Исследование структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах (1103287)
Текст из файла
На правах рукописиКРУЧИНИН Никита ЮрьевичИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И КОНФОРМАЦИОННОЙ ДИНАМИКИМАКРОМОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТВЕРДЫХ АДСОРБЕНТОВИ В НАНОКЛАСТЕРАХСпециальность 01.04.07 - Физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукОренбург–20122Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Оренбургский государственный университет»Научный руководительдоктор физико-математических наук, профессорКучеренко Михаил ГеннадьевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорШайтан Константин Вольдемаровичдоктор физико-математических наук,Крупянский Юрий ФедоровичВедущая организацияИнститут проблем химической физики РАНЗащита состоится 16 мая 2012 г в 16 час.
30 мин. на заседании диссертационногосовета Д 501.002.01 при Московском государственном университете имени М. В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 35, Центрколлективного пользования МГУ, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим. М.
В. Ломоносова.Автореферат разослан 13 апреля 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наукЛаптинская Т. В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Для получения функциональных наносистем срегулируемыми параметрами в ряде случаев создают условия для адсорбциизвеньев полимерных цепей на плоской поверхности кристалла, на поверхностяхнаночастиц сфероидальной (глобулярные кластеры, квантовые точки) ицилиндрической (нанотрубки, наностержни) формы, или размещения полимернойцепи в цилиндрических и сферических нанопорах.
Некоторые из звеньевмакроцепей сами могут выступать в роли реагентов, либо захватывать малыемолекулы, участвующие в процессе, ограничивая их подвижность.Конформационныехарактеристикиполимерныхмолекул,захваченныхадсорбентом, отличаются от таковых для макроцепи в растворе. По этой причинебудет различаться и кинетика реакций между малыми молекулами, размещеннымимежду звеньями макроцепей, находящихся в различных конформациях. Это связанос появлением неоднородного распределения плотности звеньев макромолекул намезоскопической шкале длин. Для описания кинетики аннигиляционных процессов,возникающих между электронно-возбужденными молекулами, в том числе сучастием молекул кислорода, необходимо знать функцию пространственногораспределения концентрации молекул фотосенсибилизатора, размещенного назвеньях макромолекулы, адсорбированной поверхностью нанопоры илинаночастицы.
Если молекулы фотосенсибилизаторов (как правило – органическихкрасителей) адсорбированы цепью однородно (или статистически однородно) по еедлине, то характер пространственного распределения концентрации таких молекулбудет повторять профиль плотности полимерных субъединиц в усредненнойконформации.
Знание распределения звеньев вблизи поверхности нанопоры илинаночастицы позволяет произвести корректное описание кинетического режимамолекулярных реакций в данных наноструктурах.В растворах макромолекул, а также в случае адсорбции их на поверхностинаночастицы или в нанопоре, возникают и другие специфические особенностиформирования кинетических режимов бимолекулярных реакций.
В первую очередьэто связано с микрогетерогенностью системы, а также с конформационнойдинамикой макроцепей, на которых могут сорбироваться некоторые из реагентов. Врезультате конформационных изменений, происходящих с макромолекулой,изменяется расстояние между адсорбированными на ней молекулами-реагентами.Это находит отражение в кинетике дистанционной передачи энергии электронноговозбуждения между малыми молекулами, а также спин-селективной аннигиляциивозбуждений триплетного типа. И те и другие процессы относятся к доноракцепторному безызлучательному переносу энергии электронного возбуждениямежду введенными в систему молекулами. Такие молекулы давно используется длязондирования структуры неоднородных сред и различных нанообъектов, включаябиологические.В растворах полиэлектролитов (заряженных полимерных цепей) приадсорбции одного из компонентов донорно-акцепторной системы на полимернойцепи, молекулы второго компонента в ходе диффузионного перемещенияиспытывают на себе действие поля макроиона, что отражается на кинетикедиффузионно-контролируемой передачи энергии электронного возбуждения между4ионами.
Поэтому при исследовании свойств растворов ДНК, или им подобныхполиэлектролитов, важно знать динамику ионов и молекул красителей в полезаряженной макромолекулы.Цель работы заключалась в определении конформационной структуры идинамики макромолекул, адсорбированных на поверхности кристаллов, наночастици пористых сред; исследовании пространственного распределения ионов врастворах ДНК для описания кинетики реакций в наноструктурированныхсистемах.Постановка задач. Для достижения этой цели необходимо было решитьследующие основные задачи:1.
