Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Молекулярно-динамический подход в проблеме описания конформационных перестроек макроцепных структур. Методические указания к лабораторным работам
.pdf
0
20
40
60
2 3 4 5
0
6
12
18
0 0.2 0.4 0 .6 0.8 1
r,нм
)(rn
t
, нм
-3
А
Б
E,
103 ккал/моль
t, нс
Ek Ep E
t
2
1
Рисунок 2.27 - Конформация полиаланина через 1 нс от начала изменения
исходной конфигурации. Температура 300 К
Представлен график радиальной зависимости концентрации атомов на
поверхности углеродной нанотрубки (рисунок 2.28А) через 1 нс от начала
моделирования при температуре 300 К (ТБ, CHARMM22). Радиальная
концентрация атомов полиаланина достигает максимального значения на
расстоянии 2.5 нм от оси нанотрубки, а после постепенно спадает до нуля на
расстоянии 5.25 нм. Аппроксимация графика радиальной зависимости атомов
на поверхности углеродной нанотрубки проводилась на основе (2.2), (2.22) и
(2.23) при r0=2.5 нм, R=2 нм, a=0.5нм, q=1.08 нм-1, =0.0035 эВнм, T=300 К.
Рисунок 2.28 - Радиальная зависимость концентрации при t= 1нс (А, -1)
атомов полиаланина на поверхности углеродной нанотрубки. T=300К,
выделенный интервал - оценка среднеквадратичного отклонения
аппроксимирующая кривая (2). На рисунке Б – график зависимости энергии
системы о времени (Е
- полная, Еk-кинетическая, Еp- потенциальная)
t
,
61
0
20
40
60
2 3 4 5
0
10
20
30
40
50
2 3 4 5
r,нм
r,нм
)(
_
rn
, нм
-3
А
Б
)(
_
rn
, нм
-3
2 1 2
1
На рисунке 2.28Б изображен график зависимости энергии системы от
времени моделирования. Полная (Е
= 15680 ккал/моль ) и потенциальная (Еp=
t
11176 ккал/моль) энергия системы уменьшается на участке от 0 до 0.27 нс, а
затем флуктуирует около некоторого среднего значения (Е
ккал/моль, Е
= 8788 ккал/моль). Кинетическая энергия незначительно
p
= 13256
t
флуктуирует у некоторого значения, соответствующего температуре
моделирования (Е
= 4468 ккал/моль). Участок от 0 до 0.27 нс соответствует
k
процессу адсорбции полипептида на поверхности нанотрубки.
Рисунок 2.29 - Радиальная зависимость концентрации средняя на участке
траектории 0.9-1 нс (А, 1) и по 5 экспериментам в момент времени t=1 нс (Б,
1) атомов полиаланина на поверхности углеродной нанотрубки. T=300К,
аппроксимирующие кривые (2)
При температуре моделирования 300 К (CHARMM22) на участке
траектории 0.9-1 нс было рассчитано радиальное распределение средней
концентрации атомов полиаланина на поверхности углеродной нанотрубки
(рисунок 2.29А). Средняя радиальная концентрация достигает максимального
значения на расстоянии 2.5 нм от оси нанотрубки, а после постепенно спадает
до нуля на расстоянии 5.3 нм. Аппроксимация графика радиальной
зависимости средней концентрации атомов на поверхности нанотрубки
проводилась при r0=2.5 нм, R=2 нм, a=0.5 нм, q=1.09 нм-1, =0.0035 эВнм. По
5 экспериментам с одинаковыми начальными условиями было рассчитано
радиальное распределение средней концентрации (рисунок 2.29Б), которая
достигает максимального значения на расстоянии 2.5 нм от оси нанотрубки, а
62
i
b
после постепенно спадает до нуля на расстоянии 5.3 нм. Аппроксимация
графика радиальной зависимости средней концентрации атомов на
поверхности нанотрубки проводилась при r0=2.5 нм, R=2 нм, a=0.5 нм, q=0.8
-1
нм
, =0.0031 эВнм.
