Компьютерное моделирование структуры связанной воды (1103449)

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

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. Ломоносова__________________________________________________________Физический факультетНа правах рукописиУДК 577.3Соловей Алексей БорисовичКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ03.00.02 – биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006 г.РаботавыполненанакафедребиофизикифизическогофакультетаМосковскогогосударственного университета им.

М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорЛобышев Валентин ИвановичОфициальные оппоненты:доктор химических наук,профессорРодникова Маргарита Николаевнадоктор физико-математических наукпрофессорПетрусевич Юрий МихайловичВедущая организация:Институт Молекулярной Биологии РАНим. В.А.

ЭнгельгардтаЗащита диссертации состоится «___» июня 2006 года в ________ часов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.08 при Московском государственном университете им.М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, аудитория _____________С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им М.В.Ломоносова.Автореферат разослан _________________ 2006 годаУченый секретарьДиссертационного совета К 501.001.08.кандидат физико-математических наукГ.Б. Хомутов2Актуальность проблемы.Структура жидкой воды обсуждается уже много десятилетий.

К настоящему времениустановлено, что электронная структура атома кислорода воды обладает тетраэдрическойсимметрией, и валентный угол HOH молекулы в газовой фазе несколько меньше идеальноготетраэдрического. Благодаря этой симметрии молекулы воды могут образовывать от однойдо четырех водородных связей.

Вследствие этого, в жидкой воде возможно образованиедефектной непрерывной сетки водородных связей. Долгое время часто используемоймоделью структуры жидкой воды была двуструктурная модель. Эта модель приобреламножество модификаций, но ее суть сводилась к описанию жидкого состояния какаддитивной смеси льдоподобной структуры и несвязанных одиночных молекул воды.Аналогичный подход доминировал и в описании присутствующей в биологических системахсвязанной воды, которой приписывали свойства льда-Ih. Полиморфизм кристаллическихформ льда подсказывал возможность многообразия структур связанной воды, но они нерассматривались как структуры, существующие в области очень высоких давлений.Принципиальный шаг был сделан при переходе от рассмотрения кристаллическихструктур к рассмотрению параметрических структур обобщенной кристаллографии сиспользованием модульных представлений. Такие параметрические водные структуры могутиграть ведущую роль в самоорганизации пространственных структур биологических системразных уровней иерархии, обладая основными структурными свойствами биосистем.Даже в лабораторных условиях вода представляет собой раствор, содержащийизотопы водорода и кислорода, растворенные газы, ионы, другие примеси органического инеорганического происхождения.

Переходные процессы, регистрируемые физическимиметодами в разбавленных растворах, характеризующиеся большими, немолекулярнымивременами (часы и даже сутки), дают основание предполагать, что параметрическиеструктуры связанной воды могут существовать и в разбавленных растворах. Знаниемодульных структур и принципов их сборки позволяет создать модульный дизайн,требующий компьютерных технологий.Цель работы.Разработка методов компьютерного моделирования структур связанной воды,реализация алгоритмов их построения с целью получения новых данных о топологии ифизических свойствах сетки водородных связей в жидкой и связанной воде.3Научная новизна работы.Впервые разработан метод компьютерного моделирования параметрических структурводы на основе модели связанной воды Н.А.

Бульенкова.Впервые было предложено новое объяснение максимума 0,37 нм на радиальнойфункции распределения gOO(r) жидкой воды на основе топологической модели сеткиводородных связей. Исследование «коллапса» второй координационной сферы молекулыжидкой воды показало возможность существования устойчивой бифуркатной структуры вжидкой воде, соответствующей максимуму функции gOO(r) при r=0,37 нм.Показано, что структуры ряда моносахаридов соответствуют параметрическимструктурам связанной воды.

Установлена корреляция между этим соответствием ирастворимостью моносахаридов в воде, а также аномерным составом раствора. Такаякорреляция отсутствует при рассмотрении структур моносахаридов, вписанных в структурыльда-Ih.Впервые построены фрактальные структуры в рамках исследуемой модели,содержащие более 10000 тетраэдрических частиц. На распределении валентных углов этихструктур показано наличие максимума в области 104,5°, соответствующего валентному углумолекулы воды в газовой фазе.Научно-практическое значение работы.Разработанныйвдиссертацииметодиполученныеданныедаютновуюфундаментальную информацию о структуре связанной воды и возможность получения новойинформации о структуре и физико-химических свойствах воды, связанной с биологическиважными молекулами.

