Компьютерное моделирование конформаций кольцевой двухнитевой макромолекулы

• Автор: Величко, Юрий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07, 02.00.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 93 с. : ил

Оглавление

Предисловие I

Оглавление ш

1 Введение

1.1 Статистическая физика полимерной молекулы

1.1.1 Введение

1.1.2 Свободносочлененная цепь.

1.1.3 Гауссова модель.

1.1.4 Исключенный объем.

1.1.5 Персистентная модель .

1.2 Структура и свойства ДНК .

1.2.1 Первичная и вторичная структуры.
1.2.2 Силы, стабилизирующие вторичную структуру ДНК.
1.2.3 Сверхспирализованная ДНК.
1.2.4 Высокоупорядоченные формы ДНК в клетке.
1.3 Топология кольцевых двухнитевых макромолекул
1.3.1 Теория полос.
1.3.2 Торсионная жесткость двойной спирали.
1.4 Методы исследования сверхспирализации .
1.4.1 Метод титрования.
1.4.2 Гельэлектрофорез
1.4.3 Зондовая силовая микроскопия.
1.4.4 Связь адсорбции и перехода спиральклубок
1.5 Статистическая физика двухнитевых полимеров
1.5.1 Введение.
1.5.2 Среднеполевая теория
1.5.3 Исключенный объем и осевая закрученность
1.5.4 Сверхспирализация кольцевой макромолекулы
1.6 Постановка задачи
2 Метод и модель
2.1 Компьютерное моделирование в физике
2.1.1 Методы.
2.1.2 Метод МонтеКарло
2.1.3 Моделирование канонического ансамбля методом МонтеКарло .
2.1.4 Алгоритм Метрополией.
2.2 Модель.
2.2.1 Модель двухнитевой молекулы .
2.2.2 Осевая закрученность.
2.2.3 Силы молекулярного взаимодействия
2.2.4 Жесткость на изгиб.
2.2.5 Взаимодействие с поверхностью
2.2.6 Замечания .
2.3 Свойства кольцевой двухнитевой молекулы.
2.3.1 Скейлинг.
2.3.2 Осевая закрученность и флуктуации сверхспирализации
2.3.3 Статический структурный фактор
2.4 Заключение
3 Равновесные свойства кольцевой двухнитевой молекулы
3.1 Введение
3.2 Эффект осевой закрученности. Радиус инерции.
3.3 Скейлинг
3.4 Сверхспирализации.
3.5 Торсионная энергия и энергия изгиба.
3.6 Эффект анизотропии жесткости
3.7 Корреляционные функции
3.8 Обсуждение
3.9 Сравнение с экспериментом
3. Заключение.
4 Переход к лубокглобула кольцевой двухнитевой молекулы
4.1 Введение .
4.2 Радиус инерции и 0температура
4.3 Полная энергия .
4.4 Энергия сопротивления на изгиб и кручение.
4.5 Энергия межмолекулярного взаимодействия.
4.6 Сверхспирализация.
4.7 Сравнение с экспериментом
4.8 Заключение
5 Адсорбция кольцевой двухнитевой макромолекулы
5.1 Введение .
5.2 Результаты
5.3 Сверхспирализация на поверхности
5.4 Энергия адсорбции
5.5 Торсионная энергия и энергия изгиба.
5.6 Радиус инерции .
5.7 Обсуждение
5.8 Связь с экспериментальными наблюдениями.
5.9 Заключение
6 Заключение
Введение


Разнообразие в архитектуре и композиции мономерных звеньев является причиной многообразия их свойств и высокой распространенности в природе. Полимерные молекулы являются функциональными единицами в клетке. Они отвечают за многие биологические функции и процессы происходящие в клетке являются элементарными строительными блоками клетки, а также, например молекула ДНК, носителями генетической информации. Неоспорима их роль и в индустрии. Одним из многочисленных примеров может служить ноли метил метакрилат СИ СС НСООСП. СН СИ2, служащий основой пластиковых пакетов. Электростатически заряженные полимеры известные также, как полиэлектролиты, представляют очень интересную область физики полимеров. Свойства, отличные от свойств электростатически незаряженных полимеров, делают полиэлектролиты популярными в промышленности. Например, полиэлектролитные гели являются отличными суперадсорбентами. Также надо заметить, что большинство биополимеров, находящихся к клетках всех живых организмов, электростатически заряжены. Например, молекулы ДНК и РНК, или белки, такие как актин, являются полиэлектролитами. Полиэлектролиты, заряд которых меняет знак от одного звена к другому, называются полиамфолитами. Одним из многочисленных примером могут служить белки класса хистон. Все они играют принципиальную роль в функционировании клетки. В течение нескольких последних десятилетий был сделан колоссальный вклад в понимание поведения нейтральных незаряженных полимеров и было достигнуто очень хорошее совпадение теории с экспериментом. Применение скейлииговой теории в физике полимеров оказалась очень успешным. Концепция скейлииговой теории основана на универсальности поведения полимеров в растворе было показано, что все полимеры с различной химической структурой принимают конформацию подобную случайному блужданию и качественно характеризуются одинаковыми функциональными зависимостями. В различных условиях полимерная молекула может принимать конформацию рыхлого клубка или плотной глобулы. Совсем недавно возобновился интерес к так называемым неуниверсальным нескейлинговым аспектам поведения полимеров, в частности, в применении к биологическим молекулам. Отклонение от скейлиигового поведения проявляется и системах с дальнидействущими или непарными потенциалами взаимодействия. Это приводит к влиянию структуры молекулы на физические свойства, а в случае биополимеров и на особенности функционирования. Так, был изучен эффект жесткости, т. Особенностью таких систем является возникновение ориентационного порядка, нарушающего симметрию в системе. Другим важным примером могут послужить полиэлектролиты. Если в плохом растворителе незаряженные полимеры находятся в состоянии плотной глобулы, то полиэлектролиты, в которых электростатическое расталкивание между одноименно заряженными мономерными звеньями является дополнительной силой, могут быть растворены. Заряженные полимеры изучаются на протяжении достаг точно долгого времени, но такая точность совпадения теории и эксперимента, какая была получена для нейтральных полимеров, все еще не достигнута. Полиэлектролитный раствор характеризуется несколькими масштабами длин, в результате чего не удается найти универсального поведения в системе и построить полноценную скейлинговую теорию. Электростатический заряд влияет, как на микро, так и на макроскопические структуры полимеров, поэтому электростатика может привести к новым универсальным классам в поведении и построению новой скейлннговой теории. Но, несмотря на экспериментальные данные и возросшую вычислительную мощность компьютеров, в теории полиэлектролитов еще очень много нерешенных проблем. Наиболее сложным и трудоемким является исследование биополимеров. Большинство из них электростатически заряжены, обладают жесткостью на изгиб и кручение, имеют очень сложную химическую структуру, и, ко всему этому, обладают топологическими свойствами. Появление топологических ограничений порождает множество новых свойств и особенностей. Например, кольцевая форма ДНК является основой при функционировании молекулы в клетке.