Построение крупнозернистой модели ДНК и ее применение для изучения механических и тепловых свойств

• Автор: Кикоть, Ирина Павловна
• Шифр специальности: 02.00.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор литературы

1.1 Существующие крупнозернистые модели ДНК

1.2 Подвижность сахарофосфатного остова молекулы ДНК

1.2.1 Конформация сахара

1.2.2 а7 подвижность.

1.2.3 Сс подвижность.

1.3 Раскрытия основания в молекуле ДНК

1.4 Механические свойства молекулы ДНК

1.5 Существующие мегоды неявного учета растворителя

1.5.1 Скачкообразное изменение диэлектрической проницаемости . . .

1.5.2 Плавное изменение диэлектрической проницаемости.
2 Неявный учет растворителя модификации используемых методов
2.1 Аналитическое выражение энергии взаимодействия двух зарядов внутри слабо деформированной сферы .
2.2 Итерационная схема решения электростатической задачи для случая с плавным изменением диэлектрической проницаемости
2.3 Выводы.
3 Построение модели
3.1 Выбор зерен .
3.2 Анализ подвижности остова
3.2.1 Подвижность дезоксирибозы
3.3 Получение потенциалов крупнозернистой модели
3.3.1 Потенциалы валеитныхвзаимодействий
3.3.2 Ван дер Вальсовы взаимодействия
3.4 Описание модели.
3.4.1 Система потенциалов
3.4.2 Верификация модели.
3.4.3 Вычислительная эффективность
3.5 Выводы
4 Тепловые и механические свойства молекулы ДНК
4.1 Растяжение одиночной молекулы ДНК
4.1.1 Конформациониыс изменения двойной спирали при ос растяжении
4.1.2 Выводы.
4.2 Дисперсионные кривые
4.3 Теплопроводность
4.3.1 Расчет теплопроводности двойной спирали
4.3.2 Зависимость теплоемкости от температуры
4.3.3 Выводы.
Выводы
ВВЕДЕНИЕ


XVI Всероссийской конференции Структура и динамика молекулярных систем, Яльчик, па II Всероссийской конференции Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях, Москва, г на Пятой Всероссийской Каргинской Конференции Полимеры , Москва, г i XV Симпозиуме но межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, Петрозаводск, г на X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, Нижний Новгород, на ежегодных конференциях Отдела полимеров и композиционных материалов ИХФ РАН, Москва, , , г. Личный вклад автора. Автором были получены аналитические выражения для электростатической энергии, проведен анализ подвижности сахарофосфатного остова, осуществлена обработка полноатомных траекторий, получены оценки параметров потенциалов для крупнозернистой модели, выполнены исследования по верификации модели, проведены молекулярнодинамические расчеты и расчеты механических и тепловых свойств молекулы ДНК. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 0 страниц, включает рисунков и список литературы из 2 наименований. Первая глава содержит обзор литературы по теме диссертации. Вторая глава посвящена современным методам неявного учета растворителя и их модификациям. Третья глава описывает построение и верификацию модели. Четвертая глава посвящена моделированию механического растяжения молекулы ДНК и теилоиереиоса вдоль двойной спирали. Изучение механических и тепловых свойств молекулы ДНК, зависимости се структуры от окружающей среды, особенностей подвижности при различных условиях в растворе и комплексах с другими макромолекулами представляет большой научный интерес. До недавнего времени экспериментальные методы исследования были основными в этой области. Однако за последнее двадцатилетие другим важным и широкоиспользуемым инструментом изучения молекулы ДНК становится полноатомное моделирование, которое позволяет проследить динамику каждого атома в отдельности. В настоящее время существует несколько надежно выверенных полноатомных систем потенциалов 1, 2, которые параметризованы на основе результатов квантовомеханических вычислений и экспериментальных данных. Результаты моделирования в рамках полноатомных моделей согласуются с существующими экспериментальными данными. Таким образом, нолноатомные модели представляют незаменимый инструмент для анализа локальной подвижности молекулы ДНК. С другой стороны, полноатомиыс модели довольно затратны с вычислительной точки зрения. Поэтому для изучения тех явлений в молекуле ДНК. Такие модели различаются не только по количеству атомов в одном зерне, но и по общему подходу к разбиению на зерну, выбору потенциалов и процедуре параметризации. Самые простые модели феноменологические, направленные на моделирование только какогото одного или двух явлений параметризация при этом проводится таким образом, чтобы количественная характеристика изучаемого явления например, температура плавления или персистентная длина совпадала бы с результатом соответствующего эксперимента. Такие модели довольно эффективны для тех явлений, на которые опиралась параметризации модели. Однако нельзя расчитывать на надежные результаты при применении таких моделей к другим явлениям. Кроме того, такие модели не дают возможности понять физические основы, причины моделируемого явления. Другие, более сложные модели стремятся в некоторой мере сохранить основные особенности сложной двусииральной структуры молекулы ДНК, а выбор потенциалов основывают на сравнении динамических свойств крупнозернистой модели с соответствующими свойствами нолноатомной модели. Такие модели лучше подходят для моделирования и изучения физических основ различных явлений . Этот подход использовался и при построении нашей крупнозернистой модели. Простейшие модели, использовавшиеся для моделирования молекулы ДНК, это модель бусинкипружинки КЗ и червеобразная модель , . Такие модели универсальны, поэтому, с одной стороны, они описывают общие принципы динамики полимеров, но, с другой стороны, в них не заложена информация о внутреннем строении молекулы ДНК, т. Некоторым усложнением последовательности бусинок обладающих сферической симметрией является представление молекулы в виде последовательности твердых эллипсоидов ii i i , которые имеют на три степени свободы больше, либо твердых, плоских пластин . Такой подход, позволяет, например, воспроизвести спиральные параметры молекулы ДНК, однако он тоже с помощью соответствующего математического аппарата сводится к червеобразной модели.