Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина - Биологическая химия (1128707), страница 81
Текст из файла (страница 81)
В качестве иллюстрации иа рис. 9'5 пр|веден фрагмент диумерного спектра ядерного эффекта Оверхаузера короткого дуплекса, образованного двумя комплементарными олпгонуклеотпдалш: (5 ) -<5(РТР6РТРТРТРбрбрС)-(3') (3 ) — с(( АРСРАРАРАРСРСР] †(5') соответствующего по оси ординат облает<и химических сдаигов протонов гетера циклов Пб пиримидииов и П8 пурпиоа, а ио оси абсцисс — области химически" 31б ижиз 4,0 зл 44 4 5,2 4,2 7,4 т,а с<из! я к «с « с<из! риг. 93. фрагмент НОЕяспектра дуплекса, абра.юкя|п ого п.и|гоню я<атидзми '!(РТРГ!РТРТРТРОРГ Р С) и <5(рСРСрдрАРАРСРА) Ьро«-го|ко.
соотьеи.тьующие перьомч а |игокнкяеатидч. сираектирпькиы |ы кячк| оертикелькчю ье!'<кюю гори!он<колкую <хи, я дли ьтораго а к|гаичкяеатид, — ия пряеню ьертию| |ьичк| и ииеюок| гч и |мга|тьиню оси. Ня асят атме |ело. к кикил| ию,оеатидиым осгяткям атно<ли я сиги мы. Остячек оракчмероькиы отдетьио доя кяждаго из анино<<ни«е<зтидоь < Л -какая. Ни|< и<|виыг кро«-пики, отсе |еииые звезда е ои, <аатьетстьуют ьичтриинкяеатидиым еьюмодеиыеиям мез дч крот«и|<ми Нб и НЬ 'еты| ел о<тяглое иитиди|юь сленгов протонов при нераом углеродиом атоме дезокспрпбозы П!'.
!(росс-пики, соответствующие различным парям взкилюдейстау|ощих ядер, нредстаклеиы и диде серии горизонталеи, соединяющих точки с од|шакоиой интенсивностью ~игнала. Видно, что каждый протон П1' взяпмодаигтвует < протоном Пб или И8 гетероцикла, принадлеи<ащегр тому же иуклеотидиому заеиу, и с протокол| гстс Роцикла соседнего пуклеотидиого звена, находящегося со стороны 3 -г|щрокси- 317 группы. Например, кросс-ник а характеризует взаимодействие протона !!1 ' нато остатка тимидина верхнего олнгоцуклеотида (нумерация остатков от 5'-конца олигоиуклеотида) н !!6 этого же остатка, а кросс-пнк б — его же взаимодействие с Н8 шестого остатка дезокснгуанозина.
К!юсс-ник о описывает взаимодействие того же протона И8 с Н! ' шестого остатка дезоксирнбозы, а кросс-ншс ~ — взанмодей ствие последнего с Н8 седьмого остатка дезокснгуанознна. 7.15. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ С!РУКТУРА БИОПОЛИМЕРОВ НО ДЛИН!яМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХА!!ИКИ И МОЛЕКУХ!Я!'НОЙ ДИНАМИКИ Наряду с экспериментальными методами, а в ряде случаев н в сочетании с ними, для изучения пространственной структуры бионолнмеров начинают использовать расчетные методы, применение которых стало возможным в результате появления сверхлющных компьютеров.
Нх разделяют на методы молекулярной механики и молекулярной динамики, которые исход,ят нз возмозспости количественно описать энергию каждого атома в бнонолпыере как функцию внутренних координат его ядер. Г! Рн этом электроны в явном шще вообще не рассматривюотся. Таким образом, просто донускается, что электроны онтимальным образом распределены в пространстве вокруг ядер. Функция, ошиывающая завксимость энергии от ядерных координат, рассматривается как многомерная поверхность, которую называют поверхностью потешснальной энергии.
В общем случае молекула мозкет иметь много энергетических минимумов, различающихся по глубине. В нервом нриблгокенни жалехуллрной,иегакихи такая молекула характеризуется структурой, отис чающей наиболее глубокому минимуму энергии. Следуюгдсе прнблихюнне состоит в описании равновесной смеси конфорлгацнй, находящихся во всех лпшнмулщх энс'ргин в соответствии с распределением Больцмана.
Для описания этой поверхности иснользуют эмпирически выведенную систему уравнений, математическая форма которых заимствована из классической механики. Эта система потенциальных функций, называемая силевмж лоле.а, содернсит некоторые варьируемые параметры, числовое значение которых выбирается оптимальным образом так, чтобы получить наилучшее согласие расс штанных и экспериментальных характеристик молекулы. Метод использует одно общее допущение о возможности переноса соответствующих параметров и силовых постоянных от одной молекулы к другой. Другими словами, эти числовые значения, буду ш определены для некоторых простых молекул, используются в дальнейшем в качестве фнксировюшых величин для других родственных соединений, в данном случае для бнонолимеров, Таким образом, в методе молекулярной механики молекула рассматривается как набор атомов, взаимодействие между которыми опнсываетсн простыми аналитическими функциями, занмствованнылш нз классической механики.
