Диссертация (1103954), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Выбор стартовой конформации имеет решающее значение для результатов моделирования, поскольку длинная полисахаридная цепьимеет много степеней свободы и очень сложный конформационный ландшафт свободнойэнергии. Мы построили энергетически выгодную структуру цепи, выставив конформациикаждой связи между остатками в глобальный минимум энергии, рассчитанный для дисахаридов, и каждую конформацию гексапиранозного кольца — в энергетический выгодноесостояние. Полученная структура была близка к узкой спирали 31 и использовалась в качестве начального состояния в 400 нс МД расчетах О-антигена в водном растворе.Конформационное поведение длинной цепи О-антигена значительно осложняется взаимодействием удаленных частей молекулы. В результате, локальные вращения вокругO-гликозидных связей могут привести к образованию шпилек.
В обеих моделях в поляхOPLS-AA и GLYCAM вершины шпилек всегда формируются через переход связи � ���ℎ�в состояние �ψ . В обеих моделях дисахарида Man-Rha разница в заселенности состояний�ψ существенно не влияет на общее конформационное поведение молекулы. Тем не менее,различия в значениях свободной энергии этого состояния приобретает решающее значение вслучае длинной О-антигенной цепочки и приводят к качественно различным сценариям конформационного поведения О-антигена. В обоих силовых полях мы наблюдаем образованиешпилек, ведущее к компактизации цепей. Однако в поле OPLS-AA переход клубок-глобуладля цепочки О-антигена обратим и происходит в течение сотен наносекунд, тогда как модельв поле GLYCAM, напротив, предсказывает необратимый переход О-антигена от клубка к глобуле.
Несмотря на то, что не существует прямых экспериментальных данных, описывающихконформационную динамику О-антигена в растворе, имеющиеся данные по синтезу и биологической функции О-антигенов противоречат гипотезе формирования стабильной глобулы.Так как одной из основных задач наших дальнейших исследований являлось реалистичноевоспроизведение укладки О-антигена на поверхности наружной мембраны, мы остановилисвой выбор на силовом поле OPLS-AA, которое было использовано для создания моделейЛПС-аграгатов (раздел 5) и ЛПС-мембран (раздел 6).2Валидация параметров липидного слояОсновным валидирующим параметром для моделей липидных бислоев является площадьповерхности, приходящаяся на одну молекулу в монослое при фиксированном поверхностном натяжении. В равновесном бислое в отсутствие латеральной составляющей давленияповерхностное натяжение равно нулю [283].
Считается, что площадь на липид при нулевом141Таблица 4.3: Экспериментальные данные для площади на липид (ApL) для монослоев липидов диолеилфостфатидилхолин (DOPC), пальмитоилолеилфостфатидилхолин (POPC),дипальмитоилфосфатидилэтаноламин (DPPE), дипальмитоилфостфатидилхолин (DPPC),пальмитоилолеилфостфатидилглицерол (POPG).липид температура, K конц. ионов, моль/лDOPC303—POPC3030.12980.1DPPEDPPC323—3030.1POPGApL, Å2источник67.4 ± 1.0[284]64.3 ± 1.3[285]46.0 (гель)[286]63.0 ± 1.0[284]64.7 ± 1.3[287]поверхностном натяжении липидного бислоя соответствует площади на липид в монослоепри поверхностном натяжении около 35 дин/см и называется равновесной площадью на липид (Area per Lipid, ApL). Классическим экспериментом по измерению ApL является снятиеизотермы латерального давления в зависимости от площади монослоя Ленгмюра.
Такжеданные о равновесной площади могут быть получены из экспериментов по рассеянию рентгеновских лучей или нейтронов на липидных мультиламеллярных фазах. Различные частимолекулы липида могут вносить различный вклад в равновесную площадь. Межмолекулярные водородные связи обеспечивают притяжение и уменьшают ApL. В случае заряженныхлипидов, существенный вклад вносит электростатическое отталкивание полярных головок,которое увеличивает равновесную площадь. Увеличение параметра упорядоченности ацильных цепей при плотной упаковке липидов уменьшает энтропию системы, что препятствуетснижению ApL.
Таким образом, равновесная площадь является параметром, чувствительным к самым различным характеристикам механической модели молекулы липида.Прежде, чем приступать к моделированию целых молекул ЛПС и ЛПС-содержащих систем, мы провели предварительную серию расчетов для бислоев, состоящих из более простых липидов, для валидации параметров используемого силового поля OPLS-AA. В качествеопорных данных мы рассматривали экспериментальные результаты, приведенные в табл. 4.3.В первую очередь, мы провели уравновешивающие расчеты для насыщенных и ненасыщенных фосфатидилхолинов в силовом поле OPLS-AA, используя протокол, описанный вразделе 1.3.3 главы 2. Масштабируемость рассматриваемых систем была оценена сравнением результатов расчетов для бислоя, состоящего из 50 и 128 молекул липидов.
