Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Компьютерная визуализация нанообъектов. Учебное пособие
.pdf
41
лентно нуклеотидов. В зависимости от входящих в их состав нуклеотидов, в клетках живых организмов выделяют два основных вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновую и рибонуклеиновую кислоты (ДНК и РНК соответственно). Основной задачей этой группы
биологических молекул является хранение, передача и использование
наследственной информации организмов. Открытие нуклеотидов датируется 1869 годом, когда швейцарский учёный Фридерик Мишер
(Friedrich Miescher) впервые изолировал нуклеиновые кислоты из ядер
клеток. Само название «нуклеиновые кислоты» произошло от латинского nucleus (ядро). Изначально считалось, что полученный Мишером
материал служит хранилищем фосфора, и ученые не уделили ему
должного интереса. Только после 1944 года, когда была показана важность нуклеиновых кислот для хранения и передачи информации,
начался новый виток изучения данных молекул. Важнейшее открытие
в данной области не заставило себя ждать, и в 1953 году Джеймс Уотсон (James Watson) и Френсис Крик (Francis Crick) впервые представили модель структуры ДНК в виде двойной спирали. Параллельно с Уотсоном и Криком над разрешением структуры ДНК работали Розалинд
Франклин (Rosalind Franklin) и Морис Уилкинсон (Maurice Wilkins),
которые занимались рентгеновской кристаллографией. Уотсон, Крик и
Уилкинсон получили Нобелевскую премию.
Нуклеотиды состоят из фосфатной группы (остатка фосфорной
кислоты), нуклеозида (сахара) и азотистого основания (рис. 21, 22).
Между собой нуклеотиды различаются химическим составом оснований, а также видом сахара. Выделяют пять основных азотистых оснований – аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил. Первые четыре из
них встречаются в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК),
в то время как в составе рибонуклеиновой кислоты (РНК) обычно нет
тимина, но есть урацил. Кроме того, нуклеотиды, входящие в состав
ДНК и РНК, различаются химическим составом сахара. Интересно, что
молекула аденозинтрифосфата (АТФ), являющаяся одним из основных
носителей энергии в организме, также является нуклеотидом (с аденином в качестве основания). По аналогии с белками, последовательность входящих в состав ДНК и РНК нуклеотидов часто называют их
первичной структурой [3].
42
Рис. 21. Составные части нуклеотидов: фосфатные группы, сахар и
азотистые основания. Для последних также указаны английские
названия и однобуквенные обозначения, которые
используются в записи первичной структуры ДНК
43
Рис. 22. Аденозин трифосфат как пример нуклеотида.
На рисунке выделены составные части молекулы:
нуклеотид (в данном случае аденин), сахар (рибоза) и три фосфатные
группы. В молекуле ДНК нуклеотиды бывают четырех видов (аденин,
гуанин, тимин, цитозин), в качестве сахара выступает
дезоксирибоза, а фосфатная группа – одна.
4.22 ДНК
Несмотря на малые различия в химической формуле нуклеотидов, входящих в состав ДНК и РНК, пространственная структура этих
макромолекул существенно отличается. У подавляющего большинства
организмов вторичная структура ДНК представляет собой не одну, а
две полинуклеиновых цепи. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали, стабилизированной водородными
связями, образующимися между обращенными друг к другу азотистыми основаниями противоположных цепей (рис. 23). Каждое из оснований одной из цепей имеет комплиментарную пару – конкретное основание в противоположной цепи: аденин образует связи только с тимином, а цитозин – с гуанином. Кроме того, спираль также стабилизиру-
44
ется гидрофобными взаимодействиями и силами стэкинга, возникающими между плоскостями азотистых оснований последовательных
нуклеотидов. Комплиментарность оснований означает, что информация, содержащаяся в одной из цепей, содержится и в другой. Дублирование информации делает молекулу ДНК идеальной для хранения генетической информации и ее передачи при делении клеток [3].
