Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина - Биологическая химия (1128707), страница 82
Текст из файла (страница 82)
'1'акая пошагов«я процедура проводится до тех нор, пока потенциал ие станет ьшнимальнылч, те. никакой набор изменений координат пе будет приводить к умепьпиншю величины у. Если исходить, как зто обычно делается, из нескольких стартовых коифо!ч маций, то молекулярная механика чаще всего 1чриводит к иссколькикч кокс)чо1ч мациям с минимальной:шергией. Следующей зада тй являсгся отбор тех кон формаций, которые согласуются с определенными ограничениями, ншюжепнымн ,'имеющимися в распоряжении экснеримеитальныьш данными, наиример, некото- рыми расстояниями между протоиалш, найденными с помощью ХОПВУ Я!ч!!'-спектроскопии, или значениями торсиоииых углов, найденными из констант спинснинового расщепления (ОО57 ЯМР-сиектроскопия).
В этом случае молекуллрную механику называют очраннченной жьлекужчуной механикой. С этой целью в выражение (7.15) добавляют некоторую штрафную функцию, которая резко возрастаег нри отклонении координат от значений, найденных в эксперименте. В том случае, если ограничения привносятся из данных ЯМР-спектроскопии, функционал приводится к виду 1 + Е! + Е21 (7. 24) где два последних слагаемых являютсл штрафными функциями. Для учета меж- нротониых расстояний гв, найденных нз эффекта Оверхаузера, вводится функции Еь которая имеет вид Е1 —— Я (г — гв)э нри г < (гв — 51), Е, = О при (гв-(н) < г<(гв+ (7,), (7.25) Еч = ЯО( — о)з рп г> (~в+ Р,), где Ь| и (/1 — допустимые отклонения от экспериментальных значений расстояний.
Это означает, что если г в процессе вычисления (лшнимизнции энергии) отклоняется вниз от величины г„более чем иа lь то нотешчиальпня энергия начинает искусственно увеличиваться, причем мнснпнб увеличения задаетсл множителем Яб То же самое относится и к случаю, если вычисляемая величш~а г начинает в ходе минимизации энергии превосходить чв более чем иа допустимую величину Я1. Аналогичная функция вводится для ограничений на торсиоииые углы: Ез = 1'1(1э — Ро)э пРп Р < (Учв - 7ч), Е = О р (!е-5э) <! <(~ +уз), Еэ = )сс( у — Фв) нри Ф > (Фо + (уэ), (7.26) где все величины имеют тот же смысл, что и в предыдущелч случае, ио примекительно к торсионным углам. Коэффициенты в штрафной функции и ограничивающие значения вводятся исследователем, если мочкин тнк скнзнтгч интуитивно.
Н . Нередко из-за неудачного выбора этих параметров иолу шгтся нелепый ре! зл У ьтат, ие согласующийсн с рнзулчиыиш иредставленпнлш об исследуемой структуре. Приходится менять эти параметры и сиона нронод~ггь процедуру личнимизац . Поэтому нередко поиск онтимнльной структуры инзыннют компьютерным ции. экспериментом. В методе молекулярной механики все атомы рассьттривюотся как бы находеля д Щимися в состоянии покоя. В отличие от этого эиолекулярнпл дннажика он едя р д яег цоложение всех атолчов в фазовом пространстве координат и скоростей, кото торов находится путем численного интегрирования урнвкшпи1 движения Ньютона, В . В отличие от молекулярной гчехниию~ молекулярпшя динамика нрииилчает во вин имание тепловое дшикеиие атомов..)то позволяет нтомнм пересекать иекотоРые но отенциальные барьеры, что в нрпицине отсутствует в молекулярной механике. Чтоб тобы записать систему ньютоновских урнвиеиий, нужно ирезсде всего определи ить силу, действюоныю нн кажный нто (7.27) Г! = -ду/дгь где Р— потенциальная энергия, определяемая в уравнении (7.23); г, — текущая координата атома г', которая в молекулярной динамике является функцией вре мени.
Ускорение каждого атома 1 определяется по уравнешпо (7.28) а, ж Рь/ьиь. Кинетическая энергия выражается через скорости движения атомов: ~одержит тысячи дифференцнььчьных уравнений. В то же врелья, например, конформационные изменения происходят, как правило, в течение микросекунд или даже миллисекунд. Поэтому для объяснения большинства биологических явлений, например направленных конформационцых переходов нли процессов транс- локации при матричном биосинтезе, сегодняьнние компьютерные возможности оказываются недостаточными. Однако процесс соверьнеьйтььоваьььья вычислительной техники идет настолько семимильными шагами, что молсно надеяться на нроникновение методов молекуллрной динамики в изучение механизмов важнейньих биологических явлений в не очень далеком будущем. г К= ьа;и,, ь=! (7.22) где ач и е — соответственно масса и скорость (векторная) ь-го атома.