Ампли-142туда колебаний значения ApL в таких системах сохранялась примерно одинаковой. ApL врасчетах с использованием базовых параметров силового поля OPLS-AA оказалась существенно занижена, по сравнению с экспериментальными данными для обеих рассматриваемых систем (рис. 4.12 A,B). Причина наблюдаемого несоответствия, видимо, заключаетсяв особенности параметризации силового поля OPLS-AA. Поле OPLS-AA было разработанотаким образом, чтобы воспроизводить термодинамические свойства жидкостей, и при соответствующих расчетах силовые параметры подбирались для растворов коротких алканов вразличных растворителях [232, 288]. В то же время, наиболее распространенным объектом,рассматриваемым при моделировании моно- и бислоев являются липиды с длиной цепей более 12 атомов углерода, что больше, чем было проанализировано при создании силового поляOPLS-AA.Рис.
4.12: Значения площади на липид (ApL) в расчетах для модельных бислоев, зеленымотмечена область, соответствующая экспериментальным данным (A,B). Профиль потенциальной энергии вращения вокруг C–C связи в поле OPLS-AA (пунктир) и в его модификации [289] (сплошная линия, C).Заниженные значения ApL, полученные в модельных расчетах, связаны с низкой вероятностью образования кинков в ацильных цепях. С точки зрения молекулярной модели, эта вероятность определяется разностью потенциальных энергий между транс - и гош конформерами. В поле OPLS-AA потенциал вращения вокруг С–С связи в углеводороднойцепи имеет вид, показанный на рис. 4.12 C (пунктир), и обладает достаточно высокой энергией в области, соответствующей скошенной гош -конформации.
Этот артефакт параметризации был исправлен в недавней статье [289], в которой были проведен перерасчет параметров потенциалов торсионных углов в насыщенных и ненасыщенных ацильных цепях,а также параметров Леннарда-Джонса для ��3 -гибридизированных атомов в цепях жирных кислот, с целью воспроизведения реалистичных характеристик фосфатидилхолиновых143бислоев. Потенциал двугранного угла, использованный в работе [289] имеет существенноотличную форму с меньшей энергиейгош -конформаций(рис. 4.12 C, сплошная линия) итем самым позволил нам увеличить ApL в рассматриваемых системах и приблизить расчетные значения к экспериментальным. Результаты уравновешивающих расчетов с новымипараметрами представлены на рис.
4.13. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментально полученными значениями. Более того, для дипальмитаилфосфатидилэтаноламина (DPPE) нам удалось воспроизвести фазовый переход в гель-фазу, наблюдаемый вэксперименте [286] (рис. 4.13 D). Полученные параметры были в дальнейшем использованынами для моделирования ацильных цепей молекул ЛПС.Рис. 4.13: Значения площади на липид в расчетах для модельных бислоев. Зеленым отмеченаобласть, соответствующая экспериментальным данным.3Параметры полярных головок и центрального олигосахаридаЛипид А и центральный олигосахарид ЛПС содержат в своем составе фрагменты, силовыепараметры которых не описаны в поле OPLS-AA.
Для расчета недостающих параметровмы выделили каждый из нестандартных фрагментов в виде отдельной молекулы (рис. 4.14,верхний ряд), для которой были проведен расчетыab initio .Прежде всего, мы скоррек-тировали значения параметров электростатического взаимодействия, которые играют ключевую роль в межмолекулярных взаимодействиях. Мы оставили без изменений параметрыВан-дер-Ваальса, выбрав их по аналогии с присутствующими в поле типами атомов, как это144было сделано в расширении поля OPLS-AA для углеводов [290]. В частности, первичные,вторичные и третичные атомы углерода в алканах, а также гидроксилированные атомы углерода первичных, вторичных и третичных спиртов имеют одинаковые параметры взаимодействия.
Поэтому для всех новых типов атомов мы устанавливаем параметры Ван-дер-Ваальсатакими же, как для типов атомов с аналогичным химическим окружением в исходном поле. Атомный заряд, напротив, сильно зависит от соседних атомов, поэтому нам пришлосьскорректировать его для всех новых типов атомов. При внесении изменений мы старалисьмаксимально сохранить самосогласованность существующего силового поля, т.е. мы изменяли парциальные заряды только для атомов, расположенных на стыке стандартных атомныхгрупп с учетом значений парциальных зарядов для аналогичных типов атомов, описанныхв силовом поле.Рис. 4.14: Химические фрагменты структуры ЛПС, описание которых отсутствует в силовомполе OPLS-AA (верхний ряд).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