Рис. 23. Схема двойной спирали ДНК. Две цепи нуклеотидов,
расположеных антипараллельно, взаимодействуют между собой
посредством водородных связей. В центре спирали оказываются
азотистые основания: гуанин, цитозин, аденин и тимин
4.23 РНК
Молекула ДНК способна развертываться для воспроизводства
своих копий (репликация) и транскрипции РНК. В отличие от ДНК,
молекулы РНК преимущественно существуют в виде одной полинуклеотидной цепи. Это объясняется тем, что наличие дополнительной
группы OH делает несколько другую пространственную конформацию
энергетически выгодной. При этом РНК могут выполнять целый ряд
функций в организме - от хранения информации до синтеза белков и
регуляции генов. Часто молекулы РНК обладают ярко выраженной
третичной структурой. В некотором смысле РНК является универсальной молекулой, так как она может выступать как в роли ДНК, так и в
роли белка [3].
45
5. ПРОГРАММА VMD
Программа VMD – это визуализатор молекул с дополнительными
встроенными функциями. Лицензионную версию программы можно
скачать с сайта http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/. На том же сайте
можно найти официальную инструкцию по работе в программе и ее
дополнительных опциях. Программа представлена для разных операционных систем (MacOS X, Unix, Windows).
После установки открываем программу, используя ее ярлык
(обычно отображается на рабочем столе), или через меню Пуск ->
University of Illinois - > VMD. При открытии появляется сразу три окна
программы: окно терминала (отображающее ход выполнения работы
программы), окно главного меню и окно для визуализации молекул.
Рассмотрим окно меню – VMD Main – содержит 7 разделов. Ниже представлена строка, описывающая данные о визуализируемой(ых)
молекуле(ах): ID – порядковый номер визуализируемой молекулы, T A
D F – функции отображения молекулы, Molecule – адрес файла, Atoms
– количество атомов, Frames – количество фреймов (количество состояний данной структуры, при загрузке молекулярной динамики отображает количество загруженных шагов динамики), Vol – дополнительный параметр. Бегунок внизу позволяет визуализировать определенный фрейм, ниже есть функции, позволяющие автоматически переходить от одного фрейма (шага динамики) к другому [►] с задаваемыми
пользователем скоростью [speed] и с шагом [step].
В разделе File – содержатся стандартные операции: открыть новую молекулу (New Molecule…), догрузить молекулу (Load Data into
Molecule…), сохранить координаты (Save Coordinates…), загрузить и
сохранить визуализацию (Load/Save Visualization State…), операции по
работе с консолью (Log Tcl…), сделать снимок окна визуализации
(Render…) и выйти (Quit). Раздел Molecule содержит операции по редактированию молекулы, чаще всего из данного раздела используется
опция Delete Molecule – удалить молекулу.
Следующий раздел – Graphics – основной при выполнении визуализации молекулы. Его главным подразделом является –
Representations – представление. На самом верху окна есть функция
выбора молекулы, ниже – создание (Create Rep) и удаление представлений (Delete Rep) этой молекулы (представления используются для
различного отображения молекулы или ее частей). Каждая копия име-
46
ет три характеристики – Style – стиль отображения молекулы, Color –
тип цветового отображения молекулы и Selection – обозначает, что
именно из данной молекулы будет представлено в данной копии. Все
вышеперечисленные характеристики выбираются ниже, в подразделах
Draw style (Coloring Method – Color, Drawing Method – Style) и
Selection. Подраздел Selection имеет большое количество возможностей по выбору отображаемой молекулы – от типа молекулы до конкретного атома. Функционал данного подраздела очень удобен,
например есть возможность отобразить только один тип аминокислотных остатков в белке (resname), выбрать определенный (ые) аминокислотный(ые) остаток(ки) из структуры белка (resid) или конкретную полипептидную цепочку белка (chain).
Подраздел Color в Graphics позволяет выбрать цвета для всего в
программе, начиная от фона окна визуализации до подписи к атомам.
Еще одним важным подразделом в Craphics является опция Labels.
