Молекулярная динамика и диффузия в биомембранах

• Автор: Турлей, Егор Владимирович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений

Введение.

Глава 1. Молекулярное моделирование биомембран.

Молекулярнодинамические расчеты.

Силовое поле в молекулярной динамике.

Определение парциальных атомных зарядов методами квантовой химии.

Анализ заселенностей орбиталей

Уравнения движения

Выбор ансамбля

Контроль давления и температуры.

Экспериментальные данные по бислоям.
Монослои модель мембраны в молекулярнодинамических расчетах
Модели неявно заданной мембраны.
Изучение гидрофобных взаимодействий на мембранном интерфейсе
Изучение диффузии малых молекул через мембраны
Глава 2. Гидрофобная мембрана на основе тетрадекана.
Простые модели гидрофобных сред.
Протокол молекулярной динамики
Результаты и обсуждение.
Глава 3. Динамическая гетерогенность липидного бислоя5.
Постановка задачи.
Протокол молекулярной динамики
Релаксация бислоя.
Флуктуации параметров бислоя
Поверхностное натяжение бислоя
Распределения атомных групп и характер укладки атомов бислоя
Параметры порядка.
Профиль электростатического потенциала
Латеральная диффузия липидов и микровязкость мембраны
Обсуждение оптимальной длины траектории.
Глава 4. Взаимодействие углеродных нанотрубок и их комплексов с
биомембранами.
Перспективы молекулярного моделирования в бионанотехнологии
Постановка численного эксперимента
Нанотрубка
Внутренне содержимое ианотрубки.
Вандерваальсовы сферы.
Липидный бислой.
Расчеты с абсорбцией
Моделирование нановыстрела
Абсорбция холестерина.
Взаимодействие полипептида с нанотрубкой
Взаимодействие углеродной нанотрубки с фосфолипидным бислоем
Наношприц в действии
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ.
БЛАГОДАРНОСТИ
ЛИТЕРАТУРА


В данной работе метод МД с использованием полиоатомных силовых полей, специальных процедур и достаточно длинных траекторий применяется для уточнения микроскопической картины диффузионных процессов на границе водной и мембранной фаз. Поэтому весьма актуальным является развитие таких методов МД и протоколов расчета, которые позволяли бы за разумные времена вычислять величины, сопоставимые с экспериментальными данными. Сравнительно новым подходом здесь является развиваемый ниже вариант метода управляемой динамики, который позволяет стимулировать молекулярные процессы по определенным степеням свободы. Использование этого метода при одновременном контроле над равновесным характером распределений значимых с физической точки зрения величин СКО ростей, объема, площади и давления на масштабе характерных времен интересующих процессов позволяет дать количественную оценку параметрам, характеризующим физические механизмы элементарных актов переноса в микрогетерогенных структурах. Глава 1. К настоящему времени имеется обширная литература, связанная с изучением мембранных систем 13, 3, . Тем не менее, знания о структуре и динамике мембран остаются довольно неполными. Это связано со сложностью их жидкокристаллической природы при физиологических условиях, с недостатком экспериментальных данных, которые можно было бы однозначно интерпретировать в терминах динамики атомной структуры. Возможности компьютерного эксперимента открыли новые способы изучения липидных бислоев с атомной точностью. Теперь компьютерные расчета позволяют оценить в деталях структуру и динамику мембран . Рис. ДПФХ из МДтраектории. Рис. Типичная мембранная система, изучаемая МД. Система содержит 8 молекул ДПФХ составляющие атомы изображены в виде шаров и молекул воды изображены в стержневом представлении. По . Важным вопросом является действительно ли МДмоделирование столь распространенное сегодня , , представляют реальное положение вещей МДподход развился в течение последних десятилетий из метода изучения динамики жидкостей, состоящих из жестких сфер и леннардджонсоновских частиц, в многосторонний метод изучения систем различного типа с атомным разрешением. В области биофизики доступно большое число МДрасчетов белков в вакууме либо в растворителях. Развитие этого особого направления МД было стимулировано в е гг. ДНК и стали доступными соответствующие программы для компьютерного моделирования Н , , , , . Примерно в то же самое время были описаны в литературе первые исследования липидных систем. Изначально многие из этих исследований были выполнены с применением упрощенных моделей липидов, растворитель обычно не принимался в расчет. Однако, уже из этих ранних работ стало очевидным, что МД способна пролить свет на проблему внутренней подвижности липидов и белков с атомным разрешением. Выбор силового поля является ключевым моментом МДмоделировани. Все взаимодействия, как внутримолекулярные, так и межмолекулярные, должны быть представлены эмпирической функцией атомных координат. Функция потенциальной энергии должна быть дифференцируема для аналитического вычисления сил. В работе используется сиовое поле . Терм водородных связей в учитывается через вандерваальсовы и электростатические взаимодействия. . Агь02. Значения о и ксв выбираются так, чтобы воспроизводить равновесную геометрию и колебательные частоты простых модельных соединений. Напри мер, параметры для алкильных цепей в липидном бислое могут быть определены подгонкой параметров для отображения экспериментальной геометрии и частот в бутане. Из МДтраектории можно рассчитать потенциал средней силы 1У1 квТпР19 где Р1 распределение вероятности для длины связей. Потенциал средней силы продукт МДрасчета может быть сравнен с функцией потенциальной энергии входные данные расчета, чтобы определить эффект соседних атомов на распределение длин связей. ДПФХ. Сравнение с исходным потенциалом 1Г Рис. Рис. Потенциал средней силы, штриховая линия, и исходный потенциал, Цсплошная линия, для длины связи С7С8. По .