Моделирование механизмов химических процессов в биомолекулярных системах методами молекулярной динамики

• Автор: Калиман, Илья Александрович
• Шифр специальности: 02.00.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 129 с. : ил.

Оглавление
Введение.

Глава 1. Обзор методов молекулярного моделирования

1.1. Методы расчта энергии молекулярных систем

1.2. Метод молекулярной динамики.

1.2.1. Метод молекулярной динамики с жсткими фрагментами

1.3. Методы расчта профилей энергии Гиббса

1.3.1. Метод метадинамики

1.3.2. Метод зонтичной выборки.

Глава 2. Влияние размера квантовой подсистемы на результаты моделирования комбинированными методами квантовой и молекулярной механики.

2.1. Модельная система фермент анетилхолинэстераза.

2.2. Методы расчета
2.3. Результаты и обсуждение моделирования.
Глава 3. Моделирование реакции изомеризации остатков
аспарагина
3.1. Механизм реакции образования сукцинимида из остатков
аспарагина.
3.2. Методы расчта
3.3. Анализ точности применяемого метода описания электронной
структуры
3.4. Результаты моделирования
3.4.1. Стадия депротонирования.
3.4.2. Стадия циклизации
3.4.3. Стадия деаминирования
Глава 4. Моделирование протонного транспорта в канале грамицидина А
4.1. Обсуждение механизмов переноса протона
4.2. Экспериментальные данные по переносу протона в канале грамицидина А
4.3. Результаты и обсуждение моделирования.
Глава 5. Моделирование гидролиза адепозинтрифосфата в
миозине
5.1. Общие принципы работы миозина.
5.2. Моделирование двухводного механизма гидролиза АТФ в миозине
5.2.1. Методы расчта.
5.2.2. Результаты моделирования.
5.3. Моделирование выхода продуктов реакции гидролиза АТФ
по механизму черного хода
5.3.1. Методы расчга.
5.3.2. Результаты моделирования
Заключение
Результаты и выводы.
Список литературы


Например, понимание механизма изомеризации остатков аспарагина является важным для разработки лекарственных препаратов для лечения и профилактики болезни Альцгеймера. Результаты этой работы могут быть использованы в разработке биологически активных соединений и новых лекарственных препаратов. Апробации работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях Ломоносов Москва , , и , английской секции международной конференции Ломоносов Москва , IX Ежегодной международной молодежной конференции Биохимическая физика ИБХФ ВУЗы Москва , 6ой Всероссийской ШколеСимпозиуме Динамика и Структура в Химии и Биологии Москва , XVI и XVIII международных конференциях Математика. Компьютер. Образование Пущино и , международной конференции ii ii Архангельск , XXII симпозиуме Современная Химическая Физика Туапсе , Интернетконференции Информационновычислительные технологии в науке, ИВТН . Результаты опубликованы в работах, в том числе, в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ 17. Первая глава диссертации включает обзор литературных данных по методам молекулярного моделирования, применяемым в работе. В первой части главы описаны методы расчта энергии молекулярных систем. Описан метод потенциалов эффективных фрагментов, для которого в рамках данной работы были реализованы процедуры расчта градиентов энергии в пакете молекулярного моделирования ОСЬет 8. Расчт энергии системы наряду с градиентами энергии необходим для проведения молекулярнодинамических расчтов, представляющих собой интегрирование классических уравнений движения. Описание метода молекулярной динамики, а также метода молекулярной динамики с жесткими фрагментами приведено во второй части этой главы. На основе описанного метода молекулярной динамики с жесткими фрагментами в ходе работы создана оригинальная программа молекулярной динамики 3. В заключительной части первой главы описаны методы расчта профилей энергии Гиббса для химических процессов в молекулярных системах. Применение рассмотренных методов к конкретным системам для решения прикладных задач описано в главах 2, 3, 4 и 5. Обзор литературных данных, касающихся конкретных систем, приведен в главах, посвященных этим системам. В главе 2 рассмотрена важная проблема выбора квантовомеханической подсистемы при моделировании молекулярных систем комбинированными методами квантовой и молекулярной механики. В главах 3, 4 и 5 описано применение методов молекулярной динамики для моделирования трх важнейших классов молекулярных систем единичные молекулы в растворе, системы средних размеров и большие белковые молекулы в растворе. На примере моделирования этих систем продемонстрировано применение методов квантовой, КМММ и классической молекулярной динамики соответственно. Глава 1. К традиционным методам описания электронной структуры молекулярных систем относятся такие методы, как метод ХартриФока, метод теории функционала электронной плотности ОРТ, методы теории возмущений, метод связанных кластеров, а также методы многоконфигурационного самосогласованного поля МКССП. Эти методы представляют основу современной квантовой химии и подробно описаны в литературе 9, , поэтому на их подробном описании останавливаться не будем. Стоит лишь отметить сильные и слабые стороны этих методов, касающиеся их использования для расчта сил при молекулярнодинамическом моделировании. К безусловному преимуществу методов ХартриФока и теории функционала электронной плотности стоит отнести их относительно небольшие требования к вычислительным ресурсам по сравнению с другими традиционными методами квантовой химии. Это особенно важно для молекулярнодинамических расчтов, где необходимо вычислять энергию системы и действующие на атомы силы миллионы раз на протяжении траектории. Современные реализации методов ХартриФока и теории функционала электронной плотности обладают вычислительной сложностью порядка 0Л3 , где это число базисных функций. Это позволяет проводить молекулярнодинамические расчеты для систем, состоящих из сотен атомов, используя ресурсы современных суперкомпьютеров .