Компьютерное моделирование и статистическиий анализ самоорганизующихся молекулярных систем на основе пептидов (1103432), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Пример мгновенных изображений для однослойного волокна, основанного на анти­параллельном бета-слое, в ходе расчётов молекулярной динамики: а) начальная конформа­ция, б) система через 10 нс моделирования.Рис. 11. Модель АСМ изображения для молекулярной системы - однослойный антипарал­лельный фибриллярный агрегат на графите, профиль высоты вдоль модели АСМ изобра­жения.20дальнейшего исследования.Из полученных периодических упаковок были сконструированы однослой­ные и двуслойные агрегаты диной в 80 бета-нитей (ок. 40 нм).

Для таких систембыл проведён расчёт методом молекулярной динамики в программном пакетеLAMMPS на основе силового поля PCFF. Расчёты проводились в параллель­ном режиме на 64 процессорах на суперкомпьютере СКИФ-МГУ. Длина тра­екторий составляла 10 нс с шагом в 1 фс. По результатам моделирования былпроведён визуальный анализ геометрии фибрилл (см.

Рис. 10), а также прове­дены статистические обработки: проанализирован состав вторичной структу­ры пептидных сегментов, построены гистограммы расстояний для пептидныхи тиофеновых сегментов, проведён анализ взаиморасположения тиофеновыхколец и проанализированы возможности для − -стэкинга тиофенов.Было также проведено моделирование однослойной фибриллы на графи­товой подложке и предложен алгоритм виртуальной атомносиловой микроско­пии, который позволил по имеющейся атомной структуре построить подобиеизображения, получаемого атомносиловым микроскопом, и построить профиливысоты для фибриллярных агрегатов (см. Рис.11).

Высота однослойных агре­гатов была оценена в 9 Å, что оказалось в хорошем соответствии с высотамиагрегатов регистрируемых АСМ в эксперименте.По результатам анализа для фибрилл различного типа были сделаны сле­дующие выводы. Для молекул 1 агрегация пептидных частей в бета-слой истэкинг тиофеновых сегментов являются конкурирующими мотивами укладокв силу различного периода, навязываемого данными взаимодействиями (ок.

5Å –период бета-слоя против ок. 3.5 Å– расстояние − -стэкинга). Фибриллыоснованы на укладке пептидов в бета-слой, что навязывает соответствующуюпериодичность тиофеновым сегментам и препятствует их − -стэкингу. Од­нослойные фибриллы на основе антипараллельной укладки в объёме склоннык образованию суперспирали. Двуслойные агрегаты намного более стабильныи прямолинейны. Двуслойные агрегаты на основе антипараллельной укладкисклонны к закручиванию плоскости фибриллы относительно оси (твист) поряд­ка 180∘ на 80 нм.21На основе обобщения данных моделирования, а также экспериментальныхданных, включающих АСМ, ПЭМ, ИР-, КД-, флюоресцентную спектроскопиибыла определена наиболее вероятная модель наблюдаемых фибрилл, основан­ная на однослойных фибриллах с упаковкой пептидных сегментов в параллель­ный бета-лист.В заключении перечислены основные результаты и выводы диссертации.Диссертация содрежит 4 главы приложений (А, Б, В, Г).

В приложенииА приводится список и химические формулы всех аминокислот и соединенийаналогов их боковых групп. В приложении Б приведён вывод формулы длявычисления свободной энергии сольватации в компьютерном моделировании.Показывается, что работа (свободная энергия) по выключению взаимодействиймежду молекулой и растворителем с точностью до незначительных поправокравна энергии сольватации определяемой в эксперименте через отношение кон­центраций вещества в газе и в растворе. В приложении В приводятся вспо­могательные формулы к главе три.

В приложении Г размещены профилисвободной энергии для всех веществ, изученных в главе три.Основные результаты и выводы диссертации1. Методами молекулярной динамики изучена гидратация боковых цепейаминокислот вблизи поверхности воды. Построены профили свободнойэнергии молекул вблизи поверхности воды. Показано, что профили сво­бодой энергии для всех молекул имеют схожую форму.

Показано, чтосвободная энергия гидратации достигает своего объёмного значения припогружении молекул на глубину 0.6-0.7 нм, где влияние поверхностныхэффектов исчезает. Разработан метод оценки свободной энергии адсорб­ции молекул на границу раздела жидких фаз на основе классическихполноатомных моделей молекул. Проведена оценка энергий гидратациии адсорбции на границу раздела вода/воздух для боковых цепей амино­кислот.2.

Исследовано распределение аминокислотных остатков в глобулярных бел­22ках в зависимости от их погружённости в структуру белка путём стати­стического анализа большого количества экспериментальных данных попространственному строению эволюционно-независимых белков. Получе­ны статистические профили свободной энергии различных типов амино­кислотных остатков в зависимости от экспонированности. С помощью раз­личных методов классификации аминокислот на “ядерные” и “поверхност­ные” рассчитаны статистические энергии переноса аминокислот из ядрана поверхность, рассчитаны корреляции этих статистических энергий сэкспериментальными коэффициентами распределения аминокислот меж­ду рядом растворителей.

