Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метод молекулярной динамики при изучении структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах. Учеб
.pdf
определяет, какая часть молекулы используется. Метод рисования
определяет, какое используется графическое представление. Метод окраски
задает цвет каждой части представления. Материал определяет последствия
освещения, теней и прозрачности на представлении. Вкладка «selections»
обеспечивает доступ к браузеру, который отображает список имен атомов,
имен остатков для выбранной молекулы.
В окне «Color» возможно выбрать любой цвет для окраски молекул и
других графических объектов в окне экрана.
Окно «Material» используется для создания и изменения определения
материалов.
Окно «Labels» используется для управления метками, которые могут
быть размещены на атомах или между атомами для описания длин связей,
валентных и торсионных углов [32, 33].
Меню «Display»
Данный пункт содержит характеристики изображения экрана.
«Reset View» - сбросить ориентацию и масштаб изображения к
настройкам по умолчанию.
«Stop Rotation» - останавливает авторотацию изображения, которое
было вызвано быстрым перемещением мыши.
«Perspective» - вид на экране может быть перспективным или
ортографическим. В перспективном виде (по умолчанию), объекты, которые
находятся далеко, изображены более малыми по размеру, чем находящиеся
рядом. В ортографическом виде все объекта изображены в одном и том же
масштабе.
«Antialiasing» - включает и выключает сглаживание. Сглаживание
помогает сгладить внешний вид изображения.
«Depth Cueing» - включает глубину отображения, для лучшего
восприятия.
91
«Culling» - включение и отключение отбора невидимых поверхностей.
Эта функция используется в основном для ускорения рендеринга.
«FPS» - отображение частоты кадров.
«Lights» - включение и выключение источников света. Можно
использовать до четырех отдельных источников света, чтобы был
реалистичный эффект для отображаемых графических объектов.
«Axes» - выбор места отображения осей координат.
«Stage» - расположить шахматную доску.
«Stereo» - стереоизображение.
«Cachemode» - механизм кэширования для ускорения рендеринга.
«Clipping Planes» - плоскости отсечения изображения.
«Screen Height», «Distance» - высота экрана и расстояние до экрана от
зрителя [32, 33].
Меню «Mouse»
Данное меню управляет поведением мыши, когда мышь двигается, и
нажатием на кнопки мыши в пределах графического окна. Управление с
помощью мыши может быть двумя способами:
1) изменить представление сцены (вращение, перемещение,
перемасштабирование),
2) управление объектами в графическом окне.
Верхние три пункта меню – это вращение, перемещение и
перемасштабирование графического окна, когда пользователь удерживает
левую кнопку мыши.
«Center» - определяет, как вращается и перемасштабируются сцена.
После выбора атома – он будет считаться центральным, вращение будет
происходить вокруг него.
«Query» - печатает информацию о выбранном объекте (например,
атоме) в текстовой консоли.
92
«Label» - добавляет метки к атомам в сцене. Метки включают атомы,
связи, углы, двугранные углы. Эти метки требуют, соответственно, чтобы
один, два, три или четыре атома были выбранными.
«Move» - изменение фактических координат атомов на сцене.
Возможен выбор перемещения одного атома, остатка, фрагмента, молекулы.
«Force» - силу применяют только к выбранным атомам в
моделировании.
«Move Light» - перемещение источников света вокруг сцены.
«Add/Remove Bonds» - добавить или удалить связь между двумя
атомами [32, 33].
Меню «Extensions»
Пункт «Analysis» содержит следующие программные модули.
APBS Plugin – программный модуль, который рассчитывает
электростатический потенциал.
CatDCD – программа для обработки траектории.
Contact Map - интерфейс для просмотра контактов «остаток-остаток»
между двумя наборами выбранных атомов из молекул.
HBonds - cчитает количество водородных связей, образованных по всей
траектории. Критериями для образования водородной связи является
расстояние отсечки между донором и акцептором, а также угол отсечения
между донором, водородом и акцептором. На расстоянии менее расстояния
отсечки (по умолчанию 0.3 нм) и угла менее угла отсечки образуется
водородная связь.
IRSpecGUI – калькулятор инфракрасной спектральной плотности.
MultiSeq – среда анализа последовательности и структуры белков и
нуклеиновых кислот.
NAMD Energy – программный модуль для оценки энергии
взаимодействия.
93
NAMD Plot – программный модуль, который служит для построения
графиков данных (энергия, температура, давление) из лог-файлов namd.
NetworkView – программный модуль для отображения белковых сетей.
ParseFEP — набор инструментов для анализа возмущений свободной
энергии.
PMEpot — калькулятор PME потенциала.
RamaPlot — программный модуль для построения карт Рамачадрана
для выбранных атомов.
RMSD Tool — программный модуль для расчета среднеквадратичных
значений расстояний между молекулами.