Определить характер распределения плотности звеньев полимерных цепейна твердых поверхностях и в нанополостях различной формы методамистатистической теории макромолекул и степень влияния пространственнойнеоднородности распределения реагентов на кинетику фотореакций.2. Исследовать методом молекулярной динамики (МД) конформационнуюструктуру полипептида, расположенного на поверхности различной кривизны и внанополости твердого тела.3. Рассчитать по результатам МД-моделирования пространственноераспределение концентрации атомов полипептида, адсорбированного наповерхности твердого тела, и использовать его для получения характерныхпоказателей и коэффициентов уравнений, описывающих распределениеконцентрации методами статистической теории макромолекул.4.
Исследовать динамику молекул красителей, расположенных наполипептиде в растворе, а также на поверхности наночастицы и в нанополости.Определить величины флуктуаций радиуса донор-акцепторной пары молекул,связанных с полимерной цепью.5. Исследовать методом МД эволюцию аксиального распределения ионов вполе цепи ДНК, рассчитать равновесное радиальное распределение концентрацииионов.Научная новизна1. Определен характер распределения плотности звеньев макромолекулы наповерхности цилиндрической и сферической частицы на основе специальнойматематической модели конформационной структуры полимера, допускающейполучение простых, удобных для использования аналитических выражений.Произведен расчет кинетики кросс-аннигиляции молекулярных электронныхвозбуждений в нанопорах твердых адсорбентов.2.
Методом МД исследована конформационная релаксация и полученоравновесное распределение концентрации атомов макромолекулы полипептида наплоской поверхности кристаллов кварца, графена и графита, внутрицилиндрической и сферической нанопоры из оксида алюминия, на внешней ивнутренней поверхности углеродной нанотрубки, на фуллерене С720 исферической частицы из оксида алюминия. Получены характерные показатели икоэффициенты для использования в уравнениях, описывающих распределениеплотности звеньев макроцепи в рамках аналитической теории (методамистатистической физики макромолекул).53. Получены временные зависимости и определены величины флуктуацийрасстояния между молекулами люминесцентных зондов - красителей (эритрозина,эозина, родамина 6G, малахитового зеленого), расположенных на макромолекулеполипептида в растворе, на поверхности сферической частицы, в нанопоре изоксида алюминия, а также на поверхности фуллерена С720.4.
Методом МД исследована релаксация радиального профиля плотностималых ионов в растворе относительно оси макромолекулы ДНК, полученыравновесные радиальные зависимости концентрации ионов.Практическая значимостьПолученные результаты могут быть использованы:1. Для описания кинетики молекулярных реакций в природных исинтезированных наноструктурах, пористых средах и на поверхностяхкристаллов, модифицированных полимерными соединениями.2. При решении проблем создания люминесцентно-оптического измерителяконцентрациимолекулярногокислородавкачестведатчика-модулятехнологического процесса и сенсора синглетного кислорода для биомедицинскихприменений.3.
При создании конъюгатов, представляющих собой наночастицу, покрытуюпептидом с адсорбированными фотоактивными молекулами – центрами генерации,либо топологически инвертированную систему – в которой пептиды и молекулыфотосенсибилизатора располагаются на поверхности нанопоры для применения вкачестве сенсибилизаторов в фотодинамической терапии для генерациисинглетного кислорода.4. Композитные полимерные системы могут найти применение призондировании сред и внедренных в них нанообъектов, мониторинга состоянийнаноструктур и процессов их деструкции.Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованиемуниверсальных законов и уравнений классической и квантовой механики,статистической физики полимеров; расчетами, проведенными с использованиемразличных апробированных программных комплексов.Основные защищаемые положения1.
Макромолекулярная цепь, адсорбированная на плоской поверхностикристалла, в цилиндрической и сферической нанопоре, на поверхностицилиндрической и сферической наночастицы, имеет характерное распределениеконцентрации звеньев, определяемое длиной звена полимера, параметрамипотенциала адсорбирующей поверхности, ее кривизной и термодинамическимипараметрами системы.2.
Радиальная зависимость распределения плотности звеньев макромолекулына адсорбирующей поверхности цилиндрической и сферической наночастиццеликом определяется двупараметрическим модельным потенциалом притяженияδ-функционального типа.3. Амплитуды флуктуаций расстояния между зондовыми молекуламикрасителей на полипептиде в растворе достигают 0.1-0.4 нм, а для полимерной цепивнутри нанополости и на поверхности частицы – 0.2-0.5 нм.64.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