Этот инструментарий программы, несмотря на свое компактное расположение в окне, способен решать разнообразные важные задачи. На
верхней строке показано: строка выбора (Atoms, Bonds, Angles и др.),
функция показать (Show), убрать (Hide) и удалить (Delete). Ниже –
различные операции с выделенные атомами молекулы. Если вы выделили атом и хотите выяснить его происхождение, то выбрав Atoms и
Picked Atom, можете выяснить все о данном атоме: адрес файла, где
записанные координаты данного атома, его координаты в XYZ формате, название и номер аминокислотного остатка, которому он относится,
наименование, тип и индекс атома. При анализе динамики можно построить график, отображающий расстояние между двумя парами атомов, для этого нужно выбрать Bonds и Graph.
Следующий раздел – Display – экран, содержит операции по работе с окном визуализации. Наиболее часто применяемые операции в
данном разделе – Reset View, которая позволяет вернуть изображение
молекулы на середину окна в изначальное положение, и Axes, которая
отвечает за расположение стрелок координат: снизу, сверху, в середине или за возможность убрать их из окна визуализации.
Раздел Help позволяет перейти по ссылкам на сайты с информацией по конкретным вопросам работы в VMD.
Раздел Extensions наполнен множеством различных функций,
начиная от анализа молекулярной динамики и заканчивая созданием
видеороликов.
47
Первый подраздел Analysis – наполнен аналитическими плагинами, такими как Ramachandran Plot, Contact Map, Hydrogen Bonds,
NAMD Plot, NAMD Energy, RMSD Trajectory Tool и другими. Они
позволяют получить детальную информацию о структуре исследуемой молекулы, проанализировать молекулярную динамику, отобразить графики энергии, температуры из данных динамики и многое
другое [4].
Для закрепления материала разделов 1–5 предлагается выполнить лабораторные работы № 1 и № 2.
48
6. НАУЧНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДНЫХ
НАНОСТРУКТУР
Богатый инструментарий вычислительной биологии находит
применение в исследованиях других объектов и явлений атомномолекулярного масштаба, в частности наноструктур и наночастиц.
В исследовании структуры и свойств объектов нанометрового масштаба все большее распространение находит компьютерная визуализация,
которую принято называть научной визуализацией. Под научной визуализацией понимается создание графических образов, в максимально
информативной форме воспроизводящих значимые аспекты исследуемого процесса или явления. В основе научной визуализации лежит использование той или иной геометрической модели анализируемых исходных данных. Эта геометрическая модель хранится в памяти компьютера и позволяет исследователю при помощи программноаппаратных средств интерактивной трехмерной компьютерной графики осуществлять в реальном времени манипуляцию привычными для
него пространственными образами этих данных. Исследование и моделирование наноструктур требует визуализации атомов, пространственного распределения электронной плотности и молекулярных орбиталей в этих структурах. При визуализации наноструктуры, содержащей
большое количество атомов, необходимо иметь детальную картину
пространственного расположения атомов и их связей. Для наглядности
восприятия принято изображать атомы в виде сфер, а химические связи между атомами в виде линий или цилиндров.
Благодаря многообразию аллотропных форм, углерод представ-
ляет собой большой набор совершенно разных веществ, от алмаза до
графита, с разными электронными и механическими свойствами. До
1985 года об углероде было известно, что он может существовать в
природе в двух аллотропных состояниях: 3D - форме (структура алмаза) и слоистой 2D - форме (структура графита). Тогда стала известна
новая 0D - форма углерода: сферическая структура из 60 атомов углерода. Из-за сходства формы новых образований с геодезическими зданиями, спроектированными и построенными архитектором Р. Бакминстером Фуллером (R. Buckminster Fuller), углеродные кластеры стали
известны как «бакминстер-фуллерены» («buckminsterfullerence») или
просто «bucky ball». Данная новая форма углерода была открыта во
время экспериментов по лазерному испарению. Спектральный массанализ показал присутствие кластеров с четным числом атомов угле-
49
рода для n>40, с четким пиком для C60. Все молекулы C60 со структурой в виде каркаса стали называть фуллеренами.