RMSD Trajectory Tool —расширенная версия программного модуля
RMSD для траекторий.
RMSD Visualizer Tool — программный модуль для выравнивания
молекул и расчета среднеквадратичных значений и среднеквадратичных
отклонений.
Salt Bridges — программный модуль, который находит солевые мосты
на траектории. Солевой мост считается сформированным, если расстояние
между любым атомом кислорода в кислотном остатке и атомом азота в
основании находится в пределах расстояния отсечки (по умолчанию 0.32 нм).
Sequence Viewer — программный модуль для просмотра
последовательности загруженных молекул.
Symmetry Tool — программный модуль для определения симметрии
для группы точек и отображения этой симметрии.
Timeline — программный модуль для просмотра атрибутов
молекулярной структуры, меняющихся во времени.
VolMap — программный модуль, который создает объёмные карты
(трехмерные сетки) на основе атомных координат и свойств выбранного
атома [32, 33].
Пункт «Modeling»
94
AutoIonize — программный модуль для добавление ионов натрия или
хлора в структуру. Добавление ионов обычно используется, чтобы сделать
общий электрический заряд системы равным нулю. Размещение ионов
является случайным с минимальным расстояние между ионами. Возможны
три режима работы программного модуля:
1) нейтрализация системы,
2) нейтрализация системы и установка определенной концентрации
соли,
3) добавление определенного количества ионов.
AutoPSF — программный модуль для генерации psf файла. Действует
только для одного загруженного файла pdb. Возможно использование
нескольких файлов топологии. Есть выбор частей молекулы, которые
должны быть включены в структуру (белки, нуклеиновые кислоты и др.).
Chirality — программный модуль для обнаружения и устранения
ошибок хиральности в белках и структурах нуклеиновых кислот.
Cispeptide — программный модуль для обнаружения, визуализации и
преобразования пептидных цис-связей в белковых структурах.
CGTools — программный модуль для преобразования структуры
между крупнозернистым и полноатомным представлением.
Dowser — программный модуль для добавления воды в структуру.
FFTK — приложение для разработки параметров силового поля,
совместимых с CHARMM.
Inorganic Builder — программный модуль для построения
неорганических структур.
Membrane — программный модуль для построения POPC или POPE
мембран.
MergeStructs — программный модуль для объединения нескольких
структур, каждая из которых представлена своим pdb и psf файлом.
95
Molefacture — интерфейс для редактирования молекул. Возможно
добавление, удаление и изменение структур молекулы на атомном уровне,
построение новых компонентов.
Mutator — программный модуль для мутации аминокислотных
остатков.
Nanotube — программный модуль для создания одностенных
нанотрубок из углерода или нитрида бора, а также листов, подобных
графену.
Solvate — программный модуль для добавления воды в моделируемую
структуру. Заполняет молекулами воды коробку с заданными размерами [32,
33].
Пункт «Simulation»
AutoIMD — программный модуль, который задает и выполняет
интерактивное моделирование молекулярной динамики (IMD).
Моделирование может быть визуализировано в реальном времени.
NAMD GUI — графический интерфейс для настройки и запуска МДмоделирования в программном комплексе NAMD.
QMTool — графический интерфейс для квантово-химических моделей
[32, 33].
96
4 Адсорбция полипептида на углеродной нанотрубке
)(rV
)(]/))([()()6/(
22
rrr
kTVa
2
)(r
)(rn
)(const)(
2
rrn
Rr
Rrrr
rV
,
0,
0
Для изучения адсорбции полипептида на углеродной нанотрубке было
произведено молекулярно-динамическое моделирование макромолекулы
полиаланина (500 звеньев), которая располагалась на поверхности
углеродной нанотрубки. Было рассчитано радиальное распределение атомов
макромолекулы от оси нанотрубки. Данные результаты были использованы
для получения характерных показателей и коэффициентов уравнений,
описывающих распределение концентрации на поверхности углеродной
нанотрубки методами статистической теории макромолекул.
Согласно статистической теории распределения плотности звеньев
полимерной цепи на поверхностях адсорбентов, в поле
поверхности
описание пространственного распределения звеньев сводится к нахождению
решения уравнения, аналогичного стационарному уравнению Шредингера:
, (4.1)
где a – размер мономера, – свободная энергия, приходящаяся на
одну частицу,
поверхностью. Квадрат функции
– оператор Лапласа, r – радиус-вектор точки над
определяет плотность
звеньев
макроцепи:
. (4.2)
В [3] определена радиальная зависимость концентрации звеньев для
цилиндрической поры с аксиально-симметричной непроницаемой стенкой и
- функциональной ямой, моделирующей притяжение звеньев полимерной
молекулы к стенкам цилиндрической поры
. (4.3)
Радиальное распределение концентрации звеньев находится из
соотношения (4.2).
