Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрически индуцированные конформационные изменения макромолекул на поверхности металлических наночастиц. Учебное пособие
.pdf
Произведено МД-моделирование полиамфолитного полипептида
(A4R2A8D2A4)20 на поверхности сферической золотой наночастицы радиусом 1.5 нм
с периодическим изменением во времени ее полярности. МД-моделирование было
произведено при постоянных температурах (термостат Берендсена) 300 К и 900 К. В
стартовой конформации полипептид полностью обволакивал наночастицу. Пиковое
значение индуцированного дипольного момента поляризованной наночастицы
составляло p
np_max.
= 10.92 кД.
При МД-моделировании с периодическим изменением во времени полярности
золотой наночастицы при температуре 300 К наблюдалось смещение звеньев
адсорбированного полиамфолитного полипептида в экваториальную область
наночастицы, окружающих наночастицу полипептидной опушкой в виде кольца. На
рисунке 2.35 (голубая трубка - звенья Ala, белым цветом изображены звенья Arg, а
красным - Asp) изображена конформация полипептида (A4R2A8D2A4)20 через 7.2 нс
(3 периода колебаний) моделирования при 300 К.
Рисунок 2.36 - Зависимость углового распределения атомов полипептида
(A4R2A8D2A4)20 по окончанию МД-моделирования при 300 К
На рисунке 2.36 (1 – угловое распределение по всем атомам полипептида; 2, 3
и 4 - угловые распределения по типам аминокислотных остатков Ala, Arg и Asp)
изображены зависимости углового распределения атомов полипептида
(A4R2A8D2A4)20 с дифференциацией по типам звеньев. В данном случае пик
максимального значения углового распределения атомов полипептида
71
(A4R2A8D2A4)20 находится в экваториальной области, а сами угловые распределения
а
б
почти не меняются при поляризации наночастицы в различных направлениях, так
как после смещения полипептида в экваториальную область его конформационная
структура меняется незначительно в слабом поле этой области наночастицы
Рисунок 2.37 - Радиальные распределения плотности атомов полипептида
(A4R2A8D2A4)20 на поверхности золотой наночастицы при МД-моделирования с
температурой 900 К на временных отрезках в случаях, когда наночастица не
поляризована (а) и поляризована с дипольным моментом +0.97p
np_max
(б)
При МД-моделировании с периодическим изменением полярности
наночастицы при температуре 900 К на поверхности золотой наночастицы под
воздействием электрического поля наблюдался эффект колебаний
конформационной структуры адсорбированного полиамфолитного полипептида
(A4R2A8D2A4)20. Такой эффект наблюдался, когда температура моделирования была
достаточно высокой, чтобы легко преодолевались межзвенные потенциальные
барьеры адсорбированной макромолекулы.
На рисунке 2.37 изображены радиальные зависимости плотности атомов
полипептидов (A4R2A8D2A4)20 на поверхности золотой наночастицы по окончанию
МД-моделирования на временных отрезках (обозначены цифрами) в случаях, когда
наночастица не поляризована и поляризована с дипольным моментом +0.97p
np_max
Видно, что радиальные распределения плотности атомов в одной фазе изменения
поверхностной плотности заряда наночастицы практически совпадают. По
72
.
окончанию временных отрезков, когда наночастица была не поляризована,
радиальное распределение плотности атомов полипептида (рис. 2.37а) значительно
отличается от случаев, когда наночастица поляризована (рис. 2.37б). Поэтому,
периодическое временное изменение локального электрического поля наночастицы
приводит к колебаниям конформационной структуры адсорбированного
полиамфолитного полипептида, при которых состояниям поляризованной и
неполяризованной частицы соответствуют сильно отличающиеся радиальные
распределения плотности атомов полипептида.
Такое отличие перестройки конформационной структуры полиамфолитных
полипептидов при МД-моделировании с периодическим изменением во времени
полярности наночастицы при температурах 300 К и 900 К связано с тем, что при
изменении полярности наночастицы происходит смещение заряженных звеньев к
противоположно заряженным по отношению к этим звеньям полюсам наночастицы.
При высокой температуре моделирования потенциальные барьеры между звеньями
макроцепи под воздействием локального электрического поля поляризованной
наночастицы преодолеваются легче, чем при низкой температуре, поэтому
заряженные звенья смещаются от одного полюса к другому. В случае низкой
температуры, заряженные с разными знаками звенья полипептида смещаясь к
противоположно заряженным полюсам встречаются друг с другом в экваториальной
области, в которой локальное электрическое поле поляризованной наночастицы
наиболее слабое. В этом случае разные по знаку заряда звенья полипептида
притягиваясь к друг к другу образуют нейтрализованный фрагмент макроцепи,
который не может быть разъединен на отдельные заряженные фрагменты под
воздействием слабого локального электрического поля экваториальной области
наночастицы при низкой температуре. Поэтому в течение примерно двух периодов
колебаний вся макроцепь собирается в экваториальной области и остается там
локализованной при дальнейшем моделировании.