Пример 9. Адсорбция фрагмента лизоцима на поверхности
углеродной нанотрубки в воде
Для проведения эксперимента по МД моделированию нанотрубки и
фрагмента лизоцима в воде молекулярная система нанотрубка-полипептид
помещена в воду, общим количеством молекул воды 32151. Общее
количество атомов полученной молекулярной системы 104965, из них атомов
фрагмента лизоцима 1081.
Рисунок 2.30 - Конформация фрагмента макромолекулы лизоцима в воде
через 0.8 нс от начала изменения исходной конфигурации при температуре
300 К, силовое поле CHARMM22
При МД-моделировании в NAMD 2.7 использовалось силовое поле
CHARMM22. Методом МД производилось последовательное вычисление
конформаций фрагмента лизоцима и при постоянной температуре (метод
Берендсена c коэффициентом трения
равным 1 (1.19)) с шагом времени
63
0
5
10
15
2 3 4
0
5
10
15
2 3 4
r,нм
)(rn
t
, нм-3
r,нм
)(
_
rn
, нм-3
А
Б
2 1 2
1
0.001 пс. Атомы нанотрубки в эксперименте фиксировались. МД-расчеты
были выполнены при температурах от 400 до 800 К на участке 0.5 нс с
последующим моделированием при температуре 300 К на участке 0.5-0.8 нс.
Во всех случаях имело место адсорбция фрагмента лизоцима на поверхности
нанотрубки. Для описания молекул воды при моделировании использовалась
модель воды Tip3.
На рисунке 2.30 представлена конформация фрагмента лизоцима
спустя 0.8 нс от начальной конфигурации: на участке 0-0.5 нс моделирование
производилось при температуре 800 К, затем на участке 0.5-0.8 нс при 300 К.
Имеет место адсорбция части звеньев по внешней поверхности углеродной.
На рисунке 2.31А представлен график радиальной зависимости
концентрации атомов на поверхности углеродной нанотрубки в воде через
0.8 нс от начала моделирования при температуре 300К, которая достигает
максимального значения на расстоянии 2.3 нм от оси нанотрубки, а после
постепенно спадает до нуля на расстоянии 4.25 нм. Аппроксимация графика
радиальной зависимости концентрации атомов макроцепи на поверхности
углеродной нанотрубки проводилась на основе (2.2), (2.22) и (2.23) при r0=2.3
нм, R=2 нм, a=0.5 нм, q=1.18 нм-1, =0.005 эВнм.
Рисунок 2.31 - Радиальная зависимость концентрации при t=0.8 нс (А, 1) и
средняя на участке траектории 0.7-0.8 нс (Б, 1) атомов фрагмента лизоцима
на поверхности углеродной нанотрубки в воде. CHARMM22, T=300 К,
выделенный интервал - оценка среднеквадратичного отклонения
аппроксимирующие кривые (2)
,
64
При температуре моделирования 300 К (CHARMM22) на участке
траектории 0.7-0.8 нс было рассчитано радиальное распределение средней
концентрации атомов фрагмента лизоцима на поверхности углеродной
нанотрубки в воде (рисунок 2.31Б), которая достигает максимального
значения на расстоянии 2.3 нм от оси нанотрубки, а после постепенно
спадает до нуля на расстоянии 4.25 нм. Аппроксимация графика радиальной
зависимости средней концентрации атомов проводилась при r0=2.3 нм, R=2
нм, a=0.5 нм, q=0.96 нм-1, =0.0047 эВнм.
65
Список использованных источников
1. Белащенко, Д. К. Компьютерн ое моделирование
некристаллических веществ методом молекулярной динамики
/ Д. К. Белащенко //Соросовский образовательный журнал. – 2001. –
т.7, №8. – C. 44-50.
2. Гросберг, А. Ю. Статистическая физика макромолекул / А. Ю.
Гросберг, А.P. Хохлов // М.: Наука. – 1989. – 344 с.
3. Кучеренко, М. Г. Размещение звеньев полимерной цепи в поле гладкой
твердой поверхности и в нанополостях пористого сорбента / М. Г.
Кучеренко, Т. М. Чмерева // Вестник ОГУ. – 2008. – №9. – С. 177-184.
4. Халатур, П. Г. Компьютерное моделирование полимеров / П. Г.
