Компьютерное моделирование и статистическиий анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов (1103432), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, состоящего из 147 наименований, и 4 приложений.Содержание работыВо Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показанапрактическая значимость полученных результатов, представлены выносимыена защиту научные положения.В первой главе приводится обзор литературы в части принципов самоорганизации белковых и пептид-полимерных структур. Описывается структураи строение аминокислот и пептидов, уровни самоорганизации пространственной структуры белков.
Приводится определение амилоидов, рассказывается окросс-бета листовой структуре и формировании возможных типов амилоидных фибрилл. Затрагиваются вопросы термодинамики формировании белковых глобул. Изложены теоретические основы, объясняющие квазибольцмановское распределение встречаемости структурных элементов в глобулярных белках. Рассказывается о новом направлении в науке о полимерах - создании гибридов синтетических полимеров и пептидов.
Приводится обзор литературныхданных по гибридам пептидов и олиготиофенов – полимеров, обладающих про8водимостью/полупроводимостью.Во второй главе приводится краткое изложение основ метода молекулярной динамики и приводится описание использованных силовых полей. Затрагиваются вопросы вычисления свободных энергий на основе атомистических моделей молекул. Также обсуждается вопрос вычисления молекулярных поверхностей, приводится определение молекулярных поверхностей по Ли-Ричардсуи по Коннолли. Вводится понятие поверхности, доступной растворителю.Третья глава посвящена изучению термодинамики гидратации боковыхцепей аминокислот, а также методологическим аспектам компьютерного моделирования полипептидов методом молекулярной динамики.
В ходе работы для13 веществ-аналогов боковых цепей аминокислот были вычислены профилисвободной энергии на границе раздела вода/газ, а также рассчитаны энергиигидратации с использованием метода Беннетта. Особое внимание уделялось качеству получаемых результатов и оценке статистических и систематическихошибок, что позволило получить численные оценки параметров гидратациии адсорбции с высокой точностью. Эти оценки имеют как прикладное, так иметодологическое значение, поскольку на их основе можно совершенствоватьатомистические модели изучаемых веществ.
Результаты опубликованы в работе [A1].Для анализа были использованы модели 13 веществ-аналогов в представлении силового поля OPLS-AA и модель воды SPC. Была создана молекулярнаямодель водного слоя в периодических граничных условиях толщиной 4 нм. Модель водного слоя была исследована и верифицирована, были построены профили плотности и ориентаций молекул воды, среднего электрического поляи поверхностного потенциала, рассчитано поверхностное натяжение. Толщинаграницы раздела вода/пар соответствует предсказаниям теории капиллярныхволн.Для всех исследованных молекул на основе метода молекулярной динамики и алгоритма фиксации центра масс молекулы и водного слоя на заданномрасстоянии были рассчитаны профили средней силы по мере продвижения молекулы через водный слой. На основе профиля средней силы был рассчитан9Рис.
1. Мгновенные изображения молекулы бутана во время расчётов на различных расстояниях от границы раздела. Положения соответствующие (а) максимальной силе притяжения,(б) адсорбционному минимуму, (в) максимальной выталкивающей силе.Рис. 2. Профиль средней силы,свободной ыэнергии и относительной концентрации для молекулы бутана в водном слое.Для сравнения пунктирной линией отмечен профиль плотности водного слоя.10профиль свободной энергии и относительный статистический профиль концентрации вещества (см.
Рис. 2). Данные профили для всех веществ были проанализированы. Было показано, что профили средней силы для всех молекулимеют приблизительно одинаковую форму. При расстоянии более 1 нм от поверхности (здесь и далее под положением поверхности понимается положениеповерхности Гиббса) нет заметного взаимодействия между молекулой и водным слоем. При дальнейшем приближении к водному слою проявляется силапритяжения, которая, очевидно, обусловлена дисперсионными и электростатическими взаимодействиями.
Сила притяжения достигает своего максимумаприблизительно на расстоянии 0.5 нм до поверхности Гиббса и далее сходитна нет около границы раздела. Эта область, в которой действует сила притяжения, единственная вносит отрицательный (способствующий гидратации)вклад в энергию гидратации. Приблизительно в районе поверхности Гиббсасредняя сила обращается в ноль, что соответствует адсорбционному минимумуна графиках свободной энергии (см. Рис. 2).