Разработанные алгоритмы построения параметрических структурмогут быть использованы для изучения трехмерных структур биологически важныхмакромолекул.Апробация работы и публикацииОсновныерезультатыдиссертациибылипредставленынаМеждународнойконференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002»,«Ломоносов-2003», «Ломоносов-2004», «Ломоносов-2005», «Ломоносов-2006», секция«Физика» (Москва, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006), на XIII международном симпозиуме«Структуры жидкостей и растворов» (Саратов, 2002), на IX Международной конференции«Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Плес, 2003), на III съездебиофизиков России (Воронеж, 2004).4По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, 1 работа принята к печати.Структура и объем диссертацииДиссертация изложена на 112 стр.

(без приложения), содержит 107 рис. и 10 табл.,список литературы содержит 81 библиографическую ссылку. Диссертация состоит извведения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения.Краткое содержание работыВведениеОбоснована актуальность темы диссертации и научно-практическая значимость,сформулированы цели работы, научная новизна и приведены положения, выносимые назащиту. Кратко изложено содержание диссертации по главам.Первая глава. Обзор литературы.В обзоре литературы содержится информация об особенностях структуры воды,рассматриваются представления о двуструктурной и непрерывной модели жидкости,отмечается существенная роль воды в биологических системах.

Кратко описаны методыисследования структуры жидкой воды. Описана функция радиального распределения.Отмечается наличие промежуточного максимума на функции радиального распределения,ранее трактуемого как наличие пустотных молекул воды в льдоподобном каркасе воды.Описаны различные методы расчета кластеров воды методами квантовой химии.Отмечается наличие ярко выраженного кооперативного эффекты в кластерах, содержащихболее 6 молекул воды.Кратко описаны методы молекулярной динамики для моделирования жидкой воды.Приведенобзорпопотенциалам,используемымдлямолекулярно-динамическогоисследования жидкой воды.

Рассмотрены основные достоинства и недостатки потенциалов.Подробно описана модель параметрических структур связанной воды, предложеннаяН.А. Бульенковым.5Вторая глава.Алгоритмы построения структур "th-циклов" в модели Н.А. Бульенкова.Разработан алгоритм компьютерного моделирования параметрических структурсвязанной воды, предложенных Н.А. Бульенковым. Моделирование структур проводилось всреде HyperChem 7.01.

Строился граф некоторой исходной структуры, далее в потенциалеAMBER минимизировалась энергия этой структуры:U = ∑ k r (r − r0 ) +2dist∑ kϕ (ϕ − ϕ 0 ) +valenceVtors∑ (1 + cos(nψ − ψ 0 )) + U non −bondedtorsion 2Здесь r0=2,8 Å, φ0=109°28’, n=3, ψ0=0, Unon-bonded – потенциал взаимодействия не связанныхнепосредственно частиц в виде Леннард-Джонса.

Учитывался ван-дер-ваальсовый радиусмолекулы воды, глубина потенциальной ямы для такого взаимодействия была принятаравной 0.15 ккал/моль. Энергия торсионного барьера Vtors между частицами была принятаравной 0.1 ккал/моль. Значения kr и kφ были взяты равными 20 ккал/(моль·Å2) и 5ккал/(моль·рад2). Молекулы воды заменялись тетраэдрическими частицами, а водородныесвязи O-H…O заменялись на связи между этими частицами.Структуры “th-циклов” связанной воды характеризуются рядом отличительныхпризнаков: все они состоят из тетраэдрических частиц, организованных в гексациклыконформациитвист-ваннаодинаковойхиральности,всетвист-ванны«th-циклов»соединяются по «выступам» присоединением димеров тетраэдрических частиц к «выступам»твист-ванны.Рис 1. Гексацикл конформации твист-ванна “+” –«выступы» твист-ванны, “0” – «края» твистванныДля построения “th-циклов” использовались как предложенные Н.А.

Бульенковымалгоритмы двойникования структур по точечной группе симметрии, так и комбинаторныеметоды добавления твист-ванн или димеров к незанятым «выступам» твист-ванн исходного6кластера. В результате добавления димера в выступам твист-ванны исходного “th-цикла” ,получившаяся структура также является “th-циклом”.Рис 2. Некоторые простые “th-циклы”.

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.

Список файлов диссертации