Диссертация (1102956), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Пренебрежение взаимной поляризацией в модели iAMOEBA по сравнению с моделью AMOEBAприводит к потере 20% энергии поляризации, данные потери должны быть восстановленыпутем оптимизации параметров модели.Рассмотрим подробнее потенциал нежёсткой связи нежёсткой связи F3C [8], он удобенвследствие своей простоты. При исследовании динамики водных кластеров мы использовали13именно этот потенциал. Молекулярная геометрия молекулы воды, как говорилось ранее,может быть определена тремя степенями свободы: двумя связями O-H и углом H-O-H.Потенциальная энергия для системы N молекул может быть записана в следующей форме:Ui j = Uiinternal +U jinternal +Uiexternal, i = 1, 2j(3)Uiinternal = kr (ri,OH1 − r0 )2 + kr (ri,OH2 − r0 )2 + kφ (φi − φ0 )2 , i = 1, 2(4)Uiexternal=kjqi q jσmn 12σmn 6+ 4εmn (() −() ), i = 1..N, j = 1..N, i < jri jri jri j(5)где Uiinternal - потенциальная энергия внутримолекулярных взаимодействий внутри молекулы,r0 = 1Å,φ0 = 109.47◦ ,kr и kφ - константы упругой энергии, отвечающие за сохранение (а точнее, за колебаниявокруг равновесных значений) длины связи O − H и угла H - O - Hkr = 250 ккал/моль/Å2 ,kφ = 60 ккал/моль/рад2 ;Uiinternal- потенциал межмолекуляных взаимодействий,jqi и q j - заряды на атомах i и jqO = −0.82e,qH = 0.41e, где e - величина заряда электрона,ri j – расстояние между этими атомами, выраженное в Å,k – коэффициент, для выражения энергии в ккал/моль,εmn , σmn - эмпирические параметры для молекул типа m и nεOO = 0.1848ккал/моль,εHH = 0.01ккал/моль,εHO = 0.043ккал/моль,σOO = 3.165 Å,σHH = 0.802Å,σOH = 1.593 Å,ri,OH1 , ri,OH2 - длины связей O-H в i-ой молекуле воды для данного состояния воды,14φi - значения угла H-O-H в i-ой молекуле воды для данного состояния воды.Потенциал F3C ограничивается гармоническим потенциалом для внутримолекулярноговзаимодействия.
Потенциалы такого типа в принципе могут воспроизводить спектры ИК колебаний в отличие от моделей жёсткой воды. Энергия ковалентной связи является энергиейгармонического осциллятора: каждая молекула принимает минимум энергии при равновесных значениях угла H-O-H и длин связи O-H. Энергия межмолекулярного взяимодействияпредставляет собой сумму энергии Ван-дер-Ваальса (потенциал Леннард-Джонса 12/6) иэнергии кулоновского взаимодействия.15Таблица 1: Параметры некоторых эффективных жёстких потенциалов для моделированияводы.
σ и ε - параметры потенциала Леннард-Джонса, δ - расстояние от атома О доточки М, находящейся на биссектрисе угла ∠ в направлении атомов Н, qL - значениеэффективного заряда на тетраэдрических направлениях симметрично направлениям НОН впотенциале TIP5P, расположенных на расстоянии δOL от атома кислорода. Для пересчетаэлектростатической энергии в кДж/моль или в ккал/моль используется коэффициент,величина которого составляет 329.79 (ккалÅ)/(моль·e2 )ПараметрSPCSCP(E)TIP3PTIP4PTIP5PPMROH , Å110.95720.95720.95720.98∠HOH, град109.47109.47104.52104.52104.52109.47ε, кДж/моль0.6490.6490.6360.6490.672-σ , Å3.1663.1663.1513.1513.12-qO , e-0.82-0.8476-0.834-0-0.68qH , e0.410.42380.4170.520.2410.34qM , e----1.04--qL , e-----0.241-δOM , Å---0.15--δOL , Å----0.70-∠LOL, град----109.47-AOO , ккал/(моль Å6 )-----200BOO , ккал/(моль Å12 )-----410000Å6 )-----40BHH , ккал/(моль Å12 )-----3800Å1 0)-----3700BHH , ккал/(моль Å12 )-----9700AHH , ккал/(мольAOH , ккал/(моль1.7 Моделирование белков, модели "силовых полей"(forcefields)Моделирование поведения биосистем методом молекулярной динамики и методом МонтеКарло на сегодня широко распространены в качестве способов исследования структуры идинамики белков для решения разных задач: от связывания лигандов и механизмов реакцийс участием энзимов до фолдинга и денатурации.