Визуальное рассмотрение (Рис.1) показывает, что максимум силы притяжения всё ещё соответствует достаточному удалению молекулы от молекул воды, хотя уже заметно некотороевозмущение водного слоя. Когда молекула продвигается далее внутрь водного слоя, возникает выталкивающая сила, которая препятствует дальнейшемупогружению молекулы в воду. Причина этой силы, очевидно, может быть приписана проявлению гидрофобного эффекта: молекула вещества нарушает сетьводородных связей молекул воды, что приводит к потере энтропии молекул воды из-за сниженной подвижности последних вокруг сольватируемой молекулы.Сила выталкивания пропадает при погружении молекулы на глубину 0.5-0.7 нмв зависимости от размера молекулы.Кроме расчётов профилей энергии были проведены отдельные расчётыэнергии гидратации молекул в объёмной ячейке с водой путём выключениявзаимодействия между растворённой молекулой и молекулами воды.
Расчётсвободной энергии проводился по методу Беннетта. Сравнение данных по гидратации, полученных в ходе двух типов расчётов, служило оценкой точностирасчётов профилей свободной энергии.11Было предложено и апробировано два метода оценки энергии адсорбции:метод, основанный на подходе Гиббса, и путём измерения значения профиляэнергии в минимуме. В подходе Гиббса сначала рассчитывался относительныйпрофиль концентрации (предполагая концентрацию в газовой фазе равной 1нм−3 ).
Затем рассчитывался избыток Гиббса, и энергия адсорбции оценивалась,предполагая толщину границы раздела равной 1 нм, поскольку это обычнобыла толщина, на которой варьировался профиль свободной энергии. Соответствующие теоретические основы данного метода были изложены в приложенииВ.Численные оценки энергий гидратации сравнивались с известными экспериментальными данными и показали отличную корреляцию (R=0.997), однакоабсолютные значения рассчитанных величин оказались систематически завышены на величину от 2 до 4 кДж/моль.
Данные по энергии адсорбции сравнивались с единственными известными экспериментальными данными по адсорбции аминокислот, при этом коэффициент корреляции составил 0.65. Однакофакт плохой корреляции сам по себе не свидетельствует о серьёзных систематических ошибках в результатах моделирования, поскольку энергии адсорбцииаминокислот и их боковых цепей могут быть связаны нелинейно (тогда кактакая линейность часто наблюдается при оценки энергий гидратации).Четвёртая глава диссертации посвящена изучению распределения различных типов аминокислот между ядром и поверхностью глобулярных белков на основе расчёта поверхности, доступной растворителю, для большого количества экспериментальных пространственных структур белков.
Результатытретьей главы опубликованы в работе [A2]. Для проведения статистическогоисследования был в полуавтоматическом режиме создан набор из 8 тысяч пространственных структур белков на основе базы данных PDB. Были отобраныбелки с эволюционно-независимыми последовательностями аминокислот (сходство последовательностей оценивалось с помощью алгоритма BLAST) удовлетворяющие ряду условий: (I) наличие пространственных структур высокогоразрешения, (II) отсутствие явного указания на неглобулярность белков в описании структур, (III) определённые соотношения между радиусом инерции и12Рис.
3. Каждая точка представляет одну белковуюструктуру в координатах радиус инерции - количество аминокислот в логарифмической шкале пообеим осям. Пунктирная линия - аппроксимациянижней границы облака точек. Структуры находящиеся между сплошными линиями были отобраныдля дальнейшего рассмотрения.длиной аминокислотной последовательности (см. Рис. 3).Для всех отобранных белковых структур была рассчитана молекулярнаяповерхность, доступная растворителю, по алгоритму Ли-Ричардса, а также вычислены вклады каждой аминокислоты и её боковой цепи в поверхность белка.Величина доступной поверхности боковой цепи для каждого аминокислотногоостатка в белке, отнесённая к таковой в модельном Ala-X-Ala трипептиде, определялась как экспонированность конкретного остатка и являлась базовой величиной для отнесения остатков к “поверхностным” или “ядерным”.
Перед статистической обработкой данных был решён вопрос о зависимости получаемыхсредних распределений аминокислот от размера белковых глобул. Показано,что (см. Рис. 4) зависимости относительной встречаемости аминокислот выходят на постоянные значения для белков с размером больше 300 аминокислотных остатков (АКО). Такое поведение было объяснено мультидоменным строением глобулярных белков, а также требованиями к квазислучайности белковыхпоследовательностей. В дальнейшем для вычисления статистических распределений использовались структуры размером более 300 АКО.Чтобы охарактеризовать относительную вероятность для различных аминокислотных остатков иметь то или иное значение экспонированности, былавведена величина статистической концентрации данного типа остатка при заданном уровне экспонированности, которая определялась как доля АКО заданного типа среди всех остатков с заданным уровнем экспонированности (см.ур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
