Моделирование монослоев ненасыщенных липидов биологических мембран методом молекулярной динамики

• Автор: Корнилов, Василий Вячеславович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 с. : 5 ил.

Введение
Глава 1. Объекты и методы исследования
1.1. Молекулярные компоненты биологических мембран
1.2. Структурная организация биомембран
1.3. Физико-химические свойства биомембран
1.4. Роль ненасыщенных липидов в функционировании биомембран
1.5. Экспериментальные методы изучения биомембран
1.6. Методы компьютерного моделирования молекулярных систем
1.7. Применение компьютерного моделирования для изучения свойств фосфолипидных слоев
Глава 2. Модель и постановка вычислительных экспериментов
2.1. Модель монослоя
2.2. Энергия липидного монослоя
2.3. Постановка численных расчётов
Глава 3. Результаты и их обсуждение
3.1. Динамические характеристики монослоёв
3.2. Параметры порядка связей
3.3. Ориентационные функции распределения связей
3.4. Распределение плотности атомов в монослоях
3.5. Латеральная подвижность молекул диацилглицеролипидов
3.6. Зависимости поверхностного давления от площади молекулы
3.7. Температурные зависимости характеристик липидов разной степени ненасыщенности
Выводы
Литература
Приложение 1. Параметры потенциальных функций энергии монослоя диацилглицеролипидов

Введение.
Общие проблемы изучения биологических мембран изложены в большом числе фундаментальных трудов [1-12].
Основная функция биологических мембран - отделять содержимое клетки от внешней среды, обеспечивая постоянство внутриклеточного состава вне зависимости от изменений в окружающей среде [5, 10]. Биомембраны играют ключевую роль и в
функционировании клеток, участвуя в регуляции всех связей и взаимодействий, которые осуществляются между внутренним содержимым клетки и внешней средой. Кроме того, с мембранами связаны многие клеточные ферменты [8]. Состав и структурная организация биомембран сильно зависят от их типа и характера выполняемых функций, однако во всех случаях основными составляющими мембран являются полярные липиды (в основном глицерофосфолипиды) и белки [8, 11]. Липиды в биомембране чаще всего организованы в виде гетерогенных по составу бислоёв, в которых гидрофильные части молекул полярных липидов обращены в водную фазу, а гидрофобные (остатки жирных кислот) — образуют ряды углеводородных цепей, удерживаемых гидрофобными
взаимодействиями [4, 5, 8]. На границе вода - воздух можно получить мономолекулярную мембрану — пленку толщиной в один слой молекул, в которой гидрофильная часть молекул ориентирована в водную фазу, а гидрофобная - в воздух [3].
За последнее время накоплен значительный материал, посвященный изучению свойств и роли в биологических мембранах ненасыщенных липидных молекул [13-25]. В определённых пропорциях такие липиды присутствуют практически во всех видах биологических мембран, а в некоторых даже составляют основу содержания липидной

матрицы. Имеются веские основания полагать, что ненасыщенные липиды различных типов играют фундаментальную роль в обеспечении нормального функционирования биомембран [2, 23, 24]. В то же время экспериментальные данные о физических свойствах ненасыщенных и особенно полиненасыщенных липидов биомембран сравнительно немногочисленны; полное понимание механизмов воздействия ненасыщенных углеводородных цепей липидов на структуру и динамику биомембран отсутствует [20, 26-32]. В этих условиях особые надежды возлагаются на использование возможностей имитационного моделирования молекулярных систем [33].
Одним из основных численных методов статистической физики, активно используемых в физико-химических исследованиях, является метод молекулярной динамики. Основу метода составляет численное решение уравнений классической механики Ньютона для системы взаимодействующих частиц. Усреднение пространственных конфигураций частиц по траекториям их движения, а также их скоростных и энергетических характеристик, позволяет определять макроскопические свойства молекулярных систем, получать информацию об их структуре, термодинамике и кинетике [34, 35].
К настоящему времени известно большое количество работ по моделированию динамики липидных мембран и их компонентов, однако и с их помощью до сих пор не достигнуто достаточно полное представление о свойствах различных липидов [36-40]. Особенно немногочисленны теоретические данные о свойствах полиненасыщенных фосфолипидов, так как вплоть до последнего времени [32, 41] исследование моно- и бислоёв таких молекул проводилось лишь в серии работ [42-54].

вообще говоря, справедливо лишь на достаточно больших расстояниях между атомами.
Иногда при вычислении общей энергии системы учитывают также и потенциалы водородных связей, возникающих в процессе движения между атомами, имеющими донорно-акцепторный статус. Функциональный вид потенциала водородной связи аналогичен потенциалу ван-дер-ваальсовых взаимодействий [149].
Значения параметров потенциалов атом-атомных взаимодействий определяют на основании различных экспериментальных данных и квантовомеханических расчетов. Существуют различные наборы параметров, оптимизированные под конкретные молекулярные системы [151-154]. Представляется оптимальным осуществлять выбор того или иного набора параметров исходя из максимального соответствия рассчитанных в ходе МД моделирования и экспериментально полученных характеристик исследуемой молекулярной системы.
Статистические ансамбли.
При МД моделировании липидных систем используется несколько различных способов задания макроскопических граничных условий. Температура Т и количество частиц в расчетной ячейке N практически всегда поддерживаются постоянными. В зависимости от того, какой из оставшихся параметров системы фиксируется, различают ИУТ или канонический ансамбль, в котором постоянным поддерживается объём ячейки, Мр„АТ ансамбль, при котором фиксируется площадь, приходящаяся на одну молекулу липида и тензор давления вдоль нормали к поверхности (оси 2), №Т (изобарноизотермический) ансамбль — постоянно давление, а также метод