Полная ь энергия системы (гамильтониан) определяется в виде Н(г, р) = Г(р) + 'г(г), (7.30) где г — декартовы координаты атомов; р — многомерный вектор механических моментов (имнульсов) атомов. Интегрироваьше системы огромного числа дифференциальных уравнений второго порядка может быть выполнена только численно, а это требует задания начюььных условий — начальных значешгй координат и начальных скоростей. Задание начачьных коордььнат моьхст бьгп сделано, как и в случае молекулярной механики, из зкснернментьиыьых данных или иэ данных оптимизацьш координат льстодоль молекулярной льгхьшнкн.
Задание скоростей может быть вьиюлнено следующнл» образом. Кахьдойь тельпературе соответствует онределенное распределение но скоростям, которое для газа описывается уравнением Максвелла Для большого, но конечного числа атомов, с которым имеют дело и молекулярной динамике, это означает наличие дискретного ряда значений скоростей, которые можно расколол нть, например, в порядке возрастания Вопрос состоит в том, какому атокьу рассматриваемого бионолимера какое значение приписать. Обычно это летают е помощью снециального генератора случайных чисел.
Это означает, что первая скорость ььрььписывается атому с тем номером, который генератор выдал мрц нервом запРосе, ьь т.д. Вначале задается достаточно высокая температура, чтобы система, оказавшаяся в связи с не всегда удачным заданььем мсхогцьых коордььнат вдали от глубоких миььимульов, могла и результате теплового диьщ,щьня мсрсеечь потгнщьаль иые барьеры, отделяющие ее от более благоприятных конформацнй.
Затем теьь пературу понижают до той, нрп которой хотят иолу ьнть ььнформацньо о молеььу лярной динамике, и используют то распределение оо коордььната ь н ' ! око >остььм которое было достигнуто при заведомо высокой, не представляющей биологичес кой значимости температуре. Следует, однако, отметить, что даьке нрьь нровсдешш расчетов без у ч га влияния окружающих молекул воды н ионов масштаб расчетов таков, что "о ььеьзььогьььсч' всего льью" на самых совершенных компьютерах проследить движешк и тсчонце в.
долей наносекунды, поскольку ьь!ьсльеььььоьь масштаб некоторых двил ( сснььй (в ььеР" вую очередь колебаний цо достаточно жссп ььль связям) измеряется сот,, . „ььиььь долями пикосекунды, а следовательно, каькдый шаг численного интсгрнроваььня ьь емеля жен составлять небольшое число фемтосекунд. Зна вы, для достьы,щьия врем~ ь, котора" в 1 нс нужно проводить порядь.а 10в шагов интегрирования сьютемы, 7.!б. ХИМИЧЕСКИЕ МЬГОД!я ИЗУЧИ!!И)! ПРОСГРЛ!!СГВВ!!ПОЙ СГ!гУКТУ7ь!ь! ЬИОПОХ!ИМЕ!"ОВ Существует щирокиш спектр ь)ьнзических н хььльььческььх методов, которые дают определенные сведеьшя о пространственной организации бнонолимерои и их комплексов. Из физических подходов можно упомянуть группу гпдродинамических методов, позволяющих охарактеризовать динамику перемещения молекул биоиолимера в растворе. 1!анример, если определен коэффициент диффузии биополимера !), то с помощью уравпення Эйььььььтейььа (7.31) можно найти коэффициент вязкого трения /.
В то лье время, согласно ураиненшо Стокса, величина /о для сферической частицы состаиляет /. = бхгэ, (7,32) где г — радиус сферической частицы; ь! — вязкость растворььтеля. Значение г для бионолимера без труда онределястсн и:з молекулярной льассы и нлотности бионщнимеРа. ПоэтольУ мохено Рассчьггап, ищшчшьУ /о исходЯ из ОРедположения о сфгри некой фо!ьльс щстььцы ьь сопоставить ее с экснерьжкптально найденным значащем /. Отюьонгнне / от /е является ьье!ьол вьгышутости молекулы и позволяет вычислить размеры полуосей эллшьсанда вращения, моделирующего структуру бпонолнмера. Важным инструментом исследования пространственной структуры бнонолимеРов является метод ги,иичесхой иодифихачии.
Если бнонолимер имеет неупорядоченную структуру, то все однотипные звенья одинаково реагируют с химическими соединеьььляьььь, реащгноноснособнычьь по отношеншо к эгчьм группам. Гслн же эта реакцил проводится со структурььровюьмым ььолььиьгЬьоль. то реакцнонньье груням, находящиеся в глубине молекулы, оказываются чисти шо нли полностью защищенными от дейстщгл реагента. Обработав бцоиолььмер реигентом (этот "Роцесс обычно называют химической модьн)ьнкицмгй), мо,кно оцепить степень "Ревращения каькдого остатка и тель самым онргделььть, каюьг ььз ь~ььх находятся на н а новерхноети, а какне частььчно нлн полностью экрюшрованы. !!анрнмер, ирн обработке панкреатнчегкой рибонуклеазы раствором 1ь в водном 8! находяьщьеся в это этом Растворе авионы !, ноднруизт остатки тнрозцна, нреирюцая нх в остатки ~~нодтирозина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