Изучение данных вопросов начинается стого, что энергию белка представляют как функцию атомных координат. Белок рассматри-16вается в термодинамическом равновесии, потенциальная энергия белка минимизирована.Параметризация силовых полей для моделирования белков - непростая задача, требующая выбора основных параметров, отбрасывания второстепенных параметров, а затем многопараметрической оптимизации.Основные модели силовых полей включают как взаимодействия, осуществляемые черезковалентные связи, так и взаимодействие на больших расстояниях (дальнодействие). Особенности разложения взаимодействий на составляющие компоненты зависят от конкретноймодели, но в общем справедливы следующие общие предположенияEtotal = Ebonded + Enon−bonded(6)Ebonded = Ebond + Eangle + Edihedral(7)Enonbonded = Eelectrostatic + EVanderWaals(8)На сегодня известно множество моделей силовых полей, силовые поля могут отличатьсяобъектами, для которых они моделировались, и свойствами, которые они аппроксимируютнаилучшим образом.
Перечислим основные "классические"силовые поля:• AMBER (Assisted Model Building and Energy Refinement) [35]• CHARMM (Chemistry at HARvard Molecular Mechanics) [69]• GROMOS [37] (использует приближение "объединённых атомов данное силовое полебыло оптимизировано для свойств конденсированной фазы алканов)Силовые поля AMBER, CHARMM, GROMOS разработаны в первую очередь длямолекулярной динамики макромолекул, но они также широко применяются для минимизации энергии.• OPLS (Optimized Potential for Liquid Simulations) - существуют модификации силовогополя, учитывающие каждый атом в отдельности, так и использующие приближение"объединённых атомов"• COSMOS - силовое поле, включающее полуэмпирические вычисления атомных зарядови свойств ЯМР.17Силовые поля, учитывающие поляризацию, аппроксимирующие мультипольное распределение:• SIBFA (Sum of Interactions Between Fragments Ab initio computed)• AMOEBA (Atomic Multipole Optimized Energetics for Biomolecular Applications)• ORIENT• Non-Empirical Molecular Orbital (NEMO)181.8 Взаимодействие белка с гидратным слоемВода выполняет различные роли в живых системах.
Белки проявляют свои нативныесвойства лишь в присутствии достаточного количества жидкой воды [38], [39]. Молекулыводы и мостиковые водородные связи являются необходимым структурным компонентомво многих биологических макромолекулярных системах, таких как нуклеиновые кислоты,фибриллярные и глобулярные белки. Поверхностные молекулы воды могут играть решающую роль в межмолекулярных взаимодействиях и процессах агрегации белков [40], [41].Очевидно, что для понимания процессов, происходящих в живой клетке, следует учитыватьналичие гидратной оболочки макромолекул [42]Экспериментальное изучение гидратации даёт неоднозначные результаты, зависящие отметода исследования и применяемой модели обработки результатов.
Компьютерное моделирование приближает нас к лучшему пониманию гидратации белков. Так в работе [40] былопоказано, что молекулы гидратной оболочки воды играют значительную роль во взаимодействии макромолекул и процессах, приводящих к фолдингу белка, а взаимодействия междумакромолекулами осуществляются через водную поверхность с помощью “связывающихмостиков” как, например, в случае взаимодействий белок - ДНК [41].Литературные данные о гидратации белков свидетельствуют о существовании гидратнойоболочки, средняя плотность которой на 10% больше, чем в объёмной воде при аналогичныхусловиях [84].
Таким образом, на поверхности макромолекул появляется слой связаннойводы, физические свойства которой существенно отличаются от свойств объёмной воды.По изменившимся физическим свойствам сформировались те признаки, которые служатоснованиями для разделения воды на гидратную сферу макромолекулы и объёмную воду. Вкачестве характеристик, отличающих свободную воду от связанной, используют калориметрические и диэлектрические характеристики, параметры ЯМР-релаксации, коэффициентсамодиффузии, сжимаемость и некоторые другие.
При измерениях в растворах биополимеров получают усредненную по объему характеристику, зависящую от количества и качествамолекул связанной воды. По этой причине конечный результат зависит еще и от моделисвязанной воды. Чаще всего используется модель двух состояний – свободная и связаннаявода с различными физическими свойствами. В заданных предположениях рассчитываютколичество связанной воды. В то же время, даже для простых ионов при описании гидратации используется модель трех состояний, где учитывается второй переходный гидратныйслой, отличный по своим характеристикам от первичного гидратного слоя и объемной19воды [44].
Именно этот промежуточный слой играет принципиальную роль в объяснениихарактеристик связанной воды с ионами. В настоящее время для многих белков известнакристаллическая структура высокого разрешения, включающая локализованные молекулыводы, играющие роль структурных элементов биополимера.Молекулы воды в растворе белков можно разделить на 4 группы:• cильно и специфически связанные молекулы воды внутри белка (молекулы водысоставляют элемент структуры) в случае глобулярных белков• молекулы воды первого гидратного слоя, взаимодействующие с поверхностью белка• молекулы воды , находящиеся в промежуточном состоянии между первой гидратнойоболочкой и объёмной водой• объёмная водаСильно связанные молекулы воды занимают внутренние полости белка и могут бытьопределены методами кристаллографии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