Показано, что коэффициенты корреляции силь­но зависят как от выбора пар растворителей, так и от выбора критери­ев статистической классификации аминокислот. Предложены три различ­ных статистических шкалы, каждая из которых наилучшим образом кор­релирует с одной из экспериментальных шкал гидрофобности (вода/пар,вода/октанол, вода/циклогексан). Проанализированы причины такого по­ведения.3. Предложены различные возможные модели укладки гибридных молекултетратиофентиофен-олигопептид ([Thr-Val]3 ) с образованием нанофибрилл.Созданы молекулярные модели таких укладок путём поэтапного рацио­нального конструирования с учётом имеющихся экспериментальных дан­ных.

Созданные нанофибриллы проанализироаны методом молекулярнойдинамики. Показано, что изучаемые молекулы могут формировать ста­бильные, упорядоченные фибрилло-подобные молекулярные слои благо­даря организации пептидных частей молекулы в параллельный или анти­параллельный бета-слой. Показано, что однослойные структуры в объёмеобладают тенденцией к образованию суперспирали. Двуслойные структу­ры, в отличие от однослойных, в объёме сохраняют свою линейность и,в зависимости от типа укладки, могут обладать закрученностью.

Пред­ложены различные варианты однослойных и двуслойных агрегатов, в ко­тором тиофеновые сегменты двух слоёв (лент) образуют структуры, по­добные нанопроводам, с возможной электропроводностью. Показано, что23наиболее вероятной упаковкой молекул в фибриллах, наблюдаемых в экс­перименте, является упаковка, основанная на параллельном бета-слое.Список печатных работ, опубликованных по темедиссертацииA1. Shaytan A. K., Ivanov V. A., Shaitan K. V., Khokhlov A.

R. Free energyprofiles of amino acid side chain analogs near water-vapor interface obtainedvia MD simulations // Journal of Computational Chemistry. 2010. Vol. 31,no. 1. Pp. 204–216.A2. Shaytan A. K., Shaitan K. V., Khokhlov A. R. Solvent Accessible SurfaceArea of Amino Acid Residues in Globular Proteins: Correlation of ApparentTransfer Free Energies with Experimental Hydrophobicity Scales // Biomacro­molecules. 2009. Vol. 10, no. 5.

Pp. 1224–1237.A3. Shaytan A. K., Khokhlov A. R., Khalatur P. G. Large-scale atomistic simu­lation of a nanosized fibril formed by thiophene-peptide “molecular chimeras”// опубликовано электронно // Soft Matter. 2010. URL: http://dx.doi.org/10.1039/b918562c.A4. Шайтан К.

В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. и др. Динамичексий молеку­лярный дизайн био- и наноструктур // Российский Химический Журнал.2006. Т. L, № 2. С. 53–65.A5. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. и др. Неравновесная молеку­лярная динамика наноструктур, включая биологические // ХимическаяФизика. 2006. Т. 25, № 9.

С. 31–48.A6. Шайтан К. В., Турлей Е. В., Шайтан А. К. и др. Молекулярная динамикаи дизайн био- и наноструктур // Вестник биотехнологии. 2005. Т. 1.С. 66–78.24A7. Shaytan A. K., Ivanov V. A., Khokhlov A. R. Peptide dynamics at wa­ter-membrane interface // The Fifth International Conference on Bioinfor­matics of Genome Regulation and Structure / Ed. by N. Kolchanov, R.

Hofes­tadt. Vol. 1. Novosibirsk, Russia: Institute of Cytology and Genetics, 2006.Pp. 320–323.A8. Шайтан А. К., Халатур П. Г., Хохлов А. Р. Суперкомпьютерное конструи­рование биоорганических нанопроводов // Суперкомпьютерные техноло­гии в науке, образовании и промышленности, Под ред. В. А. Садовничий,Г. И. Савин, В. В. Воеводин.

Москва: Издательство Московского универ­ситета, 2009. С. 51–56.A9. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода­мембрана // Сборник тезисов, VIII Конференция студентов и аспирантовУчебно-научный центр по химии и физике полимеров и тонких органиче­ских плёнок, Моск. Обл., Россия. 2004. С. 84.A10. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода­мембрана // Сборник тезисов, Системная биология и Биоинженерия:международная школа-конференция молодых учёных, Моск.

Обл., Рос­сия. 2005. С. 72.A11. Шайтан А. К. Динамика аминокислотных остатков на интерфейсе вода­гексан // Сборник тезисов, Малый полимерный конгресс, Москва, Россия.2005. С. 136.A12. Шайтан А. К., Иванов В. А., Хохлов А. Р. Определение свободной энергиигидратации боковых цепей аминокислот с использованием явной моделиводы // Сборник тезисов, Четвёртая Всероссийская Каргинская Конфе­ренция "Наука о полимерах 21-му веку Москва, Россия. Т. 3. 2007.

Характеристики

Список файлов диссертации