73
Пример 10. Конформационные изменения макромолекулярных цепей на
а
б
поверхности металлического нанопровода во вращающемся электрическом поле
Рисунок 2.38 - Полипептид (A4R2A8D2A4)49 после МД-моделирования на
поверхности поляризованного нанопровода (а - вид с торца, дипольный момент
нанопровода поля направлен снизу-вверх), а также после поворота дипольного
момента нанопровода на 270 градусов по часовой стрелке (б - дипольный момент
нанопровода направлен справа-налево)
При МД-моделировании полипептидов во вращающемся поляризующем
электрическом поле вокруг оси нанопровода в качестве стартовых конфигураций
использовались конформационные структуры, полученные после моделирования на
поверхности поляризованного нанопровода. Распределение парциальных зарядов на
поверхности золотого нанопровода изменялось в соответствии с изменением
направления поляризующего электрического поля, а следовательно и дипольного
момента поперечно поляризованного нанопровода, который поворачивался на
каждом отрезке МД-моделирования на 30 градусов вокруг оси. При этом за все
время моделирования дипольный момент нанопровода поворачивался на один
полный оборот вокруг оси. Время моделирования при каждом изменении
74
направления дипольного момента нанопровода достигало 0.5 нс, а температура МДмоделирования составляла 900 и 300 К.
При моделировании с температурой 900 и 300 К наблюдались изменения
конформационной структуры полипептида (A4R2A8D2A4)
, при которых полипептид
49
поворачивался вслед за вращающимся дипольным моментом нанопровода. Вместе с
тем при температуре 300 К такие конформационные изменения были менее ярко
выраженные из-за того, что потенциальные барьеры для звеньев макроцепи
преодолеваются труднее, чем при высокой температуре моделирования.
Рисунок 2.39 - Зависимости средних угловых распределений атомов
аминокислотных остатков Asp полипептида (A4R2A8D2A4)49 при повороте
дипольного момента нанопровода
На рисунке 2.38 (голубая трубка - звенья Ala, белым цветом изображены
звенья Arg, а красным - Asp) изображена конформационная структура полипептида
(A4R2A8D2A4)49 после поворота дипольного момента нанопровода на 270 градусов по
часовой стрелке. При этом дипольный момент нанопровода направлен справаналево. Видно, что аминокислотные остатки Arg, адсорбированные на поверхности,
находятся в правой отрицательно заряженной области нанопровода, а
адсорбированные звенья Asp находятся в левой положительно заряженной области
нанопровода. При этом петли опушки макроцепи располагаются под некоторым
углом к направлению дипольного момента нанопровода и немного отстают от
75
заряженных звеньев полипептида, адсорбированных на поверхности, при вращении
а
б
дипольного момента поперечно поляризованного нанопровода.
На рисунке 2.39 изображены зависимости средних угловых распределений
атомов аминокислотных остатков Asp полипептида (A4R2A8D2A4)49 при углах
поворота дипольного момента нанопровода на 0, 90, 180, 270 и 360 градусов от
начального направления снизу-вверх соответствующего рисунку 2.38а. По оси
абсцисс отложен угол при обходе оси нанопровода по часовой стрелке. Видно, что
пик углового распределения атомов звеньев Asp полипептидов следует за углом
поворота дипольного момента нанопровода.
Рисунок 2.40 – Однородно заряженный полипептид (A5DA4)80 после МДмоделирования на поверхности поляризованного нанопровода (а - дипольный
момент нанопровода направлен снизу-вверх), а также после поворота дипольного
момента нанопровода на 270 градусов по часовой стрелке (б - дипольный момент
нанопровода направлен справа-налево)
На рисунке 2.40 (голубая трубка - звенья Ala, красным цветом изображены
звенья Asp) изображена конформационная структура полипептида (A5DA4)80 после
поворота дипольного момента нанопровода на 270 градусов по часовой стрелке
(дипольный момент дипольный момент нанопровода направлен справа-налево)
после МД-моделирования. Вся макромолекулярная цепь сместилась в левую
положительно заряженную при данном направлении дипольного момента область
нанопровода, при этом большая часть заряженных остатков Asp находятся у
поверхности в данной области нанопровода. Тем не менее видно, что макроцепь не
76
находится строго по центру положительно заряженной области (в левой части
нанопровода), то есть отстает от текущего угла поворота дипольного момента.
Рисунок 2.41 - Зависимости средних угловых распределений атомов
аминокислотных остатков Asp полипептидов (A5DA4)80 при повороте дипольного
момента нанопровода
Это хорошо видно на графиках средних угловых распределений атомов
аминокислотных остатков Asp полипептида (A5DA4)80 (рис. 2.41, цифрами
обозначены кривые при углах поворота дипольного момента нанопровода на 0, 90,
180, 270 и 360 градусов) при разных направлениях дипольного момента
нанопровода. Положение пика углового распределения атомов аминокислотных
остатков Asp однородно заряженных полипептидов при вращении дипольного
момента нанопровода отстает от его текущего значения. Такое запаздывание может
быть связано с тем, что плотность зарядов на поверхности нанопровода в полярной
области меняется слабо согласно изменению функции косинуса, а поэтому разности
сил электростатического притяжения в полярной области недостаточно для
преодоления Ван-дер-Ваальсова взаимодействия между макроцепью и
нанопроводом [33].