Халатур, А. Р. Хохлов //Соросовский образовательный журнал. – 2001.
– Т.7, №8. – С. 37 – 43.
5. Хеерман, Д. В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической
физике / Д. В. Хеерман // – М: Наука. – 1990. – 176 с.
6. Шайтан, К. В. Молекулярная динамика олигопептидов. 3. Карты
уровней свободной энергии модифицированных дипептидов и
динамические корреляции в аминокислотных остатках/ К. В. Шайтан,
М. Д. Ермолаева, С. С. Сарайкин // Биофизика. – 1999. – № 44. – С. 18-
21.
7. Якубке, Х. Д. Аминокислоты, пептиды, белки / Х. Д. Якубке, Х.
Ешкайт // М.: Мир. – 1985. – 456 с.
8. Allen, M. P. Computer Simulation of Liquids / M. P. Allen, A. K.
Tildesley // Oxford: Clarendon Press. – 1987. – 385 p.
9. Burlatsky, S.F. Diffusion-controlled reactions with polymers / S.F.
Burlatsky, G.S. Oshanin //Phys. Letters. A. 1990. – V. 145. - #1. – P. 61-65.
10. Car-Parrinello Molecular Dynamics // The CPMD consortium. – 2008.
– 258 p.
66
11. Computational Biochemistry and Biophysics / O.M. Becker, J. Mackerell, B.
Roux, M. Watanabe // Marcel Dekker. – 2001. – 525 p.
12. Computational methods for protein folding / Richard A. Friesner. // John
Wiley & Sons, Inc. – 2002. – 528 p.
13. Deuflhard, P. Computational Molecular Dynamics: challenges, methods,
ideas / P. Deuflhard //Springer. – 1997. – 504 p.
14. Foresman, J. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods / J.
Foresman, Eleen Frisch //Gaussian, Inc.– 1993. – 302 p.
15. Frenkel, D. Understanding Molecular Simulation / D. Frenkel, B. Smit //San
Diego, California: Academic Press. –2002. – 658 p.
16. Ciccotti, G. Molecular - Dynamics simulation of statistical-mechanical
systems / W. G. Hoover, G. Ciccotti // North-Holland. – 1986. – 622p.
17. Gromacs user manual. // Department of Biophysical Chemistry, University
of Groningen. –2013. – 394 p.
18. Heermann, D.W. Computer Simulation Methods in Theoretical Physics /
D.W Heermann //Springer-Verlag. – 1986. – 155 p.
19. Hiechliffe, A. Modelling Molecular Structures / A. Hiechliffe // JOHN
WILEY & SONS. – 1997. – 336 p.
20. Hehre, W.J.The Molecular Modeling Workbook for Organic Chemistry /
W.J. Hehre, A.J. Shusterman, J.E. Nelson // Irvine: Wavefunction ink. –
1998. – 307 p.
21. HyperChem Release 7 for Windows // Hypercube, Inc. –2002. – 2170 p.
22. Marx, D. Ab initio molecular dynamics: Theory and Implementation / D.
Marx., J. Hutter // Modern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry.
– 2000. – P. 301-449.
23. NAMD User’s Guide. // Theoretical Biophysics Group, Beckman Institute,
University of Illinois. – 2012. – 200 p.
24. Nose, S. Constant-Temperature Molecular-Dynamics / S. Nose //
Journal of Physics - Condensed Matter. – 1990. – V. 2. – P. SA115-
SA119.
67
25. Phillips, J. C. Scalable molecular dynamics with NAMD / J. C. Phillips, R.
Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R. D.
Skeel, L. Kale, K. Schulten //Journal of Computational Chemistry. – 2005. –
26 –P. 1781-1802.
26. Rogers, D. Computational Chemistry Using the PC / D. Rogers // John
Wiley & Sons. – 2003. – 349 p.
27. Smith, W. The DL POLY 2 / W. Smith, T.R. Forester, I.T. Todorov //
STFC Daresbury Laboratory Daresbury, Warrington. – 2007. – 312 p.
28. Young, D. C. Computational chemistry / D. C. Young // JOHN WILEY &
SONS. – 2001. – 398 p.
68
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]