Позтнциальная энергия в общем виде может быть представлена следующим образом: (7 !5) г=1)+г +гз+!в+с" + "с где К вЂ” энергия ковалентных связей как функция расстояний менсду ядрами; !гэнергия, связанная с отклонением от оптимальных валгптных углов; Ус — торсионная энергия, описывающая зависимость зцерпш от торснонпых (двугранных, <$!веага1) углов; У4 — энергия ван-дер-ваальсовых взаиь одействий между кгокдой парой атомов; Уз — энергия взаимодействия ьи жду каким'- л~~бо атомом и я!я атомом Н, если последний участвует в образовании водородной связи; Уа — энергия электростатического притяжения нли отталкивания между зарявсенными атомами. Каждый потенциал У является функцией отклонения структурных параметров молекулы от некоторого гипотетического равновесного состояния.
Первый член выражения (7 15), соответствующий потенциалу деформации связей, описывает растяжение валентных связей в молекуле. Хорошим приближением реального изменения потенциальной щ!ергии деформации связей является закон Гука, который часто используют для математического оннсания этого потенциала во многих типах силового поля: (7.!6) У~ — — ХХ,(г — г ч)'-, где Х вЂ” силовая константа; г,„— равновесное значение длины связи, соответствующее минимуму энергии. Сулышрование нроводят по всем ковалентным связям.
Однако при больших деформациях илн в случае стерически перегруженных молекул возможны отклонения от гармонического и!эпближения (7.!6), Иногда для описания У~ исцользуют гарлюническнй нотенцнач с добавлением кубического члена Х,,(г — г, )'. !', = Е~Лг(г — г„ч)з + Х,'(г — г,„)з]. (7.17) Второй член вырюкення (7.15), У, соответствует потенциалу угловой деформации. Математически оно аналогично выра,кеншо, описывающему потенциал растяженин связи, и может быть представлено к виду из = КХа(8-8сч)-, (7.18) где Хв — силовая константа; Б — рашювесное значение валснтного угла, соответсч ствующее минимуму энергии.
Энергия возрастает, если величина валентного угла отклоняется от своего равновесного значения Бсч. В уравнение (7.!5) также могут быть включены члены более вьиокого порядка. Таким образом, согласно основной модели метода, атомы в молекуле как бы связаны вместе отдельнымн независимыми нружннкалнц стрел~ящимнся сохранить "естественные" величины длин связей и валентиых углов. Третий член выра,кения (7.15), Уз, соответствует торсионному нотешнгалу и Описывает внутреннее вращение вокруг простых связей в молекуле: —— —. Ц! + соз(нй — '7)] ,( 1 (7.19) где Х вЂ” силовая константа; и — коэффициент периодичности; р — равновесное значение торсионного угла, соответствующее лцпицОму энорьчш; 7 — фазовый угол. Комбинацию потенциальных функций, онисьшаюншх растя>кение связей, угловую деформацию и торсионцые взаимодействия, часто называют оаленнши.а сазовым волею. Ван-дер-ваальсовы потепцнааы !з часто выра, хают в виде так называемой функции аа/~,".' Г, = ~ (Д„~Ф;; — 1„)Х'ы), (7.20) (<7 где Х; — расстояние междч несвязанными атомамн Вц и А, — параметры ван-дер- 3!9 ванльсовых взаимодействий для данной икры атил<он.
Член Я'-' описывает отталкивание между атомами; член Я в — притяжение между парами нтолюн. В случае взаимодейгтвия протонов, участвующих в формировании водородной связи, с донором неподеленной нары электронов ваи-дер-ввнвьсов потенциал ь/,„ заменяют иа потенциал '%>: У, = Е(СО/Я',-," — Яо/Я'„'), (7.21) где Яц — расстояние между ковалеитно несвязанными атомаьш П и донором неподеленной пары электронов, участвующими в формировании водородной связи; Сц и Яц — параметры П вЂ” П-взаимодействий для данной пары атомов. Последний член выражения (7.15), !н, описывает кулоиовские взаимодействия между атомами: (7.22) (Я1,77/гЯо), !<д где ч7с и ду — точечные заряды иа атомах; с — диэлектрическая постоянная.
Ниже приведено уравнение, наиболее часто применяемое для оиисания силового поля и являющееся основой многих расчетных програлмч для метода молекулярной механики, используемых для конформациониого аинчизн бионолимеров: У вЂ” В(1 (г — г )-) + Х(1е(Π— Осч)-) + ч — Л(1 + соь(шй 7)! + + Б (Е /Я'г — А /Я') + В (Яву/<Я, ) + г(б;/Я), — Я,/Я!О) (723) 1<,! !</ В процессе энергетической оптимизации любая ирогрюмш ио молокулярной механике стартует с некоторых шнччшьиых декартовых коо1мшинт и иьпнстся найти новый выбор координат, соответствующий минимуму цочен~шчьчьиой энергии.
Поскольку этот метод позволяет исследовать только ограниченную обяасть пространства, успех рнсчьчов очень сильно зависит от удачного выбора стартовых структур. Построение стартовой структуры базируетсн пн предварительной информации о конформации молекулы, которая может бьгть получена с помощью экснериментальных методов, описанных в э' 7.13, 7 14 Минимизация энергии проводится путем п(шп~юьичнния координатам стартовой конформации некоторых црирагцсиий и вычисления нового значения иолУ- ченного потенциала Е Ес:ш в результате такой процедуры потенциал возрос, то пробуют другой набор приращений координат, Если достигнуто уыенынекие потенциала, то испытывается новый набор приращений координат, который должен привести к дальнейшему уменьшению потенциала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