В 1991 году С.Иижима обнаружил другую новую 1D форму уг-
лерода: продолговатые трубчатые образования, названные «нанотрубками». Следует отметить, что примерно в это же время российские ученые объявили об открытии нанотрубок и их связок, имеющих, однако, намного меньший коэффициент отношения длины к
диаметру и напоминавших скорее продолговатые фуллерены. Данные
структуры состоят из сетки атомов углерода в форме гексагонов и
могут рассматриваться как цилиндр, скрученный из планарной графитовой плоскости.
Нанотрубки обладают уникальными свойствами. Так, они имеют
очень малую массу и в то же время рекордно высокий модуль упругости (до 1 ТПа). Нанотрубки на данный момент являются прочнейшими
волокнами, которые когда-либо могли быть созданы. При этом их
можно произвольно закручивать: они не ломаются, а только гнутся.
Данное свойство было успешно применено для использования нанотрубок в производстве зондов для атомно-силовой микроскопии.
Существует только два способа образования высокосимметричных углеродных нанотрубок. Такие трубки известны как нанотрубка
типа «zigzag» и типа «armchair». Остальные нанотрубки называются
хиральными.
Нанотрубки можно синтезировать различными способами: при
термическом распылении, окислении, электролитическом синтезе, лазерном распылении и другими методами. До сих пор нет единого мнения относительно механизма образования нанотрубок, однако модельно формирование нанотрубок можно рассмотреть как процесс сворачивания графитовой плоскости в трубку.
Основой каркасных углеродных нанострукур являются графеновые слои. Графен представляет собой монослой атомов углерода, упорядоченных в гексагональную решетку. Атомы углерода в кристаллической структуре графена связаны между собой прочными ковалентными связями (sp2-гибридизация) и формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Данная модель рассматривается в декартовой
системе координат XY, начало которой находится в центре симметрии
кристалла. Точками на плоскости принято изображать атомы углерода,
а линиями – межатомные связи.
50
В работе [5] авторами предложены алгоритмы визуализации
атомного каркаса углеродных наноструктур средствами математического программирования и визуализации расчетов MATLAB.
Геометрическая модель графенового слоя. На первом этапе вво-
дятся исходные данные, к которым относятся: координаты центра базового элемента и расстояние между атомами расположенными в вершинах правильного шестиугольника. На втором этапе в цикле вычисляются координаты центров шестиугольников описанных вокруг базового элемента.
Геометрическая модель углеродной нанопленки рассматривается
в декартовой системе координат, начало которой находится в центре
симметрии кристалла. На первом этапе задается длина и ширина углеродной нанопленки и расстояние между атомами расположенными в
вершинах правильного шестиугольника. На втором этапе в цикле вычисляются координаты центров шестиугольников, описанных вокруг
базового элемента, при этом выделяются четные и нечетные ряды.
Геометрически углеродную нанотрубку можно представить как
результат сворачивания графитового листа. При этом элементарная
ячейка графитовой плоскости переходит при сворачивании в соответствующую ячейку на цилиндрической поверхности с радиусом равным
радиусу углеродной нанотрубки. Чтобы представить пространственное
расположение атомов в нанотрубке, углеродная нанотрубка задается
как набор идентичных колец, на которых находятся атомы углерода.
Кольца повернуты относительно друг друга на фиксированный угол.
Для визуализации структуры фуллерена С60 используются известные аналитические параметрические уравнения координат вершин
усеченного икосаэдра в декартовой системе координат.
Ввиду специфики нанотехнологий синтез и испытание наноматериалов являются довольно сложными процессами. Программноалгоритмические средства визуализации углеродных наноструктур
можно рассматривать как удобный инструмент, позволяющий всесторонне исследовать нанообъекты, а затем на их основе проектировать и
создавать различные материалы с требуемыми характеристиками [5].
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]