77
Пример 11. Перестройка конформаций полиамфолитов на поверхности
e1
e2
а
б
вытянутой сфероидальной металлической наночастицы в переменном
электрическом поле
Были рассмотрены следующие пиковые значения индуцированного
дипольного момента сфероидальной наночастицы вдоль большой оси: p
и p
≈ 78 кД. При этих значениях дипольного момента наносфероида атомы на
2_max
его положительно заряженном полюсе имели парциальные заряды:
1_max
≈ 39 кД
и
соответственно. В процессе МД-моделирования заряды на поверхности нанопровода
периодически изменялись во времени по закону синуса с периодом колебаний T=2.4
нс (частота колебаний 416.7 МГц) в течение 4 периодов колебаний.
Рисунок 2.42 - Конформации полипептида (A4R2A8D2A4)49 по окончанию МД-
моделирования с периодическим изменением полярности наносфероида вдоль
большой оси при температуре 300 К с пиковым значением дипольного момента
p
1_max
(а) и p
2_max
(б)
По результатам МД-моделирования при температуре 300 К полиамфолитных
полипептидов на поверхности вытянутой сфероидальной золотой наночастицы при
периодическом изменении ее полярности вдоль большой оси происходила такая
перестройка конформационной структуры адсорбированной макромолекулы, при
которой звенья макроцепи смещались из приполярных областей в ее центральную
область (рис. 2.42, голубая трубка - звенья Ala, серым цветом изображены звенья
78
Arg, а красным - Asp). В стартовой конформации макромолекулярная цепь
полностью обволакивала золотой наносфероид. Примерно через три периода
изменения полярности сфероидальной наночастицы вдоль большой оси
макромолекулярная опушка приобретала кольцеобразную форму, а ширина такого
кольца зависела от величины наведенного дипольного момента наночастицы. Чем
больше было пиковое значение дипольного момента (рис. 2.42б), тем тоньше было
опоясывающее макромолекулярное кольцо.
Рисунок 2.43 - Распределения линейной плотности атомов полипептида
(A4R2A8D2A4)49 вдоль большой оси сфероидальной золотой наночастицы по
окончанию МД-моделировании с периодическим изменением полярности
наносфероида с пиковым дипольным моментом наносфероида p
(2 и 3) и p
1_max
2_max
(4 и 5) при разных температурах 300 К (2 и 4) и 900 К (3 и 5). Цифрой 1 обозначено
распределение линейной плотности атомов полипептида в стартовой конформации.
На рисунке 2.43 видно, что на неполяризованной сфероидальной наночастице
(кривые 1) в стартовой конформации атомы макромолекулы в целом распределены
равномерно вдоль большой оси сфероида. Снижение линейной плотности атомов
полипептида в приполярных областях связано с резким изменением радиуса
поперечного сечения сфероида. Кривые 2 и 4 на рисунке 2.43 показывают
распределение линейной плотности атомов полипептидов по окончанию МД-
моделирования при температуре 300 К с пиковыми значениями дипольного момента
наносфероида p
1_max
и p
соответственно. Видно, что произошло резкое
2_max
79
увеличение линейной плотности атомов полипептида (A4R2A8D2A4)49 в центральной
области наносфероида. При этом, чем больше было значение дипольного момента
сфероидальной наночастицы, тем кривые линейной плотности атомов полипептидов
были уже, а их пиковые значения в экваториальной области сфероида были больше.
Рисунок 2.44 - Конформации полипептида (A4R2A8D2A4)49 по окончанию МД-
моделирования при температуре 900 К на временном отрезке последнего периода
колебаний полярности наносфероида, когда он поляризован с дипольным моментом
-0.97p
1_max
При МД-моделировании с периодическим изменением полярности
сфероидальной наночастицы вдоль большой оси при температуре 900 К
полипептида (A4R2A8D2A4)49 (рис. 2.44) образования кольцеобразной
макромолекулярной опушки в центральной области сфероида не происходило.
Температура МД-моделирования была достаточно высокой для преодоления
потенциальных барьеров взаимодействия между звеньями макроцепи. Поэтому
конформационная структура полипептида периодически изменялась в зависимости
от величины наведенного дипольного момента наночастицы.
На временных отрезках МД-моделирования, когда дипольный момент
наносфероида был равен нулю, полипептид плотно обволакивал сфероидальную
наночастицу схожим образом со стартовой конформационной структурой. А на
временных отрезках, когда дипольный момент наносфероида достигал пикового
значения полиамфолитная опушка приобретала гантелеобразную форму (рис. 2.44).
В этом случая в центральной части сфероида макромолекулярная опушка оставалась
плотной, а в приполярных областях наблюдалось выбрасывание петель макроцепи
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]