97
Для нахождения радиального распределения двумерной плотности
)(rn
)(
))((
)(
1
6
2
r
Tk
rV
r
r
r
rr
a
B
kTq
a
2
2
6
RrrqrK
qRK
qRI
qrIA
rrqrI
qRK
qRI
qrI
qrK
A
II
I
00
0
0
0
00
0
0
00
00
,
0,1
qRI
qRK
qrI
r
kTa
qrIqrK
0
0
0
2
0
0
2
0000
6
0
I
0
K
)(rn
r
)(
))0((6
)(
2
r
Tka
rrr
r
r
r
r
B
rr
qRK
qRI
qrK
qrI
qrAK
rrR
qRK
qRI
qrKqrIA
II
I
0
0
0
00
00
0
0
0
0
00
)(
)(
)(
)(
)(
,
)(
)(
)()(
в поре необходимо решать уравнение, аналогичное уравнению Шредингера в
прямоугольной потенциальной яме с аксиальной симметрией:
, (4.4)
где
.
В этом случае решение уравнения записывается в виде:
Параметр q является корнем уравнения:
где
и
модифицированные функции Бесселя нулевого порядка первого и
второго рода (A=const).
Для нахождения радиального распределения плотности
(4.5)
, (4.6)
звеньев
макромолекулы, размещенной на поверхности углеродной нанотрубки, также
необходимо решать уравнение (4.4):
Уравнение (4.4) с потенциалом притяжения в виде - функциональной
ямы переходит в:
В этом случае решение уравнения записывается в виде:
, (4.7)
, (4.8)
98
параметр q является корнем уравнения:
)(
)(
)(
6
)()(
0
0
0
2
0
0
2
000
qRK
qRI
qrK
r
Tka
qrIqrK
B
drLr
N
rn
dr
t
****2
)(
)(rn
t
dr
N
r
t
)(_rn
n
rnrn
t
2
_
))()((
(4.9)
По результатам молекулярно-динамического моделирования
определялись коэффициенты уравнений (4.5), (4.6), (4.8) и (4.9), которые
аппроксимируют радиальную зависимость концентрации звеньев
макромолекулы на углеродной нанотрубке.
Обработка результатов МД-моделирования заключалась в вычислении
концентрации атомов макромолекулы по радиусу от оси нанотрубки.
Производилось это путем выборки атомов макромолекулы, которые попадали
в виртуальные концентрические цилиндрические слои с центральной осью,
совпадающей с центральной осью нанотрубки, с шагом 0.05 нм от
поверхности нанотрубки для определения радиальной концентрации атомов
(2.8) в определенный момент времени вычисления, каждые 5-10 пс на
некотором участке траектории. Исходя из полученных данных,
рассчитывалось мгновенное радиальное распределение концентрации атомов
по формуле:
, (4.10)
где
количество атомов на расстоянии
времени
– концентрация атомов макромолекулы по радиусу поры,
от центральной оси в слое dr в момент
, L - длина цилиндра.
-
Также рассчитывалось радиальное распределение средней
концентрации
и среднее квадратичное отклонение концентрации
атомов полипептида на поверхности углеродной нанотрубки на некотором
промежутке времени и по 5 экспериментам с одинаковыми начальными
условиями в один момент времени:
, (4.11)
99
Макромолекула, состоящая из 500 аминокислотных звеньев аланина,
i
b
вытянутая в прямую линию, располагалась рядом с углеродной нанотрубкой
(длиной 15 нм, хиральность n=30 и m=30, диаметром 4.05 нм). Общее
количество атомов полученной молекулярной системы 12443, из них атомов
полиаланина 5003. Использовалось силовое поле CHARMM22 (NAMD 2.7).
Методом МД производилось последовательное вычисление конформаций
макромолекулы при постоянной температуре с шагом времени 0.001 пс. Для
поддержания температуры использовался метод Берендсена (ТБ) c
коэффициентом трения
равным 1 (1.19) и термостат Лоу-Андерсена (ТЛА),
радиус обрезания столкновений Лоу-Андерсена 0.27 нм, темп столкновений –
50 пс
-1
. Вычисления производились при температурах от 300 до 900 К в
течение 1-2 нс. Атомы углеродной нанотрубки в вычислительном
эксперименте фиксировались.
Рисунок 4.1 Конформация полиаланина через 1 нс от начала изменения
исходной конфигурации. Температура 300 К
На рисунке 4.1 изображена конформация 500-звенного полиаланина
спустя 1 нс от начальной конфигурации. В результате вычислений
макромолекула адсорбировалась на поверхности вокруг углеродной
нанотрубки.
Представлен график радиальной зависимости концентрации атомов на
поверхности углеродной нанотрубки (рисунок 4.2А) через 1 нс от начала
моделирования при температуре 300 К (ТБ, CHARMM22). Радиальная
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]