулярные электростатические взаимодействиезаряженных участков молекул.
Объединение атомов в такие группы производилосьвручную с учетом химической структуры вещества.В силовом поле OPLS-AA принято задавать ВдВ-радиус водорода при электроотрицательном атоме равным нулю. Это приводит к необходимости исключать электростатическое взаимодействие этих атомов с пятым–шестым электроотрицательнымисоседями, чтобы избежать нежелательного «слипания» таких атомов. Исключенияпрописаны для каждого липида в группе exclusions.2.2. Техника молекулярно-динамического моделированиялипидных бислоевОсновным методом работы с модельными мембранами являлась молекулярная динамика в полноатомном силовом поле с явно заданным растворителем («explicitsolvent»). В данном разделе подробно рассмотрена используемая реализация молекулярной динамики и приведены некоторые протоколы вычислительного эксперимента.Молекулярная динамика.Наиболее часто используемая схема «продуктивного» рас-чета отражена в табл.
2.2.1. Для систем порядка 104 атомов для расчета былодостаточно 64–200 ядер суперкомпьютера «ЧЕБЫШЕВ». Для систем размером порядка105 атомов расчет производился уже только на суперкомпьютере «ЛОМОНОСОВ» и эффективно утилизировал порядка 400–600 ядер. Результативные расчеты производились сиспользованием стохастической динамики, которая по сути является молекулярнойдинамикой с температурным шумом. По неопубликованным данным группы теор.
биофизики кафедры биофизики МГУ (Зленко Д.В.), использование термостата Нозе-Хуверав комбинации с интегратором «SD» (Stochastic Dynamics) позволяет поддерживатьнаиболее близкое к равновесному распределение энергии по степеням свободы системы. Баростат Берендсена использовался нами по двум причинам. Во-первых, онпозволяет избежать «раскачки» вычислительного бокса, которая часто возникает всистемах не уравновешенных по давлению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
